CN109314290B - 一种移相器、移相阵列及通信设备 - Google Patents

Abstract

一种移相器、移相阵列及通信设备，该移相器包括金属空腔波导和印刷电路板；金属空腔波导的一个面上设置有第一缝隙；印刷电路板设置在金属空腔波导具有第一缝隙的一面上，并与金属空腔波导电连接，印刷电路板上设置有与金属空腔波导电连接并用于控制第一缝隙通断的控制单元。在上述实施例中，通过采用金属空腔波导代替金属空腔波导替代基片集成波导，降低移相器插损的同时，可以更好地与波导***集成；现有工艺很难将控制单元的电子器件直接安装到金属空腔波导侧壁上，在上述器件中，采用印刷电路板设置在金属空腔波导的顶壁上，并将控制单元设置在印刷电路板上，方便了控制单元的电子器件的设置，提高了整个装置的集成效果。

Description

一种移相器、移相阵列及通信设备

技术领域

本申请涉及到通信技术领域，尤其涉及到一种移相器、移相阵列及通信设备。

背景技术

相控阵***有无源相控阵***和有源相控阵***两种实现方式。有源相控阵***利用低功率移相器(Small Power Phase Shifter，简称SPPS)和低功率放大器(SmallPower Power Amplifier，简称SPA)可降低功率放大器(Power Amplifier，简称PA)后插损，提高功率利用率。无源相控阵***利用高效率高功率放大器(High Power PowerAmplifier，简称HPA)实现1路功放驱动多路天线，再结合基站中的数字预失真(DigitalPre-Distortion，简称DPD)等数字处理技术，实现高效率高线性的阵列通信设备。

微波无源相控阵***最关键的模块是HPA之后的移相器，要求低插损、高线性以及足够的比特数和切换速度以满足通信设备波束赋型和快速波束扫描接入要求。同时，高性能的微波***的天线、滤波器等大功率模块一般都采用金属波导结构，还要求移相器能够方便地实现与金属波导结构组装。

现有技术中的一种移相器通过PIN(Positive-Intrinsic Negative)二极管切换信号在基片集成波导中的传输路径来实现移相。这种移相技术尺寸小，便于与平面电路实现大规模集成。但是上述结构中，采用基片集成波导结构，不方便与其它波导结构电路组装；同时，上述移相器插损较大，一般4比特移相精度的插损都在3dB以上。

发明内容

本申请提供了一种移相器、移相阵列及通信设备，用以提高移相器的集成效果，以及降低移相器的耗损。

本申请提供了一种移相器，该移相器包括金属空腔波导和印刷电路板；

所述金属空腔波导的一个面上设置有第一缝隙；

所述印刷电路板设置在所述金属空腔波导具有第一缝隙的一面上，并与所述金属空腔波导电连接，所述印刷电路板上设置有与所述金属空腔波导电连接并用于控制第一缝隙通断的控制单元。

通过采用金属空腔波导替代基片集成波导，降低移相器插损的同时，可以更好地与波导***集成；现有工艺很难将控制单元的电子器件直接安装到金属空腔波导的侧壁上，在上述器件中，采用印刷电路板设置在金属空腔波导的顶壁上，并将控制单元设置在印刷电路板上，方便了控制单元的电子器件的设置，提高了整个装置的集成效果。

在一个可能的设计中，所述印刷电路板上设置有与所述第一缝隙对应的第二缝隙，且所述第二缝隙在所述第一缝隙设置面的垂直投影位于所述第一缝隙内，所述第二缝隙的侧壁与对应的第一缝隙的侧壁电连接；

所述控制单元包括横跨所述第二缝隙的微带线，所述微带线的一端与所述第二缝隙的一个侧壁电连接，另一端横跨第二缝隙后通过λ/4传输线与控制元件相连，所述控制元件连接有等效去耦电容，且所述等效去耦电容与低频偏置线连接，其中，所述λ为移相器传播信号的波长。在上述方案中采用印刷电路基板覆盖在金属空腔波导波导侧面，印刷电路板上蚀刻出的缝隙与金属空腔波导波导上的缝隙重合。控制元件表贴于印刷电路板上，通过印刷电路板上的馈线控制控制元件的开启和关断印刷电路板上的缝隙，也同时实现了对金属空腔波导上缝隙的开启和关断，方便了移相器的生产。

