《电子技术应用》
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基于复合左右手传输线的双频不等分功分器
2019年电子技术应用第1期
林剑欣,余 凯,李思臻,章国豪
广东工业大学 信息工程学院,广东 广州510000
摘要: 采用复合左右手(CRLH)传输线(TL)替代传统的四分之一波长阻抗变换器,设计了一种小型化且能同时工作在两个频率的不等分功率分配器(功分器),有效解决了传统功分器只能工作在指定的频率及其奇次谐波处的问题。通过理论分析,结合CAD软件进行仿真优化,设计了能同时工作于1 GHz和2.2 GHz,功率比为2的双频不等分功分器。理论和仿真结果显示,输入端匹配良好,并且两个输出端实现隔离。仿真结果和理论结果趋势吻合,验证了该方法的可行性。
中图分类号: TN626
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181350
中文引用格式: 林剑欣,余凯,李思臻,等. 基于复合左右手传输线的双频不等分功分器[J].电子技术应用,2019,45(1):19-22.
英文引用格式: Lin Jianxin,Yu Kai,Li Sizhen,et al. An unequal dual-band power divider with composite left/right-handed transmission lines[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(1):19-22.
An unequal dual-band power divider with composite left/right-handed transmission lines
Lin Jianxin,Yu Kai,Li Sizhen,Zhang Guohao
School of Information,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510000,China
Abstract: Aiming at overcoming the drawback that a conventional power divider can only operate at a fixed frequency and its odd harmonics, a miniaturized unequal power divider operating at 1 GHz and 2.2 GHz is presented. The miniaturization is achieved by realizing the power divider′s impedance transformer using composite right/left-handed(CRLH) transmission lines(TLs). According to the theoretical and simulated results, the input terminal of the divider has good return loss and output terminals have good isolation result. Simulation result agrees well with theoretical one, which verifies the feasibility of this method.
Key words : dual-band component;unequal power divider;CRLH;miniaturization

0 引言

    功率分配器(功分器)作为微波系统的基本元件,在阵列天线、功率放大器、混频器等微波系统中都有很广泛的应用[1]。同时,不等分功器也频繁地出现在这些应用中。随着多频通信系统的发展,针对双频带的不等分功分器已经出现了大量的研究[2]。为了实现不等分功分器的双频工作,复合左右手传输线(CRLH TL)被用于不等分功分器的设计[3]

    本文首先通过理论分析,导出基于CRLH TL的不等分功分器的S参数。然后,通过应用CRLH TL的双频特性,结合不等分功分器的结构设计了一款能够同时工作在1 GHz和2.2 GHz的双频不等分功器。并使用CAD软件对电路进行电磁仿真和电路参数优化,最后通过对比仿真和实验测试结果,验证了理论的正确性。

1 不等分功分器的电路结构

    基于CRLH TL的不等分功分器的电路结构如图1所示。

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其中,CRLH TL的特征阻抗为Zk1,Zk2。R为端口2和端口3的隔离电阻。

    四分之一波长CRLH TL的ABCD参数为:

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其中,Zin1和Zin2为特征阻抗,分别为Zk1和Zk2的CRLH TL端接负载时的输入阻抗,在确定CRLH TL的结构后,可由式(2)计算得出。

    端口1的反射系数为:

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    为了计算S23,先让端口1端接负载Z0,然后通过分析该二端口网络来获得端口2、端口3的耦合情况。如图2所示,可用Π型等效网络来表示这个二端口网络[5]

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    该二端口网络实际上由特征阻抗为Zk1的CRLH TL、并联电阻Z0和特征阻抗为Zk2的CRLH TL级联而成。可先求出各个部分的ABCD参数,相乘后将ABCD参数转换成Y参数即可。该二端口网络的ABCD参数为:

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    当G=1/R=-Y23时,端口2和端口3去耦合。同时,隔离电阻也可以由式(10)求出:

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2 双频四分之一波长CRLH TL

    CRLH TL一个单元的集总元件(LE)等效模型如图3所示。

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    为了说明CRLH TL的双频特性,令LR=2.5 nH,CR=1 pF,LL=2.5 nH,CL=1 pF,N=10。此时CRLH TL的特征阻抗ZC=ZR=ZL=50 Ω,属于平衡的CRLH TL。在图4中做出CRLH TL的解卷绕相位响应(Unwarpped Phase),图4中的PRH和PLH的相位响应可以通过分别令LL=0,CL=0和LR=0,CR=0来获得。

