介质移相模块及其移相单元、馈电网络和天线的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种馈电网络，其采用介质移相模块实现，该模块包括形成夹层空间的介质装置、并排设置于该夹层空间的第一导体和第二导体，以及居于夹层空间外以不同位置分别与第一导体和第二导体同侧的一端接触连接的第三导体，第一导体另一端被定义为输入端，第二导体另一端与第三导体的任意一端均被定义为输出端；所述介质装置被配置为在外力作用下可沿所述第一导体和第二导体的纵长方向滑动以改变从所述输入端馈入且从所述输出端馈出的信号的相位。两个介质移相模块可以构成一个移相单元。本实用新型的介质移相模块变化多端，由此构成的移相单元及馈电网络，其结构简单紧凑且易于装配，并且，由此获得的电气性能也较佳。
【专利说明】介质移相模块及其移相单元、馈电网络和天线
【【技术领域】】
[0001]本实用新型涉及天线，尤其涉及天线使用的一种馈电网络，具体涉及其中采用的移相单元，以及该构成该移相单元的介质移相模块。
【【背景技术】】 [0002]电调天线技术是目前移动通信系统中的一个普遍需求，该技术通过移相器适时地改变天线阵列的各个发射元件的相位以便调整某一基站天线的垂直波束指向，从而控制基站的作用范围。移相器一般可以具有将输入信号分配到多个分支输出端口，各个输出端口间的相位差可按一定比例调节。当前移动通信技术的迅速发展，对移相器设计提出了更高的要求，比如良好的宽带匹配特性、占用更小的空间等。很多研究设计人员已经进行了广泛而多样的研究，以得到具有更好性能和更有效结构的移相器。
[0003]在众多的研究和实现本实用新型的过程中， 申请人:发现现有技术存在以下问题:
[0004]US5949303号专利公告通过在曲折形环路的馈电网络I上滑动介质2的方式实现了移相功能，如图1所示，但曲折形环路中包含的支路较多时，由于介质边缘与馈电网络在多个位置相交，不利于减小反射信号及设计具有宽频带响应的部件。同时覆盖于各个支路的介质需同步运动，移相器及传动结构整体的结构可靠性和移相精度则会降低。而CN1547788A号专利公告采用在移相器装置内通过一整块细长介质板的移动而达到移相的目的，其核心思想和US5949303号专利公告相似，采用多个曲折形环路来实现多个端口的相移，除了难以设计具有宽频带响应的部件如工作频率为1710-2690MHZ的超宽频移相器外，位于同一平面内且具有多个端口的移相装置在天线上占用的空间较大，不利于天线的小型化设计。
[0005]US20020030560号专利公告中避免了上述缺点，但其采用两块不同介电常数介质块通过烧结的方式做成圆饼形介质块3，如图2所示，但其制造成本较高，制造效率低，不适合在工业中大批量应用；并且，采用圆饼形介质块，为了移相的需要，必须采用旋转式传动结构。众所周知，旋转式的传动结构比直拉式传动结构要复杂的多，进一步限制了其应用的广泛性。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的一个目的是提供一种结构简单、电气性能良好、易于装配和使用的馈电网络。
[0007]本实用新型的另一目的是提供一种易于实现模块化可选配置的介质移相模块。
[0008]本实用新型的再一目的在于提供一种移相单元，以便于模块化使用前一目的所述的介质移相模块。
[0009]本实用新型是通过如下技术方案实现的:
[0010]本实用新型涉及一种馈电网络，其包括移相单元和功分网络，其中:
