本發(fā)明屬于微波工程
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種CRLH傳輸線結(jié)構(gòu)的等效電路結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：分支線耦合器是微波工程的重要器件之一，也是平面微波集成電路的基本器件之一，尤其是功率等分的3dB分支線耦合器，不僅容易制作，而且它的輸出端口位于同一側(cè)，因而結(jié)構(gòu)上易于同半導(dǎo)體器件結(jié)合，構(gòu)成平衡混頻器、移相器和開(kāi)關(guān)等集成電路，它也被廣泛應(yīng)用于天線饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)之中。然而在理論上，分支線耦合器的兩個(gè)輸出端口的輸出信號(hào)在工作頻率上的相位差總是90°，所以無(wú)論采用何種方法、何種材料設(shè)計(jì)分支線耦合器，其四臂的長(zhǎng)度都約等于四分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)，當(dāng)工作在低頻段時(shí)，這個(gè)尺寸對(duì)于微波集成電路而言是很大的。因此，如何縮小分支線耦合器的電路尺寸一直是微波工程設(shè)計(jì)人員的研究熱點(diǎn)。到目前為止，研究人員提出了大致有以下四大類方法來(lái)減小分支線耦合器的電路面積：一是采用集總元件：采用這種方法設(shè)計(jì)出來(lái)的分支線耦合器的面積能控制在很小的范圍內(nèi)，然而由于采用了集總元件，因此其加工一般比較麻煩，而且集總元件的Q值一般比較高，因此其設(shè)計(jì)精度要求比較高而且工作帶寬也很窄，此外，由于集總元件自身的諧振，該類分支線耦合器不能應(yīng)用于高頻場(chǎng)合。二是在地板上腐蝕電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)：由于EBG結(jié)構(gòu)的慢波效應(yīng)，采用這種方法可以使其面積有效地縮小20％左右，但是由于采用了EBG結(jié)構(gòu)，這樣就容易產(chǎn)生后向輻射，帶來(lái)不易集成和封裝等問(wèn)題，而且相對(duì)于其它各類方法來(lái)說(shuō)，腐蝕EBG所帶來(lái)的尺寸縮小并不是很大。三是采用具有高介電常數(shù)、介質(zhì)板很厚的微帶板：這種方法可以把分支線耦合器的面積縮小至1/16，但是這種方法的其中一個(gè)缺點(diǎn)是介質(zhì)損耗太大，這樣其性能就大大降低，它另一個(gè)缺點(diǎn)是加工精度要求很高，要求達(dá)到微米級(jí)的加工精度，因此，這一設(shè)計(jì)是不太容易推廣的。四是對(duì)分支線耦合器的分支線或平行線依照分形幾何或普通曲折線進(jìn)行曲折來(lái)達(dá)到減小尺寸的目的，但是由于分形幾何結(jié)構(gòu)無(wú)法用解析表達(dá)式表示，只能手動(dòng)逐段建模，靈活性和可調(diào)性比較差。另外，因?yàn)榉种Ь€和平行線寬度不同，采用分形幾何之后，保證其各自電長(zhǎng)度為90°需要經(jīng)過(guò)微調(diào)優(yōu)化，對(duì)于可調(diào)性比較差的分形幾何模型，上述優(yōu)化過(guò)程是非常復(fù)雜而且耗時(shí)的。而且對(duì)線寬較寬的傳輸線進(jìn)行曲折或分形也比較困難，此外，曲折或分形同時(shí)也會(huì)帶來(lái)大量彎折，這就增大了結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性和線間的耦合，從而導(dǎo)致匹配特性與正交相移特性優(yōu)化過(guò)程復(fù)雜。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)存在的缺陷，提供一種CRLH傳輸線結(jié)構(gòu)的等效電路結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，提出利用DRC構(gòu)造CRLH傳輸線結(jié)構(gòu)，然后利用該傳輸線結(jié)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)+90°50Ω和+90°35Ω的傳輸線，將實(shí)現(xiàn)的傳輸線應(yīng)用到分支線耦合器的設(shè)計(jì)中，大大減小了分支線耦合器的尺寸，該方法尺寸縮減大、不會(huì)帶來(lái)后向輻射，可以用于任何頻段，易于集成和封裝，調(diào)試起來(lái)也比較容易，同時(shí)具有較高的設(shè)計(jì)自由度。其具體技術(shù)方案為：一種CRLH傳輸線結(jié)構(gòu)的等效電路結(jié)構(gòu)，包括Cg表示交指電容，Cf則表示交指電容與微帶線形成的邊緣電容，L表示微帶線的線電感，Lc和Cc所形成的諧振回路由DRC產(chǎn)生，C除了表示微帶線的線電容外，還包括DRC與微帶線之間的耦合電容，Cg和L位于串聯(lián)諧振回路上，Cf、Lc、Cc以及C位于并聯(lián)諧振回路上。一種CRLH傳輸線結(jié)構(gòu)的等效電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，具體步驟如下：步驟1：要想構(gòu)造CRLH傳輸線，首先要在較低的頻段和較高的頻段分別實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率。步驟2：在串聯(lián)支路上利用交指結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電容Cg，利用微帶線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電感L，這樣，在小于串聯(lián)支路諧振頻率的頻帶范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了負(fù)介電常數(shù)效應(yīng)，但是，由于交指結(jié)構(gòu)的引入，不可避免的會(huì)帶來(lái)邊緣電容Cf。