基于耦合線結構的新型多路寬帶差分移相器及其設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微波、毫米波通信中使用的差分移相器，特別涉及一種在多路通信應用中同時實現多種相位輸出的微帶差分移相器(基于耦合線結構的新型多路寬帶差分移相器)，以及基于耦合線結構的新型多路寬帶差分移相器的設計方法。
【背景技術】
[0002]差分移相器是廣泛應用于微波通信、雷達和測量系統的一種無源器件。其結構通常包括參考線和延遲線，兩個路徑在一定帶寬上可以保持恒定的相位差，從而在保持信號幅度特性不變的情況下實現不同的相位輸出。
[0003]目前實現差分移相器的方法主要有以下幾種:
一、基于經典的Schiffman結構構造寬帶差分移相器。Schiffman結構的參考線通常是50 Ω傳輸線，延遲線為一邊相連的耦合線結構。基于該結構進行改進通常可以在較寬的帶寬上實現較大的角度范圍，
二、通過加載并聯開路/短路枝節構造寬帶差分移相器。其方法是在延遲線上加載并聯開路/短路枝節，使其相位輸出斜率與參考線一致。
[0004]三、基于稱合線結構構造寬帶差分移相器。如Amin M.Abbosh通過互相稱合的橢圓微帶貼片構造寬帶差分移相器。
[0005]然而，以上提出的結構面臨一個共同的缺點:在多路多相位應用環境中，針對不同的輸出相位差，移相器的參考線每次都必須進行修改以符合要求，這極大地限制了器件的通用性，并且需要復雜的級聯網絡才能實現，而電路網絡的增多又會導致電路回波損耗的增大和尺寸的增加，致使電路性能下降。
[0006]可見，變化的參考線是導致差分移相器高設計復雜度和大尺寸的關鍵因素。因此針對多路多相位應用需求，我們需要設計具有統一參考線結構的移相器來更好地滿足要求。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于克服上述現有技術結構中存在的不足，而提供一種結構簡單、合理，能同時實現多個差分相位且具有通用參考線的基于耦合線結構的新型多路寬帶差分移相器。
[0008]本發明的目的是這樣實現的:
一種基于耦合線結構的新型多路寬帶差分移相器，其特征是，包括從上至下依次排布的三層結構，其中，第一層為設有參考線和延遲線的基本單元，第二層為基板，第三層為金屬地層；所述參考線和延遲線的長度為中心頻率對應波長的四分之一，以便在參考線和延遲線提供相同的相位延遲。其中，參考線和延遲線均為由兩條微帶線構成的級聯耦合線，參考線和延遲線的每條微帶線均采用四段不等寬的結構。上述結構可通過改變級聯耦合線的耦合縫隙以及級聯耦合線對應的每條微帶線的每一段來調整耦合強度，以保證不同的相位輸出時保持寬頻帶特性。
[0009]本發明的目的還可以采用以下技術措施解決:
作為更具體的一種方案，所述構成參考線和延遲線的級聯耦合線的結構一致，級聯耦合線的每條微帶線的每一段長度、耦合縫隙相等，微帶線的每一段長度均為中心頻率對應波長的十六分之一，級聯耦合線的兩條微帶線成中心對稱關系。
[0010]所述延遲線的級聯耦合線兩端拼接有用于提供參考線和延遲線之間的差分相位的傳輸線，兩端的傳輸線分別設置在延遲線的兩條微帶線上、且其寬度相等和長度相等，傳輸線對應電長度為需要實現的相位差在中心頻率處所對應的電長度的一半。也就是說，延遲線結構與參考線單元相比，基本結構一致(寬度等具體參數不同)，但多出了兩段傳輸線。所述傳輸線為50 Ω傳輸線。所述50 Ω傳輸線長度可調，用以實現不用的相位輸出。
[0011]所述傳輸線延遲線的耦合縫隙邊緣對齊，兩端的傳輸線成中心對稱關系。
[0012]所述基本單元采用貼片工藝固定在基板上，基板為介質材料基板，介質材料采用厚度為1.575mm的Rogers RT/Duroid 5870材料,其介電常數為2.33。
