智能天線中移相器的模塊化設計應用

趙波

（1.同濟大學，上海201804；2.安弗施無線射頻系統（上海）有限公司，上海201613）

0 引言

模塊化設計是一種通用的產品設計方法。是以快速、經濟的方式設計出具有競爭力的最優產品的有效途徑，是實現產品系列化、多樣化和大批量定制的基礎［1］。模塊化設計和制造技術的核心是以少變應付多變，以產品內部的標準化對付外部需求的個性化和多樣化，用少量模塊組合成盡可能多的品種，優質、高效、最大限度地滿足不同用戶的需求。產品模塊化的設計方法是建立在系統分析和標準化基礎上的一種方法，它要求在市場調查和分析的基礎上，對一定范圍內的產品進行功能分析，劃分并設計出一系列功能模塊，通過更換或增加、減少相應模塊以構成滿足不同需求的產品，縮短產品研發周期，降低制造成本［2］。

本文主要所研究的移相器單元正是基于智能天線的發展方向，模塊化設計出移相器基本單元，使之快速、便捷地應用于不同的基站天線平臺。以縮短設計周期和保證零件最大限度的共用，節約基站天線的制造成本。

本文結合項目經驗介紹移相器的模塊化設計原理及應用。

1 模塊化設計在智能天線領域的應用

機械產品的模塊化設計是工業發達國家近二十年來一直采用的一種先進的設計方法，它將系統根據功能分解為若干模塊，通過對模塊的不同組合得到不同品種和規格的產品。在實際機械產品的設計與制造中,模塊化產品的設計還應用了CAD技術、成組技術、柔性加工技術等先進技術，可將產品中同一功能的單元設計成具有不同性能、可以互換的模塊。通過選用不同模塊，可以組成不同類型、不同規格的產品。由于采用了模塊化的設計，因此產品的精度高、性能穩定、結構簡單、成本低廉。顯然，為了保證模塊的互換，必須提高其標準化、通用化和規格化的程度。

模塊化也是基站天線發展的重要方向［5］。近年來，運營商投入大量精力進行下一代網絡技術、協議和標準的研究。希望能夠更多地采用開放、統一標準的技術來實現各種功能，從而減少各種私有標準的應用，能夠充分運用社會力量開發新的增值業務，發展合作同盟，共同拓展市場。

對開放接口的推動，也可以幫助運營商縮減初期的網絡投資，降低風險。接口的標準化帶來的則是設備的模塊化。而模塊化設計在下一代基站中更重要的體現是管理模塊與射頻模塊的分離，這大大增加了基站的覆蓋靈活性。在基站和用戶終端都采用模塊化設計的情況下，運營商的網絡將因為設備配置靈活而具有良好的擴展性，容易擴充和增加新的業務。

總的來說，開放式模塊化使基站建設可以用“搭積木”的方式進行，能夠快速響應，縮短建設時間，同時減少維護的設備種類，降低運維難度，節省運維成本。

但是在機械和電子結合的領域，尤其是在通信領域的設備研發上，由于我國在這一領域起步較晚，產品結構一直處于產業鏈的末端，而且機械零部件的設計、產品材料的選擇以及裝配、制造都需要考慮到電性能的指標，與傳統機械領域尚有很大的區別。

2 移相器模塊化設計

2.1 移相器介紹及單元模塊的劃分

移相器是在微波天饋領域中經常使用的一種元器件，其主要作用是改變傳輸電磁波的相位。而饋電的相位差決定了天線最大輻射方向的指向，即天線的電下傾角（Tilt）。振子同相饋電時，天線最大輻射方向平行于地面，電下傾角為0°；當振子饋電相位逐次滯后時，天線最大輻射方向向地面傾斜，電下傾角大于0°，相差越大，電下傾角越大。

相位的改變主要取決于從輸入端口到振子饋電部分的電長度，移相器可以通過改變振子饋電部分的電長度，從而實現對振子間饋電相位差Δφ的調整。而饋電電路的電長度只跟電路的物理長度l、電磁波的頻率f和電磁波在電路中傳播的速度VP有關，如下式所示［5］：

其中：ε 為介電常數；c為光速，3×108m/s。

由此可見，在某個固定頻率下，改變電長度有兩種方法：1）改變電路的物理長度l，l加長，相位滯后，反之則相位超前；2）改變電路中絕緣介質的介電常數ε，ε增大則相位滯后。反之則相位超前。假設如圖1所示，在一段50 Ω的空氣帶狀線的上、下兩側，通過介質塊與微帶線關系的變化調整，實現微帶線間的介電常數的變化。當插入介電常數為εr的某種介質，此時的這段空氣帶狀線的有效介電常數εe應該介于空氣和這種塑料介質之間，即1≤εe≤εr。當介質插入很少時，有效介電常數εe更接近空氣的介電常數1；隨著介質插入越來越多，有效介電常數εe逐漸增大，電長度增加，相位滯后，從而實現移相的目的。

