论文总字数：19888字

目 录

1 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2宽带移相器的研究现状 1

1.3本文研究的主要内容 2

1.4本章小结 2

2 基本理论 3

2.1微带线 3

2.1.1微带线介绍 3

2.1.2微带线的基本参数 3

2.1.3微带线有效介电常数、特征阻抗 3

2.2功分器 4

2.2.1功分器介绍 4

2.2.2功分器的分类 4

2.3移相网络 6

2.3.1移相网络的结构 6

2.3.2移相网络的原理 7

2.4本章总结 8

3 移相器的总体设计要求 8

3.1移相器的总体设计 8

3.2设计考虑 10

3.3本章小结 11

4 HFSS仿真设计 11

4.1 HFSS介绍 11

4.2功分器的仿真与分析 11

4.3移相网络的仿真与分析 13

4.4总体设计的仿真与分析 15

4.5本章总结 18

5 硬件实现 18

5.1宽带移相器硬件制作 18

5.2实物测试分析 19

5.3本章总结 22

6 宽带移相器的应用 22

6.1移相器的应用方法 22

6.2 HFSS仿真 23

6.3本章总结 27

7 总结与展望 27

7.1总结 27

7.2不足和展望 27

参考文献 29

致谢 30

90°宽带移相器的设计与研究

黄凯枫

, China

Abstract: In this paper, a balanced-unbalanced converter composed of a wide-band Wilkinson power divider and wide-band phase-shifting network are proposed. It is simulated by HFSS software and analyzed from the aspects of S-parameters and phase changes. It reveals the phase shifting characteristics of the converter. This converter is combined with a dual-polarized antenna to realize the function of a circularly polarized antenna. It is also simulated by HFSS software, and the effect of the antenna and the performance of the phase shifter are analyzed from the aspects of axial ratio and loss. Finally, this phase shifter is fabricated and measured.

Keywords: balun, dual-polarized antenna, phase shifter, wide-band, power divider

1 绪论

1.1课题研究的背景和意义

天线是通信系统中一个非常重要的组成部分，它是一种传输射频信号的设备，当其作为发射机时，它通过导体将电流转换为自由空间中的电磁波，然后在信道中进行无限传输；当其作为接收机时，它将会做发射机时的逆变换，将无限电磁波中的信号转换为电流信号进行信息接收，这样就可以实现两点间的信息无限传输^[1]。从原先简单的点对点用天线进行信息无限传输，到如今的全球信息网络，但凡卫星覆盖到的地方基本都能利用天线进行信息传输，天线在人们社会生活中正扮演着越来越重要的角色，大大有助于提高人们生活的幸福感与满足感^[2]。

随着信息革命的发展，人们如今对信息的传输与获得已经不仅仅是满足于当初的只能实现传输信息，而是有了更多的需求，比如想要更快的信息传输速度，想要更准确的信息传输效率，想要一次性可以传输更多的信息等等^[3]。我们平时用来无线传输信息的工具已经从当初最简单的电报、电话到如今多样化的平板电脑、无线手机、笔记本电脑，电子设备的日益更新换代让无线通信技术不断提升发展，从最初的2G发展到3G再到如今的4G甚至到不久后的5G，这就意味着对通信设备中的天线性能提出了更高的挑战要求。自从微带天线理论提出后，其体积小、分量轻、生产成本低等的特点让人们发现其更有利于生产实际，让人们将微带天线理论与移动通信、北斗定位系统等实际应用领域紧密结合在一起，使微带天线在生产实际中有了更广的应用前景。在微带天线理论中，圆极化天线是一个非常重要的部分，它有着很多的优势而被人们广泛研究及应用。一方面，它可以接收任意极化的波，另一方面，圆极化的波也可以被任意极化的天线所接收到，这使得当圆极化波进入导体时，其圆极化的方向会发生改变，这使得它有着比较强的抗干扰性，这种特性让其有着更好的应用前景^[4]。

然而作为圆极化天线的重要组成部分，宽带移相器等馈电网络元件的设计也不断随之发展，最早在1958年的时候，Schiffman就提出了一种典型的宽带移相器，它由移相线和参考线组成。之后为了进一步拓展带宽，许多集总元件与耦合线结构也被应用来设计宽带移相器。2007年Abbosh设计了一种基于双侧耦合结构的宽带移相器，该结构有很好的宽带特性，后期也有了各种各样新结构的发明，但是考虑到成本，体积，带宽等等问题，所发明出来的移相器总有一些不足之处，所以宽带移相器的研究对于研究者来说也是一个严峻挑战^[5]。

