基于加載CSSRR復(fù)合左右手傳輸線的22.5°移相器

胡 勇,張晨新,高向軍

（空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院,陜西 三原 713800）

基于加載CSSRR復(fù)合左右手傳輸線的22.5°移相器

胡 勇,張晨新,高向軍

（空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院,陜西 三原 713800）

利用復(fù)合左右手傳輸線獨(dú)特的相位特性,設(shè)計(jì)了一個(gè)新型零相移的逆開(kāi)口諧振單環(huán)（CSSRR）,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一個(gè)22.5°移相器,并對(duì)其進(jìn)行了加工和測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,該移相器工作頻帶內(nèi)相移誤差在±0.56°以內(nèi),插入損耗優(yōu)于1.13 dB。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真電路吻合較好,證明了所提出方法的正確性和有效性。

相控陣?yán)走_(dá);左手材料;22.5°移相器;逆開(kāi)口諧振環(huán);復(fù)合左右手傳輸線;微波通信

1 引 言

左手材料是一種具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的人工周期結(jié)構(gòu)材料[1],于2001年由Smith等人用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[2]。利用左手材料奇異的電磁特性可以突破傳統(tǒng)材料限制,開(kāi)發(fā)出具有高性能、新功能的產(chǎn)品,因而成為近年來(lái)物理學(xué)界和電磁學(xué)界研究的熱點(diǎn)。然而,理想左手材料的實(shí)現(xiàn)比較困難,于是,Caloz等人提出了復(fù)合左右手（Composite Right/Left-Handed,CRLH）傳輸線的概念,其所具有的雙頻帶、小型化、寬頻帶和頻率抑制等特性使其在微波電路中具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

移相器在相控陣?yán)走_(dá)、微波通信、衛(wèi)星技術(shù)等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,特別是在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中,移相器是相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的重要組成部分。常用移相器一般可分為開(kāi)關(guān)線型、加載線型、反射型和高低通型等幾種類型,高低通型移相器主要應(yīng)用于低頻段,而開(kāi)關(guān)線型、加載線型和反射型主要用于微波和毫米波頻段。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外關(guān)于左手材料在移相器中的應(yīng)用的報(bào)道較多,文獻(xiàn)[3]中采用集總元件的形式實(shí)現(xiàn)了一個(gè)開(kāi)關(guān)線型四位數(shù)字移相器,文獻(xiàn)[4]中用變?nèi)荻O管的形式實(shí)現(xiàn)了一個(gè)線性可調(diào)的移相器,文獻(xiàn)[5]中采用共面波導(dǎo)的形式實(shí)現(xiàn)了一個(gè)180°的移相器。這些都是左手材料在移相器中應(yīng)用的例子。然而,集總元件的方法對(duì)元器件要求較高,且不易調(diào)試;變?nèi)荻O管的方法對(duì)焊接要求較高;共面波導(dǎo)的方法對(duì)加工工藝要求較高,不易實(shí)現(xiàn)?；诖?本文采用基于逆開(kāi)口諧振單環(huán)（Complementary Split Single Ring Resonator,CSSRR）CRLH傳輸線的方法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)22.5°開(kāi)關(guān)線型移相器。該方法簡(jiǎn)單易行,加工方便,且具有較高的移相精度,能實(shí)現(xiàn)較寬帶寬。

2 開(kāi)關(guān)線型移相器基本原理

開(kāi)關(guān)線移相器的基本電路如圖1所示,它由4個(gè)開(kāi)關(guān)和兩條具有不同相移的傳輸路徑構(gòu)成。這4個(gè)開(kāi)關(guān)控制著信號(hào)的傳輸路徑,而兩條傳輸路徑的電長(zhǎng)度之差便決定了這個(gè)移相器的差分相移量。開(kāi)關(guān)既可以串聯(lián)方式接入電路,如圖1（a）;也可以并聯(lián)方式接入電路,如圖1（b）[6]。

