基于非對稱耦合螺旋諧振器的順序旋轉饋電網(wǎng)絡設計?

王健銘，逯 科，，王 精

（1.中煤平朔集團有限公司，山西朔州036006；2.空軍工程大學導彈學院，陜西三原713800；3.解放軍94878部隊，安徽蕪湖241009）

基于非對稱耦合螺旋諧振器的順序旋轉饋電網(wǎng)絡設計?

王健銘1，逯 科2，??，王 精3

（1.中煤平朔集團有限公司，山西朔州036006；2.空軍工程大學導彈學院，陜西三原713800；3.解放軍94878部隊，安徽蕪湖241009）

基于一種新型超材料單元——非對稱耦合螺旋諧振器，提出了基于該單元的順序旋轉饋電網(wǎng)絡設計方案。由于螺旋諧振器的內(nèi)卷幾何特性，非對稱耦合螺旋諧振器尺寸非常緊湊。同時，研究發(fā)現(xiàn)，該單元的－90°相移頻率大致與通帶中心頻率對應，對于設計正交相移微波器件具有重要價值。由于非對稱耦合螺旋諧振器的上述優(yōu)點，提出的饋電網(wǎng)絡結構具有小型化和調(diào)試簡單等優(yōu)點。測試結果表明，該饋電網(wǎng)絡能夠較好地滿足順序旋轉饋電的要求。

圓極化天線陣；單平面超材料單元；順序旋轉饋電網(wǎng)絡；耦合諧振器

1 引 言

近10年來，超材料研究受到了科學界的廣泛關注，相關研究成果對物理、材料、光學及微波領域都產(chǎn)生了深遠影響?；诼菪C振器超材料單元是一種新穎的單平面超材料單元，此類單元具有螺旋內(nèi)卷的幾何特性，尺寸緊湊，因而在微波器件小型化設計中具有廣闊的應用前景。英格蘭拉夫堡大學研究小組最早開展了基于螺旋諧振器超材料單元的研究［1－4］。該小組曾提出一種實現(xiàn)低剖面折合陣子的超材料移相單元，該單元由兩個關于中心線對稱的分離矩形螺旋構成，本文稱其為對稱耦合螺旋諧振器（Symmetrical Coupled-Spirals Resonator，SCSR）。在低剖面折合陣子中，對稱耦合螺旋諧振器建立在由頂層介質(zhì)板、中間空氣層、底層介質(zhì)板構成的多層結構上。文獻［5－6］研究發(fā)現(xiàn)：基于單層介質(zhì)板的對稱耦合螺旋諧振器在給定頻率范圍內(nèi)存在插入損耗特性差的缺陷，無法作為移相單元使用。針對上述問題，文獻［5］提出了改進結構，即非對稱耦合螺旋諧振器（Asymm-Etrical Coupled-Spirals Resonator，ACSR）。研究結果表明，ACSR克服了SCSR插入損耗特性的缺陷，具有良好的帶通特性，不但繼承了SCSR尺寸緊湊的優(yōu)點，更重要的是，ACSR結構的－90°相移頻率大致與通帶中心頻率對應，這一特性對正交相移微波器件設計具有重要的應用價值。利用ACSR的相位特性，研究人員設計出小型化分支線耦合器［6］；利用其帶通特性，設計了具有極窄橫截面積的小型化雙頻帶通濾波器［7］。

順序旋轉技術是設計高性能圓極化天線陣的有效手段，但傳統(tǒng)設計中相應饋電網(wǎng)絡存在尺寸大、調(diào)整靈活性差的缺點。針對上述問題，本文研究了利用ACSR相移特性及小型化優(yōu)勢設計新型順序旋轉饋電網(wǎng)絡的方案。利用ACSR代替?zhèn)鹘y(tǒng)順序旋轉饋電網(wǎng)絡中四分之一波長微帶線，一方面可以顯著減小饋電網(wǎng)絡尺寸，另外一方面也可以提高布局的靈活性，并減小調(diào)試復雜度。測試結果表明，本文提出的饋電網(wǎng)絡在設計頻帶內(nèi)可以較好地滿足順序旋轉饋電的要求。

2 非對稱耦合螺旋諧振器特性研究

本文所研究的非對稱耦合螺旋諧振器如圖1所示，該結構由兩個分離矩形螺旋構成，其中一個矩形螺旋由另外一個矩形螺旋繞結構中心點旋轉180°獲得。根據(jù)其結構特點，本文稱其為非對稱分離螺旋諧振器（Asymmetrical Separated Spirals Resonator，ACSR）結構。由于矩形螺旋無金屬連接，能量通過電磁耦合傳輸，所以ACSR是耦合諧振結構［8］。本文仿真和加工模型均采用單層Rogers5880介質(zhì)板，其介電常數(shù)為2.2，厚度為1.5 mm，損耗角正切為0.001。傳統(tǒng)耦合諧振結構研究僅集中研究了其幅度特性，對相位特性沒有專門關注。本文研究小組則對所提出ACSR的相位特性進行系統(tǒng)研究。為了證明性質(zhì)具有普遍性，本節(jié)針對3個不同的ACSR進行全波仿真，結果如圖2所示。仿真中ACSR兩側微帶線長度為1mm，W1＝4.6mm，W2＝0.1mm，W3＝0.5 mm，W4＝0.5 mm。

