CN102804485B - 利用复合右/左手相位超前/延迟线的双工器合成 - Google Patents

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Abstract

一种双工设备及方法，其利用了与耦合器结合的复合右/左手(CRLH)相位超前/延迟线。通过设计在两个任意感兴趣的频率下具有期望相位响应的基于CRLH的传输线，连接的CRLH延迟线和/或CRLH耦合器以指定频率下的信号被分到混合式耦合器的相应输出端口的方式被激发。该设备的优点包括消除了设计复杂性，诸如消除了传统的基于滤波器的双工器中涉及的对互连节点的优化和谐波伪抑制。另外，从定向耦合器的隔离属性可以有利地获得信道隔离。实现测得的插入损耗被发现小于1dB，在双频带中的隔离大于20dB。观察到在模拟结果和测量结果之间的高度一致性。

Description

利用复合右/左手相位超前/延迟线的双工器合成
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年5月20日提交的美国临时专利申请序号61/179,963的优先权，其整体通过引用并入本文。
本申请涉及美国专利第7,508,283号、美国专利号7,675,384、美国专利号7,667,555、和于2008年5月16日提交的美国专利申请序号12/122,311，这些文献通过引用整体并入本文。
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发明背景
技术领域
本发明总的来说涉及双工器，更具体地讲涉及利用与混合式耦合器相结合的复合右/左手(CRLH)相位超前/延迟线的双工器。
背景技术
现代通信系统通常要求双频带工作，因此双工器成为用于电磁波谱的收发器模块中的必要元件。双工器是一种频率选择性的多路信号分离器(demultiplexer)，其具有一个输入端和两个输出端。双工器的一个应用允许两个不同频率的不同装置共享一个公共通信信道。双工器在电磁波谱的信号传输中具有广泛的应用。几十年来，对双工器的研究吸引了工业注意，产生了大量的研究结果。
然而，这些双工器通常包括两个带通滤波器，每个带通滤波器负责双频带机制中的各个频率。最近，提出了包括波导滤波器的双工器。虽然从这些波导滤波器双工器可以获得低插入损耗和高隔离，但是对连接滤波器的三端口节点的参数优化和必需性能调谐是耗时的过程。为了抑制滤波器的高阶谐波，利用阶梯阻抗谐振器(SIR)。通过该布置，以设计复杂度为代价来控制伪谐波响应。尽管双工器设计中的信道隔离可能增强，但是其通常在滤波器前需要附加电路元件(诸如抽头式开路枝节(open stub))和λ/4微带线的互连。
因此，需要一种设备和方法来设计紧凑型双工器，其通过设计结构的分散关系来简化设计复杂度。这些和其他需要在本发明中得到满足，本发明克服了之前开发的双工方法和设备的缺陷。
发明内容
本发明教导了一种双工器，其利用与耦合器结合的复合右/左手(CRLH)相位超前/延迟线。根据本发明的双工器可以利用在两个任意感兴趣的频率下具有期望相位响应的基于CRLH的传输线通过连接的CRLH混合式耦合器来实现，所述连接的CRLH混合式耦合器被激发从而指定频率下的信号被分到耦合器的相应输出端口。应当理解，复合右/左手(CRLH)传输线(TL)分别由串联L/并联C、串联C/并联L、以及二者的串联结合构成。应当注意，在频率ω0以下，CRLH-TL由提供反向平行的相/群速度的LH贡献主导，而在频率ω0以上，主导模式为具有平行且相同符号的相/群速度的RH。双工器设备实施例配置为在微波频率范围工作，过渡频率ω0大概为100MHz或大概为100MHz以上。本发明教导了利用这些CRLH元件的新型微波双工器。
基于本发明的构造，可以避免在传统的基于滤波器的双工器中涉及的诸如互连节点优化和谐波伪抑制之类的设计复杂度。另外，从定向耦合器的隔离属性可以有利地获得信道隔离。测得的插入损耗小于1dB，而双频带之间的隔离大于20dB。在测试本发明的实现中，发现模拟响应特性和测量响应特性之间的高度一致。
描述了CRLH传输结构，其相位可以通过选择组成电路参数来设计。因此，能够构造适当的双工器，其在感兴趣的频率下具有期望的特征阻抗和相位响应。根据本发明的利用CRLH相位超前/延迟线的唯一相位可控特征的CRLH延迟线对双工所需的信号相位的产生具有贡献。代替采用两个带通滤波器，本发明提出的双工器包括单频带功率分配器(例如，Wilkinson功率分配器)、CRLH相位超前或延迟线、和基于CRLH的定向耦合器。功率分配器用作三端口匹配节点，将信号二等分至连接的CRLH相位超前或延迟线。该CRLH传输结构在双重频率下控制相位，以激发后续的定向耦合器，使得在该耦合器的输出端口发生频率选择。
