左右手復(fù)合介質(zhì)反射式移相器

王素玲

(新鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

移相器是對電磁波產(chǎn)生一定的相移而不產(chǎn)生能量衰減的微波元件,即移相器是信號相位控制器件[1-2],移相器廣泛地應(yīng)用于微波通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)和測量系統(tǒng).比如在微波通信系統(tǒng),天線陣列以及波束賦型技術(shù)廣泛應(yīng)用在4G和5G通信中,其基本原理是對天線陣列中各個(gè)陣元的微波信號移相相加,經(jīng)過適當(dāng)?shù)男盘柼幚硭惴▽ΣㄊM(jìn)行賦型,并形成多種不同的波束指向(多波束),提高天線系統(tǒng)的增益和信號指向的可控性；在雷達(dá)系統(tǒng),獲取天線陣列不同陣元的相位并輔以適當(dāng)?shù)臄?shù)字處理,可以實(shí)現(xiàn)精確的目標(biāo)定位和自適應(yīng)跟蹤,使發(fā)生和接收信號的波束最大增益方向始終對準(zhǔn)目標(biāo)物體；在迅猛發(fā)展的5G天線系統(tǒng),多波束天線陣列同樣有著重要的地位；上述所有微波系統(tǒng),最關(guān)鍵的部件之一就是移相器.

移相器的研究經(jīng)歷了從機(jī)械式到電子式的轉(zhuǎn)變,機(jī)械式移相器的缺點(diǎn)是無法在極短時(shí)間里快速改變相位,電子移相器則具有反應(yīng)速度快、易于小型化、集成度高等特點(diǎn),因此,電子移相器尤其是半導(dǎo)體移相器在微波工程中獲得了廣泛的應(yīng)用.電子移相器主要包括PIN移相器和MIMC移相器.PIN移相器通過控制PIN二極管的通斷來實(shí)現(xiàn)不同傳輸線的接入,實(shí)現(xiàn)不同的相位延遲.MIMIC則把移相器集成在單個(gè)芯片上,利用ESFET和變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)移相.

近來,負(fù)介質(zhì)材料及與之相關(guān)EBG結(jié)構(gòu)各種研究不斷見諸報(bào)道[2-8].負(fù)折射材料具有等效的負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率即其折射率為負(fù)值,微波信號在負(fù)介質(zhì)中傳播時(shí),其電場矢量、磁場數(shù)量和波印廷矢量滿足左手螺旋關(guān)系(LHM)[3-6],被稱為左手材料,當(dāng)微波信號在左右手復(fù)合介質(zhì)中傳播時(shí),其左手通帶區(qū)和禁帶區(qū)表現(xiàn)出與常規(guī)介質(zhì)互補(bǔ)的或者相反的性質(zhì),利用該性質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)微波器件的小型化,近年來不斷有基于左右手復(fù)合(LHM)介質(zhì)的小型化天線、耦合器、濾波器報(bào)道見諸學(xué)術(shù)期刊[1-6].

本文主要研究左右手復(fù)合結(jié)構(gòu)微波移相器[1].George V.Eleftheriades論文[1]中提出了一種寬頻帶緊湊型的左右手復(fù)合結(jié)構(gòu)微波移相器,在此基礎(chǔ)上提出了一種結(jié)構(gòu)更為簡單、頻帶更寬的改進(jìn)型的微波移相器,并進(jìn)行了仿真.

1 理論分析

George V.Eleftheriades提出一種左右手復(fù)合介質(zhì)移相器[1],該移相器的單元電路模型如圖1所示,在微帶傳輸線上周期性的加載電容C0和電感L0,若單元微帶線的長度為d,特征阻抗為z0,βTL為傳輸線的傳輸常數(shù),βbloch為布洛赫傳輸常數(shù),由微波網(wǎng)絡(luò)理論可以得到其色散方程為[10]：

(1)

當(dāng)βTLdππ1,同時(shí),βblochdππ1時(shí),其等效傳輸常數(shù)為

(2)

微波在上述結(jié)構(gòu)中傳輸時(shí),根據(jù)文獻(xiàn)[10-12]可知,左手通帶、禁帶和右手通帶對應(yīng)的截止頻率可以表示為[10-12]：

(3)

當(dāng)加載電容和加載電感滿足

(4)

時(shí),左右手復(fù)合介質(zhì)達(dá)到匹配狀態(tài),其等效傳輸系數(shù)為：

(5)

因此,微波的傳輸相位移動(dòng)為：

(6)