[0013]所述金屬地層為鋪滿良導體的金屬地層。
[0014]所述移相器的相位角輸出范圍為0° -180°。
[0015]所述移相器的相位角輸出為45°、90°和135°，即移相器能在任意工作頻率上實現45°，90°和135°相位輸出，也可以根據實際需要實現0° -180°的其它相位角。具體是本發明的移相器一組共四個，分別為參考線，45°延遲線，90°延遲線和135°延遲線，可在45%的相對帶寬上同時實現45°，90°和135°差分相位。
[0016]所述移相器的結構還可以用以實現其它(如濾波器)無源器件功能。
[0017]一種基于耦合線結構的新型多路寬帶差分移相器的設計方法，其特征是，首先，根據所需中心頻率確定級聯耦合線的長度；然后，通過需要實現的差分相位確定每段延遲線對應的傳輸線的長度；最后，改變參考線和延遲線中微帶線每一段的寬度以及耦合縫隙的間隙，以調整耦合強度，從而在較寬的帶寬上實現不同的差分相位。
[0018]本發明的有益效果如下:
(I)本發明首次提出了一種僅使用一個參考線實現多個差分相位的移相器，避免了傳統無源差分移相器在多路應用中結構復雜，尺寸大的缺點，適合于相位天線陣，波束成形等無線通信系統的應用。
[0019](2)與現有技術相比，實施本發明中所采用的基于耦合線結構的多路多相位差分移相器，具有以下有益效果:1、具有通用的參考線結構，參考線不需要根據需要的相位輸出做出調整，在多路多相位應用上，具有更低的設計復雜度；2、尺寸小，可實現小型化，易于集成；3、使用平面微帶結構，結構簡單，成本低；4、相對于別的結構而言，本發明能提供較寬的相對帶寬；5、可同時實現的相位角度范圍廣。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明一實施例側面結構示意圖。
[0021]圖2為本發明第一層中參考線上層貼片整體結構示意圖。
[0022]圖3為本發明第一層中延遲線上層貼片整體結構示意圖。
[0023]圖4為本發明實施例幅度響應仿真和測量結果對比圖。
[0024]圖5為本發明實施例相位響應仿真和測量結果對比圖。
[0025]圖6為參考線和延遲線K、W2, r3、r4、W50, S, L和Z5tl的參數表格。
【具體實施方式】
[0026]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例所采用的技術方案進行清晰、詳細的說明，所描述的實施例僅僅是本發明中的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的其他實施例，都屬于本發明實施例的保護范圍。
[0027]結合圖1至圖3所示，一種基于耦合線結構的新型多路寬帶差分移相器，其特征是，包括從上至下依次排布的三層結構，其中，第一層為設有參考線200 (Ref)和延遲線300(delay)的基本單元101，第二層為基板102，第三層為金屬地層103 ;所述參考線200和延遲線300的長度為中心頻率對應波長的四分之一，其中，參考線200和延遲線300均為由兩條微帶線A1、A2構成的級聯耦合線，參考線200和延遲線300的每條微帶線A1、A2均采用四段不等寬的結構。以參考線200為例，其級聯耦合線的兩條微帶線Al和A2，其中，微帶線Al的每一段201、202、203、204 (從左至右)寬度分別為m &微帶線A2的每一段201、202、203、204 (從左至右)寬度分別為 W2、Wi' W3、Wlo
[0028]所述構成參考線200和延遲線300的級聯耦合線的結構一致，級聯耦合線的每條微帶線A1、A2的每一段長度L、耦合縫隙S相等，微帶線A1、A2的每一段長度L均為中心頻率對應波長的十六分之一，級聯耦合線的兩條微帶線A1、A2成中心對稱關系。<