可以在不脱离本发明教导的情况下以多种可选方式实现本发明的实施例。例如，本文描述了两种双工器实现方式，但本发明不限于此。第一种实现方式所呈现的双工器具有例如处于1.9GHz和2.4GHz的接近通带，该双工器利用了具有单频带CRLH 180°混合器的(0°，-180°)CRLH延迟线。另一种双工器显示出了不需要处于接近通带(例如处于1GHz和2GHz)内的双工现象，其利用具有双频带90°混合器的(90°，90°)CRLH相位超前线。然而，应当理解，在不脱离本发明教导的情况下，可以在一个频率范围实施本发明，而且本发明的元素可以以各种方式彼此结合以及可以与已知技术结合。
如在本发明的示例实施例中获得的测试结果所证实，基于本发明的拓扑结构，双工器设计复杂度得到降低。这些新型双工器的可行性通过测量结果得到证实，所述测量结果显示输入回波损耗和隔离分别高于15dB和20dB。而且，在双频带中，插入损耗小于1dB。在模拟结果和测量结果之间获得了良好的一致性。
可以对本发明进行修改从而以多种方式来实现本发明，这些实现方式包括但不限于以下描述。
本发明的一个实施例被构造为一种设备(即，双工器)，包括：(a)功率分配器，构造用于将输入信号分成第一信号和第二信号；(b)复合右/左手(CRLH)相位延迟线，具有构造用于与所述第二信号相关地使所述第一信号的相位延迟或超前的元件；以及(c)复合右/左手(CRLH)混合式耦合器，构造用于接收所述第一信号和所述第二信号，并且具有第一输出端口和第二输出端口。在工作期间，在输入信号内接收到的第一工作频率f1从第一输出端口输出，以及在输入信号内接收到的第二工作频率f2从第二输出端口输出。
在至少一种实施方式中，功率分配器构造为输出第一信号和第二信号的三端口节点，第一信号和第二信号彼此同相，具有相等的频率组成并且处于实质上相等的功率水平。在至少一种实施方式中，功率分配器包括Wilkinson功率分配器。
在至少一种实施方式中，相位延迟线构造用于在第一工作频率f1引入第一相位延迟(或超前)，以及在第二工作频率f2引入第二相位延迟或超前。
在至少一种实施方式中，CRLH混合式耦合器包括具有右手(RH)和左手(LH)特性的复合右/左手(CRLH)传输线(TL)材料。耦合器的LH贡献源自包括电感和电容的多个集总元件。CRLH相位延迟线和CRLH混合式耦合器包括传输线和集总元件，集总元件包括响应于为第一工作频率f1和第二工作频率f2选择的频率来确定的电感和电容。CRLH混合式耦合器优选地包括沿着所述CRLH混合式耦合器布置并且被相位延迟Φ1或被相位超前Φ2隔开以形成混合式耦合器的多个端口，多个端口包括求和端口和差分端口。
在至少一种实施方式中，CRLH混合式耦合器包括CRLH混合环。在至少一种实施方式中，CRLH混合式耦合器包括正交混合器。CRLH混合式耦合器的每个传输线(TL)段的双频特性在CRLH混合式耦合器内的左手(LH)部分内在过渡频率ω0以下响应于相速度和群速度之间的反向平行关系而上升，而在CRLH混合式耦合器内的右手(RH)部分内在过渡频率ω0以上响应于相速度和群速度之间的平行关系而上升。双工器设备构造为在微波频率范围工作，其中过渡频率ω0为大概100MHz或以上。双工器设备构造用于在第一工作频率f1和第二工作频率f2进行任意的双频带工作，并且其中响应于利用具有可设计的非线性相位响应的TL段，不需要f2等于N×f1，或者f2与f1具有任意特定的固定关系。
本发明的一个实施例构造为一种用于对输入信号进行双工的设备，包括：(a)功率分配器，构造用于将输入信号分为第一信号和第二信号，第一信号和第二信号彼此同相，具有相等的频率组成并且处于实质上相等的功率水平；(b)复合右/左手(CRLH)相位延迟线，具有构造用于与所述第二信号相关地使所述第一信号的相位延迟或超前的元件；以及(c)复合右/左手(CRLH)混合式环形耦合器，连接至第一信号和第二信号，构造用于单频带操作，具有带有右手(RH)和左手(LH)特性的复合右/左手(CRLH)传输线(TL)材料，具有第一输出端口和第二输出端口。工作时，在输入信号内接收到的第一工作频率f1从第一输出端口输出，以及在输入信号内接收到的第二工作频率f2从第二输出端口输出。混合环的单频带工作跨越了足够窄的频率范围，以包括第一工作频率f1和第二工作频率f2。在本文中针对虽然偏离了其中心频率工作的耦合器的工作特性所考虑的术语“足够窄”仍然需要为应用提供必须的信号输出电平。
在至少一种实施方式中，复合CRLH相位延迟线构造用于在第一工作频率f1和在第二工作频率f2提供不同的相位延迟。CRLH混合式耦合器的每个传输线(TL)段的双频特性在CRLH混合式耦合器内的左手(LH)部分内在过渡频率ω0以下响应于相速度和群速度之间的反向平行关系而上升，而在CRLH混合式耦合器内的右手(RH)部分内在过渡频率ω0以上响应于相速度和群速度之间的平行关系而上升。
