CN114050413A - 宽带馈电网络、天线和通信设备 - Google Patents

宽带馈电网络、天线和通信设备 Download PDF

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CN114050413A CN202111607651.3A CN202111607651A CN114050413A CN 114050413 A CN114050413 A CN 114050413A CN 202111607651 A CN202111607651 A CN 202111607651A CN 114050413 A CN114050413 A CN 114050413A
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朱良
陆超
谢亚运
刘星
孔斌
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Abstract

本申请涉及一种宽带馈电网络、天线和通信设备。该宽带馈电网络包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器和馈电相移网络；第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器均为90°耦合器，馈电相移网络包括第一传输线、第二传输线和传输线匹配网络，其中，传输线匹配网络与第一传输线电连接，用于控制第一传输线与第二传输线之间的相位差与90°的差值小于预设阈值；第一耦合器通过第一传输线和传输线匹配网络与第二耦合器电连接，第一耦合器通过第二传输线与第三耦合器电连接，第二耦合器的两个输出端口分别连接第一天线馈电点和第二天线馈电点，第三耦合器的两个输出端口分别连接第三天线馈电点和第四天线馈电点，实现馈电网络的小型化和超宽带化。

Description

宽带馈电网络、天线和通信设备
技术领域
本申请涉及无线通信的天线技术领域，特别是涉及一种宽带馈电网络、天线和通信设备。
背景技术
随着现代无线通信事业的发展，全球卫星导航***(Global NavigationSatellite System, GNSS)在国防工业中以及人们的日常生活中发挥了越来越大的作用。其中，卫星导航天线是GNSS的重要组成部分，也是保证高精度定位、授时和导航的关键零部件。天线的相位误差和远场圆极化辐射特性是衡量卫星导航天线性能的关键指标，为了实现导航天线“零”相位中心误差和优异的圆极化辐射特性，一方面需要选用严格中心轴对称的辐射体，比如圆形贴片微带天线，四臂螺旋天线等；另一方面需要设计出等幅度、相位依次正交(相位依次为0°, 90°, 180°, 270°)的小型化馈电网络，并且覆盖相应的工作带宽。中心轴对称的辐射体容易设计，而小型化馈电网络的设计较复杂。
目前的馈电网络采用2个正交（90°）耦合器和1个180°宽带耦合线耦合器组成，虽然相位误差较小并能够覆盖整个GNSS工作频段，但是体积过大。因此，如何在保证宽频段带宽的情况下，实现馈电网络的小型化成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在保证宽频段带宽的情况下，实现馈电网络的小型化的宽带馈电网络、天线和通信设备。
第一方面，本申请提供了一种宽带馈电网络，包括：第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器和馈电相移网络；所述第一耦合器、所述第二耦合器和所述第三耦合器均为90°耦合器，所述馈电相移网络包括第一传输线、第二传输线和传输线匹配网络，其中，所述传输线匹配网络与所述第一传输线电连接，用于控制所述第一传输线与所述第二传输线之间的相位差与90°的差值小于预设阈值；
所述第一耦合器通过所述第一传输线和所述传输线匹配网络与所述第二耦合器电连接，所述第一耦合器通过所述第二传输线与所述第三耦合器电连接，所述第二耦合器的两个输出端口分别连接第一天线馈电点和第二天线馈电点，所述第三耦合器的两个输出端口分别连接第三天线馈电点和第四天线馈电点。
