專利名稱：相位控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及相位控制裝置，尤其涉及應用于相控陣天線的相位控制裝置。
相位控制裝置在雷達和一般通信中特別是在衛(wèi)星通信中超著重要作用?，F有技術已經知道，用于和衛(wèi)星通信的平面相控陣天線可安裝在活動平臺上。對于某些應用來說，平面相控陣天線可包括有幾百個輻射元件。這導致要使用幾百個相應的移相器-每個輻射元件用一個。由于需要大量的移相器，因而使相控陣天線本身相當昂貴。
因此，有必要降低用于一個給定數目的相控陣輻射元件所需要的移相器數量。
下面的敘述和權利要求書中說的是應用于相控陣天線的移相器和相位控制裝置。這樣做只是為了說清楚問題，決不應當解釋為對本發(fā)明的相位控制裝置的特性的限制，本發(fā)明的相位控制裝置可以應用于任何具有多個要求控制各信號的相對相位的信號輸入/輸出端口的系統(tǒng)。
移相器指的是構成移相器的移相元件和開關；因此，降低一個給定任務所需要的移相器數量就是指降低其組成要素移相元件和開關的數量。
本發(fā)明的一個目的是提供一種相位控制裝置，與現有技術相比，它降低了對一個給定的用途所需要的移相器數量。除了降低移相元件和開關的數量之外，本發(fā)明的另一個目的是簡化最終結構即把降低了數量的移相元件和降低了數量的開關分隔開，這一特點對芯片小型化有重要意義。
根據本發(fā)明，提供一種用于輸出多個相位數值的相位控制裝置，包括多個電互連的移相元件；以及借助多個第一導線和多個第二導線電互連的多個開關，所述多個開關通過所述多個第二導線電連接到所述多個移相元件。
如果需要，移相元件和開關可以分成若干相控單元，每個相控單元中的移相元件和每個相控單元中的開關僅與同一相控單元中的開關和它的移相元件電互連。
此外，如果需要，將所有的相控單元并聯連接。
有時，將所有的相控單元串聯連接。
另一種辦法是，一些相控單元串聯連接，而別的則并聯連接。
此外，如果需要，相控單元可以連接到另外的相控單元的開關上。
在本發(fā)明的一個具體應用中，移相元件、開關和第一導線布放在一塊介電材料平板的一個側面上；而第二導線則布放在所述介電平板的另一面上。
根據本發(fā)明的一個實施例，相位控制裝置還包括層狀形式的多個各自具有正反面的介電平板，其中所述多個移相元件，所述多個第一導線和所述多個第二導線均布放在所述介電平板的正面。
根據本發(fā)明的一個實施例，移相元件是串聯連接的。
根據本發(fā)明的另一個實施例，移相元件是并聯連接的。
為了更好理解，現在僅通過一個非限定性的例子參照附圖來敘述本發(fā)明，在附圖中

圖1示出一種相控陣天線的實例方框圖，其中每個輻射元件都連接到一個移相器；圖2示出一個典型的M級移相器；圖3a示出M級移相器中的一個處于“斷”態(tài)的單移相器；圖3b示出M級移相器中的一個處于“通”態(tài)的單移相器；圖4a和4b說明用于計算開關數目的專用名詞；圖5示出具有一個開關電路和一個移相單元的相控陣天線實例方框圖；圖6說明相位控制裝置的結構；圖7示出根據本發(fā)明一個實施例的相位控制裝置一部分的透視圖；圖8示出相位控制裝置的一個原理方框圖；圖9示出一個原理方框圖，說明用于根據本發(fā)明一個實施例的相位控制裝置的相位補償；圖10示出具有一個并聯移相單元的相位控制裝置的實例方框圖；以及圖11示出串聯連接的相位控制裝置的一種級聯結構。
首先注意示出相控陣天線1的實例方框圖的圖1，包括有N個標為RI(I＝1，…，N)的輻射元件2，各輻射元件經由一個相應的移相器連接到一個功率分配器/合成器6。由于每個輻射元件各連接一個移相器，所以一共有N個標為PI(I＝1，…N)的移相器。
圖2示出一個典型的M級多級移相器10，包括有M個標為PEJ(J＝1，…，M)的移相元件12、參考元件22、用于將移相元件或參考元件接入到輸入/輸出端口20之間的電路中的開關14、用于控制開關的控制單元16以及連接到各控制單元的總線18。每個移相元件12在流過它的電流中引入一個不同于流過相應的參考元件22的電流的相移。
圖3a示出圖2所示型式的多級移相器的一個處于“斷”態(tài)的單移相器30，其中在流過參考元件22的電流中引入了某個相移。電流通過開關的輸入/輸出端口31進入和流出開關。另一方面，圖3b則示出處于“通”態(tài)的單移相器30，其中在流過移相元件12的電流中引入了一個不同的相移。單移相器30包括有兩個輸入和兩個輸出開關14，由于移相器是雙向的，所以任何一端的開關都可用作輸入開關或輸出開關。
