CN1112740C - 同轴电缆转换装置 - Google Patents

Abstract

现公开一种用于在电缆和介质基片上的微带印刷电路之间转移高频微波信号的装置，其中第一基片上的第一微带印制线与第二基片上的第二微带印制线电抗性耦合，该第二基片与同轴电缆的内导体相连，而第一微带印制线的相关接地板与同轴电缆的屏蔽地线相连。由于借助第一介质基片上的印刷电路印制线将微波信号电抗性耦合到第二介质基片上的印刷电路印制线，因而形成非接触式射频连接。这避免了发生在金属-金属(电)接点中的互调产物的生成可能。此外，优点在于该装置自动含有直流阻断功能，减少了对单独耦合线、电容器之类的需求。还公开了一种在电缆和介质基片上的印刷电路之间转移高频微波信号的方法。

Description

同轴电缆转换装置

本发明涉及同轴电缆—平面基片转换装置，例如同轴电缆—微带转换装置。

同轴电缆广泛应用于处理微波与无线电信号的***构造中。同轴—平面基片转换的典型应用是用于移动通信网基站，在基站中，接收与传输用电子线路通过同轴电缆与三片式(trip late)天线或分层天线相连。三片式天线的一种形式具有印刷在介质膜或基片上的微带馈电网络，该基片具有伸入或装在辐射孔中的馈电探针或接线片，该辐射孔开在三片式天线的最外层接地板上。在这种装置中，同轴电缆的中央导体直接焊在天线的微带电路上。中央导体的轴线可以与基片并行或正交，接地屏蔽层与天线的接地板相连接。或者，可在由诸如聚四氟乙烯基片所制成的印刷电路板上形成微带阵列。文献US-A-4918458(福特宇航)描述了这样一种通过同轴馈线进行馈电的天线装置。文献GB-A-2007919(Raytheon)也提出了一种通过同轴馈线进行馈电的天线装置。

尽管这些类型的构造易于制造，但却有产生无源互调产物的缺点。由于从同轴转换单元到例如威尔金森(Wilk in son)耦合器的任何功率分配器之间所必需的隔离距离将导致高损耗，故功率容量会受到限制。在使用具有高温度容量的介质时会产生另外的问题，该高温度容量是为能够形成焊接所必需的。在诸如有源天线的情况下，为形成直流阻断会存在耦合线。

在与微波导体机械式连接的设计中，对要求高线性度的关键性用途需要极度关心，例如蜂窝式无线通信与卫星通信中。在元件被焊接的情况下，需要对电导体表面加以关注；金属与金属接触点的不规则与非理想化会导致电信号非线性化。这会造成无源互调制，其中会产生有害的寄生信号，并且这些效应通常随频率、接触压力、工作期限及其它因素而变化。

本发明的一个目的是提供改进的同轴电缆到微带线的连接件，它具有高的平均或峰值功率且仅产生很低的无源互调产物。

根据本发明的一个方面，提供一种用于在电缆和介质基片上的微带印刷电路之间传输高频微波信号的装置，该装置具有：同轴电缆、带有第一微带印刷电路的介质基片、以及带有第二印刷电路的中间介质基片；其中同轴电缆的内导体与中间介质基片的第二印刷电路相连，而同轴电缆的外导体与所述介质基片的相关接地板相连；并且中间介质上的印刷电路可将所有信号从同轴电缆通过中间介质基片的印刷电路电抗性耦合到所述介质基片上的第一印刷电路。

中间介质基片可具有作为接地板的镀金属表面，同轴电缆的地线与之相连，该接地板可与所述介质基片的所述相关接地板电抗性耦合。

同轴电缆端口的内导体可与五端口环形波导耦合器(rat-race-coupler)的第一节点相连，第一节点附近两个节点中的每一个以平衡方式向输出线馈电，该输出线可与所述介质上的印刷电路相耦合。环形波导耦合器的另外两个节点可通过终端电阻与地线相连。

环形波导耦合器的另外两个输出节点可与一个威尔金森耦合器的两个输出分路相连，由此可从同轴电缆形成单一传输线输出。或者，环形波导耦合器的另外两个输出节点可分别与一个威尔金森耦合器相连，由此可从同轴电缆形成四路传输线输出。