[0011]所述移相单元包括至少两个相固定组装的介质移相模块，所述介质移相模块，包括形成夹层空间的介质装置、并排设置于该夹层空间的第一导体和第二导体，以及居于夹层空间外以不同位置分别与第一导体和第二导体同侧的一端接触连接的第三导体，第一导体另一端被定义为输入端，第二导体另一端与第三导体的任意一端均被定义为输出端；所述介质装置被配置为在外力作用下可沿所述第一导体和第二导体的纵长方向滑动以改变从所述输入端馈入且从所述输出端馈出的信号的相位，自第二导体的输出端馈出的信号的相位由该信号流经所述第一导体所产生的相位变化与进入第二导体所产生的相位变化相叠加而得；
[0012]所述功分网络，用于将信号分路给各移相单元中的各介质移相模块的输入端。
[0013]本实用新型涉及一种介质移相模块，其包括形成夹层空间的介质装置、并排设置于该夹层空间内的第一导体和第二导体，以及居于夹层空间外以不同位置分别与第一导体和第二导体同侧的一端接触连接的第三导体，第一导体另一端被定义为输入端，第二导体另一端与第三导体的任意一端均被定义为输出端；所述介质装置被配置为在外力作用下可沿所述第一导体和第二导体的纵长方向滑动以改变从所述输入端馈入且从所述输出端馈出的信号的相位，自第二导体的输出端馈出的信号的相位由该信号流经所述第一导体所产生的相位变化与进入第二导体所产生的相位变化相叠加而得。
[0014]本实用新型涉及一种移相单元，即指前述的移相单元。
[0015]本实用新型涉及一种天线，其包括若干信号发射元件和如前所述的馈电网络。
[0016]与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下:
[0017]首先，通过将第一导体和第二导体设置在介质装置所提供的夹层空间内，而将第三导体设置在夹层空间外侧，这样允许借助介质装置在第一导体和第二导体的纵长方向上滑动来实现不同的移相效果。由于信号输入端口定义在第一导体的一端，而信号输出端口定义在第二导体一端和第三导体一端，故而，同等介质条件下，从第二导体上输出的信号的相位变化量将两倍于在第三导体上输出的信号的相位变化量，形成差分相位关系。进一步，借助改变第一导体和/或第二导 体对应位置上的介质装置的介质内容还可改进这种相位差的幅度，可见，本实用新型仅仅以一个简单的基本结构，便巧妙地实现了具有差分移相功能的介质移相模块，而且，其简单的结构足以保证其具有结构稳定、宽频匹配效果佳、空间占用小且易于装配和应用等优点。
[0018]其次，由于本实用新型的介质移相模块具有了以上的优点，可以采用两个这样的介质移相模块作为一个移相单元进行使用，进一步利用一个或多个这样的移相单元与功分网络组合使用，可以变化处具有不同差分移相效果的馈电网络，从而使其适用于各种不同的场合，进一步突显本实用新型的介质移相模块在装配和应用中的灵活性。
[0019]再者，在馈电网络中，可以通过调整同一移相单元中的两个介质移相模块的组装关系，而令两个介质移相模块的介质装置实施同向或者反向的滑动，实现不同的移相效果，从而，使用户得到需要的移相量。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0020]图1是对应于US5949303号专利公告中揭不的移相技术的一种移相装置的原理不意图；
[0021]图2是对应于US20020030560号专利公告中揭示的移相技术的一种移相装置的原理示意图；
[0022]图3是本实用新型介质移相模块的原理示意图，其外层的介质装置被局部去除以不出内部结构；
[0023]图4是图3中介质装置未局部去除前的介质移相模块的A-A部分的剖视图；
[0024]图5是基于图4的介质移相模块的改进的平面图，其中，介质装置局部被去除以改变介质内容； [0025]图6是由两个本实用新型的介质移相模块构成的移相单元的截面示图；
[0026]图7是应用本实用新型的介质移相模块的一种馈电网络的原理示意图，其中，各介质移相模块中外层的介质装置被局部去除以示出内部结构，其具有六个信号输出端口 ；
