一种CRLH传输线结构的等效电路结构及其设计方法与流程

本发明属于微波工程
技术领域：
，涉及一种CRLH传输线结构的等效电路结构及其设计方法。
背景技术：
：分支线耦合器是微波工程的重要器件之一，也是平面微波集成电路的基本器件之一，尤其是功率等分的3dB分支线耦合器，不仅容易制作，而且它的输出端口位于同一侧，因而结构上易于同半导体器件结合，构成平衡混频器、移相器和开关等集成电路，它也被广泛应用于天线馈电网络的设计之中。然而在理论上，分支线耦合器的两个输出端口的输出信号在工作频率上的相位差总是90°，所以无论采用何种方法、何种材料设计分支线耦合器，其四臂的长度都约等于四分之一波导波长，当工作在低频段时，这个尺寸对于微波集成电路而言是很大的。因此，如何缩小分支线耦合器的电路尺寸一直是微波工程设计人员的研究热点。到目前为止，研究人员提出了大致有以下四大类方法来减小分支线耦合器的电路面积：一是采用集总元件：采用这种方法设计出来的分支线耦合器的面积能控制在很小的范围内，然而由于采用了集总元件，因此其加工一般比较麻烦，而且集总元件的Q值一般比较高，因此其设计精度要求比较高而且工作带宽也很窄，此外，由于集总元件自身的谐振，该类分支线耦合器不能应用于高频场合。二是在地板上腐蚀电磁带隙(EBG)结构：由于EBG结构的慢波效应，采用这种方法可以使其面积有效地缩小20％左右，但是由于采用了EBG结构，这样就容易产生后向辐射，带来不易集成和封装等问题，而且相对于其它各类方法来说，腐蚀EBG所带来的尺寸缩小并不是很大。三是采用具有高介电常数、介质板很厚的微带板：这种方法可以把分支线耦合器的面积缩小至1/16，但是这种方法的其中一个缺点是介质损耗太大，这样其性能就大大降低，它另一个缺点是加工精度要求很高，要求达到微米级的加工精度，因此，这一设计是不太容易推广的。四是对分支线耦合器的分支线或平行线依照分形几何或普通曲折线进行曲折来达到减小尺寸的目的，但是由于分形几何结构无法用解析表达式表示，只能手动逐段建模，灵活性和可调性比较差。另外，因为分支线和平行线宽度不同，采用分形几何之后，保证其各自电长度为90°需要经过微调优化，对于可调性比较差的分形几何模型，上述优化过程是非常复杂而且耗时的。而且对线宽较宽的传输线进行曲折或分形也比较困难，此外，曲折或分形同时也会带来大量弯折，这就增大了结构的不连续性和线间的耦合，从而导致匹配特性与正交相移特性优化过程复杂。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种CRLH传输线结构的等效电路结构及其设计方法，提出利用DRC构造CRLH传输线结构，然后利用该传输线结构分别实现+90°50Ω和+90°35Ω的传输线，将实现的传输线应用到分支线耦合器的设计中，大大减小了分支线耦合器的尺寸，该方法尺寸缩减大、不会带来后向辐射，可以用于任何频段，易于集成和封装，调试起来也比较容易，同时具有较高的设计自由度。其具体技术方案为：一种CRLH传输线结构的等效电路结构，包括Cg表示交指电容，Cf则表示交指电容与微带线形成的边缘电容，L表示微带线的线电感，Lc和Cc所形成的谐振回路由DRC产生，C除了表示微带线的线电容外，还包括DRC与微带线之间的耦合电容，Cg和L位于串联谐振回路上，Cf、Lc、Cc以及C位于并联谐振回路上。一种CRLH传输线结构的等效电路结构的设计方法，具体步骤如下：步骤1：要想构造CRLH传输线，首先要在较低的频段和较高的频段分别实现负的介电常数和负的磁导率。步骤2：在串联支路上利用交指结构实现电容Cg，利用微带线结构实现串联电感L，这样，在小于串联支路谐振频率的频带范围内，该结构实现了负介电常数效应，但是，由于交指结构的引入，不可避免的会带来边缘电容Cf。步骤3：在并联支路上利用微带线和地面形成了平板电容C，利用DRC结构形成了包括电容Cc和电感Lc在内的谐振回路，因此，并联支路的引入带来了两个谐振频率，在这两个谐振频率与之间，该结构实现了负磁导率效应。