用于計算開關數目的專用名詞在圖4a和4b中說明。在圖4a中，由于電路40可以與兩個電路41和42發(fā)生電連接，故有兩個開關；而在圖4b中，由于電路40只能與單個電路43發(fā)生電連接，所以只有一個開關。在單向移相器的情形，開關的數量可以通過用一個平衡組合器代替其兩個輸出開關而減少，不過，這會產生組合器的內部損耗。但是，單向移相器在用于雙向用途時至少要添加兩個開關外接到移相器上(例如說可參考英國專利No.2158997A)。另一方面，在一些設備例如低通高通移相器中，有多達六個開關的。因此，一般說來，所感興趣的移相器總共有二至六個開關。下面的敘述中，將考慮具有四個開關的移相器。
回到圖2所示的M級移相器。顯然它總共含有4M個開關。從一個M級移相器可得到的相位組合數目P由P＝2M給出。這個關系式可通過計算組成M級移相器的M個單移相器的“通”和“斷”態(tài)的組合數目推導出來。因此，在相控陣天線中，不管是線狀還是平面天線均包括N個獨立的受控輻射元件，每個元件都連接到一個M組移相器，總共有4MN個開關和MN個移相元件。每個M級移相器提供2M個相位數值，整個天線給出2MN個相位數值。一般在相控陣天線中，特別是微波和毫米波相控陣天線中，都存在有大量的輻射元件和大量相應的移相器。大量的移相器(在上面的例子中是N個M級移相器)不僅導致天線昂貴的結果，而且由于存在大量完全一樣的移相元件還導致相控陣設計中的冗余。
本發(fā)明通過提供一組供全部輻射元件共享的移相元件來降低對一個給定的相控陣天線需要的開關和移相元件數量。這一點通過將移相元件組連接到一個開關系統(tǒng)，由開關系統(tǒng)再連接到相控陣天線的輻射元件來達到。
現在注意示出相控陣天線實例方框圖的圖5，它包括N個標為RI(I＝1，…，N)的輻射元件51，每個輻射元件連接到開關電路52，開關電路再連接到移相單元53。開關電路52和移相單元53一起組成本發(fā)明的相位控制裝置。圖6說明根據本發(fā)明一個實施例的相位控制裝置60的結構。根據這一實施例的移相單元53包括多個借助導線64串聯連接起來的移相元件62。應當指出，移相元件62可以是任何適用的無源或有源元件或者是它們的組合。開關元件52包括多個在其一側的第一端子67處連接到多個第一導線68并在另一側的第二端子69處連接到多個第二導線70(圖中以虛線表示)的開關66。應當指出，圖中第一端子67被表示為與第一導線68的連接點。還應當指出，多個第一導線68實際上不與多個第二導線70相交。根據本發(fā)明的一個實施例，這一點可以通過將多個第一導線68和多個第二導線70布放在隔離開的兩個平面上來達到。
根據本發(fā)明的一個具體實施例，兩個平面基本平行。如果需要，平面之間的空間可以用一個介電材料平板填充。用虛線畫出多個第二導線70，為的是指出它們與本具體實施例中的多個第一導線68不在同一平面上。開關66被示為與第一導線68在同一平面上。這樣開關66和第二導線70之間的電連接通過連接到端子69的面間導線(未示出)達到。連接到第一導線68的是開關單元輸入/輸出端口72，后者在相控陣的情形連接到用于輻射和接收電磁輻射的輻射元件。移相單元53在其一端有一個輸入/輸出端口74并經由連接到第三端子76的面間導線(未示出)連接到多個第二導線70。
為了比較使用與圖1所示N個單獨的M級常規(guī)移相器完全不同的相位控制裝置60時所需要的移相元件和開關數量，假定圖6中有N個輸入/輸出端口72并有2M個移相元件62。因此，在相位控制裝置60中有2MN個開關。于是，與常規(guī)的M級移相器相比，使用相位控制裝置60時所節(jié)省的開關數量為ΔS＝4MN-2MN，而節(jié)省的移相元件數量則為ΔP＝MN-2M。例如說，若N＝1000且M＝3，則ΔS＝12000-18000＝4000和ΔP＝3000-8＝2992。
