基站天线移相器综述

基站天线移相器综述

版权声明：本文内容摘自华南理工大学张晓的硕士毕业论文《应用于基站天线的宽频移相器研究与设计》。

1.1 移相器的应用背景

近年来，我国通信事业蓬勃发展，第三代移动通信方兴未已，以LTE为代表的第四代移动通信已经开始迈入商用，我国已经发展成移动通信大国。根据工信部运行监测局披露的数据，截至2014年2月，我国移动电话用户已经接近12.4亿户，其中3G用户约4.3亿户，移动电话普及率高达90.8部/百人[1]。与此同时，三大运营商的多种通信制式并存，GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA和LTE-TDD将在较长一段时间内同时运营。出于覆盖需要，基站数量在不断增加。以中国移动为例，据其官方数据，预估计在2014年底建成80万个LTE基站，部分为F频段升级，部分为新建。与此同时，中国电信和中国联通也开始部署自己的4G，随着时间的推移，基站数量将越来越多，蜂窝小区的分布和覆盖将将变得越来越复杂。

越来越多的制式和频段投入使用，基站密度越来越大，小区内部的覆盖和小区之间的干扰问题日益凸显。如何实现良好覆盖，是目前的研究热点之一。电调天线的波束倾角可以根据需要通过远程控改变，节省人力物力，且覆盖效果比机械下倾天线的要好，因而在网络优化中扮演着重要的角色。对电调天线而言，最关键的部件之一就是移相器。移相器性能的优劣，直接影响到基站天线整机的性能。目前，以安德鲁和凯瑟琳为代表的国外天线研发公司及以华为和京信为代表的国内天线厂家，都在致力于研发用于各种电调天线的移相器。轻型、薄型和宽频移相器的应用，使得电调天线越来越实用，在复杂的网络覆盖和优化中发挥着越来越重要的作用。因此，研究基站天线移相器，具有着重大的意义。

1.2 移相器的发展历史及研究现状

1.2.1 早期机械式模拟移相器简况

移相器，作为一个通用的微波器件，在雷达系统、移动通信系统、微波测量及工业应用里面都能找到其身影。最早的移相器为机械式模拟移相器，大约出现在二十世纪40年代，主要用于雷达系统。在二十世纪六十年代之前，机械式模拟移相器是移相器的主要形式。

学术论著中最早出现的移相器是FOX于1947年提出的波导移相器，如图1- 1所示，它通过旋转圆波导里面的介质片来改变信号的传输相位[2]。此后，出现了多种波导结构的模拟移相器，主要是矩形波导结构，包括波导线性相位变换器(linear phase changer in waveguide)[3],[4]，介质加载波导移相器(dielectric-slab-loaded waveguide phase shifters)[5],[6]，介质插入式移相器(dielectric-insert phase shifter)[7][8]等。这些移相器基本上都是通过改变介质的位置来改变传输线的等效介电常数ε或者电磁波的波数β。

图1- 1 波导结构移相器

1966年，R.C Hansen等人在其论著中提出了一种空气同轴线结构的移相器[9]，如图1- 2所示。固定枝节和滑动枝节之间非直接物理接触，而是通过1/4波长耦合段来实现电气连接。可能是受了乐器长号的结构的启发，他们提出一种U型滑动结构，这样端口可以和滑动部分分离，提高了实用性。这种移相器形象地通过改变传输线的物理长度来实现信号传输相位的改变，巧妙地利用了1/4波长段来实现物理上的隔离和电气上的连接。这种设计思想，深深地影响了后来的天线设计工程师们。

(a)

(b)

图1- 2 空气同轴结构移相器

1971年，W.T Joines等人在IEEE Transctions的《Microwave Theory and Techniques》发表了一篇文章[10]。在文章里，他们提出了一种基于带状线结构的移相器，如图1- 3所示。这种移相器其实和前面所述的介质滑动型的波导移相器原理相似，通过改变传输线的等效介电常数来实现相位改变。但其实现形式发生了改变，采用了布局更加紧凑、体积更小的带状线结构。此外，圆盘旋转结构使空间得到进一步利用，传动可以直接采用电机实现，实用性较强。30年后，一个叫凯瑟琳的天线公司，借鉴了这种带状、旋转、圆形结构，并结合同轴结构移相器的原理，提出了一种全新的弧形移相器，并申请了专利，从而奠定了其在基站天线移相器领域的龙头大哥地位[11]。