本发明的一个实施例构造为一种用于对输入信号进行双工的设备，包括：(a)功率分配器，构造用于将输入信号分为第一信号和第二信号，第一信号和第二信号彼此同相，具有相等的频率组成并且处于实质上相等的功率水平；(b)复合右/左手(CRLH)相位延迟线，具有构造用于与所述第二信号相关地使所述第一信号的相位延迟或超前的元件；以及(c)复合右/左手(CRLH)正交混合式耦合器，连接至第一信号和第二信号，构造用于单频带操作，具有带有右手(RH)和左手(LH)特性的复合右/左手(CRLH)传输线(TL)材料，具有第一输出端口和第二输出端口。在工作时，在输入信号内接收到的第一工作频率f1从第一输出端口输出，以及在输入信号内接收到的第二工作频率f2从第二输出端口输出。复合CRLH相位延迟线构造用于在第一工作频率f1和第二工作频率f2提供相同的相位延迟或超前。
本发明的一个实施例构造为一种方法，包括：(a)将包含第一频率和第二频率的微波输入信号分为均包含第一频率和第二频率的第一信号和第二信号；(b)将第一信号或第二信号的相位彼此关联地进行延迟(例如，正延迟或负延迟)；以及(c)在频率域中，将第一频率多路分离为从混合式耦合器器件的第一端口的输出，以及将第二频率多路分离为从混合式耦合器器件的第二端口的输出。
本发明提供了许多有益方面，它们可以在不脱离本发明教导的情况下单独实施或者进行任何期望的结合。
本发明的一个方面是一种双工器，其利用与混合式耦合器可互操作地耦合的复合右/左手(CRLH)相位超前/延迟线。
本发明的另一方面是一种双工器，其结合了功率分配器、CRLH延迟线部分(相位延迟或超前)、以及耦合器。
本发明的另一方面是一种双工器，其利用针对具有足够接近频率(即，接近通带)的信号的单频带混合式环形耦合器，以确保偏离其单频带中心频率的适当混合环操作。
本发明的另一方面是一种利用双频带正交混合式耦合器的双工器。
本发明的另一方面是一种双工器，其可以以任意期望的第一和第二频率工作。
本发明的另一方面是一种双工器，其构造用于在微波频率范围工作，其过渡频率ω0为约100MHz或100MHz以上。
本发明的另一方面是一种双工器，其利用具有两个输入端口和至少两个输出端口的CRLH混合式耦合器，并且其TL段表现出相位延迟Φ1或相位超前Φ2。
本发明的另一方面是一种双工器，其包括CRLH混合式耦合器，CRLH混合式耦合器包括具有右手(RH)和左手(LH)特性的复合右/左手(CRLH)传输线(TL)材料。
本发明的另一方面是一种双工器，其包括CRLH混合式耦合器，该CRLH混合式耦合器具有用于所述CRLH TL的所述LH工作的包括电感和电容的多个集总元件。
本发明的另一方面是一种紧凑型双工器，其可以用于多种应用中。
在说明书的以下部分中将给出本发明的其他方面，其中详细说明在不对本发明进行限制的情况下用于充分公开本发明的优选实施例。
附图说明
通过参照仅用于说明目的的附图来更充分地理解本发明，附图中：
图1A和图1B是根据本发明的至少一个实施例的环形混合式双工器的示意图，其中图1A所示的双工器处于1.9GHz的工作模式，图1B所示的双工器处于2.4GHz的工作模式；
图2是根据本发明的至少一个实施例的构造为工作在1.9GHz和2.4GHz的环形混合式双工器的图像；
图3是根据本发明的至少一个实施例的环形混合式双工器的模拟和测量的插入损耗的曲线图；
图4是根据本发明的至少一个实施例的环形混合式双工器的模拟和测量的输入回波损耗和输出隔离的曲线图；
图5A和图5B是根据本发明的至少一个实施例的正交混合式双工器的示意图，图5A所示的正交混合式双工器处于1GHz的工作模式，图5B所示的正交混合式双工器处于2GHz的工作模式；
图6是根据本发明的至少一个实施例的构造为在1GHz和2GHz工作的正交混合式双工器的图像；
图7是根据本发明的至少一个实施例的正交混合式双工器的模拟和测量的插入损耗的曲线图；
图8是根据本发明的至少一个实施例的模拟和测量的输入回波损耗和输出隔离的曲线图。
具体实施方式
更具体地参照用于说明目的的附图，本发明在图1A至图8总体上示出的设备中得以体现。应当理解，在不脱离本发明所公开的基本构思的情况下，可以对设备的构造和部件的细节进行改变、以及可以对方法的具体步骤和顺序进行改变。而且，在本文中教导的一个实施例中示出的元件对于本文中教导的其他实施例也是适用的，而不会具有限制作用，而且也适用于与其他实施例和本领域已知的技术结合。
1.利用单频带环形混合器的双工器实施例
图1A和图1B示出了基于环形混合器进行工作的双工器的示例实施例10，该双工器在本文中称为环形混合式双工器。具体的装置包括功率分配器、相位延迟线部分和混合式耦合器，在图1A中示出了处于第一工作频率(1.9GHz)的工作模式，图1B示出了处于第二工作频率(2.4GHz)的工作模式。
环形混合式双工器10具有输入端12，输入端12引入单频带Wilkinson功率分配器14，功率分配器14具有第一侧16、第二侧18和终端20。应当理解，以示例而非限制方式显示了功率分配器上示出的100Ω终端，这是因为根据期望的电路特性可以采用其他终端。来自功率分配器14的两个输出端22和24进入延迟线部分26。第一输出端22引导至延迟线部分26内的第一传输线段28，而第二输出端24引导至第二传输线段30。沿着一个或多个传输线(TL)段(如所示，沿着第二传输线段30)插入的是复合右/左手(CRLH)相位延迟部分32。第一和第二传输线段28和30耦合至混合器34，所示的混合器34包括具有第一输出端口36(Δ端口)和第二输出端口38(∑端口)的单频带CRLH 180°混合器。
