一种射频移相器的制作方法
本发明涉及相控阵列天线领域，尤其涉及一种射频移相器。
背景技术：
下一代移动通信5g将带来几十甚至上百gbps的通信速率，远超过目前与以往的通信体系。为了实现这一目的，5g不仅利用多个频段的宽带频谱资源，如毫米波频段，也通过大规模天线阵列，通过利用电磁波传输的空间多样性进一步提高信道容量。
在相控阵列天线中，为了实现波束赋性需要对每一个天线单元的相位进行控制，通常是通过模拟移相器的方式实现，模拟移相器一般在射频链路上直接改变射频信号相位，在大规模阵列中，每一路天线都需要一套移相器进行相应相位的控制，导致了整个天线系统结构复杂，成本高且不易控制。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种射频移相器，能够以简单的结构实现对相控阵列天线的相位控制。
本发明提供了一种射频移相器，包括：多段第一传输线、多段第二传输线、多个混频器和多个耦合器；
多段所述第一传输线依次连接构成一母传输线，多段所述第二传输线依次连接构成另一母传输线，且多段所述第一传输线和多段所述第二传输线一一对应；
相邻两段所述第一传输线之间连接有一个所述耦合器，相邻两段所述第二传输线之间连接有一个所述耦合器，两个对应的所述耦合器之间连接有一个所述混频器；
当两路频率不同的输入信号分别在两条所述母传输线上进行传输时，依次排列的多个所述混频器输出一组具有相位梯度的输出信号。
优选地，若所述耦合器不具有相位延时，当两路频率不同的输入信号分别在两条所述母传输线上进行反向传输且每个所述混频器的输出信号的频率取差频分量时，所述相位梯度为：
式中，δls、δlp分别为第一传输线和第二传输线的长度，vp为两路输入信号在传输线中的相速度；
其中，两路传输信号的频率满足以下条件：
ωs＝ωs0+δω
ωp＝ωp0+δω
ωp0-ωs0＝ωrf
式中，ωp、ωs分别为两路输入信号的频率，ωp0、ωs0为预设的两个频率值，ωrf为输出信号的频率。
优选地，若所述耦合器不具有相位延时，当两路频率不同的输入信号分别在两条所述母传输线上进行反向传输且每个所述混频器的输出信号的频率取和频分量时，所述相位梯度为：
式中，δls、δlp分别为第一传输线和第二传输线的长度，vp为两路输入信号在传输线中的相速度；
其中，两路传输信号的频率满足以下条件：
ωs＝ωs0-δω
ωp＝ωp0+δω
ωp0+ωs0＝ωrf
式中，ωp、ωs分别为两路输入信号的频率，ωp0、ωs0为预设的两个频率值，ωrf为输出信号的频率。
优选地，若所述耦合器不具有相位延时，当两路频率不同的输入信号分别在两条所述母传输线上进行同向传输且每个所述混频器的输出信号的频率取差频分量时，所述相位梯度为：
式中，δls、δlp分别为第一传输线和第二传输线的长度，vp为两路输入信号在传输线中的相速度；
其中，两路传输信号的频率满足以下条件：
ωs＝ωs0+δω
ωp＝ωp0+δω
ωp0-ωs0＝ωrf
式中，ωp、ωs分别为两路输入信号的频率，ωp0、ωs0为预设的两个频率值，ωrf为输出信号的频率。
优选地，若所述耦合器不具有相位延时，当两路频率不同的输入信号分别在两条所述母传输线上进行同向传输且每个所述混频器的输出信号的频率取和频分量时，所述相位梯度为：
式中，δls、δlp分别为第一传输线和第二传输线的长度，vp为两路输入信号在传输线中的相速度；
其中，两路传输信号的频率满足以下条件：
ωs＝ωs0-δω
ωp＝ωp0+δω
ωp0+ωs0＝ωrf
式中，ωp、ωs分别为两路输入信号的频率，ωp0、ωs0为预设的两个频率值，ωrf为输出信号的频率。
优选地，若所述耦合器具有相位延时，当两路频率不同的输入信号分别在两条所述母传输线上进行反向传输且每个所述混频器的输出信号的频率取差频分量时，所述相位梯度为：
