新型定向耦合器的設(shè)計

1968年，前蘇聯(lián)科學(xué)家g.vserago首次提出了一種手工材料。他在論文中指出了左手材料與普通材料相異的特性,例如:逆菲涅耳定律、逆多普勒效應(yīng)、逆切倫科夫輻射特性等。近年來,左手材料得到了很大的發(fā)展,被應(yīng)用到了微波電路的多個領(lǐng)域。2004年,T.Itoh等人提出了混合左右手傳輸線理論,首次構(gòu)造了混合左右手傳輸線(CRLH-TL)。并將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用在了定向耦合器,提出了基于CRLH-TL的對稱和非對稱型的定向耦合器。寬頻帶、小型化、低損耗一直是微波射頻研究的熱點,而人工傳輸線作為一種新型的微帶平面?zhèn)鬏斁€結(jié)構(gòu),具有體積小和頻帶寬的優(yōu)點,在微波電路方面可以實現(xiàn)器件的小型化和寬頻帶響應(yīng),在功分器、雙工器等微波器件中得到了應(yīng)用。本文設(shè)計了一種基于混合左右手傳輸線和人工傳輸線的平行耦合型微帶雙定向耦合器。該定向耦合器全部采用微帶結(jié)構(gòu),具有緊耦合和尺寸小的優(yōu)點。設(shè)計并加工了一款工作在中心頻率1.55GHz的10dB雙定向耦合器。1原則和設(shè)計1.1終端短路微帶線的浮膠電路根據(jù)CRLH-TL的理論,可以用微帶線實現(xiàn)人工混合的左右手傳輸線。圖1(a)所示為CRLH-TL單元模型,用交指電容和終端短路的微帶線實現(xiàn)電路。圖1(b)為模型的等效電路,其中Cintssint和Lintssint為交指電容等效的串聯(lián)電容和串聯(lián)電感,Cintppint為交指電容對地的電容,Cstubppstub和Lstubppstub為終端短路微帶線等效的并聯(lián)電容和并聯(lián)電感,而終端短路微帶線的寄生串聯(lián)電感遠(yuǎn)小于交指電容等效的串聯(lián)電感,可以忽略不計。圖1(c)為圖1(b)的簡化電路,其中CL和LL為CRLH-TL左手部分的電容和電感,CR和LR為右手部分的電容和電感。由此可以看到CRLH-TL相當(dāng)于一個帶通濾波器,其中左手(LH)部分的截止頻率fCL,右手(RH)部分的截止頻率fCR,分別為fCL=14πLLCL√(1)fCR=1πLRCR√(2)fCL=14πLLCL(1)fCR=1πLRCR(2)特別地,當(dāng)LRCL=LLCR時,即傳輸線的特性阻抗Z0=LL/CL??????√=LR/CR??????√Ζ0=LL/CL=LR/CR時,CRLH-TL達到平衡狀態(tài),其傳輸常數(shù)βs為βs=βR+βL=ωLRCR?????√?1ωLLCL√βs=βR+βL=ωLRCR-1ωLLCL(3)當(dāng)βs等于零時,左手到右手的過渡頻率f0為f0=12πLRCL√=12πLLCR√(4)f0=12πLRCL=12πLLCR(4)當(dāng)頻率低于f0時,傳輸線呈現(xiàn)左手特性;當(dāng)頻率高于f0時,傳輸線呈現(xiàn)右手特性。因此,CRLH-TL通常稱為混合左右手傳輸線。1.2消極電路與等效電路人工傳輸線用微帶彎折線構(gòu)造串聯(lián)電感,用微帶貼片構(gòu)造并聯(lián)的電容,可以減小傳統(tǒng)傳輸線的長度,實現(xiàn)器件的小型化和寬頻帶響應(yīng)。根據(jù)人工傳輸線的設(shè)計原理,本文對其進行改進,將彎折線改為直線,增大耦合面積,使其更利于與傳輸線進行耦合。改進的人工傳輸線單元模型與等效電路如圖2所示。圖2(b)中,電感L1,L2,L3分別用高阻抗微帶直線實現(xiàn),而電容CL1,CL2是L1的寄生電容,CL3,CL4是L3的寄生電容。電容C1用交指電容來實現(xiàn),而電容Cp1,Cp2分別是L2和C1的寄生電容。電容Cs1,Cs2用低阻抗微帶貼片實現(xiàn)。利用傳輸線理論對圖2(b)所示的等效電路進行分析,其特性阻抗Zc,傳輸常數(shù)β,截止頻率fc分別為:Zc=Ltot/Ctot???????