圖7示出根據本發(fā)明實施例的相位控制裝置60一部分的透視圖，其中第一和第二導線68和70分別在隔離開的平面上。圖6所示的每個第二端子69由一對第二端子69a和69b像圖7的虛線所示那樣用面間導線80連接起來組成。開關66、第一導線68和移相元62與移相單元輸入/輸出端口74一道被示出位于“上平面”82上，而第二導線則被示出位于“下平面”84上。名詞“上平面”和“下平面”用來指圖7所示相位控制裝置60的圖解說明，不是指相位控制裝置的實際方位(實際上它可以是任何需要方位)。圖6所示的每個第三端子76由一對第三端子76a和76b如圖7所示那樣用面間導線80連接起來組成。上平面82和下平面84可以是例如說一個介電材料平板的兩個相反的面，用面間導線80穿過鉆通介電平板的洞孔而成。雖然多個第一導線68和多個第二導線70最好位于隔離開的平面上以使它們之間沒有直接接觸，但開關66和移相元件62卻可以或者兩個都如圖所示那樣位于上平面內，或者兩個都在下平面內，或者是其中一個在上平面內，而另一個則在下平面內。應當懂得，各種不同的元件即開關66、移相元件62、導線64、以及第一和第二導線68和70的各自分布并不需要限定在一個單塊介電平板的相反兩面上。本發(fā)明的相位控制裝置也可以通過將各種不同的元件布放在若干排成層狀形的介電平板上(像芯片設計中所知道的那樣)來實現。不同介電平板之間的上述元件分布可以隨具體的設備而變化。
對于串聯移相單元的相位控制裝置的工作將參照圖8說明，圖中示出一個具有輸入/輸出端口91、一個包括三個標為PS1、PS2和PS3的移相元件的串聯移相單元92、以及一個包括有標為SIJ(I＝1，…，4；J＝1，…，5)的二十個開關95和標為AJ(J＝1，…，5)的五個輸入/輸出端口96。從移相元件得到的相移數值將用psK(K＝1，2，3)表示，也就是說，移相元件PS1給出的相移升幅為ps1，等等，以此類推。
為了清楚起見，考慮在輸入/輸出端口91輸入電流(因此在這一工作方式下它成為輸入端口)、并且在輸入/輸出端口(在這一工作方式下它起到輸出端口的作用)96得到具有各種不同相位的電流的情形。在對相位控制裝置的工作的敘述中，除非另作申明，將假定所有的開關95都是關斷的(即處于“斷”態(tài))，也就是說，它們都是開路的并且沒有電流通過。為了將一個具有相移ps3的電流加到端口A5上，僅有開關S35接通(即從“斷”態(tài)變?yōu)椤巴ā睉B(tài))。同樣，為了將具有相位ps3的電流加到端口A4上，僅有開關S34接通。換句話說，為了將具有相位ps3的電流加到輸出端口AJ(J＝1，…，5)上，僅有開關S3J接通。為了把相位為ps2+ps3的電流加到端口A5上，輸入電流必須經過PS2和PS3兩個移相元件，因而只有開關S25接通。一般地說，為了把相位為ps2+ps3的電流加到端口AJ上，只有開關S2J(J＝1，…，5)接通。同樣地，為了把相位為ps1+ps2+ps3的電流加到端口AJ上，只有開關S1J(J＝1，…，5)接通。所有這些相位的度量均相對于輸入端口91處的電流相位。顯然，導線100和102也會引入相移并且隨著哪一個開關接通而改變相移的量。例如，如果開關S15接通，則電流經過導線102的一個相對較小的長度。另一方面，如果開關S11接通，則電流要經過導線102的整個長度。因此，將開關連接到導線100和102的導線長度必須恰當設計，以補償電流經過導線100和102所引入的相移。
相位補償的一條可能途徑大致示出在和圖8所示同一樣的相位控制裝置90的方框圖的圖9中，唯一不同之處是在連接開關的導線中引入了相位補償元件106。應當指出，實際中的相位補償元件106的位置并不僅限于圖9所示的位置，唯一的限制只是要引入正確的相位補償。雖然相位補償元件106已經以額外的路徑長度示出，但應當認識到，相位補償可以用任何適當的移相元件來實現。同樣地，在圖6和7中，也可以引入適當的相位補償。
本發(fā)明的相位控制裝置已經使用一種串聯移相單元舉例說明。但是，移相元件也可以是并聯的。圖10示出一種具有并聯移相單元122(具有共同連接到一個輸入/輸出端口124的并聯移相元123)的相位控制裝置120的示例性方框圖。為了具體說明起見，具有開關128和輸入/輸出端口129的開關單元126采用和圖8中的開關單元94完全一樣的。為直觀起見，上述用于相位補償的額外路徑長度沒有在圖10中示出。如果需要，可以作成串聯移相單元的并聯連接。例如說，通過并聯連接輸入/輸出端口91就可對圖9所示串聯連接的移相單元做到這一點。
在要求相位控制裝置具有大量開關單元輸入/輸出端口的情形，使用級聯結構的相位控制裝置有時是有用的。在其他的情形，并聯或者串聯連接的相位控制裝置或者將兩種連接組合起來都是有用的。為此，使用了能夠用以構成相位控制裝置的相控單元。換句話說，移相元件和開關可以分成若干相控單元，每一個相控單元中的移相元件和每一個相控單元中的開關僅與同一相控單元中的開關及其移相元件電互連。
