專利名稱：基于分形和復(fù)合左右手傳輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電橋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙頻微帶環(huán)形電橋，尤其是涉及-線的小型化雙頻微帶環(huán)形電橋。
-種基于分形和復(fù)合左右手傳輸
背景技術(shù)：
如
圖1所示的鼠籠式耦合器(rat-race coupler)，又稱環(huán)形電橋或混合環(huán)，是微 波電路中一種重要的基本元件，由3個-90°支路和一個-270°支路組成，可直接用作功率 分配器和合成器。用作功率分配器時當信號從1端口(即portl)輸入，則2端口和3端 口 (即port2和port3)等幅同相輸出，4端口(即port4)隔離；當信號從4端口輸入，則2 端口和3端口等幅反相輸出，1端口隔離。用作功率合成器時當信號從2端口和3端口等 幅同相輸入，能量在1端口合成輸出，而在4端口因波程差為180°相互抵消無輸出；當信 號從2端口和3端口等幅反相輸入，能量在4端口合成輸出，而在1端口抵消無輸出。環(huán)形
電橋的上述特性可以用S參數(shù)矩陣描述為KI = M
0 110 10 0-1 10 0 1 0-110
。環(huán)形電橋的獨特性質(zhì)使得
其廣泛應(yīng)用于平衡混頻器、功率放大器以及天線(尤其是圓極化天線)的饋電網(wǎng)絡(luò)中。研 究不難發(fā)現(xiàn)圖2、圖3所示的兩種衍生環(huán)形電橋，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)圖1所示的傳統(tǒng)環(huán)形電橋完 全一樣的功能。微帶線(ML)環(huán)形電橋因其集成度高，易于實現(xiàn)平面結(jié)構(gòu)而廣泛應(yīng)用于微波 集成電路當中。與帶狀線、共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比而言，微帶線具有獨特的優(yōu)勢因而得到廣泛應(yīng)用。目前關(guān)于微帶環(huán)形電橋的理論研究成果很多，主要集中在以下3個方面一是環(huán) 形電橋的小型化，二是環(huán)形電橋的寬頻化，三是環(huán)形電橋的雙頻或者多頻化。國內(nèi)外小型化 的技術(shù)主要包括1、在四個支路中間引入并聯(lián)枝節(jié)；2、采用階梯阻抗線技術(shù)，通過在環(huán)內(nèi) 引入漸變低阻抗枝節(jié)；3、在環(huán)內(nèi)引入環(huán)形槽實現(xiàn)容性加載從而降低諧振頻率；4、采用分形 技術(shù)；5、采用向環(huán)內(nèi)凹陷的蜿蜒線技術(shù)等。在雙頻研究方面，設(shè)計符合指標要求的雙頻環(huán)形 電橋一直是微波工程設(shè)計人員的愿望，同時也是難點，其根本要求是設(shè)計在任意兩個給定 的頻點處均能滿足精確相位要求的環(huán)形電橋的四個支路，因而關(guān)于雙頻環(huán)形電橋的研究報 道的很少。傳統(tǒng)微帶環(huán)形電橋的布局結(jié)構(gòu)，如圖7所示。國外實現(xiàn)雙頻環(huán)形電橋的技術(shù)主要包括以下兩種一是在4個支路中間分別引入 T型階梯阻抗枝節(jié)，但該方法中所采用的枝節(jié)線太長，必定會增大環(huán)形電橋的尺寸，不能滿 足小型化需要，而且設(shè)計方法比較繁瑣；另外一種方法就是基于τ形開路枝節(jié)，在2端口和 4端口之間向環(huán)內(nèi)引入2個并聯(lián)的T形開路枝節(jié)，因而T形開路枝節(jié)的長度、寬度以及它們 之間的間距便成為實現(xiàn)雙頻特性的關(guān)鍵，設(shè)計過程中物理結(jié)構(gòu)參數(shù)較多且難于優(yōu)化，同時 準確設(shè)計給定頻率下的雙頻特性非常困難。綜上，現(xiàn)有合成雙頻環(huán)形電橋的方法繁瑣、精度 低、難于推廣，亟待新方法的提出和改進。而且上述兩種小型化方法中實現(xiàn)的雙頻環(huán)形電橋 各支路在低頻和高頻處相位關(guān)系恒定，其機理是將工作于不同頻率的相同傳統(tǒng)電橋進行合