在其中一个实施例中，所述传输线匹配网络包括开路枝节和短路枝节，所述第一传输线包括第一部分和第二部分；
所述开路枝节并联在所述第一部分和所述第二部分之间，所述短路枝节并联在所述第一部分和所述第二部分之间后接地。
在其中一个实施例中，在所述开路枝节和短路枝节的作用下，所述第一传输线和所述第二传输线之间的相位差等于90°。
在其中一个实施例中，所述第一传输线的第一特性阻抗的取值范围为18Ω~30Ω，所述第一传输线的第一电长度的取值范围为10°~30°。
在其中一个实施例中，所述开路枝节的第二特性阻抗和所述短路枝节的第三特性阻抗相等。
在其中一个实施例中，所述第二特性阻抗或者所述第三特性阻抗的取值范围65Ω~75Ω，所述开路枝节的第二电长度和所述短路枝节的第三电长度均与所述第一特性阻抗、第二特性阻抗、第三特性阻抗、第二传输线的第四特性阻抗、第一电长度和第二传输线的第四电长度中的至少一个相关。
在其中一个实施例中，所述第二传输线的第四特性阻抗等于50Ω，所述第二传输线的第四电长度的取值范围为95°~120°。
在其中一个实施例中，所述第一耦合器的第一端口与所述第一传输线的输入端口电连接，所述第一耦合器的第二端口通过所述第二传输线与所述第三耦合器的第一端口电连接；
所述第一耦合器的第一端口和所述第一耦合器的第二端口输出的信号的相位差等于90°；
所述第一传输线的第二端口与所述第二耦合器的第一端口电连接，所述第二耦合器连接两个天线馈电点的输出端口所输出的信号之间的相位差等于90°，所述第三耦合器连接两个天线馈电点的输出端口所输出的信号之间的相位差等于90°。
在其中一个实施例中，所述第一耦合器、所述第二耦合器和所述第三耦合器均采用RCP1500Q03器件，所述相移馈电网络的工作带宽为1166 MHz~ 1610MHz，所述相移馈电网络的插损为0.25dB。
第二方面，本申请还提供了一种天线，所述天线包括上述所述的宽带馈电网络。
第三方面，本申请还提供了一种通信设备，所述通信设备包括上述所述的天线。
上述宽带馈电网络、天线和通信设备，包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器和馈电相移网络；第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器均为90°耦合器，馈电相移网络包括第一传输线、第二传输线和传输线匹配网络，其中，传输线匹配网络与第一传输线电连接，用于控制第一传输线与第二传输线之间的相位差与90°的差值小于预设阈值；第一耦合器通过第一传输线和传输线匹配网络与第二耦合器电连接，第一耦合器通过第二传输线与第三耦合器电连接，第二耦合器的两个输出端口分别连接第一天线馈电点和第二天线馈电点，第三耦合器的两个输出端口分别连接第三天线馈电点和第四天线馈电点，由于无需使用1个180°宽带耦合线耦合器，而是采用三个90°耦合器以及馈电相移网络，从而实现馈电网络的小型化，且能够满足在1166MHz ~ 1607MHz的宽频段带宽需求。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种宽带馈电网络的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的另一种宽带馈电网络的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种馈电相移网络的仿真结果图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
四端口馈电网络采用2个正交（90°)耦合器和1个180°宽带耦合线耦合器组成，具有相位平衡（误差）小和能够覆盖整个GNSS工作频段的突出优点，但是体积过大，无法满足小型化的使用要求。韩国RN2公司推出的型号为RQF1600Q06的四臂电桥，虽然具有较小的插损和准确正交的相位差，但是覆盖带款仅为1520-1660MHz，远远达不到GNSS全频段的要求。部分馈电网络中采用由一个集总参数电路、2个3dB电桥组成的实现4馈点的相移馈电网络，虽然体积小，但是工作频段仅仅能覆盖1561MHz～1575MHz，也存在严重的窄带缺陷。
