专利名称：复合左右手传输线及其设计方法和基于该传输线的双工器的制作方法
技术领域：
本发明属于微波通信技术领域，尤其是涉及一种复合左右手传输线及其设计方法和基于该传输线的双工器。
背景技术：
早在1968年，前苏联科学家veselago就从理论上预言了介电常数和磁导率同时为负的左手材料的存在性和传统电磁介质所不具有的奇异电磁物理特性，如负折射率、倏逝波放大、逆多普勒效应、逆Cerenkov辐射、完美棱镜等。然而，其理论成果在很长一段时间内并没引起国际上的重视。直到2000年，Smith在Pendry等人工作的基础上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，其研究才进入实质性研究阶段; 然而，其体积大、带宽窄、损耗大以及需要严格极化方向的电磁入射波激励等缺点限制了其在微波工程中的应用。虽然之后新结构的低损耗左手材料层出不穷，如Chen等报道的S形状的左手材料，Ran等设计的Ω形状的左手材料，Lagarkov等研究的螺旋结构的左手材料， 以及V. A. Fedotov报道的鱼网形状的平板超材料等，但都均由于立体结构限制了各自在平面微波器件中的应用。很快2002年Eleftheriades带领的研究小组以及Itoh和Caloz领导的研究小组，分别提出了周期加载集总或者分布并联电感和串联电容的平面非谐振式CRLH TL结构。 2004年，F. Falcone领导的西班牙课题组提出了 CSRRs结构并验证了其在特定频段内能产生负介电常数效应，并提出CSRRs的负介电常数频段与微带缝隙电容提供的负磁导率频段复合可以制作成双负谐振式CRLH TL，该领域的研究开辟了平面CRLH TL研究的另外一个重要分支，大量的小型化微波器件被制作出来。然而，基于CSRRs结构的谐振式CRLH TL的高频带外抑制度差、左手带宽还较窄，左手通带与右手通带难于调节工作于平衡态等缺点使得其在实际应用中问题越来越突出。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。目前双工器主要以下四类，波导双工器、同轴双工器、介质双工器以及声表面波双工器等。同轴双工器体积较大，而波导双工器、介质双工器和声表面双工器的成本较高。随着移动通信技术的发展，微带形式的双工器因成本低、易集成、频段可向高端发展等优点得到了工程设计师们的青睐。在微带双工器领域研究人员提出了很多技术与方法，如M. H. Capstick的低通高通滤波器方法， Sarayut Srisathit报道的发夹滤波器技术，Z. -H. Bao的开口环谐振器滤波技术，Berndie Strassner报道的枝节加载技术，Z. C. Hao的基片集成波导方法，J. Bonache的CSRRs技术， Titos Kokkinos提出的螺旋传输线技术，C. -W. Tang报道的低温共烧技术，Caloz提出的多层CRLH TL和安建的基于集总元件加载的非谐振式CRLH TL方法等。但现有的双工器技术都存在一些缺陷，如设计方法复杂，受集总元件自身谐振限制，频率不能做高，加工过程比较繁琐且价格昂贵或者电路尺寸较大不易推广等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种左手通带与右手通带之间能实现无缝过渡、左手通带与右手通带之间没有阻带且左手通带与右手通带极易调整使其工作于平衡态的复合左右手传输线。