[0027]图8是应用本实用新型的介质移相模块的另一馈电网络的原理示意图，其中，各介质移相模块中外层的介质装置被局部去除以示出内部结构，其具有五个信号输出端口 ；
[0028]图9是应用本实用新型的介质移相模块的再一馈电网络的原理示意图，其中，各介质移相模块中外层的介质装置被局部去除以示出内部结构，其具有十个信号输出端口 ；
[0029]图10是在图3基础上改进的本实用新型的另一介质移相模块的原理示意图，其揭示第三导体可具有曲折设置。
[0030]图11是在图3基础上改进的本实用新型的再一介质移相模块的原理示意图，其第一导体和第二导体被曲折设置；
[0031]图12是利用图11所示的介质移相模块构建而成的一种馈电网络的原理示意图；
[0032]图13是利用图11所示的介质移相模块构建而成的另一馈电网络的原理示意图。
[0033]图14为本实用新型的馈电网络应用于天线中的一个原理示意图。
【【具体实施方式】】
[0034]下面结合附图，对本实用新型实施例进行详细说明。
[0035]请结合图3和图4，本实用新型的介质移相模块1，是一种具有一个信号输入端口81和两个分支的信号输出端口 82、83的基本元件，信号从输入端口 81输入后，被馈送到两个输出端口 82和83，并且在两个输出端口 82和83之间形成相位差。所述介质移相模块I包括介质装置出与6’，下同)、介质支撑装置68、一对金属接地板9与9’以及第一导体41、第二导体42、第三导体43。
[0036]所述介质装置由一对平行且各以一面进行面面相向设置以形成一个夹层空间60的介质板6、6’构成,在所述夹层空间60中可以设置所述各导体41、42、43。当然,介质装置的实现形式不必限定为两个的相分离的介质板，而可以采用一体化的矩形板材，在板材内设置一个矩形的夹层空间60来实现等效的功能，本领域技术人员应当知晓此一变通。本实施例中，介质装置整体呈矩形，以便为夹层空间60提供矩形壁面，同时在其外部侧面也提供平整安装面。
[0037]所述介质支撑装置68以与所述介质装置相同的方式，形成有一夹层空间，具体可由两块夹板构成，夹持所述第三导体43。将介质支撑装置68予以固定，并由介质支撑装置68将第三导体43连同第一导体41和第二导体42予以固定支撑。未设置介质支撑装置68时，第三导体43与第二导体42连接处为两支路并联位置，此处阻抗偏小，导体宽度较大，增加介质支撑装置68后，保持阻抗不变的情况下可使导体宽度缩小，节省空间。应当指出的是，介质支撑装置68作为优化条件而非必要条件，并不影响本实用新型的实现。
[0038]所述的一对金属接地板9、9’，适应所述介质装置的两个外表面设置，刚好贴合在介质装置所提供的一对平整安装面上，因而，该对金属接地板9、9’也呈各以一面相向的方式相平行组装，由此，该对金属接地板9、9’在外部套设所述介质装置的两个介质板6、6’，两个介质板6、6’藉由所形成的夹层空间60容置所述各导体41、42、43同時又形成对第一导体41和第二导体42的套设。
[0039]所述的各导体41、42、43，本实施例中均采用带状传输线实现，与平行于各导体41、42、43形成的传输面的两金属接地板9、9’共同组成带状传输线结构，其射频信号按照准TEM模传播，各导体41、42、43既可以在导体板材(如一定厚度的黄铜板)上通过冲压或线切割而成，也可以印刷在PCB上。本实用新型中，经本 申请人:精心设计，各导体41、42、43能形成独特的移相效果。各导体41、42、43中，第一导体41和第二导体42各以一侧边相平行地并排在夹层空间60内部，使得介质装置可以沿第一导体41和第二导体42的纵长方向做直线往返滑动操作，本实施例中，第一导体41和第二导体42被设计为具有相等的长度，允许存在本领域技术人员所熟知的合理的物理误差；第三导体43居于夹层空间60外围且处于第一导体41和第二导体42的同侧的各一端处，其中第一导体41的一端(非自由端)与第三导体43的一端(非自由端)接触连接，而第二导体42的相应一端(非自由端)则与第三导体43的中部 接触连接。