圖1 開(kāi)關(guān)線移相器電路簡(jiǎn)化示意圖Fig.1 Sketch illustration of the switched line phase shifters circuit

通過(guò)控制開(kāi)關(guān)通斷的變化,使微波信號(hào)的傳輸在上下兩條不同的路徑之間轉(zhuǎn)換,由于上下兩條通路的相移量不同,因而實(shí)現(xiàn)了移相功能。兩條傳輸路徑的電長(zhǎng)度之差決定了相移量。若設(shè)一條通路的長(zhǎng)度為l1,另一條為l2,則所產(chǎn)生的相移為

式中,β為傳輸線相位常數(shù),λg為傳輸線中的波長(zhǎng),Δ 為相移量。開(kāi)關(guān)線移相器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)。

3 加載CSSRR的CRLH傳輸線

開(kāi)口諧振單環(huán)（Split Single Ring Resonator,SSRR）可以在其諧振頻率周?chē)a(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng),而金屬導(dǎo)線可以在其等離子體頻率下產(chǎn)生負(fù)介電常數(shù)效應(yīng),因此將SSRR與金屬導(dǎo)線結(jié)合并周期排列,就可構(gòu)造出左手傳輸帶。由于CSSRR與SSRR的對(duì)偶性,CSSRR可在其諧振頻率附近產(chǎn)生負(fù)介電常數(shù)效應(yīng),那么將具有負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)的材料與CSSRR相結(jié)合,也會(huì)產(chǎn)生出左手傳輸通帶。而微帶線的容性間隙可以產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng),因此將CSSRR與微帶容性間隙結(jié)合,可在一定的頻率范圍獲得左手傳輸通帶[7-9],加載CSSRR微帶線的左手傳輸通帶結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)加載CSSRR的CRLH傳輸線Fig.2 Conventional CRLH transm ission line with loaded CSSRR

采用介電常數(shù)為2.65、厚度為1 mm的聚四氟乙烯玻璃布板作為介質(zhì)板。為增大CSSRR與微帶線之間的耦合效應(yīng),在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的環(huán)開(kāi)口處添加一對(duì)水平縫隙;同時(shí),為了減小輻射損耗,參考文獻(xiàn)[10]中的方法,采用交指方式來(lái)實(shí)現(xiàn)間隙電容,得到改進(jìn)型CSSRR單元如圖3所示。

圖3 加載CSSRR的CRLH傳輸線改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Improved CRLH transm ission line with loaded CSSRR

由于僅添加了一對(duì)縫隙,間隙電容用交指方法實(shí)現(xiàn),所以等效電路模型與傳統(tǒng)的加載CSSRR的CRHL傳輸線的相同,改進(jìn)型CSSRR仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出,加載CSSRR的CRLH傳輸線同其等效電路模型的S參數(shù)以及相移特性基本一致,因此,在實(shí)際電路仿真中可以用其等效電路代替加載CSSRR的CRLH傳輸線。

圖4 改進(jìn)型CSSRR的頻率響應(yīng)曲線Fig.4 Simulated results of the improved CSSRR

4 基于加載CSSRR的CRLH傳輸線移相器設(shè)計(jì)

根據(jù)所設(shè)計(jì)出的基于CSSRR的CRLH傳輸線,用其等效電路模型代替實(shí)際的CSSRR單元,由于在中心頻率處產(chǎn)生的相移為零,因此只需在另一支路上補(bǔ)償22.5°相移即可。由式（1）可知,需要的傳輸線長(zhǎng)度為7.91 mm。選擇PIN二極管作為控制開(kāi)關(guān),并將PIN二極管模型設(shè)計(jì)成理想模型,在Serenade軟件中建立了移相器的仿真電路,介質(zhì)板采用介電常數(shù)為2.65、厚度為1 mm的聚四氟乙烯玻璃布板,其工作頻率為1.35～1.85GHz。

