一种多路差分移相器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种多路差分移相器，其结构包括从上至下依次排布的三层结构，其中，第一层为设有参考线和延迟线的基本单元，第二层为基板，第三层为金属地层。通过改变延迟线加载枝节的位置可以轻松实现参考线和延迟线相位斜率的一致性，从而保证延迟线和参考线在宽带上具有恒定的相位差。相比于传统的多路差分移相器，本发明结构简单，易于设计，可用在相控天线阵、波束成形网络等通信系统中。
【专利说明】
一种多路差分移相器
技术领域
[0001] 本发明涉及微波、毫米波通信中使用的差分移相器，特别涉及一种在多路通信应 用中同时实现多种相位输出的微带差分移相器。
【背景技术】
[0002] 差分移相器是广泛应用于微波通信、雷达和测量系统的一种无源器件。其结构通 常包括参考线和延迟线，两个路径在一定带宽上可以保持恒定的相位差，从而在保持信号 幅度特性不变的情况下实现不同的相位输出。
[0003] 目前实现差分移相器的方法主要有以下几种： 一、基于经典的SchifTman结构构造宽带差分移相器。SchifTman结构的参考线通常是 50 Ω传输线，延迟线为一边相连的耦合线结构。基于该结构进行改进通常可以在较宽的带 宽上实现较大的角度范围。
[0004] 二、通过加载并联开路/短路枝节构造宽带差分移相器。其方法是在延迟线上加载 并联开路/短路枝节，使其相位输出斜率与参考线一致。
[0005] 三、基于親合线结构构造宽带差分移相器。如Amin M. Abbosh通过互相親合的椭 圆微带贴片构造宽带差分移相器。
[0006] 然而，以上提出的结构面临一个共同的缺点：在多路多相位应用环境中，针对不同 的输出相位差，移相器的参考线每次都必须进行修改以符合要求，这极大地限制了器件的 通用性，并且需要复杂的级联网络才能实现，而电路网络的增多又会导致电路回波损耗的 增大和尺寸的增加，致使电路性能下降。
[0007]针对该缺点，最近有相关发明提出了设计统一参考线结构的差分移相器设计方 法，然而该发明没有明确给出设计变量和需要的差分相位之间的关系，导致设计复杂，通用 性不尚。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于克服上述现有技术结构中存在的不足，而提供一种结构简单， 设计方法简便，可以明确给出设计变量和需要的差分相位之间的关系，能同时实现多个差 分相位且具有通用参考线结构的多路宽带差分移相器。
[0009] 为了实现上述目的，本发明的技术方案为： 一种多路差分移相器，包括从上至下依次排布的三层结构，其中，第一层为设有延迟线 和参考线的基本单元，第二层为基板，第三层为金属地层； 所述延迟线由三段级联的第一传输线、第二传输线、第三传输线和加载于第二传输线 两侧的六个枝节构成，分别为第一枝节、第二枝节、第三枝节、第四枝节、第五枝节、第六枝 节;其中第一枝节、第二枝节、第三枝节加载在第二传输线一侧，第四枝节、第五枝节、第六 枝节加载在第二传输线另一侧;六个枝节是平行加载在第二传输线的两侧； 第二传输线长度为中心频率对应波长的二分之一，第一传输线和第一传输线为50 Ω 传输线，拼接于第二传输线两端，且其长度相等;六个平行枝节长度为中心频率对应波长的 八分之一，在第二传输线两侧两两对称分布，其中第一枝节和第四枝节对称，第二枝节和第 五枝节对称，第三枝节和第六枝节对称，对称分布的两个枝节结构完全一致。
[0010]优选的，第四枝节、第五枝节、第六枝节一端连接第二传输线，另一端通过金属过 孔A1、A2、A3接地。
[0011] 优选的，六个平行枝节在第二传输线的加载位置由需要的差分相位进行计算。
[0012] 优选的，所述参考线由三段级联的传输线I、传输线Π 、传输线m和加载于传输线 Π 两侧的枝节I、枝节Π 构成； 所述传输线Π 长度为中心频率对应波长的二分之一，所述传输线I和传输线ΙΠ 为50 Ω 传输线，拼接于传输线Π 两端，且其长度相等;所述枝节I、枝节Π 长度为中心频率对应波长 的八分之一，位于传输线π的中心并在其两侧呈对称分布，且其结构完全一致。
[0013] 优选的，所述枝节Π -端连接传输线Π ，另一端通过金属过孔Bl接地。
[0014] 优选的，所述基本单元采用贴片工艺固定在基板上，基板为介质材料基板，介质材 料采用厚度为0.813mm的R04003C材料，其介电常数为3.38。
[0015]优选的，所述金属地层为铺满良导体的金属地层。
[0016]优选的，所述移相器的相位角输出范围为0°-180°。
[0017] 优选的，所述移相器的相位角输出为45°、60°、75°、90°、105°、120°和135°，即移相 器能在任意工作频率上实现45°、60°、75°、90°、105°、120°和135°相位输出，也可以根据实 际需要实现0°_180°的其它相位角。具体是本发明的移相器一组共八个，分别为参考线，45° 延迟线，60°延迟线，75°延迟线，90°延迟线，105°延迟线，120°延迟线和135°延迟线，可在 56%的相对带宽上同时实现45°、60°、75°、90°、105°、120°和135°差分相位。
[0018] -种多路差分移相器的设计方法，首先，根据所需中心频率以及相关设计公式确 定延迟线第二段传输线，参考线三段传输线以及所有加载枝节的长度和宽度;之后固定以 上参数，根据所需要的差分相位，确定每个差分相位对应的延迟线上加载枝节的位置和延 迟线第一、第二段传输线的长度。