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种复合左右手传输线，其特征在于包括刻蚀在微带线接地层上的互补开口单环谐振器对和刻蚀在所述微带线导带上的微带缝隙，所述微带缝隙位于互补开口单环谐振器对的正上方；所述互补开口单环谐振器对包括两个结构和尺寸均相同且呈对称布设的开口单环谐振器，所述开口单环谐振器为刻蚀在微带线接地层上且一侧中部带有开口的谐振环，两个所述开口单环谐振器中的两个所述开口布设在互补开口单环谐振器对的正中部；所述微带线接地层、刻蚀在微带线接地层上的互补开口单环谐振器对、微带线导带和刻蚀在微带线导带上的微带缝隙组成一个基于互补开口单环谐振器对的CRLH TL单元，所述基于互补开口单环谐振器对的CRLH TL单元为CRLH TL单元A。上述复合左右手传输线，其特征是所述谐振环的形状为矩形，且
t^xl00% < 5%,式中b为所述谐振环的长度，a为所述谐振环的宽度。 b上述复合左右手传输线，其特征是所述互补开口单环谐振器对中的两个所述开口单环谐振器呈左右对称布设，且所述开口单环谐振器中的谐振环内部刻蚀有上下两个环形槽，上下两个所述环形槽的结构和尺寸均相同且二者以所述谐振环的中心线为对称轴进行对称布设，上下两个所述环形槽的起始端分别与所述谐振环开口处的两端相接；所述互补开口单环谐振器对内部所设置所述环形槽的数量为4个，两个所述开口单环谐振器内部所设置的环形槽呈左右对称布设，且所述环形槽为分形几何结构，4个分形几何结构组成分形几何单元；所述微带线接地层、刻蚀在微带线接地层上的互补开口单环谐振器对、微带线导带、刻蚀在微带线导带上的微带缝隙和刻蚀在互补开口单环谐振器对内部的分形几何结构组成一个基于互补开口单环谐振器对和分形几何结构的CRLH TL单元，所述基于互补开口单环谐振器对和分形几何结构的CRLH TL单元为CRLH TL单元B。上述复合左右手传输线，其特征是所述分形几何结构包括分形曲线一、始端与分形曲线一末端相接的分形曲线二、始端与分形曲线二末端相接的分形曲线三和始端与分形曲线三末端相接的分形曲线四，所述分形曲线一的始端与所述谐振环开口处的一个端头相接；所述分形曲线二、分形曲线三和分形曲线四均为迭代因子IF为1/3且迭代次数为2的 Koch分形曲线，所述分形曲线一为迭代因子IF为1/3且迭代次数为1的Koch分形曲线。上述复合左右手传输线，其特征是所述CRLH TL单元B中还刻蚀有4个用于调整 CRLH TL单元B工作频率的斜槽，4个所述斜槽的结构和尺寸均相同，且4个所述斜槽的起始端分别与4个分形几何结构中分形曲线四的末端相接，4个所述斜槽以所述CRLH TL单元 B的中心线为对称线进行对称布设。同时，本发明还提供了一种电路设计合理、结构紧凑、体积小且带宽宽、选择性好的双工器，其特征在于包括两个分别工作在不同频段下的CRLH TL单元B，且两个所述 CRLH TL单元B分别为CRLH TL单元B —和CRLH TL单元B 二 ；所述CRLH TL单元B —的输入端口和输出端口分别为输入端口一和输出端口一，CRLH TL单元B 二的输入端口和输出端口分别为输入端口二和输出端口二，所述输出端口一与输入端口二相接后形成双工器的一个端口，且输入端口一和输出端口二分别为双工器的另外两个端口。同时，本发明还提供了一种设计合理、设计方法简单、实现方便且所设计完成的 CRLH TL单元A使用效果好的复合左右手传输线设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、构建等效电路模型一首先，构建所述CRLH TL单元A的等效电路模型一；所述 CRLH