为了解决现有技术中的体积大以及窄带的问题，实现小型化以及宽带化，本申请提供了一种新型的宽带馈电网络。参照图1，图1是本申请实施例提供的一种宽带馈电网络的结构示意图，该宽带馈电网络包括：第一耦合器101、第二耦合器102、第三耦合器103和馈电相移网络；第一耦合器101、第二耦合器102和第三耦合器103均为90°耦合器，馈电相移网络包括第一传输线1041、第二传输线1042和传输线匹配网络1043，其中，传输线匹配网络1043与第一传输线1041电连接，用于控制第一传输线1041与第二传输线1042之间的相位差与90°的差值小于预设阈值；
第一耦合器101通过第一传输线1041和传输线匹配网络1043与第二耦合器102电连接，第一耦合器101通过第二传输线1042与第三耦合器103电连接，第二耦合器102的两个输出端口分别连接第一天线馈电点105和第二天线馈电点106，第三耦合器103的两个输出端口分别连接第三天线馈电点107和第四天线馈电点108。
为了更清楚的介绍本申请实施例，将第一传输线1041的两端分别称为P1端口和P2端口，将第二传输线1042的两个端口分别称为P3端口和P4端口。第一耦合器101通过第一传输线1041和传输线匹配网络1043与第二耦合器102电连接，即，第一耦合器101第一输出端口1011与第一传输线1041的P1端口电连接，第一传输线1041的P2端口与第二耦合器102电连接。
第一耦合器101通过第二传输线1042与第三耦合器103电连接，即，第一耦合器101的第二输出端口1012与第二传输线1042的P3端电连接，第二传输线的P4端口与第三耦合器103电连接。
第一耦合器101用于将输入到第一耦合器101的一个端口1014的信号的幅度平均分配给第一耦合器101的第一输出端口1011和第二输出端口1012，且第一输出端口1011和第二输出端口1012之间的相位差为90°。同时由于第一耦合器101第一输出端口1011与第一传输线1041的P1端口电连接，第一耦合器101的第二输出端口1012与第二传输线1042的P3端口电连接，因此，第一传输线1041的P1端口的信号幅度和第二传输线1042的P3端口的信号幅度相等，且第一传输线1041的P1端口的信号与第二传输线1042的P3端口的信号的相位差为90°。
第一耦合器101通过第二传输线1042与第三耦合器103电连接，即，第一耦合器101与第二传输线1042的P3端连接，第二传输线的P4端与第三耦合器103电连接。第三耦合器103用于将P4端的信号的幅度平均分配给第三耦合器103的第一输出端口1031和第二输出端口1032，且第一输出端口1031的信号和第二输出端口1032的信号之间的相位差为90°。
第二耦合器102用于将来自P2端的信号的幅度平均分配给第二耦合器102的第一输出端口1021和第二输出端口1022，且第一输出端口1021和第二输出端口1022之间的相位差为90°。同时由于第二耦合器102的两个输出端口分别连接第一天线馈电点105和第二天线馈电点106，如图1中所示，该两个输出端口中的第一输出端口1021与第一天线馈电点105连接，第二输出端口1022与第二天线馈电点106连接，因此，第一天线馈电点105和第二天线馈电点106的信号的幅度相等且相位相差90°。
第三耦合器103的两个输出端口分别连接第三天线馈电点107和第四天线馈电点108，即，第三耦合器的第一输出端口1031连接第三天线馈电点107，第三耦合器的第二输出端口1032连接第四天线馈电点108。由于第三耦合器103用于将来自P4端的信号的幅度平均分配给第三耦合器103的第一输出端口1031和第二输出端口1032，且第一输出端口1031和第二输出端口1032之间的相位差为90°。因此，第三天线馈电点107和第四天线馈电点108的信号的幅度相等且相位相差90°。
