CN206076461U - 一种基于复合左右手谐振器的双工器 - Google Patents
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Abstract
一种基于复合左右手谐振器的双工器，涉及发送接收双工器。设有上层微带结构、中间层介质基板和底层接地板；上层微带结构包括三条输入输出馈线、第一、二信道的短路枝节加载型复合左右手谐振器以及分布于第一、二信道短路枝节加载型复合左右手谐振器上半周附近的耦合线和耦合线终端的方形接地贴片，耦合线与短路枝节加载型复合左右手谐振器间存在缝隙，并于短路枝节加载型复合左右手谐振器上方中心处通过方形接地贴片与底层接地板相连；馈线一端接耦合线并呈直角型结构，馈线另一端接同轴线缆内导体；中间层介质基板的上、下表面分别紧贴上层微带结构和底层接地板，底层接地板覆盖中间层介质基板下表面，底层接地板接同轴线缆外导体。
Description
技术领域
本实用新型涉及用于通信的发送接收双工器，尤其是涉及一种基于复合左右手谐振器的双工器。
背景技术
自从2000年，David Smith利用空间周期排列的金属线与开口环谐振器制造出第一块左手材料后，过去只存在于理论分析中的左手材料就进入了大众视野，并在科技和工程领域受到空前关注，然而，其体积大、带宽窄、损耗大等缺点限制了其在微波工程中的应用。不过人们对左手材料的热情并没有降低，Eleftheriades带领的研究小组以及T.Itoh和C.Caloz领导的研究小组就分别于2002年提出了周期加载集总和分布并联电感和串联电容的平面非谐振式复合左右手传输线结构，特别是其中的分布式并联电感和串联电容的平面非谐振式复合左右手传输线结构，该结构通过在微带线的金属条带上开口的方式实现串联电容，通过在微带线的金属条带上加载终端短路的并联枝节来实现并联电感。
2006年，C.Caloz和T.Itoh共同编撰了“Electromagnetic Metamaterials:Transmission Line Theory and Microwave Applications”一书，书中记录了左手材料的许多特性及其在微波领域的应用，还给出了复合左右手传输线单元与均匀传输线等效的条件。相比于纯左手材料，该结构不仅在性能上具有很大的改善，并且保证了结构的紧凑型，为微波无源器件的小型化提供了新的可能。
目前,无线通信系统大多是同时工作在多个频段上,双工器作为微波通信领域的重要器件，受到广大研究人员的重点关注。双工器是解决收发共用一副天线而又使其相互不受影响而设计的一种微波器件，相当于一个开关的作用。当发信机工作时，双工器接通天线与发信机，收信机断开；相反，当收信机工作时，双工器接通收信机而断开发信机，这种特性使双工器可被应用于多种需要在特定频段进行信息发射和接收的微波通信设备。
近年来，无线设备小型化和便携性的要求也不断提升,这对射频微波器件的小型化、低成本等提出了更高的要求。为顺应这一发展趋势，在满足目标滤波特性的前提下，微波领域的研究者们提出了各种紧凑结构的双工器，比如：螺旋型结构、折叠型结构等，甚至提出了一些新的制作工艺，希望最大程度的实现小型化，但制作工艺及本身结构的限制仍然使这些双工器的应用受到限制。工业应用需要具有良好性能，制作工艺简单，设计灵活，结构紧凑体积小且成本较低的双工器，而将复合左右手传输线单元应用于构造双工器，就是一种可行的缩小双工器体积的方法，在微波应用领域具有非常广阔的应用前景。
发明内容
本实用新型的目的在于针对上述现有技术中存在的不足，提供可实现小型化、带宽可控和频率可调等性能，并具有制作工艺简单、设计灵活、结构紧凑体积小、构造成本低的一种基于复合左右手谐振器的双工器。
本实用新型设有上层微带结构、中间层介质基板和底层接地板；
所述上层微带结构包括三条输入输出馈线、第一信道的短路枝节加载型复合左右手谐振器、第二信道的短路枝节加载型复合左右手谐振器以及分布于第一、二信道短路枝节加载型复合左右手谐振器上半周附近的耦合线和耦合线终端的方形接地贴片，所述耦合线与短路枝节加载型复合左右手谐振器间存在缝隙，并于短路枝节加载型复合左右手谐振器的上方中心处通过方形接地贴片与底层接地板相连；馈线一端接耦合线并呈直角型结构，馈线另一端接同轴线缆内导体；
