CN100466371C - 基于人工电磁结构复合传输线的差分相移器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于人工电磁结构复合传输线的差分相移器由一条均匀微波介质材料制作的微波传输线和n条人工电磁结构制作的复合传输线并列构成，每条人工电磁结构制作的复合传输线由m个人工电磁结构单元串联而成。所说的人工电磁结构单元是两个相连的阻抗单元和连接在两个阻抗单元接点处的导纳单元构成的T形电路，或者是由一个阻抗单元和一个导纳单元串联构成。本发明的人工电磁结构复合传输线的差分相移器具有：可以获得很宽的工作频带，低的插入损耗，任意度数的差分相移的优点。同时采用电感、电容等元件，结构简单，尺寸紧凑，制作成本低。实验表明本发明的差分相移器在很宽频带范围内具有良好的性能。

Description

基于人工电磁结构复合传输线的差分相移器

技术领域

本发明涉及一种差分相移器，尤其是基于人工电磁结构复合传输线的差分相移器。

背景技术

差分相移器是微波网络中重要的多端口器件之一，它的功能是对给定的同相位的两路或多路输入信号，分别通过相移器的各条信号传输支路(臂)进行移相，从而使得各路输出的信号之间存在固定的相位差。目前差分相移器被广泛的应用于微波混频网络和相控阵天线等微波和射频设备当中，在卫星通信，微波、毫米波无线通信领域中有着良好的应用。

当前实用的差分相移器有多种形式，有的是通过各条信号传输臂采用不同长度的传统传输线来获得相位差，所谓的传统传输线是均匀微波介质材料制作的传输线，有的则是通过采用低通或高通滤波器来构成信号传输臂。这些相移器都存在工作频带窄，结构复杂，尺寸大等缺点。还有一种应用的比较多的是由美国学者谢夫曼(Schiffman)提出来的，利用有一端接通的耦合双线来构成信号传输臂的谢夫曼相移器。这种相移器也能获得较大的差分带宽，但是由于耦合双线的存在，需要精心设计来达到阻抗匹配从而获得较小的插入损耗，制作相对复杂且本身尺寸较大。

工作频带，插入损耗，尺寸，结构复杂性是设计和制作一个好的差分相移器必须要考虑的因素。为了提高差分相移器的性能，缩小器件的尺寸，不少学者推出了一些方法对基本的谢夫曼相移器进行改进，比如，增加耦合双线的节数、引入缺陷接地平面结构等来增强匹配、增大带宽等等，但仍然不能解决目前设计中存在的一些主要问题。

发明内容

本发明的目的是为克服现有差分相移器存在的工作频带不够宽，损耗大，结构复杂，尺寸大制作不便等不足，提供一种宽带、低插损、尺寸紧凑、成本低的基于人工电磁结构复合传输线的差分相移器。

本发明的基于人工电磁结构复合传输线的差分相移器由一条均匀微波介质材料制作的微波传输线和n条人工电磁结构制作的复合传输线并列构成，n＝1，2，…正整数，每条人工电磁结构制作的复合传输线由m个人工电磁结构单元串联而成，m＝1，2，…正整数。

本发明中的人工电磁结构单元可以是由两个相连的阻抗单元和连接在两个阻抗单元接点处的导纳单元构成的T形电路，其中，阻抗单元由第一电感和第一电容串联构成，导纳单元由第二电感和第二电容串联构成。

人工电磁结构单元或者也可以由一个阻抗单元和一个导纳单元串联而成，其中，阻抗单元由第三电感和第三电容串联构成，导纳单元由第四电感和第四电容串联构成。

上述的人工电磁结构单元中的电容和电感可以是集总式的电容和电感，或者是半集总式的电容和电感，或者是分布式的电容和电感。

本发明中所说的均匀微波介质材料制作的微波传输线可以采用微带线，悬置微带线，耦合微带线，共面波导，共面微带线，同轴线，矩形波导或圆波导。

本发明的人工电磁结构复合传输线的差分相移器具有以下优点：可以获得很宽的工作频带，低的插入损耗，任意度数的差分相移。同时采用电感、电容等元件，结构简单，尺寸紧凑，制作成本低。实验表明本发明的差分相移器在很宽频带范围内具有良好的性能。