1.2宽带移相器的研究现状

随着科技的进步，现在的宽带移相器已经不仅仅只是一种单纯的馈电结构，它通过和其他结构进行结合，形成新型的结构，我们通常叫做巴伦结构，它是一种平衡不平衡转换器，我们可以通过将巴伦结构加在天线的端口来实现宽带移相器的功能^[6]。首先巴伦结构可以截断流过屏蔽层外皮的高频电流，减少电流对天线的影响，其次新型巴伦结构具有加工方便，结构不松散，频带较宽等一些优点，对天线的实际运用具有重大的意义。

巴伦结构也经过了快速的发展，传统的平面非耦合线巴伦是将威尔金森功分器与开路线、短路线以及相移线构成的移相器结合来实现三端口巴伦，这种巴伦虽然结构简单，但尺寸较大，带宽较窄^[7]。后来又有将传统的威尔金森功分器级联地面开槽耦合线和延迟线移相器结合起来进行设计，但是此类巴伦结构的开槽破坏了地面的完整性，并且性能容易受到背面金属导体外壳的影响。还有一些结构通过调谐电容来改变巴伦的带宽，但是其体积较大，而且集总元件带来的寄生效应使其很难在3GHz以上频段仍然保持良好性能^[8]。亦或者采用节约阻抗平行耦合线结构来达到紧凑带宽的目的，但同时造成微带线特征结构的改变，影响传输效果。总而言之，随着时代的发展，宽带移相器的结构也发生了巨大的变化，虽然说可能还存在各种各样的问题，或者说还有我本身没有了解到的新技术，但是宽带移相器的研究在通信领域仍然是一个值得研究的课题，需要得到更大的发展^[9]。

1.3本文研究的主要内容

本文主要提出了一种由等分威尔金森功分器和90°宽带移相网络组成的巴伦结构，用来实现双极化天线到圆极化天线的转化。

本文的主要研究内容：

1. 对微带线、功分器和移相网络进行了研究和了解，同时对双极化天线转圆极化天线做了简单的了解。

2. 提出了一种由威尔金森功分器和90°宽带移相网络组成的平衡不平衡转换器，俗称巴伦，并从S参数图（各个宽口的回波阻抗和端口间的隔离度）、相位差变化图来观察系统的性能。

3. 将该结构与双极化天线的两个端口相结合，并同样从S参数图，相位差变化图，辐射图，方向图来观察天线和移相器的性能。

4. 将实物实现出来进行测试和改善。

1.4本章小结

本章主要是对宽带移相器的研究背景和意义进行了简要分析，并对天线的国内外发展进行了简要的介绍和描述，发现宽带移相器的发展还存在蛮多问题，需要进行更多的分析和研究，本章还就整篇文章的内容进行了说明。

2 基本理论

2.1微带线

2.1.1微带线介绍

微带线是在本次设计研究中主要使用的一种传输线，下面是关于微带线的定义：微带线是覆盖在基板上的由一种导体带组成的微波传输线，也是一种常用的平面布局传输线。跟金属波导比较，它在重量、体积、频带和成本上具有明显优势，但也有损耗稍大，功率容量小的缺点^[10]。从1960年开始，出现了许多新型材料和器件，给了微带线很大的施展空间，遂继出现了各种类别型号的微带线，一般都用薄膜工艺制造。在微带线制造工艺中，介质基片通常选用介电常数高、微波损耗低的材料，而导体应该具有定性较好、导电率高、稳与基片的粘附性强等特点。

2.1.2微带线的基本参数

（1）基板参数: 基板的介电常数、基板的高度h、基板介质损耗角的正切值tan和导线的厚度t。^[11]。

（2）电特性参数: 电长度（角度）、工作频率、特征阻抗、波导波长和工作波长^[12]。

（3）微带线参数：宽度W、 长度L和单位长度衰减量A（dB）^[13]。

2.1.3微带线有效介电常数、特征阻抗

有效介电常数在理想状态下可以解释为一个均匀介质的介电常数。

(2-1)

以TEM模的特性计算其参数，它的相速度是

(2-2)

其中TEM模是指电磁波的传输方向上无磁场和电场分量，或者说电磁波的传输方向上的电场和磁场分量要远远小于与传输方向垂直的方向上的分量^[14]。

微带线的相波长

(2-3)

 将代入上式，可得

(2-4)

从公式2-4可看出，微带线的波长与工作频率和基板的相对介电常数和微带线自身的宽和高的比值有关^[15]。

微带线特性阻抗：

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