所述中间层介质基板的上、下表面分别紧贴上层微带结构和底层接地板，底层接地板完全覆盖中间层介质基板的下表面，底层接地板接同轴线缆外导体。
所述短路枝节加载型复合左右手谐振器可由两个复合左右手传输线单元和一个短路加载枝节组成。
所述复合左右手传输线单元可由容性交趾结构和感性曲折型短路枝节组成，所述容性交趾结构枝节数为5，交趾枝节长度为2.5～3.0mm，交趾枝节宽度为0.12～0.18mm；所述感性曲折型短路枝节的终端通过圆形接地贴片与底层接地板相连，圆形接地贴片的中心过孔的半径为0.25～0.35mm，圆形接地贴片的半径为0.35～0.45mm，所述感性曲折型短路枝节的总长度为6.5～10mm。
所述短路加载枝节的宽度为0.7～0.9mm，长度为3.5～4.5mm。所述短路加载枝节的末端中心处由一圆形金属过孔与底层接地板相连，所述圆形金属过孔的圆心距离短路加载枝节末端0.4～0.5mm，圆形金属过孔的半径为0.25～0.35mm。
所述耦合线的宽度为0.2～0.3mm，耦合线与短路枝节加载型复合左右手谐振器间的距离为0.1～0.2mm；耦合线顺着短路枝节加载型复合左右手谐振器的轮廓延伸，每条耦合线总长度为6～10mm；分别与第一端口和第二端口的馈线相连的两条耦合线的终端通过方形接地贴片与底层接地板相连，方形接地贴片的中心过孔的半径为0.25～0.35mm，方形金属贴片的边长为0.8～1.0mm。
三条输入输出馈线分别与一种基于复合左右手谐振器的双工器的第一端口(P1)、第二端口(P2)和第三端口(P3)相连。第一端口(P1)至第二端口(P2)形成第一信道传输路径，第一端口(P1)至第三端口(P3)形成第二信道传输路径。
与第一端口(P1)相连的馈线在距端口不远处分裂为两条与原馈线等宽的馈线，分别连接第一信道和第二信道的输入端口。
所述馈线为50Ω微带馈线，馈线宽度由信道中心频率、基板参数、微带线厚度等共同决定并计算得到，馈线长度为4～8mm；所述接同轴线缆的特性阻抗为50Ω。
所述中间层介质基板为长方体，长方体的长边为14～17mm，宽边为13～16mm，高度为0.508mm，材料为Rogers R04350B，中间层介质基板的相对介电常数为3.48，相对磁导率为1，损耗正切角为0.004。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型提供了一种基于复合左右手谐振器的双工器，其第一信道和第二信道分别由两个不同尺寸的短路枝节加载型复合左右手谐振器产生，且工作频率分别为2.6GHz和2.9GHz，第一和第二信道的中心频率及带宽可分别通过改变控制第一、二信道的短路枝节加载型复合左右手谐振器的参数进行独立调节，因此，本实用新型的输入信道和输出信道的工作频率可被灵活调控，工程应用性强。本实用新型通过应用容性交趾结构以及感性曲折型短路枝节，有效缩小了该双工器的体积，使结构更加紧凑，实现了设备的小型化。磁性的源负载耦合结构改善了该双工器的频率选择性。本实用新型底层接地板为完整的地，有利于维护信号的完整性，有效地防止信号泄露，且易于和其他微带电路集成。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型基于短路枝节加载型复合左右手谐振器俯视图；
图3为本实用新型俯视图；
图4为本实用新型实施例的S21和S31参数随d3变化的频率响应曲线图；
图5为本实用新型实施例的S21和S31参数随d4变化的频率响应曲线图；
图6为本实用新型实施例的S21、S31、S22和S33参数频率响应曲线图；
图7为本实用新型实施例的S11和S32参数频率响应曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的技术方案作进一步的描述。
