CN110400998B - 一种基于有源器件的自由空间非互易性传输线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有源器件的自由空间非互易性传输线结构，该结构包括：介质基板；介质基板的正面刻蚀有两个正面覆铜Ω环，两个正面覆铜Ω环之间刻蚀有正面铜线，正面铜线上连接有第一射频三极管电路；介质基板的反面刻蚀有两个反面覆铜Ω环，两个反面覆铜Ω环之间刻蚀有反面铜线，反面铜线上连接有第二射频三极管电路；两个正面覆铜Ω环和两个反面覆铜Ω环的位置对应、开口相反；两个射频三极管电路为场效应晶体管电路或达林顿三极管电路，其中，场效应晶体管电路工作在截止区，达林顿三极管电路工作在放大区。本发明通过有源器件实现了电磁传输中的非互易传输，具体实现了可以单向传输，放大传输，单向放大传输的多功能传输线。

Description

一种基于有源器件的自由空间非互易性传输线结构
技术领域
本发明涉及非互易电磁传输技术领域，更具体的涉及一种基于有源器件的自由空间非互易性传输线结构。
背景技术
传输线是用来引导传输电磁波能量和信息的装置，例如：信号从发射机到天线或从天线到接收机的传送都是由传输线来完成的。(或凡是用来把电磁能从电路的一端送到电路的另一端的设备统称为传输线)。传输线技术是20世纪产生，最初的传输媒质是同轴线以及金属波导，当时的微波设备都采用金属波导与同轴线组成电路进行信号传输。金属波导具有损耗低，功率高等优点，但是其体积较大且价格较高，因此无法适用于高频小型电路的使用。同轴线具有带宽宽的优点，但是存在着制作复杂，成本较高的缺陷。50年代以后平面传输线迅速发展的一门新兴技术，微波平面传输线克服了上述两种传输线的缺点，提供了另一种选择。微波平面传输线有多种形式，例如微带线、悬置微带线、倒置微带线、槽线、鳍线、共面波导等，这些传输线都是由微带线发展而来的，根据不同的用途，可分别采用不同的微波平面传输线。
微带传输线是用于传输微波波段信号的一种传输线，简称微带线。由于改变微带线的结构和尺寸，和相关组件配合可以构成微带元件，如电容、电感、谐振电路、滤波器、阻抗变换器以及定向耦合器等，因此微带线在很多领域得到了广泛使用。微带线作为一种导行电磁波的机构，由于其自身结构特点不能用于大功率传输系统，而且也不适合用于长距离作为传输线。它更适合于构造成各种微波电路元件，并与其它微波器件、元件组合，作为小型平面化和集成微波电路单元。这对于微波电路和设备小型化、集成具有重要的意义。
超材料是近年来学术界的研究热点之一，它具备一些天然材料所不具备的超常物理性质，电超材料(Electric Metamaterials，简称ER)，是指由亚波长单元结构构成的等效介电常数小于1的人工复合材料或复合结构，具体又可分为等效介电常数小于0、等于0以及介于0和1之间的电超材料。因此，超材料应用于传统材料具有巨大的应用价值。而将超材料应用于传输线就是其中一项应用。
2014年提出了将超材料谐振单元组成传输线就是基于这一思想，bi-omega环就是其中的代表。由两个镜像对称的互连Omega环组成的传输线，可以实现将空间电磁波耦合为表面电流的形式，有效的避免了空间中电磁损耗，但是目前该类传输均为互易性传输。在实际应用中，在通信等领域中，对于传输的要求是可调控的，非互易的传输。非互易性是微波技术和材料学科中的用语，指电磁波在某物体中沿相反的两个方向传输会呈现不同的电磁损耗、相移等特性，把这一种现象称为非互易性。由于在实际应用中大多数应用场景均为非互易的，所以，非互易电磁传输的研究具有重要的意义。
随着科技的发展，通信领域发生了翻天覆地的变化，Wifi、5G的出现，标志着微波频段的通信日趋成熟，各类通信手段层出不穷，对信息传输的载体和传播手段上提出了更高的要求。比如，移动通信、电信传输、航空航天、国防军工等极端领域。因此，开发在自由空间中使用，且可调控传输的传输线是世界各国在电磁传输领域都迫切需要解决的问题。
目前,传输线有多种形式，例如微带线、悬置微带线、倒置微带线、槽线、鳍线、共面波导等。这些传输线都具有其各自的特点。但是，这些传输线是通过阻抗匹配实现波的表面耦合与传输，在微波传输系统，阻抗匹配极其重要，它关系到系统的传输效率、功率容量与工作稳定性，关系到微波测量的系统误差和测量精度，以及微波元器件的质量等一系列问题，且实现非互易传输需要引入第三个端口进行传输控制，因此，通过阻抗匹配实现波的表面耦合与传输复杂，实用性不强。
发明内容
本发明实施例提供一种基于有源器件的自由空间非互易性传输线结构，用以解决现有技术中存在的问题。