式中，δls、δlp分别为第一传输线和第二传输线的长度，vp为两路输入信号在传输线中的相速度，ls为第一传输线连接的耦合器的等效长度，lp为第二传输线连接的耦合器的等效长度，
其中，两路传输信号的频率满足以下条件：
ωs＝ωs0+δω
ωp＝ωp0+δω
ωp0-ωs0＝ωrf
式中，ωp、ωs分别为两路输入信号的频率，ωp0、ωs0为预设的两个频率值，ωrf为输出信号的频率，
优选地，若所述耦合器具有相位延时，当两路频率不同的输入信号分别在两条所述母传输线上进行反向传输且每个所述混频器的输出信号的频率取和频分量时，所述相位梯度为：
式中，δls、δlp分别为第一传输线和第二传输线的长度，vp为两路输入信号在传输线中的相速度，ls为第一传输线连接的耦合器的等效长度，lp为第二传输线连接的耦合器的等效长度，
其中，两路传输信号的频率满足以下条件：
ωs＝ωs0-δω
ωp＝ωp0+δω
ωp0+ωs0＝ωrf
式中，ωp、ωs分别为两路输入信号的频率，ωp0、ωs0为预设的两个频率值，ωrf为输出信号的频率，
优选地，若所述耦合器具有相位延时，当两路频率不同的输入信号分别在两条所述母传输线上进行同向传输且每个所述混频器的输出信号的频率取差频分量时，所述相位梯度为：
式中，δls、δlp分别为第一传输线和第二传输线的长度，vp为两路输入信号在传输线中的相速度，ls为第一传输线连接的耦合器的等效长度，lp为第二传输线连接的耦合器的等效长度，
其中，两路传输信号的频率满足以下条件：
ωs＝ωs0+δω
ωp＝ωp0+δω
ωp0-ωs0＝ωrf
式中，ωp、ωs分别为两路输入信号的频率，ωp0、ωs0为预设的两个频率值，ωrf为输出信号的频率，
优选地，若所述耦合器具有相位延时，当两路频率不同的输入信号分别在两条所述母传输线上进行同向传输且每个所述混频器的输出信号的频率取和频分量时，所述相位梯度为：
式中，δls、δlp分别为第一传输线和第二传输线的长度，vp为两路输入信号在传输线中的相速度，ls为第一传输线连接的耦合器的等效长度，lp为第二传输线连接的耦合器的等效长度，
其中，两路传输信号的频率满足以下条件：
ωs＝ωs0-δω
ωp＝ωp0+δω
ωp0+ωs0＝ωrf
式中，ωp、ωs分别为两路输入信号的频率，ωp0、ωs0为预设的两个频率值，ωrf为输出信号的频率，
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明提供了一种射频移相器，包括：多段第一传输线、多段第二传输线、多个混频器和多个耦合器；多段第一传输线依次连接构成一母传输线，多段第二传输线依次连接构成另一母传输线，且多段第一传输线和多段第二传输线一一对应；相邻两段第一传输线之间连接有一个耦合器，相邻两段第二传输线之间连接有一个耦合器，两个对应的耦合器之间连接有一个混频器；当两路频率不同的输入信号分别在两条母传输线上进行传输时，依次排列的多个混频器输出一组具有相位梯度的输出信号。本发明通过将两个不同频率的输入信号，在周期节点(混频器)上进行混叠，产生一组相同频率但具有相位梯度的信号，且可以通过改变输入频率改变相位梯度，从而实现相位扫描的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种射频移相器的一个实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的一种射频移相器的应用场景(1)的结构示意图；
图3为本发明提供的一种射频移相器的应用场景(2)的结构示意图；
图4为本发明提供的一种射频移相器的应用场景(3)的结构示意图；
图5为本发明提供的一种射频移相器的应用场景(4)的结构示意图；
图6为本发明提供的一种射频移相器的应用场景(5)的结构示意图；