在一个可能的设计中，所述印刷电路板包括基板、第一金属层和第二金属层；所述第一金属层设置在所述基板朝向所述金属空腔波导的一面，并与所述金属空腔波导上第一缝隙设置面电连接；所述第二金属层设置在所述基板背离所述金属空腔波导的一面，所述第一金属层及所述第二金属层电连接。

在一个可能的设计中，所述微带线的一端与所述第二缝隙的一个侧壁电连接，包括所述微带线与位于所述第二缝隙一侧的第二金属层电连接。

在一个可能的设计中，所述移相器包括至少两个所述第一缝隙。可选的，所述至少两个第一缝隙，沿所述金属空腔波导的长度方向排列。

在一个可能的设计中，一个所述第一缝隙对应至少两个控制单元。可选的，所述至少两个控制单元沿第一缝隙的长度方向并排排列。通过采用多个控制单元控制第一缝隙的通断，改善了第一缝隙在导通时，降低了电流在横跨第一缝隙时的电阻。

在一个可能的设计中，在第一金属层与第二金属层具体连接时，所述印刷电路板上设置有过孔，所述第一金属层与所述第二金属层之间通过所述过孔内的金属电连接。通过过孔连接，方便了第一金属层与第二金属层的电连接。可选的，所述印刷电路板上可以设置至少两个过孔，所述至少两个过孔环绕所述第二缝隙设置，所述第一金属层与所述第二金属层之间通过所述至少两个过孔内的金属电连接，设置多个过孔，保证了第一金属层及第二金属层对应位置的电位相同。

在一个可能的设计中，所述微带线、λ/4传输线、控制元件及等效去耦电容均设置在所述印刷电路板上背离所述金属空腔波导的一侧。即控制单元设置在印刷电路板上背离金属空腔波导的一面，方便了控制单元的设置。

在一个可能的设计中，所述第二金属层上设置有与所述第二缝隙连通的第三缝隙，与所述第二缝隙连接的控制单元中的λ/4传输线、控制元件及等效去耦电容设置在所述第三缝隙内。保证了控制单元能有效地控制缝隙的开断。

在一个可能的设计中，所述控制元件为PIN二极管。

可选的，在一个具体的设计中，所述第一缝隙与该第一缝隙对应的第二缝隙重合。

可选的，在一个具体的设计中，等效去耦电容为平面直流去耦电容。

此外，该移相器还可以包括盖合在所述印刷电路板上的屏蔽盖。

可选的，将上述移相器中的一个缝隙上添加多个控制单元或将一个或多个移相单元级联可以得到对应移相器中的一个控制位所对应的移相单元，称之为1位移相单元。将多个1位移相单元级联，即可得到更大移相量、多个控制位控制的移相器。

本申请还提供了一种移相阵列，该移相阵列包括至少两个并排排列的上述任一项所述的移相器。

通过采用金属空腔波导替代基片集成波导，降低移相器插损的同时，可以更好地与波导***集成；现有工艺很难将控制单元的电子器件直接安装到金属空腔波导侧壁上，在上述器件中，采用印刷电路板覆盖在金属空腔波导的顶壁，并将控制单元设置在印刷电路板上，提高了整个装置的集成效果。

可选的，所述多个移相器的印刷电路板为一体结构。

本申请还提供了一种通信设备，该通信设备包括高功率放大器，与所述高功率放大器连接的功率分配网络，与所述功率分配网络连接的至少一个上述任一项所述的移相器。可选的，移相器通过波导接口直接与天线相连。