圖1 ACSR結構示意圖

圖2 ACSR相移特性

由圖2可知，3種情況中，－90°相移頻率均大致與通帶中心頻率對應。而對于一些傳統(tǒng)超材料單元，例如基于逆諧振器復合左右手結構［9－11］以及由交指電容和并聯(lián)短路枝節(jié)構成的復合左右手結構［12］，要獲得－90°相移頻率和通帶頻率對正的效果，需要經(jīng)過復雜的調(diào)試。相比之下，ACSR能夠不經(jīng)過調(diào)試就可以達到－90°相移頻率大致與通帶中心頻率對正的效果，這一特性可以有效降低正交相移器件的設計復雜度。圖3比較了具有相同物理長度微帶線和ACSR的相移特性，圖中淺色矩形塊標注的區(qū)域是ACSR的通帶頻率范圍，仿真中ACSR結構參數(shù)為L1＝11.5 mm，W1＝4.6 mm，W2＝0.1mm，W3＝0.5mm，W4＝0.5mm，總物理長度為25mm。由圖3可知：與傳統(tǒng)微帶線不同，ACSR具有非線性的相位響應曲線；在ACSR通帶內(nèi)，ACSR相移要遠大于對應微帶線相移。因此，在獲得－90°相移前提下，ACSR物理長度小于對應微帶線，具有小型化優(yōu)勢。

圖3 ACSR與同長度微帶線相移特性比較

3 基于ACSR順序旋轉饋電網(wǎng)絡設計

3.1 新型順序旋轉饋電網(wǎng)絡模型設計

順序旋轉技術（Sequentially Rotation Technology，SRT）是通過將輻射單元按一定順序旋轉、饋電相位按一定順序變化的技術，能有效增加天線的圓極化純度和圓極化帶寬［13－14］。其中饋電幅度比、饋電相位差是影響圓極化特性的重要因素，而上述指標取決于饋電網(wǎng)絡設計。以四輸出端口順序旋轉饋電網(wǎng)絡為例，要求信號能量在4個輸出端口等分，并且輸出信號相位依次差90°。圖4是利用微帶線設計的傳統(tǒng)順序旋轉四陣元圓極化天線陣。由圖可知，饋電網(wǎng)絡對天線整體尺寸影響明顯。另外一方面，由于天線陣元中心需要構成矩形，并且陣元間距必須滿足特定要求才能形成陣列效應，因此饋電網(wǎng)絡布線受到較大限制。本文利用ACSR的相位特性和小型化優(yōu)勢，設計基于ACSR的新型順序旋轉饋電網(wǎng)絡，其結構如圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)四陣元順序旋轉圓極化天線

圖5 本文提出的順序旋轉饋電網(wǎng)絡結構

該饋電網(wǎng)絡由兩個正交Wilkinson功分器和輸出端口具有180°相位差的傳統(tǒng)Wilkinson功分器構成，采用背面饋電方式饋電，輸入端口為圖中port1。本文所提出的饋電網(wǎng)絡將ACSR嵌入Wilkinson功分器的一個輸出臂構成正交功分器，避免使用四分之一波長微帶線，利于實現(xiàn)小型化。同時，由于ACSR的－90°相移頻率大致與通帶中心頻率對應，可以減小調(diào)試難度。由圖6可知，本文提出的順序旋轉饋電網(wǎng)絡完全在4個輸出端口構成的矩形之內(nèi)，即饋電網(wǎng)絡不會影響天線陣整體尺寸，與傳統(tǒng)結構相比，小型化優(yōu)勢明顯。

本文提出的饋電網(wǎng)絡中，1號功分器完成具有180°相位差的功率平分，采用傳統(tǒng)結構，由結構參數(shù)L1、L2、L3、L5決定的輸出臂電長度要比結構參數(shù)L4決定的輸出臂電長度長λ/2。仿真模型保持如下關系：L5＋L2＝L4，L3－L1＝L7－L6。L5＋L2＝L4保證1號功分器中心與端口2、3連線和端口4、5連線的垂直距離在調(diào)整過程中始終相等，因而180°相位差只由L3＋L1決定，簡化了調(diào)整過程；L4提供了調(diào)整與其對應輸出臂平行維度上2～4端口和3～5端口距離的自由度。L3－L1＝L7－L6保證調(diào)試過程中仿真模型2、3號功分器與具有L6、L7長度的輸出臂保持正確連接。上述關系使得天線陣元中心點始終構成矩形，降低了結構優(yōu)化調(diào)整的復雜度。