图1A图示了响应于1.9GHz的工作频率，CRLH延迟线从延迟线32贡献0°相位延迟，而从∑(sigma求和)端口38产生双工器的输出。图1B图示了响应于2.4GHz的工作频率的同一双工器，其中延迟线32贡献180°的相位偏移，并且从Δ(delta差分)输出端口36产生来自混合环的输出。
两路Wilkinson功率分配器14用作三端口节点，其给后续连接的CRLH相位延迟线对提供具有相等频率组成以及基本均匀的功率分配的同相信号。虽然可以采用其他的分离器，但是Wilkinson分配器的简单构造和三端阻抗匹配使得其尤其适于用作互连节点。双频带CRLH延迟线提供用于以处在两个不同频率的同相和反相输入来激发180°耦合器(优选为所示的混合式环形耦合器)。
延迟线32构造为具有CRLH传输结构以提供任意的双频带操作，并且被设计为在第一和第二工作频率下具有(0°，-180°)相位响应。实施例10的示例实现方式显示了一种双工器，其被设计用于1.9GHz的第一频率和2.4GHz的第二频率、以及50Ω的特性阻抗。
如图1A所示，在1.9GHz，沿着延迟线的两个路径的相位演变是相同的，这有助于在∑端口38处的信号构建。另一方面，来自延迟线的反相信号使得2.4GHz的信号呈现在Δ端口36上，如图1B所示。因此，实现了频率选择机制。
CRLH结构的相位非线性和可控性允许任意的双频带操作，同时又能保持双工器结构紧凑。本发明的至少一个实施例可以使用单频带180°混合器来实现，单频带180°混合器响应于足够窄的频率分配对邻近通带进行双工。采用CRLH单频带180°混合器的显著优点是可以显著减小占用空间尺寸。
单频带混合式环形耦合器被构造用于根据射频输入产生分离的信号信道。第一、第二输入端口和第一、第二输出端口沿着传输线(TL)环布置。关于该环的一个或多个TL段包含一个或多个CRLHTL。在混合式环形耦合器的一种紧凑型实现方式中，三个CRLH-TL部分包含集总元件，例如SMT芯片或类似的小表面可安装器件。由于这些部分可以提供90°相位超前，因此剩余的传输线段仅需要提供90°相位延迟，而不是传统环的+270°线部分，从而与传统混合环相比，可以减小尺寸并且提高工作带宽。
例如，单频带耦合器在两个双工器频率的中间频带2.15GHz下工作，但是本发明不限于此。单频带混合器包括在2.15GHz下具有90°相位超前响应的三个相同的CRLH传输臂和具有-90°相位滞后响应的微带线。90°和-90°传输结构代替了相应的传统的λ/4和3λ/4微带线，这可以显著地减小尺寸。基于使用芯片元件和分别用于左手性和右手性的微带线的拓扑结构，与单频带微带180°耦合器相比可以实现86.2％的小型化。在该示例实现方式中，在CRLH传输结构中利用了具有并联电感和串联电容(LL＝5.1nH，CL＝1pF)的两个单元体集总元件。
CRLH延迟线的特征在于在1.9GHz和2.4GHz频率下分别提供0°和-180°的相位响应。这些相位响应被实现为进入环形混合器模块的两个路径之间的相位差。延迟线包括与微带线协同工作的CRLH传输结构。为了保持阻抗匹配，两条线的特性阻抗都设计为50Ω，虽然应当理解微带阻抗可以构造为任意期望的实际值，以适合给定的应用。应当理解，相比于微带线，CRLH结构在1.9GHz和2.4GHz下的相位滞后分别是0°和180°。为了满足这种相位规定，CRLH传输结构中需要的右手微带线相对较长。需要较长线的原因是合成CRLH结构中的相位延迟路径与相位下降速率成比例。因此，对于两个接近频率的大相位降低(180°)需要实际上较长的微带线。因此，该特性是整个双工器尺寸确定的。例如，在该实现方式中利用了5个单元体集总元件，在CRLH传输结构中具有并联电感和串联电容(LL＝3.9nH，CL＝1.2pF)，但是本发明不限于此。
图2示出了构造为在1.9GHz和2.4GHz下工作的环形混合式双工器的实际实现方式，其使用了单频带Wilkinson功率分配器、CRLH延迟线、和单频带CRLH环形混合器。该示例性双工器实现方式构建在厚度h＝0.787mm而相对介电常数εr＝2.33的Duroid/RT 5870衬底上。
图3示出了如图1A、图1B和图2所示的基于环形混合式耦合器的使用的双工器(以下简称为环形混合式双工器)的模拟和测量的插入损耗。如图所示，在1.9GHz和2.4GHz下，测量的插入损耗分别是-0.7dB和-0.6dB。应当注意，信道抑制有效地滤除了其他不想要的频率，同时在所实施的器件上在模拟和实际测量之间实现了良好的一致性。
