一种双频双正交相位输出功分馈电网络

摘要

本发明公开一种双频双正交相位输出功分馈电网络，包括基于左右手复合传输线的双频Wilkinson功分器、基于左右手复合传输线的双频90度相移器、介质基板和地板金属层。所述馈电网络在两个输出端口提供功率相等、可在北斗卫星导航系统上行频率1.618GHz提供相位超前90度和在北斗卫星导航系统下行频率2.494GHz提供相位滞后90度的双正交特性。它具有结构简单、加工容易、易于集成和体积较小等特点。本发明的双频双正交相位输出功分馈电网络在北斗卫星导航系统的上行频率和下行频率均能很好地满足功分馈电网络的性能要求并在上行频率提供相位超前90度和在下行频率上提供相位滞后90度双频双正交特性。

说明书

技术领域

本发明涉及到一种双频双正交相位输出功分馈电网络，可作为北斗卫星导航系统终端设备中的双频双圆极化天线的馈电网络。

背景技术

卫星导航产业是国家战略性高技术产业，是典型的技术密集型与服务型IT产业，其发展前景十分广阔，是继蜂窝移动通信和互联网之后，全球发展最快的信息产业，已成为第三个IT经济的又一个新的增长点。以美国全球定位系统GPS为代表的卫星与定位GPS应用产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业。我国的卫星导航产业正进入产业化高速发展的关键时刻，预计在今后五到十年内将形成一个极大规模的市场。

随着北斗卫星导航系统的发展，对于北斗卫星导航系统的需求将越来越大。北斗卫星导航系统可同时提供卫星定位服务和数据服务，这是与其他卫星导航系统的一个重要区别。北斗卫星导航系统的客户端通过系统接收卫星定位信号也可通过系统发送数据信息，这要求客户端的天线在接收和发送两个频点上具有不同的圆极化方向以减少干扰。这类设备通常采用两副天线分别工作在发射频点和接收频点，并采用不同的馈电网络分别向接收天线和发送天线馈电。

但是，目前设计能同时在接收和发送两个频段提供不同的正交相位的馈电网络存在如下技术难点： 

1、单馈电网络的双频双正交技术

通常情况下，同时工作在卫星通信系统上行和下行频率的双馈点圆极化天线需要使用两个馈电网络和两个馈电端口分别为工作在上行频率和下行频率的天线进行馈电。这种方式要求采用两个馈电网络，如果要使用单个馈电网络和单个馈电端口对工作在上行频率和下行频率的两个双馈点圆极化天线进行馈电，需要保证该馈电网络两个输出端口在上行频率和下行频率上的相位满足正交关系。这种正交关系还需要在北斗卫星导航系统的上行频率和下行频率上分别满足相位超前90度和相位滞后90度，才能保证接收和发射天线的圆极化旋向在北斗卫星导航系统的上行频率为左旋圆极化在北斗卫星导航系统的下行频率为右旋圆极化。为了达到这样的目的，假设工作在北斗卫星导航系统上行频率时馈电网络两个输出端口之间的相位差为超前90度，北斗卫星导航系统下行频率时馈电网络两个输出端口之间相位差为滞后90度。由于传统的传输线是弱色散传输线，其相位特性与频率之间的关系在较大频率范围内基本呈线性特性。采用传统传输线实现的双频双正交网络的低频和高频工作频率点的关系一般为                                               ，而北斗卫星导航系统的上行频率和下行频率之间并不满足这种关系。所以用这种传输线实现的双频双正交网络不能作为北斗卫星导航系统的馈电网络。

2、小型化技术

小型化技术是双频双正交馈电网络设计中的一大难题，这是因为传统方法实现的双频双正交馈电网络需要两个输入端口和两个馈电网络，它们占据了大量的电路空间。采用普通的技术和普通传输线难以实现单端口单网络的双频双正交馈电网络。通常要设计两个不同的馈电网络分别为两副工作频率和极化方向相反的天线馈电，这种馈电方式体积较大。工作在不同频率的正交馈电网络和天线使得终端设备较为复杂，并占用较大空间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双频双正交相位输出功分馈电网络，使所述双频双正交相位输出功分馈电网络可以作为工作在北斗卫星导航系统中的双频双馈点圆极化天线的馈电网络并实现单端口馈电。