圖1 介質塊移相示意圖

通過以上分析，可以按照功能劃分模塊的方式，來對各部分結構進行如圖2所示模塊劃分。

圖2 移相器單元模塊的劃分

下面就主要介紹介質塊單元的模塊化設計。

2.2 移相單元模塊的結構、參數及數據表單的建立

由介質塊單元主要功能分析得知，介質型移相器的主要原理就是調整介質塊與微帶線的相對位置。此單元的結構可以設計成為微帶線固定，而介質塊可沿著某個特定的軌跡在微帶線中運動，以實現改變微帶線與空氣介質之間介電常數的目的。根據這一主要思路，介質塊單元的設計可以用圖3結構實現。其中，1、3號零件是介質塊，2號零件是微帶線。通過孔、銷配合的形式，將1、3零件相連接，實現上、下介質塊同步運動。

圖3 介質塊單元結構

影響介質塊形狀尺寸的因素有：實際應用產品的頻段f、移相角度范圍Tr（Tilt Range）和移相量的大小S。所以，主要參數的確定也從這三方面考慮。

通常天線的頻段信息為客戶輸入的主要參數，這一數據也是設計移相器單元的基礎，由于波長與頻段成反比，所以，對應低頻段的天線，需要的介質塊的外形尺寸會更大；反之高頻段的天線，需要的介質塊的外形則更小。圖4給出了現有的介質塊模型，其中L尺寸為兩卡腳之間的距離，L的最佳取值應為1/4波長。可以根據產品使用的不同頻段，改變L的數值。使其能夠適應不同頻段的基站天線，與介質塊的長度尺寸相關。

圖4 介質塊模塊主參數

而移相角度范圍則決定了移相器的工作范圍，與介質塊進入微帶線的接觸面積多少有關，也決定了介質塊卡角的外形形狀。

最后，根據介質塊的移相角度范圍，可以計算出移相量的大小，即介質塊進入微帶線的多少，與介質塊的寬度尺寸相關。

根據以上分析，綜合介質塊的結構和使用條件給出了主要參數，即 L、L1、D、Dn、Wn等，見表1。

表1 介質塊模塊主參數表

在后續的建模過程中，只要控制表1所列出的主參數，即可以根據不同的客戶需求，自動繪制出介質塊的3D模型。

2.3 移相單元模塊的CAD系統實現關鍵

設計列表功能是SolidWorks軟件中的一大亮點，可以提高相似零件的快速化、系列化設計。主要是通過使用外部表格中所預先定義的參數作為驅動數據，關聯模型草圖中所定義的驅動尺寸，生成滿足參數條件的模型［4］。

使用設計列表創建介質塊流程如圖5所示。

用拉伸特征建立介質塊的草圖模型，只需保證草圖正確就可以成功建模，通過驅動草圖尺寸就可以改變模型。細節特征可以忽略。

圖5 設計列表建模流程

草圖繪制前，需要確定草圖參考點，所有尺寸鏈以此為起點創建。參考點位置可根據全圖的幾何特征來確定。尺寸標注的最佳方式是從固定點開始，先注明局部特征，再注明整體特征，保證整體特征大于當前局部特征。否則，模型可能變形，尺寸標注不可能準確。完全定義尺寸和約束關系后，可以通過SolidWorks中的自檢功能，完全定義則顯示為默認顏色。

草圖繪制完畢后，選擇拉伸命令創建模型。然后定義尺寸變量，對于每個特征重建可能變化的尺寸設置為關鍵字段，并將草圖中的尺寸名稱改為主參數表中定義的符號，以便與之一一對應。將驅動尺寸用數據表來組織和管理，模型與數據的聯動通過修改外部表格來實現。通過設計列表的方式使模型與尺寸統一成整體。點擊OK確認，此時系統自動將所有驅動尺寸會變為高亮色。

最后可以通過對設計列表中生成的不同配置文件進行選擇激活，來調用不同參數的模型。

3 結語

對于移相器單元這一類型的產品，如何能在最短的時間內設計出滿足設計要求、結構最優的產品，是提高產品質量、降低成本、提高企業競爭力的關鍵。本文提出模塊化設計概念，將傳統模塊設計、參數化、成組技術集于一體，較好地解決了面向大批量定制的智能天線移相器單元的模塊化快速設計問題。

［1］ 童時中.模塊化原理設計方法及應用［M］.北京：中國標準出版社，1999.

［2］ 賈延林.模塊化設計［M］.北京：機械工業出版社，1991：l-40.

［3］ 張寶輝.模塊化總體設計研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2004.

［4］ 孫江宏.SolidWorks中文版參數化建模與案例分析［M］.北京人民郵電出版社，2003.

［5］ 朱里奇.基站與無線覆蓋技術［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［6］ 王新穩.微波技術與天線［M］.2版.北京：電子工業出版社，2006.