图4示出了如图1A、图1B和图2所示的环形混合式双工器的模拟和测量的输入回波损耗和输出隔离。在感兴趣的频率1.9GHz和2.4GHz下，测得的回波损耗分别为-27dB和-20dB。而且，在1.9GHz和2.4GHz下测得的隔离值分别为-27dB和-23dB。测试结果显示了本发明的良好特性，其中可以在不考虑互连节点优化、伪响应抑制、以及不需要提供改进隔离的额外部件的情况下实施双工器实施例。而且，虽然由于空间有限在此没有包括测量的三端口回波损耗，但是如所希望的那样它们在所有端口上是匹配的。应当理解，响应于使用呈现高介电常数的衬底和/或响应于产生更加密集的电路布局，可以进一步对整个器件进行小型化。
2.利用双频带正交混合器的双工器实施例
图5A和图5B示出了正交混合式双工器的示例实施例50，其包括功率分配器、相位超前部分、和双频带正交混合器。在该示例实施例中，考虑两个频率(f1，f2)分隔足够远，以充分利用前一部分中所述的单频带混合器方法。在该实施例的实现方式中，被双工的第一频率f1和第二频率f2是如图5A所示的1GHz和如图5B所示的2GHz。
在该第二示例实施例中，所示的基于正交混合器的双工器50包括输入端52，输入端52引入单频带功率分配器，示范为Wilkinson功率分配器54，其具有第一侧56、第二侧58、和终端60(例如，示出了100Ω的终端)。来自功率分配器54的两个输出端62、64进入相位超前部分66。第一输出端62引导至第一传输线段68，而第二输出端64引导至第二传输线段70。CRLH相位超前线72沿着第二传输线段70的长度介入。应当理解，所述的相位超前可以等效地称为相位延迟的负值。第一和第二传输线段输入双频带CRLH 90°混合器74，该混合器具有传输线段76、78、80和82，所示为包括λ/4CRLH部分。第一端口84和第二端口86示为从正交混合器74延伸出来。
两路Wilkinson功率分配器54简化了节点设计复杂度并且将信号均匀地二等分输入至后续的CRLH相位超前部分66。CRLH相位超前部分66被设计为提供90°相位超前，以在两个工作频率(在该示范性实施方式中为1GHz、2GHZ)下都激发双频带90°耦合器，以适应双频带CRLH 90°耦合器的相位响应。如在1GHz下的图5A所示，沿着90°耦合器的每个分支的相位演变都是90°相位超前的，从而在第二端口86处显示构建信号。然而，当如图5B所示给耦合器74的每个分支(76，78，80和82)分配-90°相位延迟时，将从第一端口84处产生2GHz的信号。采用耦合器的(90°，-90°)相位响应集合来改善紧凑度。因此，(90°，-90°)正交混合器与(90°，90°)CRLH相位超前线的结合能够用作在感兴趣频率下的双工器。
CRLH正交混合器构造为在两个选择频率下工作，这两个选择频率之间可以具有任意期望的关系。优选地，还可以以SMT芯片组件形式或类似的分立集总器件形式来实现CRLH-TL的LH段。虽然，所使用的两个频率之间可以存在任意期望的关系，但是应当考虑紧凑度问题。对于给定实施拓扑结构，考虑包括较高频下芯片组件的电性能和所需的微带线长度，在频率间隔减小时这可以增大给定的固定相位响应。
为了优化小型化，在该耦合器中考虑具有相位超前的传输线，并且采用具有90°和-90°相位响应的双频带CRLH 90°混合器。双频带CRLH混合器优选地由两对CRLH传输结构(诸如分别具有特性阻抗50Ω(76，82)和)组成。对于每一分支，在1GHz时相位响应都是90°相位超前，而在2GHz时都是-90°相位延迟。代替传统的λ/4微带线，该正交混合器是紧凑型的并且能够实现任意的双频带操作。通过在180°混合器中使用CRLH结构(图1A、图1B和图2)，与传统1GHz 90°耦合器相比可以获得11.6％的尺寸减小。
在图5A和图5B的示例实施方式中，包括相位超前部分72的三个单元体集总元件沿着传输线布置，该传输线对于该示例中的两种传输结构来说具有的并联电感和串联电容是(LL，50＝9.4nH，CL， 50＝2.8pF，LL，50/√2＝6.2nH，CL，50/√2＝4.2pF)。CRLH相位超前线在该示例中被设计为在(1GHz，2GHz)时具有相位响应(90°，90°)。这个要求通过用微带线使CRLH传输结构成对从而使CRLH传输结构在两个频率下都相位超前90°来实现。对于两条线都使用50Ω的特性阻抗。使用两个单元体集总元件。在该CRLH传输结构中并联电感和串联电容是(LL＝15nH，CL＝6pF)。
图6示出了构造为在1GHz和2GHz时工作的基于正交混合器的双工器的实际实现方式，其使用了单频带Wilkinson功率分配器、CRLH相位超前线、和双频带CRLH正交混合器。该双工器构建在厚度h＝0.787mm和相对介电常数εr＝2.33的Duroid/RT 5870衬底上。
图7示出了针对图5A、图5B和图6所示的正交混合式双工器的模拟和测量的插入损耗。如图所示，测量的插入损耗在1GHz和2GHz时分别为-1dB和-0.9dB。应当注意，滤除不想要频率的信道抑制高于22dB，同时可以在模拟和实际器件测量之间实现良好的一致性。