图7为微波耦合器在传输线路中的等效示意图；
图8为本发明提供的一种射频移相器的应用例的一个示意图；
图9为本发明提供的一种射频移相器的应用例的另一个示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种射频移相器，能够以简单的结构实现对相控阵列天线的相位控制。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供的一种射频移相器的一个实施例，包括：多段第一传输线1、多段第二传输线2、多个混频器3和多个耦合器4。
多段第一传输线1依次连接构成一母传输线，多段第二传输线2依次连接构成另一母传输线，且多段第一传输线1和多段第二传输线2一一对应，需要说明的是，此处一一对应是指图1中的每一段第一传输线1均对应有一段第二传输线。
相邻两段第一传输线1之间连接有一个耦合器，相邻两段第二传输线2之间连接有一个耦合器4，两个对应的耦合器4之间连接有一个混频器3，因此，在两条母传输线之间并联有多个混频器3，每个混频器均可以输出信号。
当两路频率不同的输入信号分别在两条母传输线上进行传输时，依次排列的多个混频器3输出一组具有相位梯度的输出信号。需要说明的是，每个混频器3会对应输出一个信号，相邻的两个混频器3输出的信号之间的相位差即为相位梯度。
发明人基于现有技术存在的技术问题，发现不同频率的电磁波在相同的传输距离上会产生不同的相位延迟，可以在一个周期性的传输结构的节点上形成相位差。同时，当两个不同频率的电磁波进行混叠时，产生的新频率分量的相位与输入信号的相位有关。因此，本发明设计了一种新型移相器，通过将两个不同频率的输入信号分别输入两条母传输线，在周期节点(混频器)上进行混叠，产生一组相同频率但具有相位梯度的信号，且可以通过改变输入频率改变相位梯度，从而实现相位扫描的功能。
以下将以数个具体的应用场景对本发明提供的一种射频移相器的工作原理进行具体的说明：
为方便说明，以下对第一传输线和第二传输线分别以等效长度为δls和δlp的延时线进表示，对应的母传输线以s线和p线进行表示，在s线和p线上的输入信号的角频率分别为ωs和ωp。
(1)首先本场景假设耦合器不具有相位延时，此时本发明提供的射频移相器的结构可以等效为如图2所示，s线和p线之间周期地接入混频器，第n个混频器接在s线和p线处的节点为noden，n＝0，1，2，…，n(以下简称第n节点)。本场景的两路输入信号反向传输(相向传输)，不失一般性，假设ωs小于ωp，耦合器的耦合系数分别为cs和cp(均设为接近于常数)，混频器的输出信号保留差频分量(ωp-ωs)，则各个节点信号相位基本由传输线延时决定。
记两个输入信号为
ωp信号在相同节点上可以表示为：
式中，βs、βp分别对应两个频率的传播常数。假设ωs小于ωp，这里考虑两信号相位差的变化，故略去各自的初始相位。同一节点上两路信号的相位可以表示为：
φs,n＝-βsδlsn
φp,n＝-βpδlpn+βpδlpn
两个信号作为混频器输入，在输出端产生频率为(ωp-ωs)的分量，而其对应的相位则是两个输入信号的相位差：
假定传输线是无色散的，即不同频率信号的相速度一致，则有：
则第n节点混频器输出信号的相位为：
注意到上式第一项为常数，第二项与节点序号n成正比，则相邻两个混频器输出信号的相位差为：
记混频器输出信号的频率为ωrf，若令初始输入信号角频率(预设值)为ωs0和ωp0满足：
ωp0-ωs0＝ωrf
且
式中m为整数，当两输入信号实际角频率为ωs0和ωp0时，δφ＝0，即各个混频器输出的射频信号为同相位。而当：
ωs＝ωs0+δω
ωp＝ωp0+δω
即，保持两个输入信号的频率差不变，两者同时增加或减少相同的频率，则相邻两射频输出信号的相位差为：