需要说明的是，由于本实施例中，传输线匹配网络1043与第一传输线1041电连接，用于控制第一传输线1041与第二传输线1042之间的相位差与90°的差值小于预设阈值，其中，预设阈值例如为0.1°或者其他非常接近于0°的值，也即通过传输线匹配网络1043控制第一传输线1041与第二传输线1042之间的相位差达到或者非常接近90°，从而能够实现P4端的相位比P2端的相位滞后180°，即，若P2端的相位为0°，则P4端的相位为-180°。因此，实现第一馈电点、第二馈电点、第三馈电点以及第四馈电点之间的相位依次相差90°。例如，若P2端的相位为0°，则第一馈电点的相位为0°，第二馈电点的相位为-90°，第三馈电点的相位为-180°，第四馈电点的相位为-270°。
本实施例提供的宽带馈电网络，无需使用1个180°宽带耦合线耦合器，而是采用三个90°耦合器以及馈电相移网络，从而实现馈电网络的小型化，且能够满足在1166MHz ~1607MHz的宽频段带宽需求。
在其中一个实施例中，参照图2，图2是本申请实施例提供的另一种宽带馈电网络的结构示意图。在上述实施例的基础上，传输线匹配网络包括开路枝节201和短路枝节202，第一传输线1041包括第一部分和第二部分；
开路枝节201并联在第一部分和第二部分之间，短路枝节202并联在第一部分和第二部分之间后接地。
在其中一个实施例中，第一耦合器101的一个端口1013与50Ω阻抗的负载连接后接地，第二耦合器102的一个端口1023与50Ω阻抗的负载连接后接地，第三耦合器的一个端口1034与50Ω阻抗的负载连接后接地。
可选的，在开路枝节和短路枝节的作用下，第一传输线1041和第二传输线1042之间的相位差等于90°。
本实施例中，第一传输线1041在没有并联开路枝节201和短路枝节202的情况下，在中心频点1400MHz处，与第二传输线1042之间的相位差刚好为90°，但在GNSS的较低工作频段处（例如1166MHz），第一传输线1041与第二传输线1042之间的相位差会远小于90°（例如第一传输线1041与第二传输线1042之间的相位差等于70°）。而在GNSS较高工作频段处(例如1607MHz)，第一传输线1041与第二传输线1042之间的相位差会远高于90°（例如第一传输线1041与第二传输线1042之间的相位差等于110°）。
参照上述分析，为了实现在整个工作带宽（1166MHz~1607MHz）内第一传输线与第二传输线之间的相位差稳定在90°，通过将开路枝节201并联在第一部分和第二部分之间，短路枝节202并联在第一部分和第二部分之间后接地，从而实现在GNSS的较低工作频段处等效于并联一个电容，增加第一传输线与第二传输线的相位差，使其接近于90°。而在GNSS较高工作频段处等效于并联一个电感，降低第一传输线与第二传输线的相位差，也使其接近于90°，从而在整个工作带宽（1166MHz~1607MHz）实现一个稳定的正交相位差移相网络，在满足宽带化馈电网络设计的需求的情况下，实现馈电网络的小型化。
可选的，第一传输线1041的第一特性阻抗的取值范围为18Ω~30Ω，第一传输线1041的第一电长度的取值范围为10°~30°。
可选的，开路枝节201的第二特性阻抗和短路枝节的第三特性阻抗相等。
可选的，第二特性阻抗或者第三特性阻抗的取值范围65Ω~75Ω，开路枝节201的第二电长度和短路枝节的第三电长度均与第一特性阻抗、第二特性阻抗、第三特性阻抗、第二传输线1042的第四特性阻抗、第一电长度和第二传输线1042的第四电长度中的至少一个相关。
可选的，第二传输线1042的第四特性阻抗等于50Ω，第二传输线1042的第四电长度的取值范围为95°~120°。
可选的，第一耦合器101的第一端口与第一传输线1041的输入端口电连接，第一耦合器101的第二端口通过第二传输线1042与第三耦合器103的第一端口电连接；
第一耦合器101的第一端口和第一耦合器101的第二端口输出的信号的相位差等于90°；
第一传输线1041的第二端口与第二耦合器102的第一端口电连接，第二耦合器102连接两个天线馈电点的输出端口所输出的信号之间的相位差等于90°，第三耦合器103连接两个天线馈电点的输出端口所输出的信号之间的相位差等于90°。