图8示出了如图5A、图5B和图6所示的基于正交混合器的双工器的模拟和测量的输入回波损耗和输出隔离。对于感兴趣的1GHz和2GHz的频率，测量的回波损耗分别是-19dB和-15dB。而且，在1GHz和2GHz时分别获得-22dB和-20dB的隔离值。测试结果显示了本发明的优良特性，其中可以容易地实施双工器实施例同时能够在每个端口提供回波损耗匹配。应当理解，以设计复杂度为代价，采用在1GHz和2GHz工作的双频带Wilkinson功率分配器可以改善该双工器的输入回波损耗。还应当理解，如果使用具有高介电常数的衬底和/或响应于更密集电路布局的使用，可以进一步减小器件的整体尺寸。
因此，已经呈现了使用复合右/左手相位超前/延迟线的用于双工器构建的新的和简单的方法、以及相应的示例设备。使用上述构造，可以容易地构建双工器，而不需要考虑三端口节点优化、谐波频率的伪响应的滤除、以及改进隔离。从这些器件的实施方式获得的测量结果证实了本发明的可行性和优良特性。
本发明提供了利用功率分配器、CRLH延迟部分、和CRLH混合式耦合器的双工方法和双工设备，其能够被构造用于彼此之间不需要任何谐波关系的两个频率。本发明的教导可以用于各种设备和应用中，包括微波信号多路分离等。
因此，应当理解，可以以各种方式实现本发明，这些实现方式包括：
1.一种设备，包括：功率分配器，构造用于将输入信号分成第一信号和第二信号；复合右/左手(CRLH)相位延迟线，具有构造用于与所述第二信号相关地使所述第一信号的相位延迟或超前的元件；以及复合右/左手(CRLH)混合式耦合器，构造用于接收所述第一信号和所述第二信号，并且具有第一输出端口和第二输出端口；其中在所述输入信号内接收到的第一工作频率f1从所述第一输出端口输出，以及在所述输入信号内接收到的第二工作频率f2从所述第二输出端口输出。
2.如实施例1所述的设备，其中所述设备包括双工器。
3.如实施例1所述的设备，其中所述功率分配器构造为输出所述第一信号和所述第二信号的三端口节点，所述第一信号和所述第二信号彼此同相，具有相等的频率组成并且处于实质上相等的功率水平。
4.如实施例1所述的设备，其中所述功率分配器包括Wilkinson功率分配器。
5.如实施例1所述的设备，其中所述相位延迟线构造用于在第一工作频率f1引入第一相位延迟或超前，以及在第二工作频率f2引入第二相位延迟或超前。
6.如实施例1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器包括具有右手(RH)部分和左手(LH)部分的复合右/左手(CRLH)传输线(TL)材料。
7.如实施例1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器在所述复合右/左手(CRLH)传输线(TL)的所述左手(LH)部分中包括多个集总元件，多个集总元件包括电感和电容。
8.如实施例1所述的设备，其中所述CRLH相位延迟线和所述CRLH混合式耦合器包括传输线和集总元件，集总元件包括响应于为第一工作频率f1和第二工作频率f2选择的频率来确定的电感和电容。
9.如实施例1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器包括用于受到不同相位延迟的所述第一信号和所述第二信号的路径。
10.如实施例1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器包括沿着所述CRLH混合式耦合器布置并且被相位延迟Φ1或被相位超前Φ2隔开以形成混合式耦合器的多个端口，多个端口包括求和端口和差分端口。
11.如实施例1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器包括CRLH混合环。
12.如实施例1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器包括CRLH正交混合器。
13.如实施例1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器的每个传输线(TL)段的双频特性在CRLH混合式耦合器内的左手(LH)部分内在过渡频率ω0以下响应于相速度和群速度之间的反向平行关系而上升，而在CRLH混合式耦合器的右手(RH)部分内在过渡频率ω0以上响应于相速度和群速度之间的平行关系而上升。
14.如实施例1所述的设备，其中所述设备构造为在微波频率范围工作，其中过渡频率ω0为大概100MHz或以上。
15.如实施例1所述的设备，其中所述设备被构造为在频率f1和f2进行任意的双频带工作；以及其中响应于利用具有可设计的非线性相位响应的TL段，f2独立于f1。
16.一种用于对输入信号进行双工的设备，包括：功率分配器，构造用于将输入信号分为第一信号和第二信号，第一信号和第二信号彼此同相，具有相等的频率组成并且处于实质上相等的功率水平；复合右/左手(CRLH)相位延迟线，具有构造用于与所述第二信号相关地使所述第一信号的相位延迟或超前的元件；以及复合右/左手(CRLH)混合式环形耦合器，构造用于接收所述第一信号和所述第二信号，构造用于单频带操作，具有带有右手(RH)和左手(LH)特性的复合右/左手(CRLH)传输线(TL)材料，具有第一输出端口和第二输出端口；其中在所述输入信号内接收到的第一工作频率f1从所述第一输出端口输出，以及在所述输入信号内接收到的第二工作频率f2从所述第二输出端口输出；其中所述混合式环形耦合器的所述单频带操作跨越了包括第一工作频率f1和第二工作频率f2的频率范围。