如图1和2所示，本实用新型实施例设有上层微带结构、中间层介质基板和底层接地板。
其中上层微带结构包括输入输出端口、馈线、耦合线和两个尺寸不同结构相同的短路枝节加载型复合左右手谐振器6和7；输入端口P1和输出端口P2、P3的特性阻抗均为50Ω，且分别与50Ω馈线1、2、3相连，50Ω馈线宽度由信道中心频率、基板参数、微带线厚度等共同决定并计算得到，馈线长度为4～8mm，其中第一馈线1又一分为二成反Z型馈线4和L型馈线5，分别作为第一信道和第二信道的输入馈线，第二馈线2和第三馈线3则分别作为第一信道和第二信道的输出馈线。上层微带结构的厚度为0.018mm。
短路枝节加载型复合左右手谐振器6和7分别用于产生滤波信道一和滤波信道二，谐振器6由两个复合左右手传输线单元8、9和一个短路加载枝节10构成，短路加载枝节10的宽度为0.7～0.9mm，长度为3.5～4.5mm。枝节的末端中心处由一圆形金属过孔与底层接地板相连，该圆形金属过孔的圆心距离所述短路加载枝节末端0.4～0.5mm,圆形金属过孔的半径为0.25～0.35mm。复合左右手传输线单元8包括容性交趾结构和感性曲折型短路枝节，其中交趾结构由5根交趾枝节组成，包括两根与感性曲折型短路枝节相连接的微带线11和三根与短路加载枝节10相连的微带线12，交趾枝节长度为2.5～3.0mm，交趾枝节宽度为0.12～0.18mm；感性曲折型短路枝节由微带线13，微带线14，微带线15及圆形接地贴片16相连而成，微带线13，微带线14，微带线15的总长度为6.0～10.0mm，宽度为0.12～0.18mm，圆形接地贴片16的中心过孔的半径为0.25～0.35mm，圆形接地贴片16的半径为0.35～0.45mm。复合左右手传输线单元9和复合左右手传输线单元8结构相同，呈对称分布。
根据参考文献“C.Caloz and T.Itoh,Electromagnetic Metamaterials:Transmission Line Theory and Microwave Applications.Hoboken,NJ:Wiley-IEEEPress,2006”的分析，当复合左右手传输线单元的电长度小于时,我们可以将复合左右手传输线单元等效为均匀传输线，如图2所示，以第一信道为例，复合左右手传输线单元的等效均匀传输线的电长度和阻抗分别为θ1和Z1，其中θ1＝βl，l为等效均匀传输线的物理长度。短路枝节的物理长度为d。引入奇偶模分析方法，当谐振器两端加载奇模激励时，中心位置处电压为零，故加载的短路枝节不会影响奇模谐振频率。奇模谐振频率为：
其中，为满足n＝1；c为光在真空中的速度；εeff为有效介电常数。由于复合左右手传输线单元的物理长度L1与其等效的均匀传输线的物理长度具有正相关性，故第一信道的奇模谐振频率可以通过改变L1的长度来调控。
当谐振器两端加载偶模激励时，中心位置处电流为零，谐振频率由加载的短路枝节和复合左右手传输线单元的等效长度共同决定。偶模谐振频率为：
其中，n＝1,2,3,…；c为光在真空中的速度；εeff为有效介电常数。可以看到，短路加载枝节的长度d只对偶模谐振频率产生影响，对奇模谐振频率不产生影响，而复合左右手传输线单元的物理长度L1即能影响奇模谐振频率，又能影响偶模谐振频率。故我们可以通过改变L1和d的长度来调控第一信道的中心频率和带宽。第二信道的谐振器结构与第一信道相同，其控制原理也与第一信道一致。
耦合线位于短路枝节加载型复合左右手谐振器6和7的两边，由微带线17、微带线18、微带线19、微带线20及方形接地贴片21相连而成，微带线17和微带线18沿着谐振器6一直角顶点延伸成Γ型微带线，其宽度为0.2～0.3mm，与短路枝节加载型复合左右手谐振器间的距离为0.1～0.2mm；微带线17和微带线18总长度为6～10mm；微带线19和微带线20沿着谐振器6另一直角顶点延伸成反Γ型微带线，与微带线17和微带线18呈对称分布。微带线18和微带线19与方形接地贴片21实现源负载交叉耦合，改善了第一信道的带外特性，提高了双工器的选择性，方形接地贴片的中心过孔的半径为0.25～0.35mm，方形金属贴片的边长为0.8～1.0mm，微带线17和微带线20分别与馈线2和馈线4相连。位于短路枝节加载型复合左右手谐振器7周围的耦合线的分布与短路枝节加载型复合左右手谐振器6周围的相同，且耦合线的宽度相等。