4成。自然界并不存在左手傳輸線。左手傳輸線具體是通過在串聯(lián)支路上引入左手電容 Cl且在并聯(lián)支路上引入接地電感1^，而人工合成的具有左手非線性色散關(guān)系、負傳播常數(shù) 等特性的一類傳輸線。由于左手傳輸線不可避免的會存在右手寄生效應(yīng)(等效為串聯(lián)電感 Lk及并聯(lián)電容Ck)，故含寄生效應(yīng)的左手傳輸線命名為復(fù)合左右手傳輸線(簡稱CRLH TL)?，F(xiàn)如今，基于集總元件CRLH TL已經(jīng)實現(xiàn)的雙頻器件主要有分支線耦合器、 Wilkinson功分器、1/4波長開路分支線等。但基于集總元件CRLH TL來構(gòu)造實現(xiàn)雙頻環(huán)形 電橋尚未有報道，主要原因有二一是環(huán)形電橋不同于上述微波器件，它擁有兩種不同相位 關(guān)系的支路，設(shè)計起來較其它雙頻器件復(fù)雜得多；二是集總元件CRLH TL具有獨特的雙曲 色散關(guān)系，難于像上述國外報道的兩種基于T型階梯阻抗枝節(jié)和T形開路枝節(jié)所實現(xiàn)的雙 頻環(huán)形電橋一樣使其各支路在低頻和高頻處保持相位關(guān)系恒定。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于分形 和復(fù)合左右手傳輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電橋，其設(shè)計合理、實現(xiàn)方便且使用效果好、精 度高，能有效解決現(xiàn)有雙頻環(huán)形電橋所存在的方法復(fù)雜、使用效果較差、體積大、不能真正 工作于雙頻模式等缺陷和不足。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于分形和復(fù)合左右手傳 輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電橋，其特征在于由首尾依次連接且工作于低頻fV與高頻fH 兩個頻帶上的四個CRLH TL支路和四個分別接于相鄰兩個CRLH TL支路連接點上且用于連 接SMA接頭的輸入輸出端口組成；四個所述CRLH TL支路均由多個CRLH TL單元級聯(lián)組成； 所述CRLH TL單元包括串聯(lián)在相鄰兩個輸入輸出端口之間的電容Q和電感Lk以及相并聯(lián) 的電容Ck和電感Ly電感k的一端接地且其另一端與電容Q相接，其中所述電容Q和電感 k組成所述CRLH TL單元的左手部分電路，且所述電感Lk和電容Ck組成所述CRLH TL單元 的右手部分電路；組成四個所述CRLH TL支路中的任一個CRLH TL支路的多個CRLH TL單元 的電路參數(shù)，均滿足以下條件電感Lk的電感量Lr mo容Ck的電容
權(quán)利要求
1.一種基于分形和復(fù)合左右手傳輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電橋，其特征在于由首 尾依次連接且工作于低頻4與高頻fH兩個頻帶上的四個CRLH TL支路(1)和四個分別接 于相鄰兩個CRLH TL支路⑴連接點上且用于連接SMA接頭的輸入輸出端口⑵組成；四 個所述CRLH TL支路⑴均由多個CRLH TL單元(6)級聯(lián)組成；所述CRLH TL單元(6)包 括串聯(lián)在相鄰兩個輸入輸出端口( 之間的電容Q和電感Lk以及相并聯(lián)的電容Ck和電感 Ll,電感k的一端接地且其另一端與電容Q相接，其中所述電容Q和電感k組成所述CRLH TL單元(6)的左手部分電路，且所述電感Lk和電容Ck組成所述CRLH TL單元(6)的右手 部分電路；組成四個所述CRLH TL支路(1)中的任一個CRLH TL支路(1)的多個CRLH TL單 元(6)的電路參數(shù)，均滿足以下條件電感Lr的電感量、=^HH，電容Cr的NcohW-{mLIωΗ)]電容量，電感κ的電感量
2.按照權(quán)利要求1所述的基于分形和復(fù)合左右手傳輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電橋， 其特征在于四個所述CRLH TL支路(1)包括三個在低頻&和fH高頻上能分別實現(xiàn)+90° 相移和-90°相移的支路一以及一個在低頻&和fH高頻上能分別實現(xiàn)-90°相移和-270° 相移的支路二。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的基于分形和復(fù)合左右手傳輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電 橋，其特征在于四個所述CRLH TL支路(1)均由兩個CRLH TL單元(6)級聯(lián)組成；且所述 CRLH TL支路(1)包括分別串聯(lián)加載在相鄰輸入輸出端口( 末端的兩個串聯(lián)支路和并聯(lián) 加載在兩個所述串聯(lián)支路之間的兩個并聯(lián)支路，兩個所述串聯(lián)支路均由電容Q和電感Lk串 接組成，兩個所述并聯(lián)支路均由電感k和電容Ck并接組成；兩個電容Q和兩個電感k組 成CRLH TL支路(1)的左手部分電路，且兩個電感Lk和兩個電容Ck組成CRLH TL支路(1) 的右手部分電路。