17.如实施例16所述的设备，其中所述CRLH相位延迟线构造用于在第一工作频率f1提供第一相位延迟，以及在第二工作频率f2提供第二相位延迟，并且其中第一相位延迟和第二相位延迟不相等。
18.如实施例16所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器的每个传输线(TL)段的双频特性在CRLH混合式耦合器内的左手(LH)部分内在过渡频率ω0以下响应于相速度和群速度之间的反向平行关系而上升，而在CRLH混合式耦合器的右手(RH)部分内在过渡频率ω0以上响应于相速度和群速度之间的平行关系而上升。
19.一种用于对输入信号进行双工的设备，包括：功率分配器，构造用于将输入信号分为第一信号和第二信号，第一信号和第二信号彼此同相，具有相等的频率组成和处于实质上相等的功率水平；复合右/左手(CRLH)相位延迟线，具有构造用于与所述第二信号相关地使所述第一信号的相位延迟或超前的元件；以及复合右/左手(CRLH)正交混合式耦合器，连接至所述第一信号和所述第二信号，构造用于进行单频带工作，具有带有右手(RH)和左手(LH)特性的复合右/左手(CRLH)传输线(TL)材料，具有第一输出端口和第二输出端口；其中所述设备构造用于在第一工作频率f1和第二工作频率f2进行任意的双频带工作，并且其中响应于利用具有可设计的非线性相位响应的TL段，不需要f2等于N×f1，或者f2独立于f1；其中在所述输入信号内接收到的第一工作频率f1从所述第一输出端口输出，以及在所述输入信号内接收到的第二工作频率f2从所述第二输出端口输出。
20.如实施例19所述的设备，其中所述CRLH相位延迟线构造用于在第一工作频率f1和第二工作频率f2提供相同的相位延迟或超前。
虽然以上描述包括了很多细节，但是这些不应当被理解为对本发明的限制，而应当理解为仅仅提供对本发明的一些优选实施例的描述。因此，应当理解，本发明的范围完全包括对本领域技术人员来说显然的其他实施例，因此本发明的范围仅由所附的权利要求来限定，其中除非明确指出，单数形式的元素不意味着“一个且仅仅一个”，而是“一个或多个”。对于本领域技术人员已知的与上述优选实施例的元素等同的所有结构的、化学的和功能的元素在此通过引用明确地并入本发明并且旨在包含于本发明的权利要求中。而且，不需要一种器件或方法能够解决本发明要解决的每一个问题，该种器件或方法包含在本发明的权利要求中。而且，本公开中的元素、部件或方法步骤不管是否在权利要求中明确阐述都不专用于公众。一个元素除非用语句“用于……装置”明确地阐述否则在本文中都不应当用35U.S.C.112第六款的规定来解释。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
功率分配器，构造用于将输入信号分成第一信号和第二信号；
复合右/左手(CRLH)相位延迟线，耦接至所述功率分配器的输出端，具有构造用于与所述第二信号相关地使所述第一信号的相位延迟或超前并且输出所述第二信号和相位改变的第一信号的元件；以及
复合右/左手(CRLH)混合式耦合器，构造用于从所述相位延迟线接收所述相位改变的第一信号和所述第二信号，并且具有第一输出端口和第二输出端口；
其中在所述输入信号内接收到的第一工作频率f1从所述第一输出端口输出，以及在所述输入信号内接收到的第二工作频率f2从所述第二输出端口输出。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述设备包括双工器。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述功率分配器构造为输出所述第一信号和所述第二信号的三端口节点，所述第一信号和所述第二信号彼此同相，具有相等的频率组成并且处于实质上相等的功率水平。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述功率分配器包括Wilkinson功率分配器。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述相位延迟线构造用于在第一工作频率f1引入第一相位延迟或超前，以及在第二工作频率f2引入第二相位延迟或超前。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器包括具有右手(RH)部分和左手(LH)部分的复合右/左手(CRLH)传输线(TL)材料。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器在所述复合右/左手(CRLH)传输线(TL)的所述左手(LH)部分中包括多个集总元件，多个集总元件包括电感和电容。