步驟3：在并聯(lián)支路上利用微帶線和地面形成了平板電容C，利用DRC結(jié)構(gòu)形成了包括電容Cc和電感Lc在內(nèi)的諧振回路，因此，并聯(lián)支路的引入帶來(lái)了兩個(gè)諧振頻率，在這兩個(gè)諧振頻率與之間，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：1、與利用集總元件縮減分支線耦合器尺寸的方案相比，該方法不受應(yīng)用頻帶的限制，既可以應(yīng)用到低頻場(chǎng)合，也可以應(yīng)用到高頻場(chǎng)合。2、與利用EBG結(jié)構(gòu)縮減分支線耦合器尺寸的方案相比，該方法尺寸縮減性大，不會(huì)帶來(lái)后向輻射，易于集成和封裝。3、與利用高介電常數(shù)縮減分支線耦合器尺寸的方案相比，該方法介質(zhì)損耗小，設(shè)計(jì)自由度大。4、與利用分形曲線或者蜿蜒線縮減分支線耦合器尺寸的方案相比，該方法建模簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，設(shè)計(jì)自由度大。附圖說(shuō)明圖1是基于DRC的CRLH傳輸線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是50Ω的+90°移相線的S參數(shù)仿真結(jié)果，其中圖2(a)為傳輸線結(jié)構(gòu)的幅度響應(yīng)仿真結(jié)果，圖2(b)為傳輸線結(jié)構(gòu)的相位特性仿真結(jié)果；圖3是35Ω的+90°移相線的S參數(shù)仿真結(jié)果，其中圖3(a)為傳輸線結(jié)構(gòu)的幅度響應(yīng)仿真結(jié)果，圖3(b)為傳輸線結(jié)構(gòu)的相位特性仿真結(jié)果；圖4是分支線耦合器的測(cè)試結(jié)果，其中圖4(a)為分支線耦合器的幅度響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，圖4(b)為分支線耦合器的相位響應(yīng)測(cè)試結(jié)果。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。如圖1所示，一種CRLH傳輸線結(jié)構(gòu)的等效電路結(jié)構(gòu)，包括Cg表示交指電容，Cf則表示交指電容與微帶線形成的邊緣電容，L表示微帶線的線電感，Lc和Cc所形成的諧振回路由DRC產(chǎn)生，C除了表示微帶線的線電容外，還包括DRC與微帶線之間的耦合電容。在這些電路參數(shù)當(dāng)中，Cg和L位于串聯(lián)諧振回路上，Cf、Lc、Cc以及C位于并聯(lián)諧振回路上，它們之間的位置關(guān)系如圖1所示。實(shí)施例1CRLH傳輸線結(jié)構(gòu)的等效電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法本發(fā)明中，要設(shè)計(jì)的分支線耦合器的工作頻率為1GHz，為了設(shè)計(jì)工作在該頻率上的分支線耦合器，首先要分別設(shè)計(jì)50Ω的+90°移相線和35Ω的+90°移相線，通過(guò)仿真優(yōu)化，表1和表2分別給出了這兩種移相線的尺寸，圖2和圖3分別給出了它們的S參數(shù)仿真結(jié)果。表150Ω的+90°移相線的尺寸W1(mm)W2(mm)W3(mm)W4(mm)d(mm)L1(mm)4.053.752.151.3533.311.1L2(mm)L3(mm)g1(mm)g2(mm)g3(mm)n0.157.850.150.150.1514表235Ω的+90°移相線的尺寸W1(mm)W2(mm)W3(mm)W4(mm)d(mm)L1(mm)6.756.450.151.5524.26.45L2(mm)L3(mm)g1(mm)g2(mm)g3(mm)n0.156.250.150.150.1523由圖2和圖3可知，設(shè)計(jì)的50Ω移相線在1GHz處的|S11|、|S21|和Φ分別為-30.72dB、-0.24dB和+90°，設(shè)計(jì)的35Ω移相線在1GHz處的|S11|、|S21|和Φ分別為-28.14dB、-0.28dB和+89°。由此可見(jiàn)，這兩個(gè)移相線基本達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以用來(lái)構(gòu)造小型化分支線耦合器。實(shí)施例2基于DRC的小型化分支線耦合器的性能利用實(shí)施例1設(shè)計(jì)的移相線構(gòu)造了分支線耦合器，對(duì)該分支線耦合器進(jìn)行實(shí)物加工和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，圖4給出了它的測(cè)試結(jié)果，由圖4可知，在0.994GHz-1.007GHz范圍內(nèi)，分支線耦合器的|S11|小于-10dB，隔離度大于10dB，2端口的插入損耗波動(dòng)小于3.66±0.31dB，3端口的插入損耗波動(dòng)小于3.63±0.23dB，輸出端口的幅度不平衡度小于0.3dB，輸出端口的相位差為90°±5°。為突出本發(fā)明中分支線耦合器在尺寸上的優(yōu)越性，將此分支線耦合器的面積與工作在1GHz的傳統(tǒng)分支線耦合器相比，本發(fā)明中的分支線耦合器面積縮減了66％，此外，該分支線耦合器不會(huì)帶來(lái)后向輻射，易于集成和封裝，另外，該結(jié)構(gòu)適用于任何頻段，調(diào)試起來(lái)比較容易，同時(shí)具有較高的設(shè)計(jì)自由度。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見(jiàn)地得到的技術(shù)方案的簡(jiǎn)單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3