級聯結構的相控單元可包括若干帶有串聯連接或者并聯連接的移相單元的相控單元。圖11示出帶有串聯移相單元的級聯結構相控單元的實例方框圖。所示的四個相控單元140、160、180和200各自包括具有相應的輸入/輸出端口144、164、184和204的開關單元142、162、182和202；以及具有相應的輸入/輸出端口147、167、187和207的移相單元146、166、186和206。如圖所示。相控單元200的輸入/輸出端口204分別連接到相控單元140、160和180的相應輸入/輸出端口147、167和187。在特定的相控陣天線應用中，十二個輸入/輸出端口144、164和184連接到相控陣天線的輻射元件，而輸入/輸出端口207便是級聯開關單元的射頻輸入/輸出端口。移相單元146、166和186可以相同也可以不相同，而移相單元206則一般與移相單元146、166、186的任何一個都不相同。在一個特定的應用中，移相單元146、166和186給出小數值的相移升幅例如5°、10°和15°，而移相單元206則給出大數值的相移升幅例如30°、60°和90°。級聯結構的相控單元使得有可能產生出小數值和大數值相移的多種組合。
在另一種應用中，移相單元146、166和186給出大數值的相移升幅，而移相單元206則給出小數值的相移升幅。圖11僅示出級聯結構的相位控制裝置的一種可能性，顯然不應受所示情形的限制且可以有任何數目的輸入/輸出端口和任何數目的相控單元。此外，圖11舉例說明了一種可以直接推廣為多級級聯結構的單級級聯結構?？梢岳缯f用三個相控單元140、160和180并將它們并聯或串聯連接起來構成其他有用的實施例。這些實施例并不限于三個控制單元或帶有串聯移相單元的控制單元。此外，這些實施例可以用一些具有串聯連接的移相單元和一些具有并聯連接的移相單元的相控單元組合而成。用并聯連接的相控單元替代圖11中示出的一個或多個串聯連接的相控單元同樣是正確的級聯形式。
本發(fā)明的敘述雖然帶有某種程度的特殊性，但應當明白，正如下文的權利要求書一樣，可以作出各種變化和修改而不用脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種能夠提供多個相位數值的相位控制裝置，包括多個電互連的移相元件；以及通過多個第一導線和多個第二導線電互連的多個開關，所述多個開關借助所述多個第二導線電連接到所述多個移相元件。
2.根據權利要求1的相位控制裝置，其中所述多個移相元件和所述多個開關被分為若干相控單元，每個相控單元中的移相元件和每個相控單元中的開關僅電互連到相控單元中的開關和相控單元中的移相元件。
3.根據權利要求2的相位控制裝置，其中所述相控單元是并聯連接的。
4.根據權利要求2的相位控制裝置，其中所述相控單元是串聯連接的。
5.根據權利要求2的相位控制裝置，其中一些所述相控單元是串聯連接的，而別的相控單元則是并聯連接的。
6.根據權利要求2的相位控制裝置，其中所述相控單元連接到另外的相位控制單元的開關。
7.根據上面權利要求任一條的相位控制裝置，其中所述多個移相元件、所述多個開關和所述多個第一導線被布放在一塊介電材料平板的一個側面上；而所述多個第二導線則布放在所述介電平板的反面。
8.根據權利要求1至6任一條的相位控制裝置，還包括層狀形式的多個介電平板，每個平板都有正面和反面，并且其中所述多個移相元件、所述多個開關、所述多個第一導線以及所述多個第二導線均布放在所述介電平板的正面上。
9.根據上面權利要求任一條的相位控制裝置，其中所述多個移相元件是串聯連接的。
10.根據上面權利要求任一條的相位控制裝置，其中所述多個移相元件是并聯連接的。
全文摘要
一種用于提供多個相位數值供任何具有若干要求控制各信號相對相位的信號輸入/輸出端口的系統(tǒng)使用的相位控制裝置，相位控制裝置通過將移相元件電連接到一個與移相元件分開的電互連開關系統(tǒng)構成。結果得到與常規(guī)移相器相比降低了移相元件和開關的數量以及簡化的最終結構，和對芯片小型化的重要意義的一個特性。
文檔編號H01Q3/30GK1228201SQ96180421
公開日1999年9月8日 申請日期1996年7月25日 優(yōu)先權日1996年7月25日
發(fā)明者申姆·托弗·勒韋 申請人:斯蓋格特國際技術股份有限公司