智能天线中移相器的模块化设计应用

赵波

（1.同济大学，上海201804；2.安弗施无线射频系统（上海）有限公司，上海201613）

0 引言

模块化设计是一种通用的产品设计方法。是以快速、经济的方式设计出具有竞争力的最优产品的有效途径，是实现产品系列化、多样化和大批量定制的基础［1］。模块化设计和制造技术的核心是以少变应付多变，以产品内部的标准化对付外部需求的个性化和多样化，用少量模块组合成尽可能多的品种，优质、高效、最大限度地满足不同用户的需求。产品模块化的设计方法是建立在系统分析和标准化基础上的一种方法，它要求在市场调查和分析的基础上，对一定范围内的产品进行功能分析，划分并设计出一系列功能模块，通过更换或增加、减少相应模块以构成满足不同需求的产品，缩短产品研发周期，降低制造成本［2］。

本文主要所研究的移相器单元正是基于智能天线的发展方向，模块化设计出移相器基本单元，使之快速、便捷地应用于不同的基站天线平台。以缩短设计周期和保证零件最大限度的共用，节约基站天线的制造成本。

本文结合项目经验介绍移相器的模块化设计原理及应用。

1 模块化设计在智能天线领域的应用

机械产品的模块化设计是工业发达国家近二十年来一直采用的一种先进的设计方法，它将系统根据功能分解为若干模块，通过对模块的不同组合得到不同品种和规格的产品。在实际机械产品的设计与制造中,模块化产品的设计还应用了CAD技术、成组技术、柔性加工技术等先进技术，可将产品中同一功能的单元设计成具有不同性能、可以互换的模块。通过选用不同模块，可以组成不同类型、不同规格的产品。由于采用了模块化的设计，因此产品的精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉。显然，为了保证模块的互换，必须提高其标准化、通用化和规格化的程度。

模块化也是基站天线发展的重要方向［5］。近年来，运营商投入大量精力进行下一代网络技术、协议和标准的研究。希望能够更多地采用开放、统一标准的技术来实现各种功能，从而减少各种私有标准的应用，能够充分运用社会力量开发新的增值业务，发展合作同盟，共同拓展市场。

对开放接口的推动，也可以帮助运营商缩减初期的网络投资，降低风险。接口的标准化带来的则是设备的模块化。而模块化设计在下一代基站中更重要的体现是管理模块与射频模块的分离，这大大增加了基站的覆盖灵活性。在基站和用户终端都采用模块化设计的情况下，运营商的网络将因为设备配置灵活而具有良好的扩展性，容易扩充和增加新的业务。

总的来说，开放式模块化使基站建设可以用“搭积木”的方式进行，能够快速响应，缩短建设时间，同时减少维护的设备种类，降低运维难度，节省运维成本。

但是在机械和电子结合的领域，尤其是在通信领域的设备研发上，由于我国在这一领域起步较晚，产品结构一直处于产业链的末端，而且机械零部件的设计、产品材料的选择以及装配、制造都需要考虑到电性能的指标，与传统机械领域尚有很大的区别。

2 移相器模块化设计

2.1 移相器介绍及单元模块的划分

移相器是在微波天馈领域中经常使用的一种元器件，其主要作用是改变传输电磁波的相位。而馈电的相位差决定了天线最大辐射方向的指向，即天线的电下倾角（Tilt）。振子同相馈电时，天线最大辐射方向平行于地面，电下倾角为0°；当振子馈电相位逐次滞后时，天线最大辐射方向向地面倾斜，电下倾角大于0°，相差越大，电下倾角越大。

相位的改变主要取决于从输入端口到振子馈电部分的电长度，移相器可以通过改变振子馈电部分的电长度，从而实现对振子间馈电相位差Δφ的调整。而馈电电路的电长度只跟电路的物理长度l、电磁波的频率f和电磁波在电路中传播的速度VP有关，如下式所示［5］：

其中：ε 为介电常数；c为光速，3×108m/s。

由此可见，在某个固定频率下，改变电长度有两种方法：1）改变电路的物理长度l，l加长，相位滞后，反之则相位超前；2）改变电路中绝缘介质的介电常数ε，ε增大则相位滞后。反之则相位超前。假设如图1所示，在一段50 Ω的空气带状线的上、下两侧，通过介质块与微带线关系的变化调整，实现微带线间的介电常数的变化。当插入介电常数为εr的某种介质，此时的这段空气带状线的有效介电常数εe应该介于空气和这种塑料介质之间，即1≤εe≤εr。当介质插入很少时，有效介电常数εe更接近空气的介电常数1；随着介质插入越来越多，有效介电常数εe逐渐增大，电长度增加，相位滞后，从而实现移相的目的。

