CN106887664B - 一种基于超表面的小型微波频率可重构耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，主要解决现有技术中存在的尺寸大、成本高、损耗高、调谐范围小的技术问题。本发明通过采用包括半径及厚度均相等的上层圆形结构，下层圆形结构，上层圆形结构与下层圆形结构通过圆心处设置的圆心孔(4)与贯穿圆心孔(4)设置的金属棒实现结构固定及相对角度调谐；所述上层圆形结构上表面为超表面；所述下层圆形结构上表面固贴有环形耦合器，下表面为接地面的技术方案，较好的解决了该问题，可用于微波频率可重构耦合器的工业生产中。

Description

一种基于超表面的小型微波频率可重构耦合器
技术领域
本发明涉及微波通信技术领域，特别涉及到一种基于超表面的小型微波频率可重构耦合器。
背景技术
在现今的多频和多标准移动无线系统中，收发机大多是通过并行集成多个单频或单标准工作的射频前端和共享部分模拟基带处理电路实现的。随着工作频段和标准的增加，传统的多频和多标准收发机中的片上硅面积和片外无源器件数目增加，导致系统尺寸变大、设计成本增加、系统功耗增加和电池使用寿命变短等问题。耦合器作为微波通信系统中的基本元件，广泛应用于平衡放大器、混频器以及天线阵列的馈电网络等微波电路。为了适应现代通信发展的需要，近年来关于微波耦合器的研究非常多。这些研究主要集中在实现耦合器的小型化、宽带化、多频带和可调谐技术等方面。由于现代通信系统对多个无线标准集成到单个无线平台的强烈需求，因此，耦合器可调谐技术成为研究的热点。
现有的技术，分为机械调谐与电调谐，机械调谐通过调谐尺寸来达到改变耦合器工作频率的目的。采用电调谐技术，是通过加载电子器件如PIN二极管、变容二极管等，控制电子器件偏置电压从而获得可调谐的性质。电调谐技术需要低频电压偏置，这会对微波器件的性能产生不良影响，比如，电调谐耦合器需要偏置电压控制PIN二极管或变容二极管以实现可调谐，则微波耦合器的性能将依靠于电子器件与偏置源的可靠性；同时，由于加载电子器件，使得器件损耗大，且难以实现小型化。现有技术中的可重构耦合器存在尺寸大、成本高、损耗高、调谐范围小的技术问题。因此，提供一种尺寸小、损耗低、调谐范围大的微波频率可重构耦合器就很有必要。
发明内容
本发明所要解决的是现有技术中存在的尺寸大、成本高、损耗高、调谐范围小的技术问题。提供一种新的基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，具有结构简洁紧凑、成本低、损耗低、调谐范围大的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，包括半径及厚度均相等的上层圆形结构，下层圆形结构，上层圆形结构与下层圆形结构通过圆心处设置的圆心孔4与贯穿圆心孔4设置的金属棒实现结构固定及相对角度调谐；所述上层圆形结构上表面为超表面；所述下层圆形结构上表面固贴有环形耦合器，下表面为接地面。
上述方案中，为优化，进一步地，所述环形耦合器包括一个圆周长为1.5λ的混合环3；所述混合环3内圆周并联有6个尺寸相同、间距相同的矩形微带线1；所述6个矩形微带线1中相邻的5个矩形微带线1将混合环分为5段，于间距较短4段中每段的中心处设有尺寸相同与混合环3外沿连接的微带分支线2；所述微带分支线2未与混合环3连接一端均设有馈电点，所述接地面于馈电点对应位置设有用于馈电连接的馈电孔；其中，λ为工作频率下的波长。
进一步地，所述馈电点为环形微带，所述馈电孔设于环形微带内环。耦合器通过微带线底馈的方式从接地板通过SMA连接头给贴片馈电。这种馈电方式不会影响超表面层的旋转。
进一步地，所述微带分支线2中心处设有用于阻抗匹配的微带枝节线，所述微带枝节线位于微带分支线2逆时针向分布。
进一步地，所述微带分支线2中心处设有用于阻抗匹配的微带枝节线，所述微带枝节线位于微带分支线2顺时针向分布。
进一步地，所述微带枝节线宽度与所述微带分支线2相等。
进一步地，所述超表面包括周期分布的矩形金属环结构。
进一步地，所述相对角度调谐范围为0°-30°。当旋转角度θR从0°旋转到30°时，耦合器的频率在2.1GHz-2.45GHz范围内连续可调，相对可调谐带宽为15.2％，S参数结果如图4所示，具有良好性能。考虑到耦合器及超表面结构的对称性，旋转角度有效范围为45°，但是基于超表面的具体尺寸与耦合器尺寸的相对大小，实际的旋转角度为30°，即当旋转角度θR从0°旋转到30°时，可调范围已达最大值，再旋转角度的意义已经不大。
进一步地，所述接地面为铺设良导体的金属地层，良好的接地，关系着耦合器指标的好坏。