中间板的介质基片可由聚四氟乙烯制成；所述介质基片可以是聚酯薄膜。印刷电路可以被设置成微带的形式。

根据本发明的另一方面，提供一种在一装置中的电缆和介质基片上的印刷电路之间转移高频微波信号的方法，该装置包含有同轴电缆、带有第一印刷电路的介质基片、以及带有印刷电路的中间介质基片；该方法包括以下步骤：

将所述信号通过同轴电缆的内导体转移到中间介质基片的印刷电路，将同轴电缆的外导体与所述介质基片的相关接地板相连；并且

通过中间介质基片的印刷电路使所有信号在同轴电缆与所述介质基片上的第一印刷电路之间电抗性耦合。

根据本发明的另一方面，提供一种同轴—平面基片耦合装置，其中第一基片上的第一微带印制线与第二基片上的第二微带印制线电抗性耦合，该第二基片与同轴电缆的内导体相连，而与第一微带印制线相关的接地板与同轴电缆的屏蔽地线相连。

借助第一介质基片上的印刷电路印制线，微波信号被电抗性耦合给所述介质基片上的印刷电路印制线，由此形成非接触射频连接。这避免了发生在金属-金属(电)接点中的互调产物的生成可能。

另外，在该装置中自动含有直流阻断功能，减少了对单独耦合线、电容器之类的需求。直流/低频阻断对于从所传送的其它信号中隔离所需信号单元，例如无用的直流或低频偏压、数字或其它信号，是有效且确实必要的。含有电抗性耦合接地板具有以下优势：有助于避免诸如多个接地回路(接地环路)的不相容性。

由于使同轴电缆的内导体连到与第一微带印制线分开的微带电路上，因此带有第一微带印制线/馈电网路的介质基片无需用高温介质制造。这就是说该介质可以是一层例如0.075毫米厚的薄膜，微带电路印刷在其上。因此能够使用便宜的介质例如低温聚酯薄膜。

优选的是：在三片式结构中设置微带以降低损耗，但微带传输线没有三片式结构中可能会用到的第二接地板。微带线从第二介质板即转换板上的焊接接点处可以分成两个同相的、方向相向的微带线，或者可以形成一个平衡五节点环形波导电路单元中的一个节点，使功率从输入节点相邻的两个节点被耦合。已经发现，平衡五节点装置能提供适宜的耦合结构，但其它类型的环形波导或其它的合并器/分路器也是可行的。优选的是：微带元件设置在输入节点周围，对不希望有的、具有相当多场分量与接地板并行的模的传播加以抑制。

现参照附图对本发明的实施例加以说明，附图中：

图1显示了本发明的第一实施例；

图2详示了第一实施例的截面图；

图3显示耦合部分的相对位置；

图4显示第一同轴端子元件；

图5显示第二同轴端子元件；

图6显示了环形波导耦合装置；以及

图7和图8示范说明实施例的等效电路。

现参照图1，图中显示了根据本发明的第一种装置，其中同轴电缆10具有与三片式结构的第一接地板14相连的接地转换体12。同轴电缆的内导体与其上印刷有微带电路的转换介质基片18相连，在与第一接地板14相反的表面上形成“T”形布局。一薄层介质20支承着用于三片式结构的微带布局。介质20带有一个与焊接接头区21相对应的缺口部分，该焊接接头从同轴电缆的内导体作用于转换部件18。微带网络印刷在介质上的面向离开第一接地板14一侧。介质层例如泡沫层24，26置于介质20的每一侧，包围转换板18并包围可选的第二转换板30。可选的转换板30用来防止焊料与第二接地板32接触。转换板18的微带接线片元件34，36与介质20上微带网络的微带元件38，40电容性耦合。

图2详示了图1所示实施例的截面，但没有详示出同轴电缆10和转换体12。由例如铝合金制成的两层金属板14，32限定成三片式结构。介质膜20支承微带模板，该介质膜支承在两层高密度泡沫21，23之间，由此使膜20与三片式结构的金属板之间保持最佳距离。转换装置的中间板18，30位于介质膜20的两侧，而塑料片如聚酯33将中间板18的接地板与三片式结构的接地板32隔离开并从而使接地效应被电抗性耦合。