附图说明

图1是基于人工电磁结构复合传输线的差分相移器的构成示意图；

图2是一种人工电磁结构单元的示意图；

图3是另一种人工电磁结构单元的示意图；

图4是微波传输线和人工电磁结构复合传输线的相位响应示意图；

图5是人工电磁结构复合传输线的传输特性曲线示意图；

图6是信号经过微波传输线和人工电磁结构复合传输线后的相位差示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1，本发明的基于人工电磁结构复合传输线的差分相移器由一条均匀微波介质材料制作的微波传输线1和n条人工电磁结构制作的复合传输线2并列构成，n＝1，2，…正整数，每条人工电磁结构制作的复合传输线由m个人工电磁结构单元串联而成，m＝1，2，…正整数。

人工电磁结构单元可以如图2所示，由两个相连的阻抗单元Z和连接在两个阻抗单元Z接点处的导纳单元G构成的T形电路，其中，阻抗单元Z由第一电感L1和第一电容C1串联构成，导纳单元G由第二电感L2和第二电容C2串联构成。

人工电磁结构单元或者也可以如图3所示，由一个阻抗单元Z和一个导纳单元G串联而成，其中，阻抗单元Z由第三电感L3和第三电容C3串联构成，导纳单元G由第四电感L4和第四电容C4串联构成。

所说的均匀微波介质材料制作的微波传输线可以采用微带线，悬置微带线，耦合微带线，共面波导，共面微带线，同轴线，矩形波导或圆波导。这种传统的微波传输线的传播常数为β，电长度为θ。

设：微波传输线的信号输入端口为端口1，微波传输线的信号输出端口为端口2，人工电磁结构制作的复合传输线的信号输入端口为端口(2n+1)，人工电磁结构制作的复合传输线的信号输出端口为端口2(n+1)。

输入信号经过微波传输线后获得的相移定义为P₀，经过其他人工电磁结构复合传输线后获得的相移分别定义为P₁，P₂，……，P_n，则输入信号经过第i条传输线后的相移P_i和经过第j条传输线后的相移P_j之间的差值定义为差分相移ΔP_ij(i，j＝1，2，...，n)，即

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ij}}=\underset{i,j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i-P_j$

通过对微波传输线选择合适的传播常数β和电长度θ，对人工电磁结构复合传输线选择合适的单元个数以及合适的电容、电感元件值，可以灵活的设计出在很宽的频带范围内具有固定相移差的高性能差分相移器。

基于人工电磁结构复合传输线的差分相移器的设计实例：设计一个在4GHz到8GHz范围内具有90度相移差的两路差分相移器。差分相移器由一条微波传输线和一条人工电磁结构制作的复合传输线并列构成，其中人工电磁结构制作的复合传输线采用图3的结构单元来实现。

考虑损耗等因素，选择人工电磁结构单元的个数为6，第三电感L3＝0.43nH，第三电容C3＝3.6pF，第四电感L4＝2.3nH和第四电容C4＝0.07pF，选择微波传输线的传播常数β＝1，电长度θ＝25.83°/GHz。信号经过微波传输线和人工电磁结构复合传输线的相位响应如图4所示。在整个工作频段内，信号经过人工电磁结构复合传输线时具有很小的插入损耗，其传输特性曲线如图5所示。信号经过微波传输线和人工电磁结构复合传输线两条支路后的差分相移如图6所示，由图可见，在工作频段内，该差分相移始终保持在90°左右，上下波动不超过5°。

Claims (3)

1.基于人工电磁结构复合传输线的差分相移器，其特征在于它由一条均匀微波介质材料制作的微波传输线(1)和n条人工电磁结构制作的复合传输线(2)并列构成，n＝1，2，…正整数，每条人工电磁结构制作的复合传输线由m个人工电磁结构单元(3)串联而成，m＝1，2，…正整数；所说的人工电磁结构单元(3)是由两个相连的阻抗单元(Z)和连接在两个阻抗单元(Z)接点处的导纳单元(G)构成的T形电路，其中，阻抗单元(Z)由第一电感(L1)和第一电容(C1)串联构成，导纳单元(G)由第二电感(L2)和第二电容(C2)串联构成；或者是由一个阻抗单元(Z)和一个导纳单元(G)串联而成，其中，阻抗单元(Z)由第三电感(L3)和第三电容(C3)串联构成，导纳单元(G)由第四电感(L4)和第四电容(C4)串联构成。

2.根据权利要求1所述的基于人工电磁结构复合传输线的差分相移器，其特征在于所说的电容和电感是集总式的电容和电感，或者是半集总式的电容和电感，或者是分布式的电容和电感。

3.根据权利要求1所述的基于人工电磁结构复合传输线的差分相移器，其特征在于所说的均匀微波介质材料制作的微波传输线为微带线，悬置微带线，耦合微带线，共面波导，共面微带线，同轴线，矩形波导或圆波导。

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