本发明利用左右手复合传输线实现了基于左右手复合传输线的双频Wilkinson功分器，并采用微带传输线和左右手复合传输线实现了基于左右手复合传输线的双频90度相移器，并在所述双频双正交相位输出功分馈电网络的第二端口和第三端口之间以实现了所述两个端口上相位关系满足在北斗卫星导航系统上行频率为超前90度和在下行频率为滞后90度的双频双正交相位特性。此外，由于采用了具有非线性相位特性的左右手复合传输线，本发明还具有小型化、便于加工的特点。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种双频双正交相位输出功分馈电网络，包括基于左右手复合传输线的双频Wilkinson功分器、基于左右手复合传输线的双频90度相移器、介质基板和地板金属层；所述基于左右手复合传输线的双频Wilkinson功分器、基于左右手复合传输线的双频90度相移器附着在介质基板的一侧，地板金属层附着在介质基板的另一侧。

上述双频双正交相位输出功分馈电网络中，所述双频Wilkinson功分器包括第一微带传输线、第二微带传输线、第三微带传输线、第一左右手复合传输线、第二左右手复合传输线、第四微带传输线、第五微带传输线和隔离电阻R；第一微带传输线的一端作为所述双频双正交相位输出功分馈电网络的第一端口，第一微带传输线的另一端连接第二微带传输线的一端和第三微带传输线的一端；第二微带传输线的另一端连接第一左右手复合传输线的一端，第一左右手复合传输线的另一端连接第四微带传输线的一端，第四微带传输线的另一端作为所述双频双正交相位输出功分馈电网络的第二端口；第三微带传输线的另一端连接第二左右手复合传输线的一端，第二左右手复合传输线的另一端连接第五微带传输线一端，第五微带传输线的另一端连接第三左右手复合传输线的一端，第三左右手复合传输线的另一端连接第六微带传输线，第六微带传输线的另一端作为所述双频双正交相位输出功分馈电网络的第三端口；隔离电阻R跨接在第四和第五微带传输线之间。

上述双频双正交相位输出功分馈电网络中，所述左右手复合传输线由一个或多个π型单元构成；采用二个以上的π型单元构成所述左右手复合传输线时，所述二个以上的π型单元用串联方式连接。

上述双频双正交相位输出功分馈电网络中，所述π型单元的第一单元端口处于交指电容的一端，交指电容的另一端作为π型单元的第二单元端口；第一短路金属线的一端连接在第一单元端口边缘，第一短路金属线的另一端为连接到介质背面的金属过孔，第二短路金属线的一端连接在第二单元端口边缘，第二短路金属线的另一端为连接到介质背面的金属过孔。

上述双频双正交相位输出功分馈电网络中，所述双频双正交相位输出功分馈电网络的第一至第三端口的输出阻抗为；第一微带传输线、第四微带传输线、第五微带传输线、第六微带传输线和第三左右手复合传输线的特征阻抗为；第二微带传输线、第三微带传输线、第一左右手复合传输线和第二左右手复合传输线的特征阻抗为。

上述双频双正交相位输出功分馈电网络中，所述双频双正交相位输出功分馈电网络第二端口和第三端口之间的相位关系满足在北斗卫星导航系统的上行频率1.618GHz和下行频率2.492GHz两个频点分别为超前90度和滞后90度的关系。

上述双频双正交相位输出功分馈电网络中，所述的双频双正交相位输出功分馈电网络的第一端口到第二端口的传输系数和第一端口到第三端口的传输系数之间的幅度值差别在1.618GHz和2.492GHz两个频点上都小于0.3 dB。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

(1)本发明的双频双正交相位输出功分馈电网络第二端口和第三端口之间的相位关系满足在北斗卫星导航系统的上行频率1.618GHz和下行频率2.492GHz两个频点分别为超前90度和滞后90度的关系。

(2) 所述双频双正交相位输出功分馈电网络实现了良好的功率分配和幅度平衡度, 在1.618GHz和2.492GHz两个频点上所述双频双正交相位输出功分馈电网络第一端口到第二端口之间的传输系数和第一端口到第三端口之间的传输系数之间的幅度值差别在1.618GHz和2.492GHz两个频点上都小于0.3 dB。

