一种新型合路移相器

黄立文，姜维维

（京信通信技术（广州）有限公司，广东 广州 510663）

0 引 言

随着5G 时代的到来，为了有效助力5G 产业及生态建设，促进5G 创新和行业健康发展。中国移动和中国广电合作，中国电信和中国联通合作，共同打造5G 网络。由于各个运营商所使用的频段不同，所以要求越来越多的基站天线支持更多的频段。这就要求基站天线核心部件移相器要同时集成合路功能和移相功能，也就是本文提到的合路移相器。

目前行业内移相器主要采用印制板[1，2]和腔体[3]结构，而合路移相器多采用双层腔体设计[4，5]，这种设计方案合路移相器包括两个层叠的腔体移相器，每个腔体移相器的工作频段不同，每个移相器包括信号层以及可相对信号层滑动并用于改变信号层的输出端的相位的部件，其中，信号层的输出端设置有滤波电路，通过导体连同上下两层输出端实现信号合路功能。这种方案只能用于设计隔离带宽相对较宽的合路移相器，而隔离带宽相对较窄的合路移相器无法采用该技术实现。

文章引入了一种全新合路器的设计方案，采用“品”字型三腔体结构，可以将合路移相器的合路和移相功能分开，并适合模块化设计，进一步降低了合路器的设计难度。

1 移相器设计基本原理

1.1 阵列天线扫描原理

阵列天线由多个可工作在相同频段的振子组成，通过移相器给规则排列的振子馈入一定幅度和相位信号，相邻振子相位差依次呈等差数列排布，天线下倾角为θ，相邻两个振子之间的馈电相位差为：

其中λ为波长，d为天线振子单元间距。阵列天线通过移相器不断的改变相邻振子之间的相位差Φ，从而实现θ角的波束扫描功能。

1.2 移相原理

传输线的相位由传输线长度d，磁导率μ，等效介电常数ε，单位长度的电容为C，单位长度电容为L，电磁波在传输线中的相移常数β，传输线的相位公式：

其中传输线的相移常数β可以由单位长度的电感L和电容C来计算：

移相器设计一般采用经典传输线，如微带线、带状线、同轴线、双线等，相移常数β可以通过磁导率μ和等效介电常数ε来表示：

传输线相位最终可以通过以下公式表示：

通过上述公式推导可知，传输线相位和磁导率μ、等效介电常数ε、传输线长度d相关。行业中目前设计移相器主要通过改变传输线的等效介电常数以及传输线长度来改变相位，比如以凯瑟琳为代表的扇形移相器，就是通过信号到达不同端口的传输线长度不断改变，从而实现各个端口之间相位差的。移相器中改变传输线长度的方法有多种，其中主要是通过两个金属导体耦合连接，金属导体表面经过阳极氧化处理，然后通过传动装置，改变两个金属导体之间的耦合面长短，实现传输线长度的加长或者减短。这种方式设计的移相器虽然性价比比较高，但在工程中随着两个金属导体不断摩擦移动，金属导体间会产生金属碎屑，导致天线互调指标变差，影响天线网络覆盖能力。

目前行业设计移相器另外一种比较主流的做法是通过改变传输线介电常数的方法来实现的。在金属传输线上覆盖上介质，通过传动改变介质覆盖移相器传输线的长短，实现相位的改变，天线行业中把通过移动介质的移相器称为介质移相器。由于介质移相器中不存在金属导体与金属导体之间的相互摩擦位移，不会产生像扇形移相器一样的金属碎屑，所以不存在互调问题，采用这种方式设计的移相器互调长期稳定性也更好。

1.3 阻抗匹配原理

阻抗匹配是使微波电路或系统无反射、载行波或尽量接近行波状态的技术措施。它是微波电路和系统设计时必须考虑的重要问题之一。阻抗匹配状态主要表现是：匹配时传输给传输线和负载的功率最大，且馈线中的功率损耗最小；阻抗失配时传输大功率易导致击穿；阻抗失配时的反射波会对信号源产生频率牵引作用，使信号源工作不稳定，甚至不能正常工作。

目前λ/4 变换器是行业实现负载阻抗与传输线匹配的简单而实用的电路，等效图如图1 所示。应用λ/4 变换器的阻抗变换特性为：

图1 λ/4 阻抗变换器等效图

匹配时，Zin=Z0，于是得到λ/4 线的特性阻抗应为：

据此表明λ/4 变换器的匹配特性是用选择匹配线段的特性阻抗和长度使所有部分反射叠加为零的结果。由于传输线特性阻抗为实数，所以λ/4 变换器只适用于匹配电阻性负载；若负载阻抗为复阻抗，仍需采用λ/4 变换器来匹配，则可在负载与变换器之间加一段移相线段，或在负载处并联或串联适当的电抗短截线来变成实阻抗。若负载电阻与传输线特性阻抗的阻抗比过大，或要求宽带工作时，则可采用双节、三节或者多节的λ/4 变换器结构。

1.4 微带线和带状线介绍

带状线又称三板线，由上下两块金属导体带和中间矩形截面的金属带线带构成。上下层金属导体带与中间金属带线之间填充空气或着均匀的绝缘介质。带状线具有体积小、重量轻、频带宽、Q值高、加工工艺简单，成本低等特点，一定的场景下可以代替同轴线制作相应射频器件。另外带状线不易外接固体微波器件，所以很少用于制作有源微波电路。带状线具有上下层两层导体带，可以传播TEM 波，也可传播高次型TE 或TM 模电磁波。另外带状线传播电磁波具有比非常好的屏蔽效果，所以基站天线移相器、功分器、滤波器等基础部件设计中使用带状线较多，使用带状线设计可以减少这些部件的电磁波后向辐射，有利于提升基站天线前后比指标。