进一步地，所述上层圆形结构及下层圆形结构介质均为RO4350B，介电常数为3.48，厚度h为1.524mm。
本发明的频率可重构超表面耦合器由两层半径与厚度都相同的圆形平板结构组成。其中下层圆形结构为微带环形耦合器结构。上层圆形结构为印有周期矩形金属环结构的超表面。同时，耦合器采用同轴从微带底部馈电的方式，为了提升阻抗匹配自由度，在每个输出枝节线上加载一条微带枝节。
当旋转超表面时，超表面相当于介电常数可调的介质基板，实现了频率可重构超表面耦合器。频率可重构超表面耦合器中心频率可调范围为2.1GHz-2.45GHz，其相对可调谐频率范围为15.2％，扩展了可调谐的范围，具有良好的频率可重构性能。
混合环(3)各支路特性阻抗为Z0,根据λ/4变换特性可知，环形线的特性阻抗为该1.5λ混合环(3)的大小受环形线的总长度限制。因此，要实现小型化设计必须要对该结构进行优化。由微带线理论可知，微带定向耦合器支线的特性阻抗和电长度决定了其宽度和长度。采用T型微带传输线等效变换能有效的缩短电路尺寸。,通过将原混合环(3)中阻抗为的环形的λ/4传输线等效为一段T型传输线，则能将原电路尺寸缩小30％。
同时，本发明节约了电调谐中各种器件的成本及损耗。
本发明的有益效果：
效果一，减小了频率可重构耦合器的尺寸；
效果二，减小了频率可重构耦合器的成本；
效果三，相对于电调谐耦合器减小了损耗；
效果四，增大了调谐范围。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，传统的的环形耦合器示意图。
图2，实施例1中环形耦合器示意图。
图3，超表面示意图。
图4，超表面中矩形金属环结构。
图5，实施例2中环形耦合器结构。
图6，实施例1中基于超表面小型化微波频率可重构耦合器S11参数。
图7，实施例1中基于超表面小型化微波频率可重构耦合器S21参数。
图8，实施例1中基于超表面小型化微波频率可重构耦合器S31参数。
图9，实施例1中基于超表面小型化微波频率可重构耦合器S41参数。
附图中，
1-矩形微带线，2-微带分支线，3-混合环，4-圆心孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施提供一种基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，包括半径及厚度均相等的上层圆形结构，下层圆形结构，上层圆形结构与下层圆形结构通过圆心处设置的圆心孔4与贯穿圆心孔4设置的金属棒实现结构固定及相对角度调谐；所述上层圆形结构上表面为超表面；所述下层圆形结构上表面固贴有环形耦合器，下表面为接地面。如图3，超表面包括周期分布的矩形金属环结构。矩形金属环结构的具体结构如图4。
分析超表面可调谐的性质，本实施例采用超材料的经典分析方法，假设超表面是无限大的金属周期结构来进行仿真分析。通过改变入射电场与x轴的夹角θE，模拟频率可重构超表面耦合器旋转超表面的情况，θR与θE一一对应。因此，根据分析无限大超表面随着线极化电场激励入射角度θE变化所具有的性质，就能得到频率可重构的原理。通过电磁仿真软件获得超表面的S参数，然后运用以下公式获得超表面的等效阻抗Z和等效折射率n
其中，d为超表面的有效厚度，k0为波数。根据μr＝nZ及计算出超表面的等效介电常数εr与等效磁导率μr。当θE＝00、100、200、300，超表面的等效磁导率μr基本为1，等效介电常数εr分别为4.2、4.7、5.8、7.7。当旋转超表面时，超表面相当于介电常数可调的介质基板，从而实现了频率可重构超表面耦合器的调谐原理。
现有技术的机械调谐耦合器包含可活动部分结构，通过调节活动部分机构以达到可调谐的目的。存在随着频率的改变，整个耦合器尺寸都需要改变的缺陷。本实施例所述机械调谐方案避免了整个耦合器尺寸因频率改变而改变的缺陷，解决了该问题。同时，由于解决了电调谐中各种微波器件，因此减小了损耗。
如图2，所述环形耦合器包括一个圆周长为1.5λ的混合环3；所述混合环3内圆周并联有6个尺寸相同、间距相同的矩形微带线1；所述6个矩形微带线1中相邻的5个矩形微带线1将混合环分为5段，于间距较短4段中每段的中心处设有尺寸相同与混合环3外沿连接的微带分支线2；所述微带分支线2未与混合环3连接一端均设有馈电点，所述接地面于馈电点对应位置设有用于馈电连接的馈电孔；其中，λ为工作频率下的波长。
如图1，混合环各支路特性阻抗为Z0,根据λ/4变换特性，环形线的特性阻抗为该1.5λ混合环的大小受环形线的总长度限制。因此，要实现小型化设计必须要对该结构进行优化。根据微带线理论，微带定向耦合器支线的特性阻抗和电长度决定了其宽度和长度。采用T型微带传输线等效变换能有效的缩短电路尺寸。如图2所示,通过将原混合环中阻抗为的环形的λ/4传输线等效为一段T型传输线，能将原电路尺寸缩小30％。实现了耦合器结构紧凑、小型化的特点。