TL单元A包括一个串联加载在输入端口与输出端口之间的串联电路一和一个并联加载在所述串联电路一上的并联支路一，所述串联电路一由两个电容2Cg和两个电感Ls/2串接组成，两个所述电感1^/2分别与输入端口和输出端口相接，且两个所述电容2(8相串接后串联接在两个所述电感Ls/2之间，所述并联支路一由电容C和并联对地谐振回路一串接组成；所述并联对地谐振回路一包括电容CP、电容Ck和电感LP，所述电容Ck和电感Lp串接后并接在电容Cp两端；两个所述电容2CgW相接点与电容C的一端相接，且所述电容C的另一端分两路，一路经电容Cp后接地，另一路经电感Lp和电容Ck接地；其中，Ls为微带线的电感，Cg为微带缝隙的缝隙电容，C为微带线导带与互补开口单环谐振器对之间所产生的边缘效应对应的电容值和所述微带线的线电容之和，所述并联对地谐振回路一为互补开口单环谐振器对的等效电路；其中，电容2Cg的电容量为电容Cg电容量的2倍，电感Ls/2的电感量为电感Ls电感量的1/2;步骤二、拟合得出满足设计条件的多组集总电路参数值根据需设计所述CRLH TL 单元A的各项电路性能指标，利用计算机在电路仿真软件中建立步骤一中所构建的等效电路模型一，并相应拟合出为实现上述各项电路性能指标所述等效电路模型一需满足的多组集总电路参数值，且每一组集总电路参数值均包括所述等效电路模型一中电容C、Cg、Cp和 Ck以及电感1^和Lp的数值；此时，步骤一中所构建的等效电路模型一为集总电路，且所述设计条件为所述CRLH TL单元A的各项电路性能指标；步骤三、集总电路参数值验证通过布洛赫分析对步骤二中拟合出的多组集总电路参数值分别进行验证，且对每一组集总电路参数值的验证方法均相同；实际对任一组集总电路参数值进行验证时，根据此时被验证的该组集总电路参数值对步骤一中所述的CRLH TL单元A进行布洛赫分析，并相应判断得出所述CRLH TL单元 A是否满足各项电路性能指标当所述CRLH TL单元A满足各项电路性能指标时，则该组集总电路参数值为经过验证满足所述设计条件的集总电路参数值；否则，应对多组所述集总电路参数值中下一组被验证的集总电路参数值进行验证，直至在多组所述集总电路参数值中找出一组经过验证满足所述设计条件的集总电路参数值；步骤四、物理结构参数确定根据步骤三中找出的经过验证满足所述设计条件的集总电路参数值，同时结合微带线导带所处微带介质板的结构参数和介电常数，对所述 CRLH TL单元A中互补开口单环谐振器对、微带缝隙和微带线导带的物理结构参数进行确定。上述复合左右手传输线的设计方法，其特征是步骤三中根据此时被验证的该组集总电路参数值对步骤一中所述的CRLH TL单元A进行布洛赫分析时，先将该组集总电路参数值中各项数值分别代入所述等效电路模型一，并获得与该组集总电路参数值相对应的 CRLH TL单元A，之后再判断与该组集总电路参数值相对应的CRLH TL单元A是否满足各项
权利要求
1.一种复合左右手传输线，其特征在于包括刻蚀在微带线接地层(1)上的互补开口单环谐振器对( 和刻蚀在所述微带线导带(4)上的微带缝隙(3)，所述微带缝隙(3)位于互补开口单环谐振器对O)的正上方；所述互补开口单环谐振器对(2)包括两个结构和尺寸均相同且呈对称布设的开口单环谐振器，所述开口单环谐振器为刻蚀在微带线接地层 (1)上且一侧中部带有开口的谐振环，两个所述开口单环谐振器中的两个所述开口布设在互补开口单环谐振器对O)的正中部；所述微带线接地层(1)、刻蚀在微带线接地层(1)上的互补开口单环谐振器对O)、微带线导带(4)和刻蚀在微带线导带(4)上的微带缝隙(3) 组成一个基于互补开口单环谐振器对O)的CRLH TL单元，所述基于互补开口单环谐振器对(2)的CRLH TL单元为CRLH TL单元A。
2.按照权利要求1所述的复合左右手传输线，其特征在于所述谐振环的形状为矩形，且t^xl00% < 5%,式中b为所述谐振环的长度，a为所述谐振环的宽度。b