4.按照權(quán)利要求3所述的基于分形和復(fù)合左右手傳輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電橋， 其特征在于所述CRLH TL支路(1)的左手部分電路由集總參數(shù)SMT元件( 組成，所述 CRLH TL支路(1)的右手部分電路由微帶線(4)組成，且所述CRLH TL支路(1)的左手部分 電路和右手部分電路均布設(shè)在微帶板( 上。
5.按照權(quán)利要求4所述的基于分形和復(fù)合左右手傳輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電橋， 其特征在于所述CRLH TL支路(1)的右手部分電路為分形幾何結(jié)構(gòu)。
6.按照權(quán)利要求5所述的基于分形和復(fù)合左右手傳輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電橋， 其特征在于所述分形幾何結(jié)構(gòu)為迭代因子IF為1/4且迭代次數(shù)為2的Koch分形曲線。
7.按照權(quán)利要求4所述的基于分形和復(fù)合左右手傳輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電橋， 其特征在于所述微帶板(5)上開有供所述集總參數(shù)SMT元件(3)安裝的過線孔，所述微帶線(4)經(jīng)腐蝕刻制在微帶板( 上。
8.按照權(quán)利要求7所述的基于分形和復(fù)合左右手傳輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電橋， 其特征在于所述微帶線⑷的電長度為Pwi=-A^iV^，CRLH TL單元(6)的特性阻抗 Zc =λ/2Ζο=70.7Ω ；所述微帶線⑷的實際物理長度L和寬度W均根據(jù)電長度、傳輸線特 性阻抗4和微帶板(5)的介電常數(shù)且通過Ansoft krenade軟件工具箱計算得出。
9.按照權(quán)利要求8所述的基于分形和復(fù)合左右手傳輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電橋， 其特征在于所述低頻fL = 0. 75GHz且高頻fH = 1. 8GHz。
10.按照權(quán)利要求7所述的基于分形和復(fù)合左右手傳輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電 橋，其特征在于所述微帶板( 為聚四氟乙烯玻璃布板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于分形和復(fù)合左右手傳輸線的小型化雙頻微帶環(huán)形電橋，由首尾依次連接的四個Koch分形結(jié)構(gòu)的CRLH TL支路和四個分別接在相鄰兩支路之間用于連接SMA接頭的輸入輸出端口組成，四個支路中包含三個電路參數(shù)完全相同的CRLH TL支路和一個電路參數(shù)不相同的CRLH TL支路，即三個在fL和fH頻帶上分別實現(xiàn)+90°、-90°的傳輸線支路和一個在fL和fH分別實現(xiàn)-90°、-270°的傳輸線支路，四支路均由兩個CRLHTL單元級聯(lián)組成。本發(fā)明設(shè)計合理、實現(xiàn)方便且使用效果好、精度高，應(yīng)用廣泛，能有效解決現(xiàn)有雙頻環(huán)形電橋所存在的方法復(fù)雜、使用效果差、體積大、不能真正工作于雙頻模式等缺陷和不足。
文檔編號H01P5/16GK102130662SQ201010514009
公開日2011年7月20日 申請日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者梁建剛, 王光明, 許河秀 申請人:許河秀