圖1 左右手復(fù)合介質(zhì)單元電路模型

式(6)中,第一項(xiàng)是微帶傳輸?shù)奈幌嘌舆t,第二項(xiàng)則對應(yīng)于左手材料,兩項(xiàng)之和為左右手復(fù)合結(jié)構(gòu)的總相移效果.不難看出,左右手復(fù)合材料的相移與傳統(tǒng)介質(zhì)有許多不同：(1)對應(yīng)左右手介質(zhì)的相移量第二項(xiàng)為負(fù)值,也就是說當(dāng)微波在左右手復(fù)合介質(zhì)中傳播時(shí),左手介質(zhì)引起的是位相超前而并非滯后；(2)左右手介質(zhì)總的相移取決于信號頻率,當(dāng)頻率合適時(shí),沿線位相可以超前波源位相,因此可以設(shè)計(jì)超前相移器；(3)當(dāng)頻率向高頻方向移動(dòng)時(shí),第二項(xiàng)的數(shù)值變小,加載元件的作用越來越弱,系統(tǒng)呈現(xiàn)微帶線的電磁性質(zhì).

上述相移器有一定的局限：需要工作在匹配狀態(tài),加載電容和加載電感必須滿足匹配表達(dá)式(4),當(dāng)表達(dá)式不被滿足時(shí),將會出現(xiàn)禁帶,絕大部分信號不能通過移相結(jié)構(gòu),散射參數(shù)S21嚴(yán)重下降.本文提出一種反射式左右手復(fù)合材料移相器,該移相器工作在禁帶,不需要加載電容和電感匹配,結(jié)構(gòu)更為簡單,且工作頻帶調(diào)節(jié)易于控制.

2 反射式左右手復(fù)合介質(zhì)移相器

2.1 禁帶區(qū)的頻帶分析

把式(3)中禁帶區(qū)的下限頻率fc1和隨著頻率的變化為一個(gè)周期即360度,則左右手介質(zhì)中正向傳輸?shù)奈⒉ㄒ葡嗔侩S著頻率的變化可以用式(7)計(jì)算：把上限頻率fc2代入式(5)可知,在上限頻率和下限頻率,相移常數(shù)βeff=0,據(jù)此,可以判定在禁帶區(qū),相移:

(7)

其中,|Δφ|表示禁帶位相隨著頻率的變化率,|Δf|=fc2-fc1表示禁帶寬度.顯然,禁帶越寬,其相移越緩慢,只要我們能夠控制禁帶的頻率就可以調(diào)節(jié)相移量的大小.

仿真左右手介質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)如圖2a和2b所示,圖2a為其原理結(jié)構(gòu)圖,為了增加其電感L和電容C,設(shè)計(jì)了圖2b,采用雙層印刷線路板,下表面為銅箔地平面,上表面刻蝕為微帶傳輸線+銅箔電容的圖案,以加大電容的面積,增加電容值,我們采用商業(yè)軟件HFSS13仿真,介質(zhì)基片采用Rogers RT/duroid 6010/6010LM (tm).相對介電常數(shù)εr=10.2,厚度h=2 mm,單元左右手復(fù)合介質(zhì)的周期為23 mm,印刷板上表面貼片的尺度為22.8 mm×22.8 mm,周期結(jié)構(gòu)中相鄰貼片的間隙g設(shè)置為0.2 mm,微帶貼片中心設(shè)置金屬化過孔(via),過孔pin的半徑r設(shè)置為0.2 mm,金屬化過孔的高度與介質(zhì)基片厚度相同為2 mm,連接電容的微帶線的寬度為3mm.仿真為4單元結(jié)構(gòu),其散射參數(shù)曲線如圖3a和圖3b所示,左手通帶對應(yīng)的頻率小于2 GHz,禁帶對應(yīng)的頻率2.15-3.8 GHz,大于3.8 GHz為右手通帶區(qū),比較散射參數(shù)S21的大小及S21的位相圖3b不難發(fā)現(xiàn),左右手復(fù)合介質(zhì)的相移隨著頻率的變化而變化,禁帶區(qū)單位頻率的位相變化明顯變緩,如果利用禁帶區(qū)的相移特性則可以得到寬頻帶的微波移相器.

圖2a 左右手復(fù)合介質(zhì)仿真模型

圖2b 改進(jìn)型左右手復(fù)合介質(zhì)仿真模型

圖3a 左右手介質(zhì)的散射參數(shù)S21(dB)

圖3b 左右手介質(zhì)禁帶位相特性S21(deg)

2.2 左右手寬頻帶移相器的設(shè)計(jì)

在禁帶區(qū),雖然相移隨著頻率的變化比較緩慢,但是微波信號的衰減很大,因此,禁帶區(qū)傳輸式移相器不能滿足移相器的工作指標(biāo),另一方面,從能量守恒的角度來看,既然傳輸信號很小,則絕大部分信號應(yīng)該原路返回,相對應(yīng)的反射信號應(yīng)該衰減較小,基于上述分析,本文設(shè)計(jì)了反射式左右手復(fù)合材料移相器.