优选地，馈电点为环形微带结构，馈电孔设于环形微带内环内。耦合器通过微带线底馈的方式从接地板通过SMA连接头给贴片馈电。这种馈电方式不会影响超表面层的旋转。
作为优选，进一步地，所述相对角度调谐范围为0°-30°。当旋转角度θR从0°旋转到30°时，耦合器的频率在2.1GHz-2.45GHz范围内连续可调，相对可调谐带宽为15.2％，S参数结果如图6-9所示，具有良好性能。考虑到耦合器及超表面结构的对称性，旋转角度有效范围为45°，但是基于超表面的具体尺寸与耦合器尺寸的相对大小，实际的旋转角度为30°，即当旋转角度θR从0°旋转到30°时，可调范围已达最大值，再旋转角度的意义已经不大。
优选地，接地面为铺设良导体的金属地层，良好的接地，关系着耦合器指标的好坏。
本实施例的上层圆形结构及下层圆形结构介质均为RO4350B，介电常数为3.48，厚度h为1.524mm。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上进一步优化小型微波频率可重构耦合器的下层圆形结构中的环形耦合器部分。
通过在实施例1的基础上，对环形耦合器加微带枝节线。如图5，所述微带分支线2中心处设有用于阻抗匹配的微带枝节线，用于提升阻抗匹配自由度。微带枝节线位于微带分支线2，所有微带枝节线朝一个方向分布，可同时逆时针向分布或者同时顺时针向分布。通过设置微带枝节线用于阻抗匹配，较小环形耦合器驻波系数，较少能量损耗。
作为优选，所述微带分支线2相等时，相当于两者阻抗相等，匹配效果更好。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述小型微波频率可重构耦合器包括半径及厚度均相等的上层圆形结构，下层圆形结构，上层圆形结构与下层圆形结构通过圆心处设置的圆心孔(4)与贯穿圆心孔(4)设置的金属棒实现结构固定及相对旋转角度调谐；所述上层圆形结构上表面为超表面；所述下层圆形结构上表面固贴有环形耦合器，下表面为接地面。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述环形耦合器包括一个圆周长为1.5λ的混合环(3)；所述混合环(3)内圆周并联有6个尺寸相同、间距相同的矩形微带线(1)；所述6个矩形微带线(1)中相邻的5个矩形微带线(1)将混合环分为5段，于间距较短4段中每段的中心处设有尺寸相同与混合环(3)外沿连接的微带分支线(2)；所述微带分支线(2)未与混合环(3)连接一端均设有馈电点，所述接地面于馈电点对应位置设有用于馈电连接的馈电孔；
其中，λ为工作频率下的波长。
3.根据权利要求2所述的基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述馈电点为环形微带，所述馈电孔设于环形微带内环。
4.根据权利要求2所述的基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述微带分支线(2)中心处设有用于阻抗匹配的微带枝节线，所述微带枝节线位于微带分支线(2)逆时针向分布。
5.根据权利要求2所述的基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述微带分支线(2)中心处设有用于阻抗匹配的微带枝节线，所述微带枝节线位于微带分支线(2)顺时针向分布。
6.根据权利要求4或5所述的基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述微带枝节线宽度与所述微带分支线(2)相等。
7.根据权利要求1所述的基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述超表面包括周期分布的矩形金属环结构。
8.根据权利要求1所述的基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述超表面相对旋转调谐角度范围为0°-30°。
9.根据权利要求1所述的基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述接地面为铺设良导体的金属地层。
10.根据权利要求1-5或7-9任一所述的基于超表面的小型微波频率可重构耦合器，其特征在于：所述上层圆形结构及下层圆形结构介质均为RO4350B，介电常数为3.48，厚度h为1.524mm。
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