(3) 所述双频双正交相位输出功分馈电网络实现了较小的频率比，即在频率为1.618 GHz和2.492 GHz两个频率上都能实现功率的平均分配，其工作频率比为2.492/1.618。

(4) 所述双频双正交相位输出功分馈电网络第二端口和第三端口之间的相位差在北斗卫星导航系统的上行频率和下行频率上分别实现了不同的正交特性。因此该馈电网络可用作双频双馈点天线的馈电网络可在不同的工作频率上使该双频双馈点天线实现不同的圆极化。

(5) 所述双频双正交相位输出功分馈电网络采用左右手复合传输线设计，实现了馈电网络的小型化。

(6) 所述双频双正交相位输出功分馈电网络中的左右手复合传输线采用了交指电容和短路金属线，具有集成和加工和成本低廉的特点。

附图说明

图1a为实施方式中双频双正交相位输出功分馈电网络结构示意图。

图1b为实施方式中左右手复合传输线的π型单元结构示意图。

图2a 为实施方式中各端口回波损耗结果图。

图2b为实施方式中输入端口和输出端口之间的插入损耗结果图。

图2c 为实施方式中输出端口之间的隔离度曲线图。

图2d为实施方式中输出端口之间的相位差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施做详细说明，但本发明要求的保护范围不限于下述的实施方式。

如图1所示，所述双频双正交相位输出功分馈电网络采用微带电路的形式来实现，包括第一微带传输线1、第二微带传输线2、第三微带传输线3、第一左右手复合传输线4、第二左右手复合传输线5、第四微带传输线6、五微带传输线7、跨接在第四第五微带传输线上的隔离电阻R、第三左右手复合传输线8，第六微带传输线9；第一微带传输线1的一端作为所述双频双正交相位输出功分馈电网络的第一端口，第一微带传输线1的另一端连接第二微带传输线2的一端和第三微带传输线3的一端；第二微带传输线2的另一端连接第一左右手复合传输线4的一端，第一左右手复合传输线4的另一端连接第四微带传输线6的一端，第四微带传输线6的另一端作为所述双频双正交相位输出功分馈电网络的第二端口；第三微带传输线3的另一端连接第二左右手复合传输线5的一端，第二左右手复合传输线5的另一端连接第五微带传输线7一端，第五微带传输线7的另一端连接第三左右手复合传输线8的一端，第三左右手复合传输线8的另一端连接第六微带传输线9的一端，第六微带传输线9的另一端作为所述双频双正交相位输出功分馈电网络的第三端口；隔离电阻R跨接在第四微带传输线6和第五微带传输线7之间。

所述双频双正交相位输出功分馈电网络第一微带传输线1、第四微带传输线6、五微带传输线7的特征阻抗为；双频双正交相位输出功分馈电网络中的第二微带传输线2、第三微带传输线3的特征阻抗为；第一左右手复合传输线4、第二左右手复合传输线5的特征阻抗为；第三左右手复合传输线8的特征阻抗为；隔离电阻R的阻抗值为2；

所述第一至第三左右手复合传输线由图1b中的一至多个π型单元构成；所述左右手复合传输线包括一至多个π型单元，每个π型单元包括一个交指电容10和位于交指电容两端的两条短路金属线；当采用二个以上的π型单元构成左右手复合传输线时，所述二个以上π型单元按照串联方式连接；所述二个以上π型单元中的交指电容参数一致，所述二个以上π型单元中的短路金属线参数一致；所述左右手复合传输线的特征阻抗和相位关系由传输线中的一至多个π型单元的参数控制；所述第一左右手复合传输线和第二左右手复合传输线完全相同，当采用二至四个π型单元构成第一左右手复合传输线4或第二左右手复合传输线5时，π型单元中的交指电容的容量为0.6pF至1.3pF，π型单元中的短路金属线11和12提供的电感量为6nH至13 nH；当采用二至四个π型单元构成第三左右手复合传输线8时，π型单元中的交指电容的容量为0.9pF至2pF，π型单元中的短路金属线11和12提供的电感量为4.4nH至8.8 nH。