傳統(tǒng)的反射式移相器框圖如圖4a所示,移相系統(tǒng)由移相器和信號分離網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,反射網(wǎng)絡(luò)對源信號產(chǎn)生一定的相移,再通過分離網(wǎng)絡(luò)把源信號與反射信號分離,得到所需移相信號.圖4b為本文提出的左右手復(fù)合材料移相器結(jié)構(gòu)框圖,該移相器的移相信號從另一反射端口引出,不再需要信號分離網(wǎng)絡(luò),其結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的反射式移相器更為緊湊.

圖4a 傳統(tǒng)微波移相框圖

圖4b 左右手介質(zhì)微波移相框圖

圖5 反射式左右手復(fù)合介質(zhì)移相器

文中提出的反射網(wǎng)絡(luò)采用左右手復(fù)合結(jié)構(gòu),如圖5所示.信號源加載在端口1,反射信號從端口3引出,端口2設(shè)置為50歐姆匹配端,單元貼片采用22.8 mm×22.8 mm的正方形,其他參數(shù)與前文所述相同,用HFSS仿真軟件,其仿真結(jié)果如圖5a和5b所示,禁帶區(qū)觀測一些采樣點(diǎn),端口port3的散射參數(shù)S31在(-1dB)—(-2dB)之間,相比禁帶傳輸信號S21(-20dB)信號反射信號的能量有大幅提高,該區(qū)域S31位相變化如圖5所示,其相移變化明顯比通帶緩慢,因此,該文的設(shè)計(jì)可以用作寬頻帶移相器.

基于上述結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型移相器.為了進(jìn)一步提高移相器的性能指標(biāo),提出一種改進(jìn)型移相器,稱為并聯(lián)型左右手結(jié)構(gòu)反射式移相器,其俯視圖如圖6所示,該結(jié)構(gòu)增加圖6中的并聯(lián)枝節(jié),并聯(lián)枝節(jié)的為電磁帶隙結(jié)構(gòu),與端口port1與port2之間的維度完全相同,作為匹配網(wǎng)絡(luò),并聯(lián)枝節(jié)能夠改變端口port3的輸入電阻,提高散射參數(shù)S31的數(shù)值,即進(jìn)一步提高端口3反射信號的強(qiáng)度,仿真參數(shù)設(shè)置為：基片采用Rogers RT/duroid6010/6010LM,其相對介電系數(shù)為10.2,基板高度為2 mm,單元貼片仍采用22.8 mm×22.8 mm的正方形,改進(jìn)后仿真結(jié)果如圖7所示,散射參數(shù)比S31表示端口3的反射信號強(qiáng)度,該反射參數(shù)的理想值為0 dB,實(shí)際工程中反射參數(shù)越接近零,移相器的能量反射率越高,性能越好,比較圖7和圖5b中m點(diǎn)的散射參數(shù)不難發(fā)現(xiàn),在同樣的工作頻率點(diǎn)f=3.4 GHz,圖7的反射參數(shù)S31為-0.31 dB,圖5b的散射參數(shù)為-0.78 dB,改進(jìn)后的電磁帶隙反射式移相器的反射系數(shù)提高了將近0.5 dB,其性能指標(biāo)得到了優(yōu)化.

圖5a 反射式左右手復(fù)合介質(zhì)的相移

圖5b 反射式左右手復(fù)合介質(zhì)對應(yīng)的S參數(shù)

3 結(jié) 論

左右手復(fù)合介質(zhì)存在左手通帶、右手通帶和禁帶,在禁帶區(qū),位相隨著頻率的變化非常緩慢,據(jù)此性質(zhì),可以設(shè)計(jì)低輪廓緊湊式移相器.本文設(shè)計(jì)的禁帶區(qū)反射式移相器,不需要另加分離網(wǎng)絡(luò),(1)直接通過反射端口即可分離輸入信號和反射信號；(2)與外加網(wǎng)絡(luò)的單元數(shù)無關(guān)；(3)插入損耗少；(4)可以通過控制禁帶頻率和禁帶寬度實(shí)現(xiàn)不同的相位移,該方法設(shè)計(jì)的移相器具有平坦的頻率響應(yīng)：頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單,其散射參數(shù)完全滿足移相器的性能要求.總之,文中提出的兩種左右手復(fù)合介質(zhì)反射式型移相器可以減小移相器的尺度拓寬頻帶,使得移相器更加緊湊.

圖6 并聯(lián)枝節(jié)反射式左右手復(fù)合介質(zhì)移相器

圖7 并聯(lián)枝節(jié)反射式左右手復(fù)合介質(zhì)移相器的S參數(shù)