图3以间隔开的透视关系，详示了转换装置的中间板18，30。介质膜20具有镀金属印制线，耦合接线片40在膜20的第一侧，该膜以其第二侧靠着中间板18定位。耦合接线片40与中间板18上微带模板的相似形状镀金属接线片36反向布置，以保证最佳的耦合—尽管耦合区域事实上不过是镀金属线部分。微带线可方便地从同轴电缆分成两个探针，由于可以容易地在两分路之间对分功率，而不会由于反射产生多余功率损失，所以这两个探针分别与聚酯薄膜上的相应接线片耦合。或者，从同轴馈点分开的两分路可向威尔金森分配器馈电，由此可使四路耦合接线片与聚酯薄膜上的相应接线片相耦合。

图4示出了同轴端子的一种形式，虽然未按比例，但在中间板部分重叠区内画出了另一实施例耦合部分的相对位置。在该例子中，接线插座12置于接地板32的凹座中。经钻削并攻丝的孔11被设置用于接收螺钉(未示出)，螺钉将装置固定在三片式结构14，18，30及32上。或者，螺钉可以是自攻丝的。塞孔接点16焊在板上和微带印制线上。该接点具有对分式套筒结构，可与同轴电缆的中央导体以滑动接触的方式相接合，这可以适应由热膨胀以及其它效应所造成的运动。焊接接点将同轴电缆的中央导体16与微带或微带印制线相连。连接头的中央部分具有一个进口处有内螺纹的凹座及一个对接部分，对接部分被加工成形为：当与螺钉13连接时，紧靠在与同轴电缆端部相联的环圈上。

图5显示了第二种类型的同轴电缆—微波带状线/微带结构，该结构具有将连接头连到介质结构82(可以是柔性的)上的螺钉81。也可使用焊料坯或焊膏，它们能改善内导体16与基片18之间的连接。对接部分84具有环形线接触或边缘接触结构80，当与其它环圈或对接部分相接时，该边缘即受压。环圈85可以具有环形线接触或边缘接触结构。

图6详示了用于转换单元18的第二种类型微带电路，含有平衡五端口环形波导电路元件50，其中环形波导的节点之一52为同轴焊接转换点。节点或端口54，56在输入节点的两侧，起输出端的作用，该输出端可向耦合器例如威尔金森耦合器(未示出)馈电，耦合器能够将输出分路的功率平分或合并。因此，当使用两个威尔金森耦合器时，可由该装置得到四个耦合部分。这是一种密集型耦合装置，尤其适用于微带天线装置中。镀金属部分70，72的作用是：限令微波沿环形波导传播，而不是象在寄生与损耗方式中那样在微带线与接地板之间传播。终端电阻R1，R2优选的是位于环形波导的未用端，正如众所周知的那样。接地区可设在微带模板的同一侧，以辅助对寄生模式的抑制。通过适当地镀金属并从中间板另一面上的接地板伸出通路，并且/或者通过对基片边缘的周围镀金属，可以容易地制造这种接地区。

图7和图8显示了如图1和图6所示两种形式耦合装置的等效电路。环形波导是内匹配的以减小损耗，并且由于具有同相分相器，因此各端口同相位。镀金属部分70优选的是通过电阻性元件与环形波导相连，以避免过度模变(over-moding)。也可以不向两个威尔金森耦合器馈电，而是从环形波导的两个端口可向威尔金森耦合器的两个输入分路馈电，以形成单一输出。

通过形成电抗性耦合连接，减少了不同金属之间的直接接触，从而减少了互调噪声和非线性的产生源。优选的是：通过使用镀银元件、无焊剂焊料以及在适当处使用焊料回流技术，可进一步减少噪声的生成。

为了使制造成本保持最低，转换体可以是简单的车制件，且在配合面内开有槽。该槽使得自攻丝螺钉可被用来将转换体拧紧在转换板组件上。这种特性具有两个优点：第一，在转换板组件的安装孔和转换体之间只有一个坐标方向必需对准；第二，由于避免了对费用高的安装螺钉用螺纹孔的需求，故转换体造价低廉。