可选的，在移相器为至少两个时，所述至少两个移相器并排排列，且所述至少两个移相器的印刷电路板为一体结构。方便了控制单元的设置。

附图说明

图1为本申请实施例提供的移相器的立体图；

图2为本申请实施例提供的移相单元沿垂直第一缝隙长度方向的剖视图；

图3为本申请实施例提供的移相单元沿平行于第一缝隙长度方向的剖视图；

图4为本申请实施例提供的印刷电路板的俯视图；

图5为本申请实施例提供的控制单元的等效原理图

图6为本申请实施例提供的控制单元的结构图；

图7为本申请实施例提供的移相阵列的示意图；

图8为本申请实施例提供的通信设备的结构框图；

图9为本申请实施例提供的移相器的插损仿真效果图；

图10为本申请实施例提供的移相器的回波损耗仿真效果图；

图11为本申请实施例提供的移相器的移相量仿真效果图；

图12为控制元件控制单元直接跨接在缝隙内时不同串联阻抗的控制电路情况下的移相器插损仿真效果图；

图13为控制元件通过λ/4传输线对缝隙进行控制时不同串联阻抗的控制电路情况下的移相器插损的仿真效果图。

附图标记：

10-金属空腔波导 11-第一缝隙 12-顶壁

20-印刷电路板 21-控制单元 211-微带线

212-λ/4传输线 213-控制元件 214-等效去耦电容

215-高阻直流偏置线 22-第二缝隙 23-基板

24-第二金属层 25-第一金属层 26-过孔

30-屏蔽盖 40-高功率放大器 50-功率分配网络

60-移相器 70-天线

具体实施方式

下面将结合附图对本申请作进一步描述本申请。

如图1所示，图1示出了本实施例提供的移相器的结构示意图。

本申请实施例提供了一种移相器，该移相器包括至少一个移相单元，每个移相单元包括金属空腔波导10及印刷电路基板20，其中，金属空腔波导10的一个面上设置有第一缝隙11；印刷电路基板20设置在金属空腔波导10具有第一缝隙11的一面上，并与金属空腔波导10电连接，印刷电路板20上设置有与金属空腔波导10电连接并用于控制第一缝隙11通断的控制单元21。

具体的如图1所示，本实施例提供移相器包含多个移相单元，在图1所示的移相单元中，多个移相单元单排排列；其中每个移相单元的金属空腔波导10为矩形的金属空腔波导10，并且该金属空腔波导10的两端为开口设置，即金属空腔波导10为具有顶壁12、底壁以及两个相对设置的侧壁围成的管状结构的中空部分，其中，该顶壁12上设置了第一缝隙11，该第一缝隙11设置方向如图1所示：第一缝隙11为矩形的缝隙，且第一缝隙11的长度尺寸大于其宽度尺寸，在第一缝隙11设置时，其长度方向垂直于金属空腔波导10的侧壁设置。并且在移相器采用多个移相单元时，多个移相单元的金属空腔波导10为一体结构，即采用一个金属腔体制作而成，或者可以理解成在一个金属空腔波导10上开设至少两个的第一缝隙11，且在采用上述设置时，至少两个第一缝隙11沿金属空腔波导10的长度方向排列，其中，金属空腔波导10的长度方向为金属空腔波导10的顶壁12、底壁及两个侧壁围成的管状结构的长度方向。在上述实施例中，本申请移相器采用金属波导，可以直接与波导***实现互联。金属波导的损耗主要为金属表面的欧姆损耗，相对于常见的介质材料的损耗要小得多，因此可以显著降低移相器的插损。如图9所示为移相器插损仿真结果，在29.5GHz，实现360°移相的插损在1.5dB以内。图10和图11所示为仿真得到的移相器端口回波损耗和移相量曲线。

可选的，该移相单元的印刷电路板20在具体设置时，如图2及图3所示，其中，图2为本申请实施例提供的移相单元沿垂直第一缝隙11长度方向的剖视图；图3为本申请实施例提供的移相单元沿平行于第一缝隙11长度方向的剖视图；该印刷电路板20位于金属空腔波导10外，并固定在金属空腔波导10的顶壁12上，即印刷电路板20设置在金属空腔波导10上第一缝隙11的设置面上，可选的，印刷电路板20与金属空腔波导之间可以通过烧结的方法固定。即控制单元21设置在印刷电路板20上背离金属空腔波导10的一面，并用于控制第一缝隙11的开断。