即各个混频器输出信号的频率保持不变，而相位等量增加或减少，并且增减量与输入信号频率偏移量δω成正比。如此，本发明仅需要同时对两个传输线上的信号频率增加或减少相同频率，即可以实现对射频信号相位的控制。
如果节点间两条传输线长度一致，即δls＝δlp＝δl，则节点间相位差可以改写为：
初始角频率则要满足
ωp0-ωs0＝ωrf
且
相邻两射频输出信号的相位差为：
(2)若本场景假设耦合器不具有相位延时，两路输入信号反向传输且此时本发明提供的射频移相器的结构可以等效为如图3所示，混频器的输出信号保留和频分量(ωp+ωs)，其余参数设置如同场景(1)，不再赘述。
记两个输入信号为
ωp信号在相同节点上可以表示为：
式中，βs、βp分别对应两个频率的传播常数。假设ωs小于ωp，这里考虑两信号相位差的变化，故略去各自的初始相位。同一节点上两路信号的相位可以表示为：
φs,n＝-βsδlsn
φp,n＝βpδlpn+βpδlpn
因为这里混频器输出取和频分量，因此输出信号的相位为：
相位梯度与频率的关系为：
对于初始频率，则需要满足：
ωp0+ωs0＝ωrf
且
式中m为整数，当两输入信号实际角频率为ωs0和ωp0时，δφ＝0，即各个混频器输出的射频信号为同相位。而当：
ωs＝ωs0-δω
ωp＝ωp0+δω
即，保持两个输入信号的频率之和不变，两者同时反向增加或减少相同的频率，则相邻两射频输出信号的相位差为：
如果节点间两条传输线长度一致，即δls＝δlp＝δl，则节点间相位差可以改写为：
初始角频率则要满足
ωp0+ωs0＝ωrf
且
相邻两射频输出信号的相位差为：
(3)若本场景假设耦合器不具有相位延时，两路输入信号同向传输且此时本发明提供的射频移相器的结构可以等效为如图4所示，混频器的输出信号保留差频分量(ωp-ωs)，其余参数设置如同场景(1)，不再赘述。
记两个输入信号为
ωp信号在相同节点上可以表示为：
式中，βs、βp分别对应两个频率的传播常数。假设ωs小于ωp，这里考虑两信号相位差的变化，故略去各自的初始相位。同一节点上两路信号的相位可以表示为：
φs,n＝-βsδlsn
φp,n＝-βpδlpn
因为这里混频器输出取和频分量，因此输出信号的相位为：
相位梯度与频率的关系为：
对于初始频率，则需要满足：
ωp0-ωs0＝ωrf
且
式中m为整数，当两输入信号实际角频率为ωs0和ωp0时，δφ＝0，即各个混频器输出的射频信号为同相位。而当：
ωs＝ωs0+δω
ωp＝ωp0+δω
即，保持两个输入信号的频率之和不变，两者同时反向增加或减少相同的频率，则相邻两射频输出信号的相位差为：
如果节点间两条传输线长度一致，即δls＝δlp＝δl，则节点间相位差可以改写为：
δφ＝0
则无法实现相位偏移。因此使用同向传输并取混频器差频分量为输出时，两路传输线每段的延时线长度要不同。
(4)若本场景假设耦合器不具有相位延时，两路输入信号同向传输，且此时本发明提供的射频移相器的结构可以等效为如图5所示，混频器的输出信号保留和频分量(ωp+ωs)，其余参数设置如同场景(1)，不再赘述。
记两个输入信号为
ωp信号在相同节点上可以表示为：
式中，βs、βp分别对应两个频率的传播常数。假设ωs小于ωp，这里考虑两信号相位差的变化，故略去各自的初始相位。同一节点上两路信号的相位可以表示为：
φs,n＝-βsδlsn
φp,n＝-βpδlpn
因为这里混频器输出取和频分量，因此输出信号的相位为：
相位梯度与频率的关系为：
对于初始频率，则需要满足：
ωp0+ωs0＝ωrf
且
式中m为整数，当两输入信号实际角频率为ωs0和ωp0时，δφ＝0，即各个混频器输出的射频信号为同相位。而当：
ωs＝ωs0-δω
ωp＝ωp0+δω
即，保持两个输入信号的频率之和不变，两者同时反向增加或减少相同的频率，则相邻两射频输出信号的相位差为：