图1- 3 带状线结构弧形移相器

这一时期的机械式模拟移相器，基本都是以雷达系统为应用背景。但它有着致命的弊端，那就是它受机械惯性约束，无法在极短时间里快速改变相位。然而，雷达系统需要快速改变波束指向来搜索目标，如果移相器无法在毫秒级甚至更短时间里快速改变相位，那么雷达系统将失去其作用。因此，机械式模拟移相器很快就被抛弃，应运而生的是电子移相器。

电子移相器包括铁氧体移相器和半导体移相器。铁氧体移相器主要利用外加直流磁场改变波导内铁氧体的导磁系数，因而改变电磁波的相速，从而达到移相的目的[12],[13],[14],[15]。半导体移相器主要包括PIN移相器[16],[17],[18]和MIMC移相器

[19],[20]。PIN移相器通过控制PIN二极管的通断来实现不同传输线的接入，从而实现不同的相位延迟。PIN移相器不能实现连续移相，只能产生若干个离散的相位，其移相步长与移相器的位数有关。MIMIC则把移相器集成在单个芯片，利用MESFET和变容二极管实现移相，集成度高，但散热较差。

电子移相器具有反应速度快的特点，适用于雷达系统，并且逐步迈向小型化，集成度越来越高。自二十世纪50年代铁氧体移相器被提出后，电子移相器成了军工领域的宠儿，发展很快，人们甚至快要忘掉了那些笨重、反应慢的机械式模拟移相器。

1.2.2 基站天线移相器的研究现状

进入二十世纪90年代，以GSM和CDMA为代表的移动通信技术得到飞速发展，使得人们跨越了地理的隔绝，人与人之间的联系越来越密切。人们腰头绑着“大哥大”，手里玩着“BP机”，不知不觉中，移动通信的热潮已经汹涌而至。后来，3G和4G移动通信技术出现并商用，智能手机甚至开始取代粮食，成为年轻人的生活必需品，至此，通信更是无处不在，无处不入。

移动通信的发展，使得信号覆盖成了运营商和设备商关注的热点。为了实现良好覆盖，运营商需要一种能波束倾角可远程控制的天线，即电调天线。实现波束扫描，需要用到移相器。但雷达系统里面应用广泛的电子移相器成本太高，设计复杂，交调性能差，不满足民用需要。于是，天线设计工程师们开始把目光放到几十年前，找到了几乎尘封的机械式模拟移相器。尽管它用在雷达系统里力有不逮，但用在民用通信里却可以实现性能与成本的最佳组合。于是，从二十世纪90年代开始，机械式模拟移相器开始出现在基站天线里，并且很快就衍生出各种各样的移相器，在基站天线里扮演着重要角色。

基站天线移相器的设计者们，充分借鉴早期机械式模拟移相器的设计思想，根据移动通信的特点，设计出形形色色的实用移相器。根据移相原理的不同，移相器可以分为两大类：1、物理长度可变移相器，即通过改变信号传输途径的物理长度来改变相位，这类移相器又可以细分为“弧形移相器”和“滑动U型移

相器”两小类；2、介质滑动型移相器，即通过改变传输线的等效介电常数来改变相位。

1. 弧形移相器

移动通信领域最早的实用弧形移相器由德国凯瑟琳公司的工程师们在1999年提出，结构如图1- 4所示。该移相器为带状线结构，由多根同心布置半径成比例关系的弧形金属导体及一根可绕公共圆心旋转的弧刷组成。弧形导体两端与辐射单元连接，弧刷在圆心位置通过电容耦合连接到馈源，弧形导体与弧刷之间通过耦合实现电连接。当弧刷转过一定角度时，信号从主馈到各个辐射单元的物理路径长度发生改变，从而改变相位。如果让弧形导体的半径成比例关系，则各个端口的输出相位按比例递增或递减。

该移相器与早期的机械式模拟移相器相比，具有集成度更高、剖面更小、实现更简单的优点，很快就成了移动通信领域流行的移相器形式之一。后来的设计者，在凯瑟琳公司的设计基础上，不断对弧形移相器加以改进，提出了许多新型移相器，如图1- 5所示，主要有以下几种典型的形式：

(1)采用更为紧凑的微带传输线形式。如图1- 5(a)所示，与凯瑟琳的带状线结构不一样，弧形导体刻蚀在PCB上，弧刷也为PCB结构[21]。这种改进能进一步简化移相器的结构，降低剖面，同时，PCB结构具有加工精度高、重量轻的特点。因此这种改进有利于移相器小型化、轻量化。

(2)采用慢波结构减小物理长度。如图1- 5(b)所示的移相器，弧形导体上密集地并联了许多开路枝节，形成梳状。这种形式的传输线相对于一般的传输线，单位长度所具有的电感L和电容C要大一些，因而电磁波的相速较慢，同样相移量所需要的传输线物理长度要小。因此，采用慢波结构有利于减小移相器的尺寸