当然，第二导体42、第一导体41与所述第三导体43的具体接触连接点并不受本实施例所限定，可以灵活移位。由此，第一导体41的自由端(未连接的一端，下同)被定义为信号输入端口 81以接受信号的馈入，而第二导体42的自由端以及第三导体43的自由端则被定义为信号输出端口 82、83。为后续说明的便利，定义介质装置从第一导体41和第二导体42的非自由端向自由端的滑动为正向滑动(与信号在第二导体42上的传输方向相同)，定义介质装置从第一导体41和第二导体42的自由端向非自由端的滑动为反向滑动(与信号在第一导体41上的传输方向相同),可见,介质装置的滑动基本上被局限在所述第一导体和第二导体的纵长方向上。以下详细分析本实用新型的介质移相模块I的工作原理:
[0040]设有长度为L的传输线，在其处于空气介质填充时，电长度为Q1 = SJiL/λ，而处于介电常数为的介质填充时，电长度为= In^rLjX，两者的差值为
λ为信号的工作波长。一旦介质装置的介质板6、6’在馈电网络上滑动，其L值发生变化，进而Λ Θ随之线性变化，达到移相的目的。需要进一步指出的是，其它条件不变的情况下，介电常数ε r的值越大，其移相量相对越大。
[0041]对于同一传输路径，若当介电常数为ε 的介质板6、6’移动L长度时,在信号输出端口得到-Λ Θ的移相量，此时若需得到-2 Λ Θ的分量(负号代表射频信号相位的延迟)，可将移动范围扩大为2L，或改变介质板6、6’的介电常数至L2，并且L1和、2对应的关系为:
?^7-1 I
[0042]~ =-
λ/^7-1 2
[0043]SP:~=(:% +1)2
2ο[0044]上述为射频信号的基本原理，但当信号系统具有多个信号输出端口时，仅通过介电常数实现各端口间相位的阶梯变化需要多种材料或复杂的加工工艺，难以实现大规模生产。
[0045]为降低实现难度和成本，本实用新型的介质移相模块I采取了较为简易的结构，提供信号输入端口 81的第一导体41的连接长度为L0，信号完成在第一导体41的传输后，进入第三导体43，在第三导体43与第二导体42的接触连接点处进入由第二导体42和第三导体43共同构成的一分二功分电路,一路直接经第三导体43构成的支路传输到信号输出端口 83，另一路通过长度为LI的第二导体42到达信号输出端口 82。根据以上设置和电气原理，本实用新型提供如下方式实现对介质移相模块I的移相调整:
[0046]1、改变介电常数为ε r2时,介质装置滑动距离为L后,此时从信号输入端口 81到输出端口 82的路径出现了两段行程为L的介质移动，均形成-2 △ Θ的相位变化，由此，输出端口 83得到-2 Δ Θ的移相量，输出端口 82得到-4 Δ Θ的移相量；
[0047]2、结合图5,设第一导体41对应位置处的介质板6、6’的介质内容(介质+空气)被改变，如介质板6、6’相应位置处被局部去除，由此,介电常数为ε rl的介质(对应第一导体41处)在LO上滑动距离为L，同时介电常数为ε r2的介质(对应第二导体42处)在LI上滑动相同距离，此时从信号输入端口 81到输出端口 82的路径出现了两段行程为L的介质移动，分别形成-Λ Θ和-2Λ Θ的相位变化，其中输出端口 83得到-Λ Θ的移相量，输出端口 82得到-3 Λ Θ的移相量；
[0048]3、不改变介质装置的介质内容，保留既有的介电常数。介电常数为￡^的介质沿第一导体41和第二导体42滑动距离为L，此时从输入端口 81到输出端口 82的路径出现了两段行程为L的介质移动，均形成-Λ Θ的相位变化，输出端口 83得到-Λ Θ的移相量，输出端口 82得到-2 Δ Θ的移相量；