其中，第一耦合器101的第一端口指上述的第一输出端口1011，第一传输线1041的输入端口指第一传输线的P1端口，第一耦合器101的第二端口指第二输出端口1012，第三耦合器103的第一端口指如图2中第三耦合器103的1033端口，第三耦合器103的1033端口指与第二传输线的P4端口电连接的端口。第一传输线1041的第二端口指P2端口。
可选的，所述第一耦合器101、所述第二耦合器102和所述第三耦合器103均采用RCP1500Q03器件，所述相移馈电网络的工作带宽为1166 MHz~ 1610MHz，所述相移馈电网络的插损为0.25dB。
90°耦合器选用RN2公司RCP1500Q03器件，可实现宽带化（可覆盖1200-1700MHz）功率分配、90°正交相移，且具备低插损(0.25dB)的特性。
需要说明的是，现有部分馈电网络使用韩国RN2公司推出的型号为RQF1600Q06的四臂电桥，虽然具有较小的插损和准确正交的相位差，但是覆盖带宽仅为1520MHz~1660MHz，远远达不到GNSS全工作频段（1166MHz~1607MHz）的要求，并且RQF1600Q06的四臂电桥的成本很高。而基于本文提出的宽带馈电网络，搭配三个RCP1500Q03器件就可以实现超宽带正交相移馈电网络，且成本低，工艺批次性稳定，易于量产。
上述的第一天线馈电点105、第二天线馈电点106、第三天线馈电点107以及第四天线馈电点108设置于如图2所示的圆形印制电路板（ Printed Circuit Board，PCB）上。
为了设计出参数合理的馈电相移网络，需要得出第一传输线和第二传输线的特性阻抗(Z1~Z4)与电长度(θ1~θ4)之间的关系式，其中，第一传输线的第一部分的特性阻抗记为Z1，电长度记为θ1；第一传输线的第二部分的特性阻抗记为Z1，电长度记为θ1；开路枝节201的特性阻抗记为Z2，电长度记为θ2；短路枝节202的特性阻抗记为Z3，电长度记为θ3；第二传输线的特性阻抗记为Z4，电长度记为θ4。由传输线矩阵理论可知，P1到P2端口之间的相移可由以下公式得到：
Figure 2346DEST_PATH_IMAGE002
（1）
Figure 591591DEST_PATH_IMAGE004
（2）
其中
Figure 574590DEST_PATH_IMAGE006
表示P1端口到P2端口的相移，而
Figure DEST_PATH_IMAGE007_29A
表示P3端口到P4端口的 相移，
Figure DEST_PATH_IMAGE009_17A
，Z0等于50Ω，当P2端口加载50Ω负载时（例如90°耦合器的输入 端口），希望得到的P1端口反射系数为0，即P1端口的输入阻抗也为50Ω，可以得到下列等式：
Figure DEST_PATH_IMAGE011_16A
（3）
由于要求第一传输线和第二传输线之间的相位差为90°，即式(1)-式(2)=90°，连同式(3)就可以得到馈电相移网络的电路参数。
现以中心频点1400MHz设计为例，举例说明如何计算得到超宽带90°相位差相移网络的具体电路参数。首先，为了满足小型化的设计需求，先分别赋值θ1和θ4为12°和100°，即可得到Z1=20.6Ω；出于降低设计难度和控制加工精度两方面的考虑，令Z4=50Ω，Z2=Z3=70Ω，即可得到θ2和θ3为25°和31°。针对这些电参数值，对馈电相移网络进行模拟仿真，得到如图3所示的P1端口的回波损耗曲线、P1端口到P2端口的插损曲线以及式(1)与式(2)的相位差值曲线共3种曲线。其中，S11表示P1端口的回波损耗曲线，S21表示P1端口到P2端口的插损曲线，Phase(S21-S43)表示式(1)与式(2)的相位差值曲线。其中，图3是本申请实施例提供的一种馈电相移网络的仿真结果图，图3中的S-Parameters/dB表示S参数/dB，S11和S21分别对应的曲线以图3中左侧纵轴为准，Phase(S21-S43)对应的曲线以图3中右侧纵轴为准，横轴的Frequency/GHz表示频率/G赫兹。从图3示出的仿真曲线中可以看出馈电相移网络表现出了优异的宽带化、低插损和正交相位特性，配合三个RCP1500Q03器件就可以实现小型化（直径仅为30mm）、低插损、宽频段和准确相位差的新型四端口馈电网络，为实现卫星导航天线的“零”相位中心和优异圆极化辐射性能提供有力保障。
