一种用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器，通过一个小型化的功分移相器能够实现一个输入、四个功率等分且相位依次相差90度的输出，其中输入端口在模块底部，为平行双线结构，同时给对称的两个带状线耦合单元馈电，输入信号功率等分且相位相差180度。结构对称、功率等分的两个带状线耦合单元的直通端口和耦合端口分别通过金属导线和LTCC多层基板侧面的4个输出端口电极相连。本发明极大的减少了电路所占用的面积；为了进一步减小所占用的体积并满足性能要求，提高了功分移相器的集成度和可靠性，其带宽宽，其工作频带为1.0～2.0GHz，可以适应不同频率应用下的四臂螺旋天线。
【专利说明】-种用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器
【技术领域】
[0001] 本发明属于天线馈电【技术领域】，涉及一种用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器。
【背景技术】
[0002] 卫星导航系统发展迅速，广泛应用于导航、通信、测绘、授时、检测等多种领域，在 日常生活和经济建设中发挥着重要作用。四臂螺旋天线以其具有的心型方向图、良好的前 后比和优良的广角圆极化等特性在卫星通讯领域中的到了广泛的应用。四臂螺旋天线T/R 组件的性能直接影响到整个导航通讯设备的工作质量；其中四臂螺旋天线馈电网络作为天 线T/R组件的关键部分，它的性能又是影响T/R组件性能的主要因素，因此如何改善四臂螺 旋天线的馈电网络成为了一个研究热点。
[0003] 四臂螺旋天线的馈电网络需要实现四个输出端口功率等分且相位依次相差90度 (例如〇度、90度、180度、270度）的功能；馈电网络四个输出端口功率大小关系及相位差 的精度直接影响四臂螺旋天线的辐射特性。四臂螺旋天线T/R组件主要用在卫星通讯系统 和卫星导航设备上；如今，手持导航通讯设备越来越追求小巧和轻便；如何有效地减小四 臂螺旋天线T/R组件馈电网络的体积、占用面积同时能保证馈电网络工作性能的可靠性； 对于这些设备的体积小型化和使用便捷化具有重要的实用意义。而现有的大部分馈电网络 具有结构复杂，体积大，精度不高，可靠性差等缺点。
[0004] 以下介绍了几种已经公开的四臂螺旋天线馈电网络设计方法。
[0005] 2001 年 0· Leisten, J. C. Vardaxoglou 等人发表的文章 "Miniaturised dielectrically-loaded quadr i f i1ar antenna for global positioning system (GPS)，"（Electron. Lett.，vol. 37, no. 22, Oct. 2001，pp. 1321-1322)中介绍了 一种 通过自相移法获得正交馈电的四臂螺旋天线馈电网络，实现了天线的小型化；但是采用这 种馈电结构的天线，其辐射方向图的圆极化、轴比带宽窄而且四条螺旋臂输入信号的90度 相位差难以精确调节；对工艺要求较高。
[0006] 在申请号为201120363078. 1，名称为"一种四臂螺旋天线的功分相移阻抗变换馈 电网络"的中国专利中介绍了一种层叠式的馈电网络结构。这本馈电网络包括上层微带介 质板、下层微带介质板以及由上层微带介质板和下层微带介质板相接触的一面形成的中间 共地板；下层微带介质板上设有威尔金森功分器和相位变换网络；上层微带介质板上设有 直线渐变型阻抗变换网络；功分相移阻抗变换网络和直线渐变型阻抗变换网络通过过孔进 行连接。这种馈电网络所占空间比较大，不利于四臂螺旋天线T/R组件的小型化；而且用了 三个威尔金森功分器实现功分和移相功能，这导致了整体馈电结构复杂和损耗较大。
[0007] 除此之外还有一些馈电网络结构被报道，这些馈电网络的尺寸普遍较大，不利于 天线收发组件的小型化。
【发明内容】
[0008] 本发明解决的问题在于提供一种用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器，这种功分 移相器不仅体积与一般的馈电网络相比大大减小，同时展宽了四臂螺旋天线的工作带宽和 圆极化带宽。