3.按照权利要求1或2所述的复合左右手传输线，其特征在于所述互补开口单环谐振器对O)中的两个所述开口单环谐振器呈左右对称布设，且所述开口单环谐振器中的谐振环内部刻蚀有上下两个环形槽，上下两个所述环形槽的结构和尺寸均相同且二者以所述谐振环的中心线为对称轴进行对称布设，上下两个所述环形槽的起始端分别与所述谐振环开口处的两端相接；所述互补开口单环谐振器对( 内部所设置所述环形槽的数量为4个， 两个所述开口单环谐振器内部所设置的环形槽呈左右对称布设，且所述环形槽为分形几何结构(9)，4个分形几何结构(9)组成分形几何单元；所述微带线接地层(1)、刻蚀在微带线接地层(1)上的互补开口单环谐振器对O)、微带线导带G)、刻蚀在微带线导带(4)上的微带缝隙(3)和刻蚀在互补开口单环谐振器对O)内部的分形几何结构(9)组成一个基于互补开口单环谐振器对(2)和分形几何结构(9)的CRLH TL单元，所述基于互补开口单环谐振器对(2)和分形几何结构(9)的CRLH TL单元为CRLH TL单元B。
4.按照权利要求3所述的复合左右手传输线，其特征在于所述分形几何结构(9)包括分形曲线一、始端与分形曲线一末端相接的分形曲线二、始端与分形曲线二末端相接的分形曲线三和始端与分形曲线三末端相接的分形曲线四，所述分形曲线一的始端与所述谐振环开口处的一个端头相接；所述分形曲线二、分形曲线三和分形曲线四均为迭代因子IF 为1/3且迭代次数为2的Koch分形曲线，所述分形曲线一为迭代因子IF为1/3且迭代次数为1的Koch分形曲线。
5.按照权利要求4所述的复合左右手传输线，其特征在于所述CRLHTL单元B中还刻蚀有4个用于调整CRLH TL单元B工作频率的斜槽(10)，4个所述斜槽(10)的结构和尺寸均相同，且4个所述斜槽(10)的起始端分别与4个分形几何结构(9)中分形曲线四的末端相接，4个所述斜槽(10)以所述CRLH TL单元B的中心线为对称线进行对称布设。
6.一种由权利要求3所述复合左右手传输线制成的双工器，其特征在于包括两个分别工作在不同频段下的CRLH TL单元B，且两个所述CRLHTL单元B分别为CRLH TL单元B 一和CRLH TL单元B 二 ；所述CRLH TL单元B—的输入端口和输出端口分别为输入端口一和输出端口一，CRLH TL单元B 二的输入端口和输出端口分别为输入端口二和输出端口二， 所述输出端口一与输入端口二相接后形成双工器的一个端口，且输入端口一和输出端口二分别为双工器的另外两个端口。
7.—种对如权利要求1所述复合左右手传输线进行设计的方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、构建等效电路模型一首先，构建所述CRLH TL单元A的等效电路模型一；所述 CRLH TL单元A包括一个串联加载在输入端口与输出端口之间的串联电路一和一个并联加载在所述串联电路一上的并联支路一，所述串联电路一由两个电容2Cg和两个电感Ls/2串接组成，两个所述电感1^/2分别与输入端口和输出端口相接，且两个所述电容2(8相串接后串联接在两个所述电感Ls/2之间，所述并联支路一由电容C和并联对地谐振回路一串接组成；所述并联对地谐振回路一包括电容CP、电容Ck和电感LP，所述电容Ck和电感Lp串接后并接在电容Cp两端；两个所述电容2CgW相接点与电容C的一端相接，且所述电容C的另一端分两路，一路经电容Cp后接地，另一路经电感Lp和电容Ck接地；其中，Ls为微带线的电感，Cg为微带缝隙(3)的缝隙电容，C为微带线导带(4)与互补开口单环谐振器对(2)之间所产生的边缘效应对应的电容值和所述微带线的线电容之和，所述并联对地谐振回路一为互补开口单环谐振器对⑵的等效电路；其中，电容2Cg的电容量为电容Cg电容量的2倍， 电感Ls/2的电感量为电感Ls电感量的1/2 ；步骤二、拟合得出满足设计条件的多组集总电路参数值根据需设计所述CRLH