√?β=ωLtotCtot??????√?fc=1/(πLtotCtot??????√)Ζc=Ltot/Ctot?β=ωLtotCtot?fc=1/(πLtotCtot),其中電感Ltot=L1+L2+L3,電容Ctot=CL1+CL2+CL3+CL4+Cp1+Cp2+Cs1+Cs2。通過改變Ltot和Ctot,可以調(diào)節(jié)傳輸線的特性阻抗和相位常數(shù)。1.3接觸單元結(jié)構(gòu)及仿真模擬在實際設(shè)計中,使用周期性單元結(jié)構(gòu)級聯(lián)分別實現(xiàn)CRLH-TL和人工傳輸線。再通過CRLH-TL和人工傳輸線的邊緣進行電磁耦合,設(shè)計平面結(jié)構(gòu)的定向耦合器。本文基于此思路,設(shè)計3單元級聯(lián)CRLH-TL和2單元級聯(lián)的人工傳輸線,并構(gòu)造了雙定向耦合器。其結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。所使用介質(zhì)基板為F4B-2聚四氟乙烯玻璃纖維板,相對介電常數(shù)為2.65,厚度為1.5mm。CRLH-TL的尺寸參考圖1(a)的單元結(jié)構(gòu)。使用5指交指電容,指寬wC和間隙sC分別為0.2mm,指長lC為10mm,終端短路微帶線的寬度wL為1mm,兩邊的長度lL為13.8mm,中間的長度為6.7mm,終端短路用金屬化過孔實現(xiàn)。在CRLH-TL和50Ω端口之間使用過渡微帶線進行連接。人工傳輸線的尺寸如圖2(a)所示,l1=5.3mm,l2=4.6mm,l3=5.3mm,w1=3.9mm,w2=2.4mm,w3=0.8mm,w4=0.3mm,w5=0.8mm,s1=0.3mm。CRLH-TL和人工傳輸線之間的間隙為1.1mm。CRLH-TL工作在左手傳輸線狀態(tài)。如圖3所示,信號從1端口輸入時,CRLH-TL工作在左手狀態(tài),功率向2端口傳播,而相位卻向1端口傳播。當(dāng)耦合到人工傳輸線時,因為兩條傳輸線需要具有同向的相位速度,所以在人工傳輸線上,功率和相位都向3端口傳播,從而實現(xiàn)了反向耦合。由結(jié)構(gòu)上看,人工傳輸線的長度并非λ/4,其物理長度取決于等效電抗元件Ctot和Ltot。利用電磁仿真軟件對其仿真,定向耦合器的工作頻率為1.3～1.8GHz,中心頻率為1.55GHz,相對百分比帶寬達到32%。改變兩條傳輸線的間距,耦合度和隔離度都會隨之變化,可在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)耦合度的調(diào)整。2定向耦合器測試按照上述設(shè)計方法,實際加工制作了10dB的定向耦合器,如圖4所示。定向耦合器的尺寸為38.6mm×25.8mm。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(AgilentN5230A)對其進行S參數(shù)的測量。測試結(jié)果表明:定向耦合器工作頻率為1.3～1.8GHz,中心頻率的耦合度為9.9dB。在頻帶范圍內(nèi),耦合平坦度在2dB以內(nèi),隔離度大于25dB,回波損耗大于15dB。該10dB定向耦合器中心頻點的方向性系數(shù)達到了20dB。將測試結(jié)果和電磁仿真結(jié)果進行比較,如圖5所示。從圖5可以看到,兩者的曲線基本吻合,驗證了設(shè)計和模擬的可靠性。傳統(tǒng)微帶線定向耦合器難以實現(xiàn)高于20dB的耦合系數(shù)。本文提出的定向耦合器很容易實現(xiàn)了10dB的耦合系數(shù)。減小傳輸線之間的距離,可以增大耦合系數(shù);反之,增加間距,可以減小耦合系數(shù)。不需要改變定向耦合器的基本結(jié)構(gòu)。因此,通過調(diào)節(jié)平行耦合傳輸線之間的距離,本設(shè)計可以覆蓋6～30dB的耦合系數(shù)。3定向耦合器驗證本文將CRLH-TL和人工傳輸線應(yīng)用到了微帶定向耦合器上,提出了一種新型的雙定向耦合