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述CRLH相位延迟线和所述CRLH混合式耦合器包括传输线和集总元件，集总元件包括响应于为第一工作频率f1和第二工作频率f2选择的频率来确定的电感和电容。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器包括用于受到不同相位延迟的所述第一信号和所述第二信号的路径。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器包括沿着所述CRLH混合式耦合器布置并且被相位延迟Φ1或被相位超前Φ2隔开以形成混合式耦合器的多个端口，多个端口包括求和端口和差分端口。
11.如权利要求1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器包括CRLH混合环。
12.如权利要求1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器包括CRLH正交混合器。
13.如权利要求1所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器的每个传输线(TL)段的双频特性在CRLH混合式耦合器内的左手(LH)部分内在过渡频率ω0以下响应于相速度和群速度之间的反向平行关系而上升，而在CRLH混合式耦合器的右手(RH)部分内在过渡频率ω0以上响应于相速度和群速度之间的平行关系而上升。
14.如权利要求1所述的设备，其中所述设备构造为在微波频率范围工作，其中过渡频率ω0为大概100MHz或以上。
15.如权利要求1所述的设备，
其中所述设备被构造为在频率f1和f2进行任意的双频带工作；以及
其中响应于利用具有可设计的非线性相位响应的TL段，f2独立于f1。
16.一种用于对输入信号进行双工的设备，包括：
功率分配器，构造用于将输入信号分为第一信号和第二信号，第一信号和第二信号彼此同相，具有相等的频率组成并且处于实质上相等的功率水平；
复合右/左手(CRLH)相位延迟线，耦接至所述功率分配器的输出端，具有构造用于与所述第二信号相关地使所述第一信号的相位延迟或超前并且输出所述第二信号和相位改变的第一信号的元件；以及
复合右/左手(CRLH)混合式环形耦合器，构造用于从所述相位延迟线接收所述相位改变的第一信号和所述第二信号，所述混合式环形耦合器构造用于单频带操作，具有带有右手(RH)和左手(LH)特性的复合右/左手(CRLH)传输线(TL)材料，具有第一输出端口和第二输出端口；
其中在所述输入信号内接收到的第一工作频率f1从所述第一输出端口输出，以及在所述输入信号内接收到的第二工作频率f2从所述第二输出端口输出；
其中所述混合式环形耦合器的所述单频带操作跨越了包括第一工作频率f1和第二工作频率f2的频率范围。
17.如权利要求16所述的设备，其中所述CRLH相位延迟线构造用于在第一工作频率f1提供第一相位延迟以及在第二工作频率f2提供第二相位延迟，并且其中第一相位延迟和第二相位延迟不相等。
18.如权利要求16所述的设备，其中所述CRLH混合式耦合器的每个传输线(TL)段的双频特性在CRLH混合式耦合器内的左手(LH)部分内在过渡频率ω0以下响应于相速度和群速度之间的反向平行关系而上升，而在CRLH混合式耦合器的右手(RH)部分内在过渡频率ω0以上响应于相速度和群速度之间的平行关系而上升。
19.一种用于对输入信号进行双工的设备，包括：
功率分配器，构造用于将输入信号分为第一信号和第二信号，第一信号和第二信号彼此同相，具有相等的频率组成和处于实质上相等的功率水平；
复合右/左手(CRLH)相位延迟线，耦接至所述功率分配器的输出端，具有构造用于与所述第二信号相关地使所述第一信号的相位延迟或超前并且输出所述第二信号和相位改变的第一信号的元件；以及
复合右/左手(CRLH)正交混合式耦合器，连接至从所述相位延迟线接收到的所述相位改变的第一信号和所述第二信号，其中所述CRLH正交混合式耦合器构造用于进行单频带工作，具有带有右手(RH)和左手(LH)特性的复合右/左手(CRLH)传输线(TL)材料，具有第一输出端口和第二输出端口；
其中所述设备构造用于在第一工作频率f1和第二工作频率f2进行任意的双频带工作，并且其中响应于利用具有可设计的非线性相位响应的TL段，不需要f2等于N×f1，或者f2独立于f1；
其中在所述输入信号内接收到的第一工作频率f1从所述第一输出端口输出，以及在所述输入信号内接收到的第二工作频率f2从所述第二输出端口输出。
20.如权利要求19所述的设备，其中所述CRLH相位延迟线构造用于在第一工作频率f1和第二工作频率f2提供相同的相位延迟或超前。
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