TL单元A的各项电路性能指标，利用计算机在电路仿真软件中建立步骤一中所构建的等效电路模型一，并相应拟合出为实现上述各项电路性能指标所述等效电路模型一需满足的多组集总电路参数值，且每一组集总电路参数值均包括所述等效电路模型一中电容C、Cg、Cp和Ck 以及电感1^和Lp的数值；此时，步骤一中所构建的等效电路模型一为集总电路，且所述设计条件为所述CRLH TL单元A的各项电路性能指标；步骤三、集总电路参数值验证通过布洛赫分析对步骤二中拟合出的多组集总电路参数值分别进行验证，且对每一组集总电路参数值的验证方法均相同；实际对任一组集总电路参数值进行验证时，根据此时被验证的该组集总电路参数值对步骤一中所述的CRLH TL单元A进行布洛赫分析，并相应判断得出所述CRLH TL单元A是否满足各项电路性能指标当所述CRLH TL单元A满足各项电路性能指标时，则该组集总电路参数值为经过验证满足所述设计条件的集总电路参数值；否则，应对多组所述集总电路参数值中下一组被验证的集总电路参数值进行验证，直至在多组所述集总电路参数值中找出一组经过验证满足所述设计条件的集总电路参数值；步骤四、物理结构参数确定根据步骤三中找出的经过验证满足所述设计条件的集总电路参数值，同时结合微带线导带(4)所处微带介质板的结构参数和介电常数，对所述 CRLH TL单元A中互补开口单环谐振器对O)、微带缝隙(3)和微带线导带(4)的物理结构参数进行确定。
8.按照权利要求7所述的复合左右手传输线的设计方法，其特征在于步骤三中根据此时被验证的该组集总电路参数值对步骤一中所述的CRLHTL单元A进行布洛赫分析时，先将该组集总电路参数值中各项数值分别代入所述等效电路模型一，并获得与该组集总电路参数值相对应的CRLH TL单元A，之后再判断与该组集总电路参数值相对应的CRLH TL单元 A是否满足各项电路性能指标，且其分析及判断过程如下.3011、右手通带的下限频率计算令^伸)]=1^^ =…计算得出所述CRLH TL单元A右手通带的下限频率
9. 一种对如权利要求3所述复合左右手传输线进行设计的方法，其特征在于该方法包括以下步骤第一步、构建等效电路模型二 首先，构建所述CRLH TL单元B的等效电路模型二 ；所述 CRLH TL单元B包括一个串联加载在输入端口与输出端口之间的串联电路二和两个并联加载在所述串联电路二上的并联支路二，所述串联电路二由两个电容2Cg和两个电感Ls/2串接组成，两个所述电感1^/2分别与输入端口和输出端口相接，且两个所述电容2(8相串接后串联接在两个所述电感1^/2之间；两个所述并联支路二的电路结构相接且二者分别为并联支路二 A和并联支路二 B，所述并联支路二 A由电容C1和并联对地谐振回路二 A串接组成， 所述并联支路二 B由电容C2和并联对地谐振回路二 B串接组成；所述并联对地谐振回路二 A包括电容Cpi、电容Cki和电感Lpi，所述电容Cki和电感Lpi串接后并接在电容Cpi两端；两个所述电容2Cg的相接点与电容(^的一端相接，且所述电容C1的另一端分两路，一路经电容Cpi后接地，另一路经电感Lpi和电容Cki接地；所述并联对地谐振回路二 B包括电容CP2、 电容Ck2和电感Lp2，所述电容Ck2和电感Lp2串接后并接在电容Cp2两端；两个所述电容2Cg 的相接点与电容(2的一端相接，且所述电容C2的另一端分两路，一路经电容Cp2后接地，另一路经电感Lp2和电容Ck2接地；其中，Ls为微带线的电感，Cg为微带缝隙⑶的缝隙电容， C1为微带线导带(4)与互补开口单环谐振器对(2)之间相互作用产生的等效电容值和微带线导带(4)与互补开口单环谐振器对( 之间所产生的边缘效应对应的电容值之和，C2为微带线导带(4)与分形几何单元之间相互作用产生的等效电容值和微带线导带(4)与分形几何单元之间所产生的边缘效应对应的电容值之和，所述并联对地谐振回路二 