[0019] 与现有技术相比，本发明中所采用的多路多相位差分移相器，具有以下有益效果： 1、具有通用的参考线结构，参考线不需要根据需要的相位输出做出调整，在多路多相位应 用上，具有更低的设计复杂度;2、明确给出了设计变量和需要的差分相位之间的关系，设计 简便;3、仅需要改变加载枝节的位置和延迟线第一、第三段传输线的长度就可以实现不同 的相位输出，通用性强;4、尺寸小，可实现小型化，易于集成;5、使用平面微带结构，结构简 单，成本低;6、相对于别的结构而言，本发明能提供较宽的相对带宽;7、可同时实现的相位 角度范围广。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明实施例侧面结构示意图。
[0021 ]图2为本发明实施例第一层延迟线上层贴片整体结构示意图。
[0022] 图3为本发明实施例第一层参考线上层贴片整体结构示意图。
[0023] 图4为本发明实施例幅度响应仿真和测量结果对比图。
[0024] 图5为本发明实施例相位响应仿真和测量结果对比图。
[0025]
【具体实施方式】
[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例所采用的技术方案进行清 晰、详细的说明，所描述的实施例仅仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他 实施例，都属于本发明实施例的保护范围。
[0027]结合图1至图3所示，一种多路差分移相器，包括从上至下依次排布的三层结构，其 中，第一层为设有延迟线200和参考线300的基本单元101，第二层为基板102,第三层为金属 地层103; 所述延迟线200由三段级联的第一传输线201、第二传输线202、第三传输线203和加载 于第二传输线202两侧的六个枝节构成，分别为第一枝节204、第二枝节205、第三枝节206、 第四枝节206、第五枝节207、第六枝节208;其中第一枝节204、第二枝节205、第三枝节206加 载在第二传输线202-侧，第四枝节206、第五枝节207、第六枝节208加载在第二传输线202 另一侧;六个枝节是平行加载在第二传输线202的两侧； 第二传输线202长度为中心频率对应波长的二分之一，宽度为Wml，第一传输线201和第 一传输线203为50 Ω传输线，拼接于第二传输线202两端，且其长度相等，长度均为Ldelay， 宽度均为W0;六个平行枝节长度Ls为中心频率对应波长的八分之一，在第二传输线202两侧 两两对称分布，其中第一枝节204和第四枝节207对称，第二枝节205和第五枝节208对称，第 三枝节206和第六枝节209对称，对称分布的两个枝节结构完全一致。
[0028]第四枝节207、第五枝节208、第六枝节209-端连接第二传输线202，另一端分别通 过三个金属过孔Al、A2、A3接地，金属过孔半径为RV。
[0029] 六个平行枝节在第二传输线202的加载位置(加载位置不同将导致参数Lml，Lm2变 化）由需要的差分相位进行计算。
[0030] 参考线300由三段级联的传输线1301、传输线Π 302、传输线ΙΠ 303和加载于传输线 Π 302两侧的枝节1304、枝节Π 305构成； 传输线Π 302长度为中心频率对应波长的二分之一，宽度为Wm2,传输线1301和传输线 ΙΠ 303为50 Ω传输线，拼接于传输线Π 302两端，且其长度相等，长度均为Lref，宽度均为 WO;枝节1304、枝节Π 305长度Ls为中心频率对应波长的八分之一，位于传输线Π 302的中心 并在其两侧呈对称分布，且其结构完全一致，即宽度Ws3相等;枝节Π 305-端连接传输线Π 302，另一端通过金属过孔Bl接地，金属过孔半径为RV。
[0031] 基本单元101采用贴片工艺固定在基板102上，基板102为介质材料基板，介质材料 采用厚度为〇. 813mm的R04003C材料，其介电常数为3.38。
[0032] 金属地层103为铺满良导体的金属地层。
[0033]所述移相器的相位角输出范围为0°_180° ;在本发明中，移相器的相位角输出为 45°、60°、75°、90°、105°、120°和135°。
[0034] -种多路差分移相器的设计方法:首先，根据所需中心频率(\本例为3.6GHz)以及 相关设计公式确定第二传输线202、传输线1301、传输线Π 302、传输线ΙΠ 303以及所有加载 枝节的长度和宽度;之后固定以上参数，根据所需要的差分相位(本例为45°、60°、75°、90°、 105°、120°和135°)，确定每个差分相位对应的延迟线200上的加载第一枝节204、第二枝节 205、第三枝节206、第四枝节206、第五枝节207、第六枝节208的位置和第一传输线201、第三 传输线203的长度Ldelay。
[0035] 上述各参数见表1所示： 表1
参照图4(本实施例中差分移相器幅度响应仿真和测量结果对比图）。在2.6 GHz到 4.6 GHz频带范围内（相对带宽56%)，其Sll小于-10dB，S21大于-0.7dB。参照图5(本实施例 中差分移相器相位响应仿真和测量结果对比图）。在2.6 GHz到4.6 GHz频带范围内其可 同时实现45° ±2.2°, 60° ±3.9°, 70° ±4.5°, 90° ±6.7°, 105° ±5.6°, 120° ±7°， 135° ±10.2°的差分相位。