[0009] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0010] 一种用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器，包括相叠合的多层介质基板层，在底 层介质基板层下表面设有底层金属地和一个输入端口，在第η层介质基板层的上表面设有 中间金属地，以及两个相对设置并分别与底层金属地相连接的电阻，在该介质基板层的侧 面设有四个相对分布的输出端口；第X层、第y层介质基板层为第η层介质基板层与顶层介 质基板层之间的两个相邻层，在第X层、第y层上均设有两个相对称的耦合折叠线，上下层 相同侧的耦合折叠线相耦合，分别构成耦合单元；顶层介质基板层上设有顶层金属地； [0011] 底层金属地、中间金属地、顶层金属地分别通过贯穿介质基板层的金属柱相连 接；
[0012] 输入端口包括两个馈电点，分别连接功率等分、相位相差180度的输入信号；馈电 点之一通过贯穿介质基板层的金属柱与耦合单元之一的输入端口相连接；
[0013] 耦合单元的耦合端口、直通端口分别连接一个不同的输出端口，其中两个耦合单 元的耦合端口分别与第η层相对分布的输出端口之一相连接，两个耦合单元的直通端口分 别与第η层相对分布的输出端口之一相连接；耦合单元的隔离端口分别连接第η层设置的 电阻之一；
[0014] 耦合单元的耦合端口输出信号相位与输入端口信号相位相等，直通端口输出信号 相位滞后输入端口信号相位90度。
[0015] 所述的顶层金属地的两端分别开设有相对称的缺口，在缺口与顶层金属地的中心 之间均开设有相对称的缝隙；调节缝隙和缺口长宽实现对耦合单元耦合度的微调。
[0016] 所述的耦合单元包括相耦合的上耦合线和下耦合线，上耦合线和下耦合线的折叠 方式相同且平行等宽，其中两条相对称的下耦合线设置在第X层介质基板层的上表面，两 条相对称的上耦合线设置在第y层介质基板层的上表面，分别构成相对称的第一带状线耦 合单元和第二带状线耦合单元。
[0017] 所述的下耦合线从输入端口起盘旋向内折叠至直通端口，其中折叠转角为90度， 折叠边的长度从外圈到内圈逐渐减小，折叠边之间的距离从外圈到内圈逐渐减小；
[0018] 所述的上耦合线从耦合端口起盘旋向内折叠至隔离端口，其中折叠转角为90度， 折叠边的长度从外圈到内圈逐渐减小，折叠边之间的距离从外圈到内圈逐渐减小。
[0019] 所述耦合单元的输入端口、耦合端口、直通端口、隔离端口分别通过通孔金属柱连 接下一层的连接金属带；与耦合单元的输入端口相连接的连接金属带通过通孔金属柱与设 置在底层介质基板层的输入端口相连接；与耦合端口、直通端口相连接的连接金属带通过 通孔金属柱与设置在第η层的输出端口之一相连接；与隔离端口相连接的连接金属带通过 通孔金属柱与设置在第η层的电阻相连接。
[0020] 所述的电阻对称的设置在中间金属地的两端，其电阻值均为50欧姆，电阻通过通 孔金属柱连接到底层金属地上；
[0021] 所述的输入端口包括两个焊盘，其中一个焊盘连接同轴电缆内导体，另外一个连 接同轴电缆外导体。
[0022] 所述的构成耦合单元的耦合线的宽度W、上下两层耦合单元的垂直间距S、中层金 属地与顶层金属地之间的距离b决定了耦合单元的耦合度c和特性阻抗4，耦合单元的耦 合线长度L决定了耦合单元两输出信号的相位差；W、S、b的尺寸由功分移相器所需耦合单 元的耦合度c及特性阻抗4得出。[0023] 所述W、S、b的尺寸的确定为：
【权利要求】
1. 一种用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器，其特征在于，包括相叠合的多层介质基 板层，在底层介质基板层下表面设有底层金属地和一个输入端口，在第η层介质基板层的 上表面设有中间金属地，以及两个相对设置并分别与底层金属地相连接的电阻，在该介质 基板层的侧面设有四个相对分布的输出端口；第X层、第y层介质基板层为第η层介质基板 层与顶层介质基板层之间的两个相邻层，在第X层、第y层上均设有两个相对称的耦合折叠 线，上下层相同侧的耦合折叠线相耦合，分别构成耦合单元；顶层介质基板层上设有顶层金 属地； 底层金属地、中间金属地、顶层金属地分别通过贯穿介质基板层的金属柱相连接； 输入端口包括两个馈电点，分别连接功率等分、相位相差180度的输入信号；馈电点之 一通过贯穿介质基板层的金属柱与耦合单元之一的输入端口相连接； 耦合单元的耦合端口、直通端口分别连接一个不同的输出端口，其中两个耦合单元的 耦合端口分别与第η层相对分布的输出端口之一相连接，两个耦合单元的直通端口分别与 第η层相对分布的输出端口之一相连接；耦合单元的隔离端口分别连接第η层设置的电阻 之一； 耦合单元的耦合端口输出信号相位与输入端口信号相位相等，直通端口输出信号相位 滞后输入端口信号相位90度。