如图4所示，图4为本申请实施例提供的一种印刷电路板20的俯视图，该图4中示出了移相器中多个移相单元的印刷电路板为一体结构的示意图。在上述实施例中的一个具体的方案中，针对每个移相单元的印刷电路板20，该印刷电路基板20上设置有与第一缝隙11对应的第二缝隙22，且第二缝隙33在第一缝隙11设置面的垂直投影位于第一缝隙11内，第二缝隙22的侧壁与对应的第一缝隙11的侧壁电连接；可选的，如图2及图3所示，印刷电路板20包括基板23、第一金属层25及第二金属层26，第一金属层25设置在基板23朝向金属空腔波导10的一面，并与金属空腔波导10上第一缝隙11的设置面电连接，第二金属层26设置在基板23背离金属空腔波导10的一面，第一金属层25及第二金属层24电连接，且第二缝隙22贯穿第一金属层25及第二金属层24；可选的，在印刷电路板20的基板23上双面铺设金属，并且在铺设金属后开设第二缝隙22，在开设时，第二缝隙22贯穿第一金属层25及第二金属层24，但对于基板23可以贯穿也可以不贯穿，在贯穿时，为在基板23可以对应挖空形成一个物理上贯通的缝隙，在不贯穿时为该基板23不挖空，但是，第一金属层23与第二金属层24还是有对应的开口，以保证电学特性。可选的，第二缝隙22与第一缝隙11平行设置，在一个具体的实施例中，第一缝隙11与对应的第二缝隙22重合。此外，在设置时，第一金属层25及第二金属层24之间导电连接，可选的，印刷电路板20上设置有至少一个过孔26，第一金属层25与第二金属层24之间通过浇灌在过孔26内的金属电连接。其中的过孔26个数可以为一个或两个及以上。在采用一个过孔26时，过孔26的设置位置设置在方便导通第一金属层25及第二金属层24的位置，在采用多个过孔26时，多个过孔26环绕第二缝隙22设置，采用上述方式方便了第一金属层25与第二金属层24的电连接，同时，设置多个过孔26，保证了第一金属层25及第二金属层24对应位置的电位相同。此外，由于第二金属层24与顶壁12固定连接，因此，第一金属层25与顶壁12也电连接。

可选的，控制单元21可以为一个或多个，即每个第一缝隙11对应一个或多个控制单元21；如图1所示，图1中示出了一个第一缝隙11对应一个控制单元21的结构示意图，如图4所示，图4示出了一个第一缝隙11对应多个控制单元21的结构示意图。在采用多个控制单元21时，多个控制单元21并排排列，且多个控制单元21同时控制第一缝隙11的通断，在第一缝隙11导通时，电流从多个横跨第一缝隙11的控制单元21上传导，相比图1所示的结构，改善了电流在传导时的效果。无论采用一个控制单元21还是多个控制单元21，每个控制单元21均包括：沿电流传播方向横跨第二缝隙22的微带线211，微带线211的一端与第二缝隙22的一个侧壁电连接，另一端横跨第二缝隙22后通过λ/4传输线212与控制元件213相连，控制元件213连接有等效去耦电容214，等效去耦电容214连接有低频偏置线215，以实现高频信号接地。在上述方案中印刷电路基板20覆盖在金属空腔波导10的顶壁12，印刷电路板20上蚀刻出的第二缝隙22与金属空腔波导10上的第一缝隙11重合，控制元件213表贴于印刷电路板20上，通过印刷电路板20上的馈线控制控制元件213开启和关断印刷电路板20上的第二缝隙22，也同时实现了对金属空腔波导10上第一缝隙11的开启和关断，方便了移相器的生产。其中低频偏置线215为高阻线，λ为为移相器传播信号的波长。