本发明实施例提供一种基于有源器件的自由空间非互易性传输线结构，包括：介质基板；所述介质基板的正面刻蚀有两个正面覆铜Ω环，两个正面覆铜Ω环之间刻蚀有正面铜线，正面铜线上连接有第一射频三极管电路；所述介质基板的反面刻蚀有两个反面覆铜Ω环，两个反面覆铜Ω环之间刻蚀有反面铜线，反面铜线上连接有第二射频三极管电路；两个正面覆铜Ω环和两个反面覆铜Ω环的位置对应、开口相反；
所述第一射频三极管电路为场效应晶体管电路或达林顿三极管电路，所述第二射频三极管电路为场效应晶体管电路或达林顿三极管电路；其中，场效应晶体管电路工作在截止区，达林顿三极管电路工作在放大区。
进一步地，当第一射频三极管电路和第二射频三极管电路均为场效应晶体管电路时，并且当两个场效应晶体管电路均工作在截止区时，形成单向传输线。
进一步地，当第一射频三极管电路和第二射频三极管电路均为达林顿三极管电路时，并且当两个达林顿三极管电路均工作在放大区时，形成放大传输线。
进一步地，当第一射频三极管电路为场效应晶体管电路，第二射频三极管电路为达林顿三极管电路时，或当第一射频三极管电路为达林顿三极管电路，第二射频三极管电路为场效应晶体管电路时，并且当场效应晶体管电路工作在截止区、达林顿三极管电路工作在放大区时，形成单向放大传输线。
本发明实施例提供一种基于有源器件的自由空间非互易性传输线结构，与现有技术相比，其有益效果如下：
本发明通过有源器件实现了电磁传输中的非互易传输，具体实现了可以单向传输，放大传输，单向放大传输的多功能传输线，且其制作工艺简单，电路成本低，具有较强的实用性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于有源器件的自由空间非互易性传输线结构的示意图；
图2a为本发明实施例提供的第一种调控方式正面电路示意图；
图2b为本发明实施例提供的第一种调控方式反面电路示意图；
图3为本发明实施例提供的第一种调控方式仿真所得S参数曲线；
图4a为本发明实施例提供的第二种调控方式正面电路示意图；
图4b为本发明实施例提供的第二种调控方式反面电路示意图；
图5为本发明实施例提供的第二种调控方式仿真所得S参数曲线；
图6a为本发明实施例提供的第三种调控方式正面电路示意图；
图6b为本发明实施例提供的第三种调控方式反面电路示意图；
图7为本发明实施例提供的第三种调控方式仿真所得S参数曲线；
图8a为本发明实施例提供的实物正面示意图；
图8b为本发明实施例提供的实物反面示意图；
图9为本发明实施例提供的场效应晶体管电路的连接方式；
图10为本发明实施例提供的达林顿三极管电路的连接方式。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1～10，本发明实施例提供一种基于有源器件的自由空间非互易性传输线结构，该结构包括：介质基板；介质基板的正面刻蚀有两个正面覆铜Ω环，两个正面覆铜Ω环之间刻蚀有正面铜线，正面铜线上连接有第一射频三极管电路；介质基板的反面刻蚀有两个反面覆铜Ω环，两个反面覆铜Ω环之间刻蚀有反面铜线，反面铜线上连接有第二射频三极管电路；两个正面覆铜Ω环和两个反面覆铜Ω环的位置对应、开口相反；第一射频三极管电路为场效应晶体管电路或达林顿三极管电路，第二射频三极管电路为场效应晶体管电路或达林顿三极管电路；其中，场效应晶体管电路工作在截止区，达林顿三极管电路工作在放大区。
进一步地，当第一射频三极管电路和第二射频三极管电路均为场效应晶体管电路时，并且当两个场效应晶体管电路均工作在截止区时，形成单向传输线。
进一步地，当第一射频三极管电路和第二射频三极管电路均为达林顿三极管电路时，并且当两个达林顿三极管电路均工作在放大区时，形成放大传输线。
进一步地，当第一射频三极管电路为场效应晶体管电路，第二射频三极管电路为达林顿三极管电路时，或当第一射频三极管电路为达林顿三极管电路，第二射频三极管电路为场效应晶体管电路时，并且当场效应晶体管电路工作在截止区、达林顿三极管电路工作在放大区时，形成单向放大传输线。
上述技术方案，通过有源器件(射频三极管电路)实现了电磁传输中的非互易传输，具体实现了可以单向传输，放大传输，单向放大传输的多功能传输线，且其制作工艺简单，电路成本低，具有较强的实用性。
基于上述技术特征，本发明实施例还提供了具体实例说明：
1、对称的开口谐振传输线两侧Omega环使用对称的两个场效应晶体管，并使用偏置谐振电路使三极管工作在截至区。场效应晶体管属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高(107～1015Ω)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，因此在这一种设计方案下，正向传输与反向传输都受到了传输的衰减，但是由于晶体管工作在截至区，因此传输方向为单向传输，使得单一方向的传输S参数受到了较大的衰减，而另一个方向的传输S参数受到的影响较小。将输入端口与栅极(G极)相连接，作为放大输入的信号，将输出端口与漏极(D极)相连接作为输出端口，中间增加偏置电路，具体的电路结构及连接方式如图9所示。