所述第四微带传输线6和第五微带传输线7的长度相同，并可根据馈电网络连接的电路情况任意选取，第一微带传输线1长度可任意选取。

实施例

以上说明对本领域技术人员来说已经清楚明确，以下内容仅为一种实施例，不用于限定本发明的保护范围。介质基板厚度1.524mm，相对介电常数为3.55，介质基板的地面为金属地板，另一面是所述双频双正交相位输出功分馈电网络；所述双频双正交相位输出功分馈电网络的第一端口、第二端口、和第三端口的输出阻抗均为50欧姆；第一微带传输线1、第四微带传输线6和第五微带传输线7的特征阻抗为50欧姆，宽度为3.38mm。第二微带传输线2、第三微带传输线3特征阻抗为70.7欧姆，宽度为1.875mm。第一左右手复合传输线4和第二左右手复合传输线5的特征阻抗为70.7欧姆。第一左右手复合传输线4和第二左右手复合传输线5完全相同，分别包括三π型单元，每个π型单元中的交指电容总宽度为1.875mm，长度为6.492mm，每个π型单元中的交指电容指头宽度为0.125mm，共有4对、8根指头，指头之间的距离为0.125mm；每个π型单元中的短路金属线11和短路金属条12的参数完全相同，在短路金属条11和短路金属12末端用金属化过孔连接到基板背面的地板上，过孔直径0.5mm，短路金属线11和短路金属12的宽度均为0.3mm，短路金属线11和短路金属线12的长度为 8.062mm。

第三左右手复合传输线8特征阻抗为50欧姆，包括三π型单元，每个π型单元中的交指电容总宽度为3.38mm，长度为5.386mm，每个π型单元中的交指电容指头宽度为0.125mm，共有7对、14根指头，指头之间的距离为0.125mm；每个π型单元中的短路金属线11和短路金属条12的参数完全相同，在短路金属条11和短路金属条12末端用金属化过孔连接到基板背面的地板上，过孔直径0.5mm，短路金属线11和短路金属条12的宽度均为0.3mm，短路金属线11和短路金属线12的长度为 5.956mm。

采用实施例证中的各参数所得到的结果如图2所示。

从图2a中可以看到所述双频双正交相位输出功分馈电网络第一至第三端口在北斗卫星导航系统的上行和下行工作频点的回波损耗小于-15dB，因此在各端口均实现了良好匹配；图2b中画出了从第一端口到第二端口和第一端口到第三端口的传输系数，由图2b可知第一端口到第二端口的传输系数幅度值在北斗卫星的上行频率1.618GHz为-3.36 dB，在北斗卫星的下行频率2.494 GHz为-3.30dB；同样，由图2b可知第一端口到第三端口的传输系数幅度值在北斗卫星导航系统上行频率1.618GHz为-3.75dB，在北斗卫星导航系统的下行频率2.494GHz为-3.49dB；因此，所述双频双正交相位输出功分馈电网络第二端口和第三端口之间的幅度不平衡度在北斗卫星导航系统的上行频率1.618GHz为0.29dB，在北斗卫星导航系统的下行频率2.494GHz 为0.19dB，这说明馈电网络实现了良好的幅度平衡度；图2c画出了所述双频双正交相位输出功分馈电网络第二端口和第三端口之间的隔离度。由图2c，第二端口和第三端口之间的隔离度在北斗卫星导航系统的上行频率1.618GHz为22.86dB，在北斗卫星导航系统的下行频率2.494GHz为22.25，这说明双频双正交相位输出功分馈电网络第二端口和第三端口之间实现了良好的隔离；图2d画出了双频双正交相位输出功分馈电网络第二端口和第三端口之间的相位关系，由图2d可知在北斗卫星导航系统的上行频率1.618GHz第二端口和第三端口之间的相位差为-90度，在北斗卫星导航系统的下行频率2.494GHz第二端口和第三端口之间的相位差为+90度；这说明在北斗卫星导航系统的上行频率和下行频率上所述双频双正交相位输出功分馈电网络第二端口和第三端口的相位关系均为正交关系；上述结果说明本发明在北斗卫星导航系统的上行频率1.618GHz和北斗卫星导航系统的下行频率2.494GHz实现了功率的平均分配，并在所述双频双正交相位输出功分馈电网络第二端口和第三端口上在上行频率和下行频率上分别形成了相位超前90度和相位滞后90度的双正交相位关系。