[0049]综合以上涉及的三 种情况，本实用新型的介质移相模块I作为一个基础构件，适于使用符合两种介电常数的介质和三端口馈电网络设计。可以看出，三端口网络设计可实现从-Λ Θ到-4Λ Θ的多种相位变化，通过多种网络的组合使用，可对具有2~9个输出端口的网络提供连续的阶梯相位变化。
[0050]为了进一步降低设计对材料的要求和生产成本，可通过以下方法实现如图5所示结构，使介质装置在对应于不同导体的位置处(图中垂直方向上相对应处)呈现不同的介电常数:把一块具有ε r2的介质板6、6’分成对应于第一导体41和第二导体42的两个区域，其中，对应于第二导体42的区域介质板6、6’不做任何加工，其构成带状线的整个填充介质；对应于第一导体41的整个区域采用在厚度纬度上切割的方式，带状线的填充介质为空
气+介质混合物。为了在第二导体42的对应区域中得到等效的介电常数
【权利要求】
1.一种馈电网络，其特征在于，其包括移相单元和功分网络，其中: 所述移相单元包括至少两个相固定组装的介质移相模块，每个所述介质移相模块，包括形成夹层空间的介质装置、并排设置于该夹层空间的第一导体和第二导体，以及居于夹层空间外以不同位置分别与第一导体和第二导体同侧的一端接触连接的第三导体，第一导体另一端被定义为输入端，第二导体另一端与第三导体的任意一端均被定义为输出端；所述介质装置被配置为在外力作用下可沿所述第一导体和第二导体的纵长方向滑动以改变从所述输入端馈入且从所述输出端馈出的信号的相位，自第二导体的输出端馈出的信号的相位由该信号流经所述第一导体所产生的相位变化与进入第二导体所产生的相位变化相叠加而得； 所述功分网络，用于将信号分路给移相单元中的各介质移相模块的输入端。
2.根据权利要求1所述的馈电网络，其特征在于，所述第三导体中，与其输出端相对的另一端与所述第一导体接触连接，第三导体的中部与所述第二导体接触连接。
3.根据权利要求1或2所述的馈电网络，其特征在于，所述第一导体与第二导体等长且相平行设置。
4.根据权利要求1所述的馈电网络，其特征在于，所述第一导体被相对于其自身曲折设置以使其输入端露出所述介质装置之外；所述第二导体被相对于其自身曲折设置以使其输出端露出所述介质装置之外。
5.根据权利要求1或4所述的馈电网络，其特征在于，所述第三导体被曲折设置。
6.根据权利要求1所述的馈电网络，其特征在于:所述介质装置包括一对面面相向且相平行设置以形成所述夹层空间的介质板。
7.根据权利要求6所述的馈电网络，其特征在于，所述一对介质板的外侧面均设置有金属接地板，该对金属接地板相平行且面面相向。
8.根据权利要求1所述的馈电网络，其特征在于，同一移相单元中的各介质移相模块的介质装置被配置为同步联动设置，其中部分介质移相模块的介质装置的滑动导致其余介质移相模块的介质装置的同步滑动。
9.根据权利要求8所述的馈电网络，其特征在于，同一移相单元中的各介质移相模块的介质装置被配置为所有介质移相模块同时沿所述第一导体和第二导体的纵长方向的正向或反向同步联动设置。
10.根据权利要求8所述的馈电网络，其特征在于，同一移相单元中的各介质移相模块的介质装置被配置为部分介质移相装置与其余介质移相装置同时沿所述第一导体和第二导体的纵长方向的彼此相反的方向同步联动设置。
11.根据权利要求8所述的馈电网络，其特征在于，所述各个介质移相模块以其各自的夹层空间相平行叠装相固定。
12.根据权利要求11所述的馈电网络，其特征在于，所述相叠装的介质移相模块中每相邻的两个，其彼此相向的一面共用同一金属接地板。
13.根据权利要求11所述的馈电网络，其特征在于，部分介质移相模块的第三导体和其余的介质移相模块的第三导体，分别居于所述介质装置的滑动路径的两侧。