為驗(yàn)證該方法的有效性,對(duì)所設(shè)計(jì)的移相器進(jìn)行了加工和測(cè)試。圖5為移相器的實(shí)物照片,圖6～8為移相器的仿真和測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出,測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好,證明了所提設(shè)計(jì)方法的有效性。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明,在整個(gè)頻帶內(nèi),相移量幾乎不變,相移誤差在±0.56°以內(nèi);插入損耗優(yōu)于1.13 dB;駐波比小于2（1.35 GHz處除外）,造成部分駐波比較大的原因可能是因?yàn)閷?shí)際的PIN二極管存在一定損耗,并非理想,而且焊接好壞、偏置線的布置對(duì)整個(gè)器件性能也有一定的影響。

圖5 移相器實(shí)物圖Fig.5 The prototype of the 22.5°phase shifter

圖6 兩條支路的相位和移相量測(cè)試結(jié)果Fig.6 The measured results of the phase and phase shifting of the two branchs

圖7 兩條支路S21仿真和測(cè)試結(jié)果Fig.7 The simulated and measured results of the insertion loss of the phase shifter

圖8 兩條支路駐波比仿真和測(cè)試結(jié)果Fig.8 The simulated and measured results of the VSWR of the phase shifter

5 結(jié) 論

復(fù)合左右手傳輸線概念的提出為人們?cè)O(shè)計(jì)傳輸線提供了一種新的思路,是對(duì)傳輸線理論的一個(gè)補(bǔ)充,由于其獨(dú)特的相位特性,將在微波元件、天線饋線、相位補(bǔ)償、器件小型化等方面具有良好的應(yīng)用前景。本文首先設(shè)計(jì)了一個(gè)零相移的CSSRR單元,并將其應(yīng)用于移相器的設(shè)計(jì)中,成功地制作出了一個(gè)22.5°移相器。測(cè)試結(jié)果表明,該器件具有結(jié)構(gòu)緊湊、相移誤差小、插損小、相對(duì)帶寬較寬等優(yōu)點(diǎn),且是平面結(jié)構(gòu),易加工調(diào)試,在微波通信中具有良好的應(yīng)用前景,也為移相器的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

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22.5°Phase Shifter Using Composite Right/Left-Handed Transm ission Line w ith Loaded CSSRR

HU Yong,ZHANG Chen-xin,GAO Xiang-jun
（The Missile Institute,Air Force Engineering University,Sanyuan 713800,China）

A novel complementary split single ring resonator（CSSRR）is designed using the unique phase characteristic of the Composite Right/Left-Handed（CRLH）transmission line,then a 22.5°phase shifter is designed,fabricated and measured.The measurement results show that the absolute error in operating band is within±0.56°,and the insertion loss is below 1.13 dB.The measurement results have a good agreement with the simulations,which verifies the correction of the design.

phased array radar;left-handed materia;22.5°phase shifter;comp lementary split single ring resonator（CSSRR）;composite right/left-handed（CRLH）transmission line;microwave communication

The National Natural Science Foundation of China（No.60971118）

TN623

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.06.019

1001-893X（2010）06-0084-04

2010-01-26;

2010-04-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60971118）

胡 勇（1986-）,男,河南光山人,碩士研究生,主要從事微波、毫米波電路與工程方面的研究;

HU Yong was born in Guangshan,Henan Province,in 1986.He is now a graduate student.His research interestsinclude microwave/millimeter wave circuit and engineering.

Email:huyong6931@163.com

張晨新（1969-）,男,河南修武人,教授、碩士生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域?yàn)樘炀€技術(shù)、微波與毫米波電路、電磁散射與逆散射等;

ZHANG Chen-xin was born in Wuxiu,Henan Province,in 1969.He is now a professor and also the instructor of graduate students.His research interests include antenna technology,microwave and millimeter wave circuit,etc.

高向軍（1980-）,男,山西孝義人,博士,主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶派⑸渑c輻射和天線技術(shù)等。

GAO Xiang-jun was born in Xiaoyi,Shanxi Province,in 1980.He is with the Ph.D.degree.His research interests include antenna technology,microwave and millimeter wave circuit,etc.