專利名稱：由集總元件和二極管構(gòu)成的有源左手傳輸線的制作方法
由集總元件和二極管構(gòu)成的有源左手傳輸線技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用集總元件和負微分電阻二極管構(gòu)成的寬頻帶、小尺寸、結(jié)構(gòu)簡單、易匹配、易于電路集成的有源左手傳輸線。
背景技術(shù)：
目前，基于諧振結(jié)構(gòu)和對偶傳輸線是設(shè)計特異材料的兩種基本方法。由電磁場理論的麥克斯韋方程和傳輸線理論的電報方程形式上的相似性可知材料特性可由電磁特性參數(shù)(介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、折射率和波阻抗)或者傳輸線參數(shù)(阻抗、導(dǎo)納、傳播常數(shù)、特性阻抗)完全等效地描述，并且可以相互轉(zhuǎn)化。2000年Smith等人基于諧振結(jié)構(gòu)制造出第一個特異材料(D RSmith,W J Padilla,D C Vier,S C Nemat-Nasser，and S Schultz,Composite medium withsimultaneousIy negative permeability and permittivity. Physical Review Letters，2000，vol. 84，no.18，pp. 4184-4187.)。2002 年，Itoh (C Caloz and T Itoh, Application ofthe Transmission Line Theory of Left-Handed(LHl)Materials to the Realization ofa Microstrip LII Transmission Line. IEEE International Symposium on Antennas andPropagation Digest,San Antonio,USA,2002,pp. 412-415.), Oliner(A A Oliner, APlanar Negative-Refractive-Index Medium Without Resonant Elements. CNCIUSNC URSINational Radio Science Meeting, San Antonio, USA,2002, p. 41.)禾口Eleftheriadis(AK Iyer and G V Eleftheriades,Negative Refractive Index Metamaterials Supporting 2-Dffaves. IEEE International Symposium on Microwave Theory and Techniques Digest, Seattle, USA, 2002, pp. 1067-1070·)三個小組分別獨立提出用傳輸線實現(xiàn)特異材料的新方法。這種基于傳輸線等效電路模型，利用對偶原理，在傳統(tǒng)右手傳輸線上周期地加載串聯(lián)電容和并聯(lián)電感設(shè)計的左手傳輸線，相對于基于諧振結(jié)構(gòu)的特異材料，具有平面化、頻帶寬、易于電路集成等優(yōu)點，已在微波技術(shù)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。
特異材料的很多奇特的電磁性質(zhì)，可運用于傳統(tǒng)自然界材料難以實現(xiàn)的多種應(yīng)用。然而，由于特異材料是由周期或者非周期排列的人工構(gòu)造的次波長單元組合而成，其損耗的影響一直是個廣泛關(guān)注的難題。Mockman在文獻M I Stockman, Criterion for negative refractionwith low optical losses from a fundamental principle of causality. Physical ReviewLetters, 2007, vol.98, pp. 177404.禾口文獻 M I Stockman, Spaser action, losscompensation, and stability in ρlasmonic systems with gain. Physical Review Letters, 2011, vol. 106, pp. 156802.中運用因果律證明了具有凈增益的左手材料是無法實現(xiàn)的，在學(xué)術(shù)界引起了很大的爭議。目前，能否實現(xiàn)具有凈增益的有源特異材料，已經(jīng)成為電磁場與微波技術(shù)和物理學(xué)領(lǐng)域爭論的焦點之一。發(fā)明內(nèi)容