与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、与利用集总元件缩减分支线耦合器尺寸的方案相比，该方法不受应用频带的限制，既可以应用到低频场合，也可以应用到高频场合。2、与利用EBG结构缩减分支线耦合器尺寸的方案相比，该方法尺寸缩减性大，不会带来后向辐射，易于集成和封装。3、与利用高介电常数缩减分支线耦合器尺寸的方案相比，该方法介质损耗小，设计自由度大。4、与利用分形曲线或者蜿蜒线缩减分支线耦合器尺寸的方案相比，该方法建模简单，调试容易，设计自由度大。附图说明图1是基于DRC的CRLH传输线结构示意图；图2是50Ω的+90°移相线的S参数仿真结果，其中图2(a)为传输线结构的幅度响应仿真结果，图2(b)为传输线结构的相位特性仿真结果；图3是35Ω的+90°移相线的S参数仿真结果，其中图3(a)为传输线结构的幅度响应仿真结果，图3(b)为传输线结构的相位特性仿真结果；图4是分支线耦合器的测试结果，其中图4(a)为分支线耦合器的幅度响应测试结果，图4(b)为分支线耦合器的相位响应测试结果。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。如图1所示，一种CRLH传输线结构的等效电路结构，包括Cg表示交指电容，Cf则表示交指电容与微带线形成的边缘电容，L表示微带线的线电感，Lc和Cc所形成的谐振回路由DRC产生，C除了表示微带线的线电容外，还包括DRC与微带线之间的耦合电容。在这些电路参数当中，Cg和L位于串联谐振回路上，Cf、Lc、Cc以及C位于并联谐振回路上，它们之间的位置关系如图1所示。实施例1CRLH传输线结构的等效电路结构的设计方法本发明中，要设计的分支线耦合器的工作频率为1GHz，为了设计工作在该频率上的分支线耦合器，首先要分别设计50Ω的+90°移相线和35Ω的+90°移相线，通过仿真优化，表1和表2分别给出了这两种移相线的尺寸，图2和图3分别给出了它们的S参数仿真结果。表150Ω的+90°移相线的尺寸W1(mm)W2(mm)W3(mm)W4(mm)d(mm)L1(mm)4.053.752.151.3533.311.1L2(mm)L3(mm)g1(mm)g2(mm)g3(mm)n0.157.850.150.150.1514表235Ω的+90°移相线的尺寸W1(mm)W2(mm)W3(mm)W4(mm)d(mm)L1(mm)6.756.450.151.5524.26.45L2(mm)L3(mm)g1(mm)g2(mm)g3(mm)n0.156.250.150.150.1523由图2和图3可知，设计的50Ω移相线在1GHz处的|S11|、|S21|和Φ分别为-30.72dB、-0.24dB和+90°，设计的35Ω移相线在1GHz处的|S11|、|S21|和Φ分别为-28.14dB、-0.28dB和+89°。由此可见，这两个移相线基本达到了设计目标，可以用来构造小型化分支线耦合器。实施例2基于DRC的小型化分支线耦合器的性能利用实施例1设计的移相线构造了分支线耦合器，对该分支线耦合器进行实物加工和实验测量，图4给出了它的测试结果，由图4可知，在0.994GHz-1.007GHz范围内，分支线耦合器的|S11|小于-10dB，隔离度大于10dB，2端口的插入损耗波动小于3.66±0.31dB，3端口的插入损耗波动小于3.63±0.23dB，输出端口的幅度不平衡度小于0.3dB，输出端口的相位差为90°±5°。为突出本发明中分支线耦合器在尺寸上的优越性，将此分支线耦合器的面积与工作在1GHz的传统分支线耦合器相比，本发明中的分支线耦合器面积缩减了66％，此外，该分支线耦合器不会带来后向辐射，易于集成和封装，另外，该结构适用于任何频段，调试起来比较容易，同时具有较高的设计自由度。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3