2、对称的开口谐振传输线两侧Omega环使用对称的两个GALI-2达林顿三极管电路，并使用偏置谐振电路使三极管工作在放大区，达林顿管就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管。具体接法如下，以两个相同极性的三极管为例，前面三极管集电极跟后面三极管集电极相接，前面三极管发射极跟后面三极管基极相接，前面三极管功率一般比后面三极管小，前面三极管基极为达林顿管基极，后面三极管发射极为达林顿管发射极，用法跟三极管一样，放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积，因此第一种设计下的传输线可以获得较大的传输增益。具体的电路结构及连接方式如图10所示。
3、对称的开口谐振传输线两侧Omega环一侧使用场效应晶体管，另一侧使用达林顿三极管。调整两侧的偏置电路，并使得场效应晶体管工作在截止区，而达林顿三极管工作在放大区，使得最终的传输效果中，一侧实现放大传输，另一侧实现传输截止，进而实现单向放大传输。将正面输入端口与栅极(G极)相连接，作为放大输入的信号，将输出端口与漏极(D极)相连接作为输出端口，中间增加偏置电路；反面输入端口与达林顿晶体管的输入级(B极相连)，输出端与与集电极(C极)相连，具体的电路结构及连接方式如图9、图10所示。
需要说明的是，传输线分为两端，一侧是发射端，一侧是接收端，利用电磁感应定律，来将空间的电磁波耦合成表面的电流，通过电流在中间的线上传输的。正反两面是两个镜像的欧米伽环，这个是个开口谐振环结构，两个可以等效为一个线圈，就是用来感应电磁波的磁场变化的(电磁波是交变的，磁场是变化的，线圈可以感应出变化，耦合成电流的形式)。等效的电路就是两侧是两个线圈，中间是线上增加的传输控制电路。
需要说明的是，开口谐振环，这个欧米伽环就是一个开口谐振环，Ω字母的形状下面是个开了个口的圆形，这类的结构均成为开口谐振环，开个口的作用就是增加谐振。
实施例一
将图2a、图2b中所标识的V电源处连接直流电压源进行供能。有效电压为3.3V。
将本发明的传输线放入波导中，使用矢量网络分析仪对传输中的参数进行检测。测试结果如图3。
实施例二
将图4a、图4b中所标识的V电源处连接直流电压源进行供能。有效电压为3.3V。
将本发明的传输线放在自由空间中，一侧波端口作为发射端放在传输线一侧，另一侧放入接收端。使用矢量网络分析仪对传输中的参数进行检测。测试结果如图5。
实施例三
将图6a、图6b中所标识的V电源处连接直流电压源进行供能。有效电压为3.3V。
将本发明的传输线放在自由空间中，一侧波端口作为发射端放在传输线一侧，另一侧放入接收端。使用矢量网络分析仪对传输中的参数进行检测。测试结果图如图7所示。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于有源器件的自由空间非互易性传输线结构，其特征在于，包括：介质基板；所述介质基板的正面刻蚀有两个正面覆铜Ω环，两个正面覆铜Ω环之间刻蚀有正面铜线，两个正面覆铜Ω环通过正面铜线连接，正面铜线上连接有第一射频三极管电路；所述介质基板的反面刻蚀有两个反面覆铜Ω环，两个反面覆铜Ω环之间刻蚀有反面铜线，两个反面覆铜Ω环通过反面铜线连接，反面铜线上连接有第二射频三极管电路；两个正面覆铜Ω环和两个反面覆铜Ω环的位置对应、开口相反；
所述第一射频三极管电路为场效应晶体管电路或达林顿三极管电路，所述第二射频三极管电路为场效应晶体管电路或达林顿三极管电路；其中，场效应晶体管电路工作在截止区，达林顿三极管电路工作在放大区。
2.如权利要求1所述的基于有源器件的自由空间非互易性传输线结构，其特征在于，当第一射频三极管电路和第二射频三极管电路均为场效应晶体管电路时，并且当两个场效应晶体管电路均工作在截止区时，形成单向传输线。
3.如权利要求1所述的基于有源器件的自由空间非互易性传输线结构，其特征在于，当第一射频三极管电路和第二射频三极管电路均为达林顿三极管电路时，并且当两个达林顿三极管电路均工作在放大区时，形成放大传输线。
4.如权利要求1所述的基于有源器件的自由空间非互易性传输线结构，其特征在于，当第一射频三极管电路为场效应晶体管电路，第二射频三极管电路为达林顿三极管电路时，或当第一射频三极管电路为达林顿三极管电路，第二射频三极管电路为场效应晶体管电路时，并且当场效应晶体管电路工作在截止区、达林顿三极管电路工作在放大区时，形成单向放大传输线。
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