可选的，每个控制单元21中的微带线211与位于第二缝隙22两侧的第二金属层24电连接。控制单元21在设置时，设置在印刷电路板20上背离金属空腔波导10的一面，即微带线211、λ/4传输线212、控制元件213及等效去耦电容214均设置在印刷电路板20上背离金属空腔波导10的一侧。即控制单元21设置在印刷电路板20上背离金属空腔波导10的一面，方便了控制单元21的设置。可选的，第二金属层24上设置有与第二缝隙22连通的第三缝隙，第二缝隙22连接的控制单元21中的λ/4传输线212、控制元件213及等效去耦电容214设置在第三缝隙内。保证了控制单元21能有有效的控制缝隙的开断。所有的控制元件213对缝隙短路时都可以等效为一个较小的串联电阻Rs，对缝隙开路时都可以等效为一个很大的电阻Rp。在上述实施例中，在控制元件213与缝隙之间加入λ/4传输线212，因此，控制元件213不需要直接跨接在缝隙中，缝隙短路时，高频信号不必流经串联电阻Rs，从而大大降低了插损对控制元件213串联电阻Rs的敏感性。具体的，如图12及图13所示，图12为控制元件213直接跨接在缝隙内的仿真效果图，图13为控制元件213通过λ/4传输线212对缝隙控制的仿真效果图。由图12及图13可以看出，本申请实施例通过λ/4传输线212对缝隙的关断和开启进行控制，对整体插损的贡献很小，降低了移相器插损对控制元件213寄生串联电阻的敏感度。如图12所示，控制元件213的寄生串联电阻由2.8Ohm变为7Ohm，本申请采用的方法移相器插损由0.03dB变为0.046dB，对整体插损几乎没有影响。而传统方法移相器的插损则由0.29dB增加到了0.43dB。

此外，在采用上述第三缝隙容纳控制单元21时，本实施例提供的多个过孔26环绕上述第三缝隙设置，从而保证了第一金属层25与第二金属层24之间的电位一致。

为了方便理解控制单元21对缝隙的控制，下面结合图5和图6对其原理进行详细的描述。图5为本申请实施例控制单元等效原理图。图6为具体实现的电路结构图。如图6所示，A点处于第二缝隙22的左侧，始终处于对地短路状态；B点位于第二缝隙22的右侧(A、B点之间为微带线211)，其状态受控制元件213控制；C、D分别与控制元件213的两个管脚相接。其中D点与等效去耦电容214相连，始终处于交流短路状态。BC之间的传输线212等效长度为λ/4，则控制元件213断开时，C点处于高阻状态，B点则处于对地短路状态。由于此时A、B两点同时对地短路，电位相同，相当于AB短路，缝隙被短路，表面电流正常流过，没有移相；当控制元件213导通时，C、D点短路相通，经过λ/4传输线后B点则相当于开路，此时缝隙处于断开状态，A、B之间存在很大的交流阻抗，表面电流必须沿缝隙侧边绕道流过，产生移相。一并参考图2，由于第一缝隙11与第二缝隙22一一对应，且在第二缝隙22设置时，该第二缝隙22侧边与第一缝隙11电连接，因此，当第二缝隙22开断时，该第二缝隙22对应的第一缝隙11的开断也被控制。可选的，该控制元件213采用PIN二极管，并且等效去耦电容214为平面直流去耦电容。

可选的，如图2所示，该移相器还包括盖合印刷电路板20上的屏蔽盖30。

在上述实施例中，通过采用金属空腔波导10代替基片集成波导，降低移相器插损的同时，可以更好地与波导***集成；在上述器件中，采用印刷电路板20设置在金属空腔波导10的一个顶壁上，并将控制单元21设置在印刷电路板20上，方便了控制单元21的电子器件的设置，提高了整个装置的集成效果。

如图7所示，本申请还提供了一种移相阵列，该移相阵列包括至少两个并排排列的上述任一项移相器。

在上述实施例中，通过采用金属空腔波导10代替金属空腔波导替代基片集成波导，降低移相器插损的同时，可以更好地与波导***集成；采用印刷电路板20设置在金属空腔波导10的顶壁，并将控制单元21设置在印刷电路板20上，方便了控制单元21的电子器件的设置，提高了整个装置的集成效果。

在上述实施例中，由于采用印刷电路板20与金属空腔波导10之间可以通过烧结的方法固定。这种结构可以很容易实现多个移相器的组阵。即多个金属空腔波导10并排设置，可选的，至少两个移相器的印刷电路板20为一体结构，具体结构如图7所示，此外，在采用此种结构时，至少两个移相器的屏蔽盖也采用一体的结构。

如图8所示，本申请实施例还提供了一种通信设备，该通信设备包括高功率放大器40，与高功率放大器40连接的功率分配网络50，与功率分配网络50连接的至少一个上述任一项的移相器60，与每个移相器60连接的天线70。