所述中间层介质基板22为长方体，该长方体的长边为14～17mm，宽边为13～16mm，高度为0.508mm，材料为Rogers R04350B，中间层介质基板的相对介电常数为3.48，相对磁导率为1，损耗角正切为0.004。中间层介质基板的上表面紧贴上层微带结构，中间层介质基板下表面紧贴与中间层介质基板表面积相等的底层接地板，底层接地板完全覆盖中间层介质基板，底层接地板接50Ω的同轴线缆外导体，底层接地板的厚度为0.018mm。
图3所示为本实用新型实施例的俯视图及其标示的各参数。表1为本实用新型各参数最佳尺寸表。
表1
| 参数 | 尺寸(mm) | 参数 | 尺寸(mm) |
| L | 5 | L1 | 2.65 |
| L2 | 3.95 | L3 | 2.05 |
| L4 | 3.25 | L5 | 3.4 |
| L6 | 4.3 | L7 | 2.2 |
| L8 | 7.6 | L9 | 2.55 |
| L10 | 2.35 | L11 | 1.95 |
| L12 | 3.7 | L13 | 2.95 |
| W | 1.1 | W1 | 0.15 |
| W2 | 0.3 | W3 | 1.1 |
| W4 | 1.4 | W5 | 0.8 |
| W6 | 0.15 | r0 | 0.25 |
| r1 | 0.4 | S1 | 0.1 |
| S2 | 0.1 | S3 | 0.1 |
| d1 | 0.8 | d2 | 0.1 |
| d3 | 4 | d4 | 3.4 |
依照上述参数，使用HFSS对本实用新型实施例的各项特性参数进行S参数仿真分析。
图4和图5给出了利用所述参数设计的实施例的仿真结果，如图4所示，当其他参数不变，只改变产生第一信道的短路枝节加载型复合左右手谐振器的短路加载枝节的长度d3时，实施例第一信道的中心频率和带宽改变，但实施例第二信道的中心频率和带宽不变，如图5所示，当其他参数不变，只改变产生第二信道的短路枝节加载型复合左右手谐振器的短路加载枝节的长度d4时，实施例第二信道的中心频率和带宽改变，而实施例第一信道的中心频率和带宽不变。
图6所示为本实用新型实施例的S21、S31、S22和S33参数频率响应曲线图。如图所示，对于第一信道，在S21>-3dB条件下通带覆盖范围为2.50～2.66GHz，中心频率为2.58GHz，带内S22<-14.7dB，该通带的相对带宽为6.3％；对于第二信道，在S31>-3dB条件下通带覆盖范围为2.87～3.06GHz，中心频率为2.96GHz，带内S22<-12.6dB，该通带的相对带宽为6.3％。图7所示为本实用新型实施例的S11和S32参数频率响应曲线图。在1～5.5GHz的范围内，S32<-23dB，即隔离度大于23dB。
本实用新型在短路枝节加载型复合左右手谐振器的基础上，将两个结构相同尺寸不同的短路枝节加载型复合左右手谐振器分别用于构建一种基于复合左右手谐振器的双工器的第一信道传输路径和第二信道传输路径。短路枝节加载型复合左右手谐振器由两个复合左右手传输线单元和一个短路加载枝节构成。短路加载枝节的存在使短路枝节加载型复合左右手谐振器具有奇模和偶模两个谐振模式，其中，在改变其短路加载枝节长度的情况下，只改变奇模谐振频率，在改变复合左右手传输线单元的交趾结构的枝节长度的情况下，奇模谐振频率和偶模谐振频率均受到影响。一种基于复合左右手谐振器的双工器的两信道通路之间互相独立，第一信道和第二信道的中心频率和带宽可被独立调控，复合左右手传输线单元的应用还使一种基于复合左右手谐振器的双工器的体积得到了很大的缩减，使本实用新型得以实现小型化，而磁性源负载交叉耦合线的应用提高了本实用新型的频率选择性。因此，对于不同频段的滤波需求，可以通过对一种基于复合左右手谐振器的双工器进行参数调谐来实现而无需重新设计新的双工器模型，缩短了设计时间。此外，一种基于复合左右手谐振器的双工器结构紧凑体积小、制作工艺简单且设计效果好等优点也使得一种基于复合左右手谐振器的双工器在实际工程设计中更具有普适性。