[22]。

(3)填充介质以减小尺寸。如图1- 5(c)所示的移相器为带状线结构，弧形导体上下表面覆盖一层相对介电常数大于1的介质。相对于传统的空气带状线结构的弧形移相器，覆盖介质后，相同相移量所需要的传输线物理长度较小。因此，这种改进也有利于移相器小型化[23]。

(4)各个移相单元之间变并联为串联。如图1- 5(c)所示的移相器，有多个弧形移相单元组成，与传统的并联组合方式不同，各个移相单元之间为串联关系。

串联的组合方式，使得各个移相单元之间的相位呈叠加关系，可以在不增加弧形半径的前提下获得多个不同比例的相移输出[24]。

图1- 4 凯瑟琳公司提出的弧形移相器

(a)(b)

(c)(d)

图1- 5 弧形移相器的几种演变形式

2. 滑动U型移相器

滑动U型移相器同样是通过改变传输线的物理长度来改变相位。如1.2.1节所述，最早的滑动U型传输线出现在十九世纪50年代，为空气同轴线结构，如图1- 6(a)所示。后来的设计者在此基础上加以改进，衍生出多种滑动U型移相器。如图1- 6(b)所示的移相器，采用了空气带状线结构，滑动枝节和固定枝节之间为平面耦合，布局紧凑，剖面较低[25]。受平面耦合结构启发，借助日益成熟的PCB工艺，后来有设计者引入微带结构，提出新的滑动U型移相器，如图1- 6(c)所示

[26]。图1- 6(d)

所示的是另一种空气同轴结构的移相器，但外导体是方形而不是

圆形，并且加入功分结构，集成了多路移相单元，具有较高的集成度和较小的损耗[27]。

(a) 空气同轴(b) 空气带状线

(c) 微带线(d)集成式空气同轴

图1- 6 滑动U型移相器的几种形式

3. 介质滑动型移相器

介质滑动型相器通过改变传输线的介质分布情况，即改变等效介电常数，来达到移相的目的。这类移相器，按照传输线形式、移相单元连接方式、介质滑动方式的不一样，可以分为多种不同类型。

(1)按照传输线类型的不一样，可以分为波导结构、微带结构、带状线结构及共面波导结构等几种移相。最早的介质滑动型移相器如图1- 7(a)所示，为波导结构，介质由固定部分和滑动部分组成，波导等效为四段具有不同相位常数的传输线，中间滑动部分介质沿波导长度方向滑动时，上述四段传输线长度发生改变，总的相位随之变化。图1- 7(b)为移动通信领域最早出现的介质滑动型移相器，为微带结构，与早期的移相器相比，布局更紧凑，且为多路输出[28]。但开放的微带结构容易造成能量辐射耗散，为克服这个缺点，后来的设计者提出了实用的带状线结构，如图1- 7(c)所示[29]。同时，有学者发现，共面波导结构(如图1- 7(d)所示)也是一种不错的选择，通过改变介质与共面波导表面的垂直距离，即可改变传输线的等效介电常数。共面波导结构的优点是，能和微带天线在同一块PCB板上实现，集成度高[30]。

(a)波导结构(b)微带线结构

(c)带状线结构(d)

共面波导结构

图1- 7 介质滑动型移相器按传输线类型划分

(2)按照各个移相单元的连接方式，可以分为并联式和串联式两种，分别如所示图1- 8(a)和(b)所示。并联式结构移相器的各个支路为并联关系，连接到公共节点，优点是各个支路间没有相位误差累积，缺点是需要通过改变介质厚度来获得不一样的等效介电常数，从而得到不同比例的相位输出。串联式结构移相器优点是各个移相单元相位叠加，不需人为引入多种具有不同等效介电常数的传输线，缺点是各个支路的相位误差会累积[31]。

(a)

并联结构(b)串联结构

图1- 8 并联式和串联式介质滑动型移相器

(3)按照介质移动方式的不一样，可以分为纵向滑动型和横向滑动型。纵向滑动型移相器如图1- 9(a)所示，介质沿着带线延伸方向滑动，介质上通过开孔来实现阻抗匹配段，保证介质滑动过程中阻抗几乎不变[32]；横向滑动型如图1- 9(b)所示，介质垂直于带线延伸方向滑动，优点是行程短，缺点是带宽有限[33]。

(a)介质纵向滑动型

(b)并联结构

(b)介质横向滑动型

图1- 9 介质不同的滑动方式

出有待改进的地方。

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