如果节点间两条传输线长度一致，即δls＝δlp＝δl，则节点间相位差可以改写为：
δφ＝0
则无法实现相位偏移。因此使用同向传输并取混频器和频分量为输出时，两路传输线每段的延时线长度要不同。
(5)若本场景假设耦合器具有相位延时(即微波耦合器)，两输入信号反向传输，且此时本发明提供的射频移相器的结构可以等效为如图6所示，混频器的输出信号保留差频分量(ωp-ωs)，其余参数设置如同场景(1)，不再赘述。
耦合器在两个节点之间，一个单元内两路传输线的结构示意图如图7所示，其中包括了耦合器和一段延时线，其中，对于频率为ωs的输入信号，耦合器耦合系数为：
直通端口系数为：
式中，ls为s路上耦合器等效长度，
对频率为ωp的输入信号，耦合器耦合系数为：
直通端口系数为：
同理可以得到：
式中，lp为p路上耦合器等效长度，
考虑输出频率选取差频分量，并选择相向传播两路信号，那么第n个节点上s线上耦合到混频器的信号相位为：
p线上耦合到混频器的信号相位为：
则两个相邻节点输出信号的相位差可以表示为：
同样假设非色散结构，单其中考虑到不同结构部分可能由不同的相速度，因此角频率与传播常数的关系为：
其中，φ为常数，与场景(1)类似，对于初始频率ωs0及ωp0若令：
ωp0-ωs0＝ωrf
此时各个节点均同相位，当出现频率偏移时，即
ωs＝ωs0+δω
ωp＝ωp0+δω
则频率梯度同样可以通过改变输入频率产生变化，且相位梯度与频率变化量的关系可以写为：
式中，
(6)若本场景假设耦合器具有相位延时(即微波耦合器)，两输入信号反向传输，混频器的输出信号保留和频分量(ωp+ωs)，其余参数设置如同场景(1)，不再赘述。
类似场景(5)的推导过程，且可以参考场景(2)，本场景的相位梯度为：
式中，
其中，两路传输信号的频率满足以下条件：
ωs＝ωs0-δω
ωp＝ωp0+δω
ωp0+ωs0＝ωrf
(7)若本场景假设耦合器具有相位延时(即微波耦合器)，两输入信号同向传输，混频器的输出信号保留差频分量(ωp-ωs)，其余参数设置如同场景(1)，不再赘述。
类似场景(5)的推导过程，且可以参考场景(3)，本场景的相位梯度为：
式中，
其中，两路传输信号的频率满足以下条件：
ωs＝ωs0+δω
ωp＝ωp0+δω
ωp0-ωs0＝ωrf
(8)若本场景假设耦合器具有相位延时(即微波耦合器)，两输入信号同向传输，混频器的输出信号保留和频分量(ωp+ωs)，其余参数设置如同场景(1)，不再赘述。
类似场景(5)的推导过程，且可以参考场景(4)，本场景的相位梯度为：
式中，
其中，两路传输信号的频率满足以下条件：
ωs＝ωs0-δω
ωp＝ωp0+δω
ωp0+ωs0＝ωrf
以下再以以具体应用例对本发明提供的一种射频移相器进行介绍，在实际应用中，基于同样的原理可以实现二维的阵列，如图8所示：
图8展示了一个8x8的天线阵列，其中每一行即前文所述结构。不同列之间信号的相位可以利用传统移相器来调整，也可以用本发明所述的技术实现两个维度地相位控制。进一步的，生成地天线阵列可以作为子阵列，组成更大规模地天线阵，如图9所示。
本发明带来的好处是大大简化了相控阵列射频前端的结构和相位控制电路。在传统相控阵中，每一路天线都需要一个移相器。而本项技术中，我们可以完全移除射频移相器或者仅使用少量移相器，就可以实现波束扫描。同时，本项技术通过调整频率实现移相器，同样的频率控制电路可以为不同大小的阵列提供相位控制功能，即实现其移相器功能的电路复杂度不随阵列单元数增加而变化。因此对于超大规模的阵列，本项技术可以低成本地实现相位扫描，大量节约电路并进一步提高可靠性。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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