综上介绍，本实施例提供的馈电相移网络，可以在小型化设计前提下，实现GNSS全***全频段覆盖，且表现出优异的低插损和准确的90°相位差特性，而且经过模拟仿真和工程实践的验证，确定了其高效性和可行性，这是目前的设计方案无法实现的。基于本申请提出的馈电相移网络，结合三个RCP1500Q03耦合器可以实现超宽带正交相移馈电网络，且成本低，工艺批次性稳定，易于量产。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种宽带馈电网络，其特征在于，包括：第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器和馈电相移网络；所述第一耦合器、所述第二耦合器和所述第三耦合器均为90°耦合器，所述馈电相移网络包括第一传输线、第二传输线和传输线匹配网络，其中，所述传输线匹配网络与所述第一传输线电连接，用于控制所述第一传输线与所述第二传输线之间的相位差与90°的差值小于预设阈值；
所述第一耦合器通过所述第一传输线和所述传输线匹配网络与所述第二耦合器电连接，所述第一耦合器通过所述第二传输线与所述第三耦合器电连接，所述第二耦合器的两个输出端口分别连接第一天线馈电点和第二天线馈电点，所述第三耦合器的两个输出端口分别连接第三天线馈电点和第四天线馈电点。
2.根据权利要求1所述的宽带馈电网络，其特征在于，所述传输线匹配网络包括开路枝节和短路枝节，所述第一传输线包括第一部分和第二部分；
所述开路枝节并联在所述第一部分和所述第二部分之间，所述短路枝节并联在所述第一部分和所述第二部分之间后接地。
3.根据权利要求2所述的宽带馈电网络，其特征在于，在所述开路枝节和短路枝节的作用下，所述第一传输线和所述第二传输线之间的相位差等于90°。
4.根据权利要求3所述的宽带馈电网络，其特征在于，所述第一传输线的第一特性阻抗的取值范围为18Ω~30Ω，所述第一传输线的第一电长度的取值范围为10°~30°。
5.根据权利要求3所述的宽带馈电网络，其特征在于，所述开路枝节的第二特性阻抗和所述短路枝节的第三特性阻抗相等。
6.根据权利要求5所述的宽带馈电网络，其特征在于，所述第二特性阻抗或者所述第三特性阻抗的取值范围65Ω~75Ω，所述开路枝节的第二电长度和所述短路枝节的第三电长度均与所述第一特性阻抗、第二特性阻抗、第三特性阻抗、第二传输线的第四特性阻抗、第一电长度和第二传输线的第四电长度中的至少一个相关。
7.根据权利要求3所述的宽带馈电网络，其特征在于，所述第二传输线的第四特性阻抗等于50Ω，所述第二传输线的第四电长度的取值范围为95°~120°。
8.根据权利要求2-7任一项所述的宽带馈电网络，其特征在于，所述第一耦合器的第一端口与所述第一传输线的输入端口电连接，所述第一耦合器的第二端口通过所述第二传输线与所述第三耦合器的第一端口电连接；
所述第一耦合器的第一端口和所述第一耦合器的第二端口输出的信号的相位差等于90°；
所述第一传输线的第二端口与所述第二耦合器的第一端口电连接，所述第二耦合器连接两个天线馈电点的输出端口所输出的信号之间的相位差等于90°，所述第三耦合器连接两个天线馈电点的输出端口所输出的信号之间的相位差等于90°。
9.根据权利要求8所述的宽带馈电网络，其特征在于，所述第一耦合器、所述第二耦合器和所述第三耦合器均采用RCP1500Q03器件，所述相移馈电网络的工作带宽为1166 MHz~1610MHz，所述相移馈电网络的插损为0.25dB。
10.一种天线，其特征在于，所述天线包括如权利要求1-9任一项所述的宽带馈电网络。
11.一种通信设备，其特征在于，所述通信设备包括如权利要求10所述的天线。
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