3.2 測量結果

為驗證設計的正確性，對所設計順序旋轉饋電網(wǎng)絡模型進行加工測量，加工模型照片如圖6所示，測量結果分別如圖7和圖8所示。因篇幅所限，仿真結果在文中予以省略。該順序旋轉饋電網(wǎng)絡結構參數(shù)如下：L1＝14.3mm，L2＝14mm，L3＝26mm，L4＝15mm，L5＝5.5mm，L6＝38mm，L7＝49.5mm；其中ACSR結構參數(shù)為：L1＝5.5mm，W1＝4.6mm，W2＝0.1mm，W3＝0.5mm，W4＝0.5mm。

圖6 加工模型照片

圖7 基于ACSR順序旋轉饋電網(wǎng)絡S參數(shù)測量結果

Fig.8 Themeasured phase-shift property of the proposed sequentially rotation feed network based on ACSRs

由圖7可知，模型2、3、4、5端口較好地實現(xiàn)了功率四平分功能，各端口輸出信號幅度存在一定程度差異，這是因為4個端口信號路徑不同，不可避免地引入輻射損耗。而圖8結果表明，各端口相位在設計頻點滿足順序旋轉饋電的要求。根據(jù)各端口的相位關系，可知上述饋電網(wǎng)絡滿足右手螺旋定則。綜合上述，本文所設計的饋電網(wǎng)絡能夠滿足順序旋轉要求的幅度比和饋電相位差要求，可以應用到順序旋轉天線陣的設計中。

4 結論

本文利用新型超材料單元，非對稱耦合螺旋諧振器的奇異相位特性和小型化優(yōu)勢，設計了順序旋轉饋電網(wǎng)絡。本文提出的饋電網(wǎng)絡與傳統(tǒng)結構相比，具有尺寸緊湊、調(diào)試簡單等突出優(yōu)點。測試結果表明，該饋電網(wǎng)絡可以較好地滿足順序旋轉饋電要求，在設計高性能圓極化天線陣方面具有巨大的應用價值。

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王健銘（1984－），男，吉林長春人，2007年獲學士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為礦山通信；

WANG Jian-ming was born in Changchun，Jilin Province，in 1984.He received the B.S.degree in 2007.He is now an engineer.His research concerns communication in coalmines.

逯科（1983—），男，山西朔州人，2012年獲博士學位，主要研究方向為新型左手材料設計及其應用；

LU Kewas born in Shuozhou，Shanxi Province，in 1983.He received the Ph.D.degree in 2012.His research concerns design and application of novel left－h(huán)anded metamaterials.

Email：lookluna＠126.com

王精（1984—），男，山西朔州人，2009年獲碩士學位，現(xiàn)為通信工程師，主要研究方向為無線通信系統(tǒng)設計。

WANG Jing was born in Shuozhou，Shanxi Province，in 1984.He received the M.S.degree in 2009.He is now an engineer.His research concerns design ofwireless communication system.

Design of Sequentially Rotation Feed Network Based on Asymmetrical Coup led-spirals Resonators

WANG Jian-ming1，LU Ke2，WANG Jing3
（1.China Coal Ping-shuo Group Corporation，Shuozhou 036006，China；2.Missile Institute，Air Force Engineering University，Sanyuan 713800，China；3.Unit94878 of PLA，Wuhu 241009，China）

A novel sequentially rotation feed network based on the novelmetamaterials cells，or asymmetrical coupled-spirals resonators（ACSR）is proposed in this paper.Due to the intrinsic convoluted geometry of spiral resonator，the dimension of ACSR is extremely compact.Simultaneously，it is demonstrated that ASSR exhibits the bandpass property and the frequency point with－90 degree phase shift just right falls in the given passband.This exotic property is quite valuable to design the quadrature phase shiftmicrowave components.Utilizing the abovementionedmerits of ACSR，the proposed feed network has the advantagesof compactdimension and easy adjustment.Themeasured results indicate that the proposed feed network can satisfy the requirements of sequentially rotation technology.

circularly polarized antenna array；uniplanarmetamaterials cell；sequentially rotation feed network；coupled resonator

TN821

A

1001－893X（2013）03－0352－05

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.03.024

2012－08－15；

2012－11－16 Received date：2012－08－15；Revised date：2012－11－16

??通訊作者：lookluna＠126.com Corresponding author：lookluna＠126.com

國家自然科學基金資助項目（60971118）

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