图1 介质块移相示意图

通过以上分析，可以按照功能划分模块的方式，来对各部分结构进行如图2所示模块划分。

图2 移相器单元模块的划分

下面就主要介绍介质块单元的模块化设计。

2.2 移相单元模块的结构、参数及数据表单的建立

由介质块单元主要功能分析得知，介质型移相器的主要原理就是调整介质块与微带线的相对位置。此单元的结构可以设计成为微带线固定，而介质块可沿着某个特定的轨迹在微带线中运动，以实现改变微带线与空气介质之间介电常数的目的。根据这一主要思路，介质块单元的设计可以用图3结构实现。其中，1、3号零件是介质块，2号零件是微带线。通过孔、销配合的形式，将1、3零件相连接，实现上、下介质块同步运动。

图3 介质块单元结构

影响介质块形状尺寸的因素有：实际应用产品的频段f、移相角度范围Tr（Tilt Range）和移相量的大小S。所以，主要参数的确定也从这三方面考虑。

通常天线的频段信息为客户输入的主要参数，这一数据也是设计移相器单元的基础，由于波长与频段成反比，所以，对应低频段的天线，需要的介质块的外形尺寸会更大；反之高频段的天线，需要的介质块的外形则更小。图4给出了现有的介质块模型，其中L尺寸为两卡脚之间的距离，L的最佳取值应为1/4波长。可以根据产品使用的不同频段，改变L的数值。使其能够适应不同频段的基站天线，与介质块的长度尺寸相关。

图4 介质块模块主参数

而移相角度范围则决定了移相器的工作范围，与介质块进入微带线的接触面积多少有关，也决定了介质块卡角的外形形状。

最后，根据介质块的移相角度范围，可以计算出移相量的大小，即介质块进入微带线的多少，与介质块的宽度尺寸相关。

根据以上分析，综合介质块的结构和使用条件给出了主要参数，即 L、L1、D、Dn、Wn等，见表1。

表1 介质块模块主参数表

在后续的建模过程中，只要控制表1所列出的主参数，即可以根据不同的客户需求，自动绘制出介质块的3D模型。

2.3 移相单元模块的CAD系统实现关键

设计列表功能是SolidWorks软件中的一大亮点，可以提高相似零件的快速化、系列化设计。主要是通过使用外部表格中所预先定义的参数作为驱动数据，关联模型草图中所定义的驱动尺寸，生成满足参数条件的模型［4］。

使用设计列表创建介质块流程如图5所示。

用拉伸特征建立介质块的草图模型，只需保证草图正确就可以成功建模，通过驱动草图尺寸就可以改变模型。细节特征可以忽略。

图5 设计列表建模流程

草图绘制前，需要确定草图参考点，所有尺寸链以此为起点创建。参考点位置可根据全图的几何特征来确定。尺寸标注的最佳方式是从固定点开始，先注明局部特征，再注明整体特征，保证整体特征大于当前局部特征。否则，模型可能变形，尺寸标注不可能准确。完全定义尺寸和约束关系后，可以通过SolidWorks中的自检功能，完全定义则显示为默认颜色。

草图绘制完毕后，选择拉伸命令创建模型。然后定义尺寸变量，对于每个特征重建可能变化的尺寸设置为关键字段，并将草图中的尺寸名称改为主参数表中定义的符号，以便与之一一对应。将驱动尺寸用数据表来组织和管理，模型与数据的联动通过修改外部表格来实现。通过设计列表的方式使模型与尺寸统一成整体。点击OK确认，此时系统自动将所有驱动尺寸会变为高亮色。

最后可以通过对设计列表中生成的不同配置文件进行选择激活，来调用不同参数的模型。

3 结语

对于移相器单元这一类型的产品，如何能在最短的时间内设计出满足设计要求、结构最优的产品，是提高产品质量、降低成本、提高企业竞争力的关键。本文提出模块化设计概念，将传统模块设计、参数化、成组技术集于一体，较好地解决了面向大批量定制的智能天线移相器单元的模块化快速设计问题。

［1］ 童时中.模块化原理设计方法及应用［M］.北京：中国标准出版社，1999.

［2］ 贾延林.模块化设计［M］.北京：机械工业出版社，1991：l-40.

［3］ 张宝辉.模块化总体设计研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2004.

［4］ 孙江宏.SolidWorks中文版参数化建模与案例分析［M］.北京人民邮电出版社，2003.

［5］ 朱里奇.基站与无线覆盖技术［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［6］ 王新稳.微波技术与天线［M］.2版.北京：电子工业出版社，2006.