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    可以通过合理地设置LR、CR、LL、CL来改变CRLH TL相位响应的偏移量(offset)和斜率(slope)。

    对于单节四分之一波长PRH传输线,在工作频率为f1时,相位响应为-π/2。在工作频率为f2=3f1时,相位响应为-3π/2。若要在任意两个频率(f1,f2)实现(-π/2,-3π/2)的相位响应,可通过使φC(f1)=-π/2,φC(f2)=-3π/2,求解式(5)、式(6)、式(11)来获得LE等效模型的元件值,然后再寻找合适的物理结构加以实现。

    本文通过使用SMT片上元件结合传输线来实现N个单元的CRLH TL,如图5所示。

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    在确定工作频率(f1,f2)所对应的相位响应(-π/2,-3π/2)后,使用如下设计公式[6],可以直接计算出图5所示的N个单元组成的CRLH TL的LE等效模型元件值。

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    令Zk1=ZR1=ZL1=51.5 Ω,f1=1 GHz,f2=2.2 GHz,N=2代入式(12)、式(13)求解方程可得LR1=9.39 nH,CR1=3.54 pF,LL1=22.8 nH,CL1=8.59 pF。同理,令Zk2=ZR2=ZL2=103 Ω,N=2,求解方程可得LR2=18.1 nH,CR2=1.77 pF,LL2=45.5 nH,CL2=4.29 pF,其中LL和CL均可使用集总元件实现。

    最后,将LR、CR代入式(9)可算出φRH均为-2.29,则图3中两侧传输线电长度的总和为131°。具体的θ1和θ2不需要相等,可根据外部电路作调整。

3 仿真设计

    传统的单频不等方法功分器的分支线为四分之一波长传输线。若想在任意两个频率下引入(-π/2,-3π/2)的相位响应,可将传统不等分功分器分支线使用CRLH TL实现,原理图如图6所示。

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    仿真结果采用厚度为1 mm,介电常数和损耗角正切分别为εr=4.4@1 GHz,tanδ=0.01@1 GHz的FR4板材作为衬底。

    如图7所示,由于SMT片上元件均为离散值,因此LL和CL可以选取最接近理论计算结果的SMT片上元件值,通过EM和原理图联合仿真对电路参数优化,优化后的电路元件参数值示于表1。

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    将仿真结果显于图8和图9,并结合式(21)~式(24)的理论计算结果进行对比。在1 GHz和2.2 GHz时,理论值与仿真结果的S11和S23均小于-20 dB,这表明端口1在这两个工作频率均匹配,并且端口2和端口3去耦合。同时,在1 GHz和2.2 GHz时,理论值与仿真结果的Δ=S21-S31≈3 dB。这表明端口2和端口3的功率比约为2。

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4 结论

    本文分析了CRLH TL的相位响应,并利用其双频特性,通过使用SMT片上元件结合传输线的结构实现了双频四分之一波长CRLH TL,并将其应用到不等分功分器以实现双频工作。最后,通过理论分析推导出这种三端口网络的S参数,通过CAD软件进行仿真验证并优化设计。理论分析结果与仿真数据基本吻合,验证了理论的正确与设计的可行性。

参考文献

[1] POZAR D M.Microwave engineering(3rd ed)[M].New York:Wiley Press,2005.

[2] 范海军,周希朗.新型小型化超宽带功率分配器的设计[J].电子技术应用,2011,34(23):20-22,26.

[3] PARK M J.Dual-band unequal power divider with simplified structure[J].IET Microwaves Antennas & Propagation,2011,5(15):1891-1896.

[4] YANG I,KAHNG S,KAHNG K S,et al.Dual-band unequal power divider miniaturized by fully printed CRLH phase shift lines[C].Proceedings of the 43rd European Microwave Conference,2013:140-143.

[5] ROBERT E C.Foundations for microwave engineering(2nd ed)[M].New York:Wiley Press,2001:394-480.

[6] LIN I H,VINCENTIS M D,CALOZ C,et al.Arbitrary dual-band components using composite right/left-hand-ed transmission lines[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2004,52(4):1142-1149.



作者信息:

林剑欣,余  凯,李思臻,章国豪

(广东工业大学 信息工程学院,广东 广州510000)

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