焊接在转换板的塞孔接点使半刚性电缆的中央导体能够滑入其中，从而避免在电缆热膨胀期间产生机械应力，并且在转换装置中使用现有的已被验证的连接件能保证产生很低的互调产物。微带模板可由铜制成，而其上带有印制线的基片可为聚酯，两者均常用于这类用途中。

转换板优选的是由聚四氟乙烯制造而成，该材料在镀金属以后可形成用于转换装置中塞孔接头的可焊接基片。聚四氟乙烯有相对高的熔点，易于焊接。对于三片式结构使用聚四氟乙烯优于使用泡沫/膜/泡沫式夹层，这是由于聚四氟乙烯可更好地适应高功率，具有低损耗，另外聚四氟乙烯比泡沫/膜/泡沫表现出更好的热传导性。因而其组件可处理相对高的功率并且可在容许的温度范围内运行。

同轴电缆可为刚性、半刚性或柔性的。已表明接地板可由铝合金构成，铝合金能提供良好的强度-重量比和高的耐腐蚀性。

Claims (9)

1.一种用于在微波天线结构中在电缆和设置在介质基片上的微带印刷电路馈送网络之间转移高频微波信号的装置，该装置包括：

同轴电缆端口(10)，它具有一个连接于上述微带印刷电路馈送网络的内导体(16)和一个连接于与所述介质基片相关的接地板(14)的外导体(12)，

其特征在于：所述设置在介质基片上的微带印刷电路馈送网络包括一个设在一个第一介质基片(20)上并提供天线的馈送网络的第一微带印刷电路(38，40)，和一个设在一个中间介质基片(18)上的中间微带印刷电路(21，34，36)；同轴电缆端口的上述内导体(16)与设置在上述中间介质基片上的中间印刷电路(21)连接；以及，设在中间介质基片上的上述中间印刷电路(34，36)，将所有微波信号从同轴电缆端口(10)通过中间印刷电路(21，34，36)电抗性耦合到上述第一介质基片(20)上的第一印刷电路(38，40)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：中间介质基片(18)带有镀金属的表面，起到接地板的作用，同轴电缆的地线与之相连，该接地板与所述介质基片的所述相关接地板电抗性耦合。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：同轴电缆端口的内导体与一个五端口环形波导耦合器的第一节点(10)相连，第一节点相邻的两个节点(54，56)的每一个以平衡方式向输出线馈电，该输出线可与所述介质上的一个印刷电路相耦合。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：环形波导耦合器的另外两个节点通过终端电阻(R1，R2)接地。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于：环形波导耦合器的另外两个输出节点(54，56)与一个威尔金森耦合器的两个输出分路相连，由此可从同轴电缆构成单一的传输线输出。

6.如权利要求3所述的装置，其特征在于：环形波导耦合器的另外两个输出节点(54，56)的每一个均与一个威尔金森耦合器的两个输出分路相连，由此可从同轴电缆构成四路传输线输出。

7.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：上述中间介质基片由聚四氟乙烯制成。

8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述第一介质基片为聚酯薄膜。

9.一种在一微波天线结构中在电缆和介质基片上的印刷电路之间转移高频微波信号的方法，上述微波天线结构包括：同轴电缆端口(10)，它具有一个连接于一个馈送部件的内导体(16)，该馈送部件由一个设有提供馈送网络的第一微带印刷电路(38，40)构成；和一个设有中间微带印刷电路(21，34，36)的中间介质基片(18)，所述同轴电缆端口具有连接于与上述馈送部件相关的接地板(14)的外导体(12)，上述方法包括以下步骤：

将所述信号通过同轴电缆端口(10)的内导体(16)转移到中间介质基片(18)上的中间印刷电路(21，34，36)；并且

通过中间介质基片(18)上的中间印刷电路(21，34，36)，使所有信号在同轴电缆端口与所述介质基片(20)上的第一印刷电路(38，40)之间电抗性耦合。

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