針對無源特異材料的損耗問題，本發(fā)明提供一種由集總元件和二極管構(gòu)成的有源左手傳輸線。該有源左手傳輸線不僅具有寬頻帶、尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、易匹配、易于電路集成的特點，同時還具有凈增益，即傳輸放大的特性，能夠應(yīng)用于天線、濾波器、功分器、移相器、 定向耦合器、放大器、次波長諧振器、完美透鏡等設(shè)計。
為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
該由集總元件和二極管構(gòu)成的有源左手傳輸線包括SMA接頭(1)和微帶線O)，其特征在于該有源左手傳輸線由N級單元級聯(lián)而成，N為大于等于1的整數(shù)，每個有源左手傳輸線單元由串聯(lián)貼片電容(3)、射頻扼流電感G)、偏置電壓(5)、負微分電阻二極管(6)、 并聯(lián)貼片電感(7)、金屬過孔(8)、介質(zhì)基板(9)和金屬接地板(10)組成，其均由微帶線相連；偏置電壓正極與一微帶線連接處頂層金屬線相連，負極與微帶線底層金屬接地板相連， 偏置電壓與有源左手傳輸線射頻信號傳輸部分通過射頻扼流電感相連。
所述有源左手傳輸線介質(zhì)基板采用羅杰斯公司出品的RT/duroid 5880板材。
所述有源左手傳輸線的負微分電阻二極管在串聯(lián)接入時為磁有源左手傳輸線，在并聯(lián)接入時為電有源左手傳輸線，在串并聯(lián)同時接入時為電磁有源傳輸線。
所述有源左手傳輸線的負微分電阻二極管采用隧道二極管T擬61A。
有益效果
本發(fā)明解決了無源特異材料損耗大的問題，利用集總元件和負微分電阻二極管設(shè)計實現(xiàn)了具有凈增益的有源左手傳輸線。本發(fā)明設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、頻帶寬、尺寸小、易匹配、易于電路集成、同時還具有電磁波傳輸負相移和信號放大的特性。本發(fā)明清晰地證明了具有凈增益的左手材料是可以設(shè)計和實現(xiàn)的。
本發(fā)明在左手傳輸頻帶內(nèi)，衰減常數(shù)為負值，電磁波傳輸放大特性明顯，且匹配性能好。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)多變，可以針對不同的應(yīng)用，選擇分布參數(shù)或者集總元件實現(xiàn)左手特性傳輸線，也可選擇負微分電阻二極管或者其他具有信號放大功能的晶體管提供特異材料的損耗補償甚至傳輸放大功能。
本發(fā)明可廣泛用于天線、濾波器、功分器、移相器、定向耦合器、放大器、次波長諧振器、完美透鏡等設(shè)計。

圖1是本發(fā)明實施例結(jié)構(gòu)俯視圖2是本發(fā)明實施例結(jié)構(gòu)側(cè)視圖3是本發(fā)明介電常數(shù)磁導(dǎo)率關(guān)系圖4是本發(fā)明所述有源左手傳輸線周期單元等效電路圖5是本發(fā)明實施例隧道二極管TD261A等效電路圖6是本發(fā)明實施例隧道二極管TD261A伏安特性曲線圖7是本發(fā)明實施例均勻介質(zhì)系數(shù)IHiI隨頻率變化曲線圖
圖8是本發(fā)明實施例散射參數(shù)隨頻率變化曲線圖9是本發(fā)明實施例乂〗+A21隨頻率變化曲線圖10是本發(fā)明實施例相對等效介電常數(shù)隨頻率變化曲線圖
圖11是本發(fā)明實施例相對等效磁導(dǎo)率隨頻率變化曲線圖12是本發(fā)明實施例傳播常數(shù)隨頻率變化曲線圖；4
圖13是本發(fā)明實施例特性阻抗隨頻率變化曲線圖14是本發(fā)明實施例等效折射率隨頻率變化曲線圖。
圖中
I-SMA接頭、2-微帶線、3-貼片電容、4-射頻扼流電感、5_偏置電壓連接處6_負微分電阻二極管、7-貼片電感、8-金屬過孔、9-介質(zhì)基板、10-金屬接地板。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。應(yīng)該指出，所述實施例僅視為說明目的，而不是對本發(fā)明的限制。
如圖1和圖2可以看出，本發(fā)明實施例為“磁”有源左手傳輸線。其特征在于輸入輸出端口為SMA接頭1和饋電微帶線2，饋電微帶線長度為10mm，特性阻抗&選取為50 Ω ； 有源左手傳輸線由5個單元級聯(lián)而成；每個單元長度為P = 6mm，在1. 79 9. 42GHz的頻率范圍內(nèi)滿足等效均勻介質(zhì)條件；有源左手傳輸線單元由串聯(lián)的貼片電容Q = 2. 2pF和并聯(lián)的貼片電感k = 4. 7nH，用于損耗補償甚至傳輸放大的負微分電阻二極管T擬61A，隔離射頻信號的射頻扼流電感4為27nH，以及連接集總元件和負微分電阻二極管的微帶線產(chǎn)生的寄生電容Ck和寄生電感Lk組成。