可选的，本实施例提供的通信设备可以是传统的无源相控阵雷达***或下一代高频相控阵通信设备、或者其他需要应用移相器60的通信设备。两种***中典型的应用场景如图8所示。移相器60均可以应用到上述两个***中，移相器60位于高功率放大器40和天线70阵列之间，实现对输出信号的相位调整。在移相器60采用至少两个时，至少两个移相器60也可以组合成移相器阵列使用，以提高设备的集成度。在上述实施例中，该移相器60通过采用金属空腔波导10代替金属空腔波导替代基片集成波导，降低移相器60插损的同时，可以更好地与波导***集成；上述器件中，采用印刷电路板20设置在金属空腔波导10的顶壁12，并将控制单元21设置在印刷电路板20上，方便了控制单元21的电子器件的设置，提高了整个装置的集成效果。

在移相器60为至少两个时，至少两个移相器60并排排列，且至少两个移相器60的印刷电路板为一体结构。方便了控制单元21的设置。

显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请实施例的精神和范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种移相器，其特征在于，包括金属空腔波导和印刷电路板；

所述金属空腔波导的一个面上设置有第一缝隙；

所述印刷电路板设置在所述金属空腔波导具有第一缝隙的一面上，并与所述金属空腔波导电连接，所述印刷电路板上设置有与所述金属空腔波导电连接并用于控制第一缝隙通断的控制单元；

所述印刷电路板上设置有与所述第一缝隙对应的第二缝隙，且所述第二缝隙在所述第一缝隙设置面的垂直投影位于所述第一缝隙内，所述第二缝隙的侧壁与对应的第一缝隙的侧壁电连接；

所述控制单元包括横跨所述第二缝隙的微带线，所述微带线的一端与所述第二缝隙的一个侧壁电连接，另一端横跨第二缝隙后通过λ/4传输线连接有控制元件，所述控制元件连接有等效去耦电容，且所述等效去耦电容与低频偏置线连接，其中，所述λ为移相器传播信号的波长。

2.如权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述印刷电路板包括基板、第一金属层和第二金属层；所述第一金属层设置在所述基板朝向所述金属空腔波导的一面，并与所述金属空腔波导上第一缝隙设置面电连接；所述第二金属层设置在所述基板背离所述金属空腔波导的一面，所述第一金属层及所述第二金属层电连接。

3.如权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述移相器包括至少两个所述第一缝隙。

4.如权利要求1所述的移相器，其特征在于，一个所述第一缝隙对应至少两个控制单元。

5.如权利要求2所述的移相器，其特征在于，所述印刷电路板上设置有过孔，所述第一金属层与所述第二金属层之间通过所述过孔内的金属电连接。

6.如权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述微带线、λ/4传输线、控制元件及等效去耦电容均设置在所述印刷电路板上背离所述金属空腔波导的一侧。

7.如权利要求2所述的移相器，其特征在于，所述第二金属层上设置有与所述第二缝隙连通的第三缝隙，与所述第二缝隙连接的控制单元的λ/4传输线、控制元件及等效去耦电容设置在所述第三缝隙内。

8.如权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述控制元件为PIN二极管。

9.如权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述第一缝隙与该第一缝隙对应的第二缝隙重合。

10.如权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述等效去耦电容为平面直流去耦电容。

11.如权利要求1～10任一项所述的移相器，其特征在于，还包括盖合在所述印刷电路板上的屏蔽盖。

12.一种移相阵列，其特征在于，包括至少两个并排排列的如权利要求1～11任一项所述的移相器。

13.如权利要求12所述的移相阵列，其特征在于，所述至少两个移相器的印刷电路板为一体结构。

14.一种通信设备，其特征在于，包括高功率放大器，与所述高功率放大器连接的功率分配网络，与所述功率分配网络连接的至少一个如权利要求1～11任一项所述的移相器，与所述移相器连接的天线。

15.如权利要求14所述的通信设备，其特征在于，在移相器为至少两个时，所述至少两个移相器并排排列，且所述至少两个移相器的印刷电路板为一体结构。

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