微带线是由支在介质基片上单一导体带构成的微波传输线，由导体带，介质层和金属平板组成，行业中最常用的介质基片有氧化铝陶瓷、聚四氟乙烯和聚四氟乙烯玻璃纤维板等。微带线不像带状线一样可以传播纯的TEM 模电磁波，只能够传播准TEM 模电磁波，具有体积小、重量轻、频带宽、可靠性高、成本低等特点，被广泛应用与集成电路。微带线相比于带状线的缺点是损耗大，并且由于微带线不是封闭的结构，电磁波的屏蔽效果较差，所以行业基站天线基础部件设计中较少采用微带线设计。

2 合路移相器设计

2.1 合路移相器结构设计

合路移相器设计包含两个子模块，具有将不同端口，不同频段的电磁波合成到同一端口功能的合路器模块；另外是具有可以实现相位平滑改变的移相器模块。目前行业中传统的做法是将合路器模块功能电路和移相器模块功能电路集成到一起设计，这种设计方法不仅设计难度大，而且合路器的隔离贷款需要非常宽才行，所以实际工程应用，上述设计方法有较多的限制。

为了降低工程师的设计难度，突破行业合路移相器隔离带宽不能做窄的技术瓶颈，本文采用三腔体方案将合路器功能模块和移相器功能模块分开设计。如图2 和图3 所示，合路移相器由三个腔体组成，三个腔体成“品”字型排列，下层较宽腔体长度290 mm、宽度45 mm，高度5.5 mm；上层两个腔体尺寸相同，长度290 mm、宽度21 mm、高度5.5 mm。下层腔体内部设置有采用1/4 波长开路枝节原理设计的5 组合路器，每组合路器包含一个输出端口和两个输入端口，两个输出端口的工作频分别为1 885 ～2 025 MHz 和2 515 ～2 675 MHz。根据电磁波空气中传播波长计算公式，经过理论计算，合路器开路枝节长度分别为38 mm 和29 mm。

图2 仿真模型俯视图

图3 仿真模型侧视图

上层两个腔体内部分别设置工作频段为1 885 ～2 025 MHz和2 515 ～2 675 MHz 移相器，移相器由一块PCB 板和两块介质板组成，PCB 板用于信号传输，介质板用于改变传输信号相位，如图4 所示，本文采用PCB 电路板介电常数为4.1，介质板介电常数为4.4。每组移相器包含1 个输入口和5 个输出口，通过导体插针方式将移相器的输出口与合路器的输出口相连，相应腔体位置设置有过孔，便于导体穿过。合路器功能模块与移相器功能模块通过导体连接后，形成最终的合路移相器。

图4 仿真模型内部结构图

2.2 合路移相器仿真分析

合路移相器仿真，为了降低仿真难度，按照模块分步骤进行，首先建立合路器模型，采用高频结构仿真软件（HFSS）进行仿真，对相应带线尺寸参数进行细微优化。如图5 所示，经过优化，合路器驻波在1 885～2 025 MHz频段驻波为1.15；2 515 ～2 675 MHz 驻波为1.19；1 885 ～2 025 MHz 带外抑制为33 dB；2 515 ～2 675 MHz 频段带外抑制为31.5 dB。

图5 合路器S 参数

经过优化，合路器符合要求，进一步将下层合路器和上层移相器相连仿真，连接上层移相器和下层合路器可采用导体插针方式连接，也可以采用PCB 电路板连接。本文采用PCB 电路板连接，相比插针方案，PCB 电路板可以通过调整线路宽度，来调整容感性，更加便于S 参数匹配。如图6 ～图8 所示，仿真给出了高中低三种倾角状态指标：合路移相器1 885 ～2 025 MHz 频段1.22，合路移相器2 515 ～2 675 MHz 频段驻波1.29，合路移相器1 885 ～2 025 MHz端口隔离30.9 dB；合路移相器2 515 ～2 675 MHz 端口隔离29.5 dB，合路器移相器指标符合基站天线设计要求，开始进行下一步实物打样验证工作。

图6 合路移相器1 885 ～2 025 MHz 驻波

图7 合路移相器2 515 ～2 675 MHz 驻波

图8 合路移相器端口隔离

2.3 合路移相器实测

根据仿真结构，腔体采用挤出成型工艺，介质板采用注塑成型工艺实现。样品制作完成后通过网络分析仪测试，如图9 是合路移相器实物图。实际测试高中低三种倾角状态指标：合路移相器1 885 ～2 025 MHz 频段1.22，合路移相器2 515 ～2 675 MHz 频段驻波1.29，合路移相器1 885 ～2 025 MHz 端口隔离30.9 dB；合路移相器2 515 ～2 675 MHz端口隔离29.5 dB，如图10 所示。

图9 合路移相器实物图

图10 合路移相器实测隔离度

为了进一步验证合路移相器的性能，我们设计了一副完整的中国移动FA/D 智能电调天线，天线工作频段为1 885 ～2 025 MHz 和2 515 ～2 675 MHz，天线尺寸1 100 mm×320 mm×138 mm，总共4×10 单元，天线实物如图11 所示，其性能满足移动指标要求。

图11 基站天线实物图

3 结 论

本文设计了一种工作频段为1 885 ～2 025 MHz、2 515 ～2 675 MHz 的新型合路移相器，可应用于中国移动FA/D 电调智能天线，实测结果表明，该新型合路移相器能够满足常规基站天线的要求，并且指标优于传统设计方案。在本文基础上还可以进一步拓展频段，可以适用于不同频段合路移相器的设计，为行业具有合路移相功能的合路移相器开发提供了全新设计思路。