所述有源左手傳輸線單元的等效電路如圖4所示，Li^PCk為微帶線產(chǎn)生的寄生右手電感和右手電容；Q和k為通過對偶原理用于設(shè)計左手特性傳輸線的左手電容和左手電感，可由分布參數(shù)或者集總元件實現(xiàn)。本發(fā)明選用集總元件。&和為接入負微分電阻二極管后的等效電阻。對于不同的偏置電壓，也不相同，可分別為正、負或零，正值代表損耗，負值代表增益，零則代表無耗。
所述有源左手傳輸線單元等效電路的串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納分別為Zse =Rd+J
f τ 1COLR--V0CLJ(1)
Ysh=Gd+jf 1、 aCD --(oLl j(2)
所述有源左手傳輸線單元長度P需遠小于工作波長，至少應(yīng)小于四分之一波導(dǎo)波長
P = —(3)4 2β
根據(jù)等效介質(zhì)理論，設(shè)均勻介質(zhì)系數(shù)Hi = 2 β P/π，當(dāng)該系數(shù)絕對值小于1時，特異材料可看作等效均勻介質(zhì)。
根據(jù)電磁場理論的麥克斯韋方程和傳輸線理論的電報方程形式上的相似性，所述有源左手傳輸線特性可由電磁特性參數(shù)(等效介電常數(shù)^ff、等效磁導(dǎo)率Prff、等效折射率Nrff和等效波阻抗和傳輸線參數(shù)(阻抗、導(dǎo)納Ysh、傳播常數(shù)Y = α+j β、特性阻抗Ζ。)完全等效地描述，并且可以相互轉(zhuǎn)化，它們之間的關(guān)系如下
權(quán)利要求
1.由集總元件和二極管構(gòu)成的有源左手傳輸線，包括SMA接頭(1)和微帶線O)，其特征在于該有源左手傳輸線由N級單元級聯(lián)而成，N為大于等于1的整數(shù)，每個有源左手傳輸線單元由串聯(lián)貼片電容(3)、射頻扼流電感G)、偏置電壓(5)、負微分電阻二極管(6)、 并聯(lián)貼片電感(7)、金屬過孔(8)、介質(zhì)基板(9)和金屬接地板(10)組成，其均由微帶線相連；偏置電壓正極與一微帶線連接處頂層金屬線相連，負極與微帶線底層金屬接地板相連， 偏置電壓與有源左手傳輸線射頻信號傳輸部分通過射頻扼流電感相連。
2.如權(quán)利要求1所述的由集總元件和二極管構(gòu)成的有源左手傳輸線，其特征在于所述有源左手傳輸線介質(zhì)基板采用羅杰斯公司出品的RT/duroid 5880板材。
3.如權(quán)利要求2所述的由集總元件和二極管構(gòu)成的有源左手傳輸線，其特征在于所述有源左手傳輸線的負微分電阻二極管在串聯(lián)接入時為磁有源左手傳輸線，在并聯(lián)接入時為電有源左手傳輸線，在串并聯(lián)同時接入時為電磁有源傳輸線。
4.如權(quán)利要求3所述的由集總元件和二極管構(gòu)成的有源左手傳輸線，其特征在于所述有源左手傳輸線的負微分電阻二極管采用隧道二極管T擬61A。
5.如權(quán)利要求4所述的由集總元件和二極管構(gòu)成的有源左手傳輸線，其特征在于每個有源左手傳輸線單元的長度P為次波長，小于四分之一波導(dǎo)波長。
6.如權(quán)利要求5所述的由集總元件和二極管構(gòu)成的有源左手傳輸線，其特征在于所述有源左手傳輸線通過串聯(lián)電容實現(xiàn)負的磁導(dǎo)率，并聯(lián)電感實現(xiàn)負的介電常數(shù)，通過調(diào)節(jié)負微分電阻二極管的饋電電壓，使其工作在負微分電阻區(qū)提供能量。
全文摘要
本發(fā)明為由集總元件和二極管構(gòu)成的有源左手傳輸線，屬于微波技術(shù)領(lǐng)域。該傳輸線包括SMA接頭和微帶線，由N級單元級聯(lián)而成，每個有源左手傳輸線單元由串聯(lián)貼片電容、射頻扼流電感、偏置電壓、負微分電阻二極管、并聯(lián)貼片電感、金屬過孔、介質(zhì)基板和金屬接地板組成，其均由微帶線相連；偏置電壓正極與一微帶線連接處頂層金屬線相連，負極與微帶線底層金屬接地板相連，偏置電壓與有源左手傳輸線射頻信號傳輸部分通過射頻扼流電感相連。該有源左手傳輸線不僅具有寬頻帶、尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、易匹配、易于電路集成的特點，同時還具有凈增益，即傳輸放大的特性，能夠應(yīng)用于天線、濾波器、功分器、移相器、定向耦合器、放大器、次波長諧振器、完美透鏡等設(shè)計。
文檔編號H01P3/08GK102522618SQ20111045210
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者劉埇, 司黎明, 呂昕, 孫厚軍 申請人:北京理工大學(xué)