A为互补开口单环谐振器对O)的等效电路，所述并联对地谐振回路二 B为所述分形几何单元的等效电路；其中，电容2Cg的电容量为电容Cg电容量的2倍，电感Ls/2的电感量为电感Ls电感量的1/2 ；第二步、拟合得出满足设计条件的多组集总电路参数值根据需设计所述CRLH TL单元B的各项电路性能指标，利用计算机在电路仿真软件中建立第一步中所构建的等效电路模型二，并相应拟合出为实现上述各项电路性能指标所述等效电路模型二需满足的多组集总电路参数值，且每一组集总电路参数值均包括所述等效电路模型二中电容Cp C2, Cg、CP1、 Cki> Cp2和Ck2以及电感Ls、Lpi和Lp2的数值；此时，步骤一中所构建的等效电路模型二为集总电路，且所述设计条件为所述CRLH TL单元B的各项电路性能指标；第三步、集总电路参数值验证通过布洛赫分析对第二步中拟合出的多组集总电路参数值分别进行验证，且对每一组集总电路参数值的验证方法均相同；实际对任一组集总电路参数值进行验证时，根据此时被验证的该组集总电路参数值对第一步中所述的CRLH TL单元B进行布洛赫分析，并相应判断得出所述CRLH TL单元B是否满足各项电路性能指标当所述CRLH TL单元B满足各项电路性能指标时，则该组集总电路参数值为经过验证满足所述设计条件的集总电路参数值；否则，应对多组所述集总电路参数值中下一组被验证的集总电路参数值进行验证，直至在多组所述集总电路参数值中找出一组经过验证满足所述设计条件的集总电路参数值；第四步、物理结构参数确定根据第三步中找出的经过验证满足所述设计条件的集总电路参数值，同时结合微带线导带(4)的结构参数和介电常数，对所述CRLH TL单元B中互补开口单环谐振器对O)、微带缝隙(3)、微带线导带(4)和分形几何结构(9)的物理结构参数进行确定。
10.按照权利要求9所述的复合左右手传输线设计方法，其特征在于第三步中根据此时被验证的该组集总电路参数值对第一步中所述的CRLHTL单元B进行布洛赫分析时，先将该组集总电路参数值中各项数值分别代入所述等效电路模型二，并获得与该组集总电路参数值相对应的CRLH TL单元B，之后再判断与该组集总电路参数值相对应的CRLH TL单元B 是否满足各项电路性能指标，且其分析及判断过程如下·3021、右手通带的下限频率计算令^ ]= 1^^ =…计算得出所述CRLH TL单元B右手通带的下限频率=l/2〃V^ ；·3022、左手通带下边带带外传输零点和右手通带上边带传输零点的频率计算分别根据公式/n = ^-L^r +fr JOfr2 = H+》2 + 买，计算得出CRLH TL单元B左手通带下边带带外传输零点的频率f 和右手通带上边带传输零点的频率fT2 ；·3023、左手通带的上限频率计算
全文摘要
本发明公开了一种复合左右手传输线及其设计方法和基于该传输线的双工器，其复合左右手传输线为由互补开口单环谐振器对和微带缝隙组成的CRLH TL单元A或者由互补开口单环谐振器对、分形几何结构和微带缝隙组成的CRLH TL单元B；其设计方法为一、构建等效电路模型；二、拟合出多组集总电路参数值；三、集总电路参数值验证；四、确定物理结构参数；其双工器包括两个CRLH TL单元A或两个CRLH TL单元B。本发明所采用CRLH TL单元的左手与右手通带间能实现无缝过渡且左手与右手通带极易调整使其工作于平衡态，同时优化设计方法简单、实现方便且设计效果好，另外所合成双工器结构紧凑、体积小且带宽宽、选择性好。
文档编号H03H7/01GK102299697SQ20111014349
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者张晨新, 王光明, 许河秀 申请人:许河秀