Claims (10)
1.一种基于复合左右手谐振器的双工器，其特征在于设有上层微带结构、中间层介质基板和底层接地板；
所述上层微带结构包括三条输入输出馈线、第一信道的短路枝节加载型复合左右手谐振器、第二信道的短路枝节加载型复合左右手谐振器以及分布于第一、二信道短路枝节加载型复合左右手谐振器上半周附近的耦合线和耦合线终端的方形接地贴片，所述耦合线与短路枝节加载型复合左右手谐振器间存在缝隙，并于短路枝节加载型复合左右手谐振器的上方中心处通过方形接地贴片与底层接地板相连；馈线一端接耦合线并呈直角型结构，馈线另一端接同轴线缆内导体；
所述中间层介质基板的上、下表面分别紧贴上层微带结构和底层接地板，底层接地板完全覆盖中间层介质基板的下表面，底层接地板接同轴线缆外导体。
2.如权利要求1所述一种基于复合左右手谐振器的双工器，其特征在于所述短路枝节加载型复合左右手谐振器由两个复合左右手传输线单元和一个短路加载枝节组成。
3.如权利要求2所述一种基于复合左右手谐振器的双工器，其特征在于所述复合左右手传输线单元由容性交趾结构和感性曲折型短路枝节组成，所述容性交趾结构枝节数为5，交趾枝节长度为2.5～3.0mm，交趾枝节宽度为0.12～0.18mm。
4.如权利要求3所述一种基于复合左右手谐振器的双工器，其特征在于所述感性曲折型短路枝节的终端通过圆形接地贴片与底层接地板相连，圆形接地贴片的中心过孔的半径为0.25～0.35mm，圆形接地贴片的半径为0.35～0.45mm，所述感性曲折型短路枝节的总长度为6.5～10mm。
5.如权利要求1所述一种基于复合左右手谐振器的双工器，其特征在于所述短路加载枝节的宽度为0.7～0.9mm，长度为3.5～4.5mm。
6.如权利要求1所述一种基于复合左右手谐振器的双工器，其特征在于所述短路加载枝节的末端中心处由一圆形金属过孔与底层接地板相连，所述圆形金属过孔的圆心距离短路加载枝节末端0.4～0.5mm，圆形金属过孔的半径为0.25～0.35mm。
7.如权利要求1所述一种基于复合左右手谐振器的双工器，其特征在于所述耦合线的宽度为0.2～0.3mm，耦合线与短路枝节加载型复合左右手谐振器间的距离为0.1～0.2mm；耦合线顺着短路枝节加载型复合左右手谐振器的轮廓延伸，每条耦合线总长度为6～10mm；分别与第一端口和第二端口的馈线相连的两条耦合线的终端通过方形接地贴片与底层接地板相连，方形接地贴片的中心过孔的半径为0.25～0.35mm，方形金属贴片的边长为0.8～1.0mm。
8.如权利要求1所述一种基于复合左右手谐振器的双工器，其特征在于三条输入输出馈线分别与基于复合左右手谐振器的双工器的第一端口、第二端口和第三端口相连，第一端口至第二端口形成第一信道传输路径，第一端口至第三端口形成第二信道传输路；
与第一端口相连的馈线在距端口不远处分裂为两条与原馈线等宽的馈线，分别连接第一信道和第二信道的输入端口。
9.如权利要求1所述一种基于复合左右手谐振器的双工器，其特征在于所述馈线为50Ω微带馈线，馈线长度为4～8mm；所述接同轴线缆的特性阻抗为50Ω。
10.如权利要求1所述一种基于复合左右手谐振器的双工器，其特征在于所述中间层介质基板为长方体，长方体的长边为14～17mm，宽边为13～16mm，高度为0.508mm，中间层介质基板的相对介电常数为3.48，相对磁导率为1，损耗正切角为0.004。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170405 Termination date: 20191014 |
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