2. 如权利要求1所述的用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器，其特征在于，所述的顶 层金属地的两端分别开设有相对称的缺口，在缺口与顶层金属地的中心之间均开设有相对 称的缝隙；调节缝隙和缺口长宽实现对耦合单元耦合度的微调。
3. 如权利要求1所述的用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器，其特征在于，所述的耦 合单元包括相耦合的上耦合线和下耦合线，上耦合线和下耦合线的折叠方式相同且平行等 宽，其中两条相对称的下耦合线设置在第X层介质基板层的上表面，两条相对称的上耦合 线设置在第y层介质基板层的上表面，分别构成相对称的第一带状线耦合单元和第二带状 线奉禹合单元。
4. 如权利要求1或3所述的用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器，其特征在于，所述的 下耦合线从输入端口起盘旋向内折叠至直通端口，其中折叠转角为90度，折叠边的长度从 外圈到内圈逐渐减小，折叠边之间的距离从外圈到内圈逐渐减小； 所述的上耦合线从耦合端口起盘旋向内折叠至隔离端口，其中折叠转角为90度，折叠 边的长度从外圈到内圈逐渐减小，折叠边之间的距离从外圈到内圈逐渐减小。
5. 如权利要求4所述的用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器，其特征在于，耦合单元 的输入端口、耦合端口、直通端口、隔离端口分别通过通孔金属柱连接下一层的连接金属 带；与耦合单元的输入端口相连接的连接金属带通过通孔金属柱与设置在底层介质基板层 的输入端口相连接；与耦合端口、直通端口相连接的连接金属带通过通孔金属柱与设置在 第η层的输出端口之一相连接；与隔离端口相连接的连接金属带通过通孔金属柱与设置在 第η层的电阻相连接。
6. 如权利要求1所述的用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器，其特征在于，所述的电 阻对称的设置在中间金属地的两端，其电阻值均为50欧姆，电阻通过通孔金属柱连接到底 层金属地上； 所述的输入端口包括两个焊盘，其中一个焊盘连接同轴电缆内导体，另外一个连接同 轴电缆外导体。
7.如权利要求1所述的用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器，其特征在于，所述的构 成耦合单元的耦合线的宽度W、上下两层耦合单元的垂直间距S、中层金属地与顶层金属地 之间的距离b决定了耦合单元的耦合度C和特性阻抗4，耦合单元的耦合线长度L决定了 耦合单元两输出信号的相位差；W、S、b的尺寸由功分移相器所需耦合单元的耦合度C及特 性阻抗4得出。
I为偶模特征阻抗；4。为奇模特征阻抗；k为耦合系数。
9. 如权利要求8所述的用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器，其特征在于，对W、S、b 的尺寸优化为： 耦合线宽W为1. 5?2倍层介质基板层厚度，上下两层耦合单元的垂直间距S为一层 陶瓷基板厚度，中层金属地与顶层金属地之间的距离b为7倍层介质基板层厚度；耦合区带 状线长度L为四分之一中心频率波长。
10. 如权利要求1或8所述的用于四臂螺旋天线馈电的功分移相器，其特征在于，所述 的介质基板层共12层，其中第1层、第5层、第12层介质基板层分别设有底层金属地、中层 金属地和顶层金属地； 第8层、第9层介质基板层分别设有两个相对称的耦合折叠线，上下层相同侧的耦合折 叠线相耦合，分别构成耦合单元； 第7层介质基板层上设有过渡金属带，过渡金属带一端通过通孔金属柱与耦合单元的 端口之一连接，另一端通过通孔金属柱连接输入端口、输出端口或电阻； 第5层介质基板层上设有输出端口和分布在中层金属地两端的电阻，输出端口分别分 布在介质基板层侧壁开设的凹槽内，凹槽沿介质基板层周向均勻分布，其余介质基板层上 也设有相应的凹槽； 第1层介质基板层上设有底层金属地和输入端口。
【文档编号】H01P1/18GK104051822SQ201410230881
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】侯建强, 史凯运, 雷永亮, 闫耀峰, 党帅, 王黎莹, 霍云峰, 张江涛, 张玉, 赵勋旺 申请人:西安电子科技大学