[0036]上述图4和图5中结果均在基板材料为R04003C，介电常数为3.38,基板厚度为 0.813_的真实环境下通过网络分析仪测得。通过以上仿真和测试对比图可以发现，仿真和 实测曲线的吻合度较高，表明了本发明的方案切实可行。
[0037] 其中，图4中所标记的英文翻译为：S_parameters(S参数）、Frequency(频率）、 Simulated(仿真）、Measured(测量），图5中所标记的英文翻译为：Simulated(仿真）、 Measured(测量）、Phase difference (Degree )(相位差/度），Frequency (频率）〇
[0038] 以上是对本发明一种多路差分移相器所提供实施例的详细介绍。本文运用了具体 个例对本发明的原理及实施方式进行阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的 方法及其核心思想。
[0039] 对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上 均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1. 一种多路差分移相器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构，其中，第一层 为设有延迟线（200)和参考线（300)的基本单元（101)，第二层为基板（102)，第三层为金属 地层（103); 所述延迟线（200)由三段级联的第一传输线（201)、第二传输线（202)、第三传输线 (203) 和加载于第二传输线（202)两侧的六个枝节构成，分别为第一枝节（204)、第二枝节 (205)、第三枝节（206)、第四枝节（206)、第五枝节（207)、第六枝节（208);其中第一枝节 (204) 、第二枝节(205)、第三枝节(206)加载在第二传输线（202)-侧，第四枝节(206)、第五 枝节(207)、第六枝节(208)加载在第二传输线（202)另一侧;六个枝节是平行加载在第二传 输线(202)的两侧； 第二传输线(202)长度为中心频率对应波长的二分之一，第一传输线(201)和第一传输 线（203)为50 Ω传输线，拼接于第二传输线（202)两端，且其长度相等;六个平行枝节长度 为中心频率对应波长的八分之一，在第二传输线（202)两侧两两对称分布，其中第一枝节 (204)和第四枝节(207)对称，第二枝节(205)和第五枝节(208)对称，第三枝节(206)和第六 枝节(209)对称，对称分布的两个枝节结构完全一致。2. 根据权利要求1所述的多路差分移相器，其特征是，第四枝节(207)、第五枝节（208)、 第六枝节(209)-端连接第二传输线(202)，另一端分别通过三个金属过孔接地。3. 根据权利要求1所述的多路差分移相器，其特征是，六个平行枝节在第二传输线 (202)的加载位置由需要的差分相位进行计算。4. 根据权利要求1所述的多路差分移相器，其特征是，所述参考线（300)由三段级联的 传输线1(301)、传输线Π (302)、传输线ΠΚ303)和加载于传输线Π (302)两侧的枝节I (304)、枝节 Π (305)构成； 所述传输线Π (302)长度为中心频率对应波长的二分之一，所述传输线I (301)和传输 线ΠΚ303)为50 Ω传输线，拼接于传输线Π (302)两端，且其长度相等;所述枝节1(304)、枝 节Π (305)长度为中心频率对应波长的八分之一，位于传输线Π (302)的中心并在其两侧呈 对称分布，且其结构完全一致。5. 根据权利要求4所述的多路差分移相器，其特征是，所述枝节Π (305)-端连接传输 线Π (302)，另一端通过金属过孔B1接地。6. 根据权利要求1所述的多路差分移相器，其特征是，所述基本单元（101)采用贴片工 艺固定在基板（102)上，基板（102)为介质材料基板，介质材料采用厚度为0.813mm的 R04003C材料，其介电常数为3.38。7. 根据权利要求1所述的多路差分移相器，其特征是，所述金属地层（103)为铺满良导 体的金属地层。8. 根据权利要求1所述的多路差分移相器，其特征是，所述移相器的相位角输出范围为 0°-180° 〇9. 根据权利要求1至8任一项所述的多路差分移相器，其特征是，所述移相器的相位角 输出为45°、60°、75°、90°、105°、120° 和 135°。
【文档编号】H01P1/18GK106067578SQ201610416012
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月14日 公开号201610416012.1, CN 106067578 A, CN 106067578A, CN 201610416012, CN-A-106067578, CN106067578 A, CN106067578A, CN201610416012, CN201610416012.1
【发明人】郑少勇, 徐博威
【申请人】中山大学