14.根据权利要求11所述的馈电网络，其特征在于，部分介质移相模块的第三导体和其余的介质移相模块的第三导体，均居于所述介质装置的滑动路径的同一侧。
15.根据权利要求10所述的馈电网络，其特征在于:该馈电网络包括两副所述的移相单元，而且每个移相单元仅包括两个介质移相模块，两副移相单元被配置为，当其中一个移相单元的两个介质移相模块的介质装置均所述第一导体和第二导体的纵长方向的正向滑动时，带动另外一个移相单元的两个介质移相模块的介质装置进行反向的同步滑动。
16.根据权利要求1至15中任意一项所述的馈电网络，其特征在于:任意一个所述的介质移相模块中的介质装置，其位置上与第一导体或第二导体相对应处被局部去除。
17.根据权利要求1至15中任意一项所述的馈电网络，其特征在于，所述功分网络向各个介质移相模块提供的信号输入端口馈入的信号的相位相同。
18.根据权利要求1至15中任意一项所述馈电网络，其特征在于，所述移相单元仅包括两个介质移相模块。
19.根据权利要求1至15中任意一项所述的馈电网络，其特征在于，该介质移相模块还包括介质支撑装置，该介质支撑装置形成有夹层空间以套设所述第三导体并将之固定支撑。
20.一种介质移相模块，其特征在于，其包括形成夹层空间的介质装置、并排设置于该夹层空间内的第一导体和第二导体，以及居于夹层空间外以不同位置分别与第一导体和第二导体同侧的一端接触连接的第三导体，第一导体另一端被定义为输入端，第二导体另一端与第三导体的任意一端均被定义为输出端；所述介质装置被配置为在外力作用下可沿所述第一导体和第二导体的纵长方向滑动以改变从所述输入端馈入且从所述输出端馈出的信号的相位，自第二导体的输出端馈出的信号的相位由该信号流经所述第一导体所产生的相位变化与进入第二导体所产生的相位变化相叠加而得。
21.根据权利要求20所述的介质移相模块，其特征在于，所述第三导体中，与其输出端相对的另一端与所述第一导体接触连接，第三导体的中部与所述第二导体接触连接。
22.根据权利要求20或21所述的介质移相模块，其特征在于，所述第一导体与第二导体等长且相平行设置。
23.根据权利要求20所述的介质移相模块，其特征在于，所述第一导体/第二导体被相对于其自身曲折设置以使其输入端/输出端露出所述介质装置之外。
24.根据权利要求20或23所述的介质移相模块，其特征在于，所述第三导体被曲折设置。
25.根据权利要求20所述的介质移相模块，其特征在于，所述介质装置包括一对面面相向且相平行设置以形成所述夹层空间的介质板。
26.根据权利要求25所述的介质移相模块，其特征在于，所述一对介质板的外侧面均设置有金属接地板，该对金属接地板相平行且面面相向。
27.根据权利要求20至26中任意一项所述的介质移相模块，其特征在于，所述第一导体、第二导体、第三导体均呈扁平带状。
28.根据权利要求20至26中任意一项所述的介质移相模块，其特征在于，所述介质装置，其位置上与第一导体或第二导体相对应处被局部去除。
29.根据权利要求20至26中任意一项所述的介质移相模块，其特征在于，该介质移相模块还包括介质支撑装置，该介质支撑装置形成有夹层空间以套设所述第三导体并将之固定支撑。
30.一种移相单元，其特征在于，其为如权利要求1至19中任意一项所述的移相单元。
31.一种天线，其特征在于，其包括若干信号发射元件、如权利要求1至19中任意一项所述的馈电网络，所述馈电网络为各个信号发射元件馈电。
【文档编号】H01Q3/32GK203415686SQ201320065230
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年2月4日 优先权日:2013年2月4日
【发明者】曹明, 刘培涛, 孙善球 申请人:京信通信系统（中国）有限公司