小型化新型宽频带环形电桥

1、2006年8月第33卷第J期Aug. 2006Vol. 33 No. 4西安电子科技大学学报(门然科学版)JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY小型化新型宽频带环形电桥张鹏飞，龚书喜(西安电子科技大学天线与微波技术旅点实验室陕西两安710071)摘要：采用人工合成左/右手传输线结构设计了两种新型的小型宽频带坏形电桥.通过在电桥中用 士90枝竹代替290°枝节使坏形电桥的电路面积减小了 75%匚作于2GHz的第1种环形电桥的同相 输出带宽增加了 50%,180反相输岀带宽增加了 49%.通过在电桥中引入0。枝卩便第2种电桥可以对 具有0°90°18

2、0°和270。相差的两个信号进行同相或反相混合同相输出带宽增加了 38%.关键词：环形电桥；左手媒质；人工合成左/右手传输线 小图分类号-0411. 11 文献标识码：A文章編号:1001-2400 (2006) 04-0593-05New Compact Enhanced-Bandwidth Hybrid RingZHANG Petig-fei GQNG Shuxi(Key Lab. of Antennas and Micro wave Technology > Xidian Univ. Xian 710071 < China)Abstract:Two new comp

3、act enhanced-bandwidth hybrid rings using comjx)site right/left-handedtransmission lines are designed. The replacement of the 270° branch by 士90° ones results in al least 75% reduction in size of the hybrid ring compared with the conventional one. At the same lime* the bandwidths of the fi

4、rst hybrid ring operating at 2( J Hz arc enhanced by 50% in the in-phase operation# and 49% in the 180°-out-of-phase operation. The introduction of the 0° transmission line branches makes it possible that the second new hybrid ring be used as a mixer of two signals with 90°, 0° 9

5、0° or 180° phase difference. The bandwidth is enhanced by 38% in the in-phase operation.Key Words： hybrid ring;left-handed materials;composite right lefttransmission lines双负性材料即介电常数£和磁导率"同时为负的材料称为左手介质(LHMs)或后向波材料(BWMs)-1 . 从2000年Smith等人叩实验验证了左手材料以来丄HMs的独特性质引发了许多新的概念以及应用也被 引入到新的微波

6、器件设计中.最近，基于传输线等效电路的以及融合LHMs和右手介质(RHMs)的人工介成左/右手传输 线(CRIJI-TLs)5弓I发了许多新型微波器件和天线的设计6门.CRLH-TLs因具小的插入损耗较宽的频 带，以及町在同一结构上不同频段实现LHMs.RHMs和从LHMs过渡到RHMs的平衡状态，即零相位状 态的特性.在新型微波器件和天线设计当中得到广泛应用®I环形电桥是微波电路中的一种加本元件，可用作等幅同相和等幅反相功分器.微带线环形电桥因易于实现 平面结构而广泛应用于微波集成电路当中笔者设计了山CRLH-TLs实现的3个一90°支路和一个90°支路构 成的

7、坏形电桥以及采用2个0°支路、一个90°支路和一个一90。支路的环形电桥，并对其性能进行了分析.1 CRLH-TLs图1给出了 LHMs和RHMs以及CRLH传输线等效结构通过传输线分析理论可知：RH-TLs.LH- TLs,CRLH-TLs中的传输常数为y = a + p=(/中Z和T分别为单元电路的小联阻抗和并联导纳.收稿日期：2005-07-30基金项目：国家部委重大预研资助项11(10.2. 1. 4)作者简介：张鹏( 1979-).男西安电子科技大学博I:研究生.第4期张鹏E等：小型化新型宽频带环形电桥#从而有(1)(2)朋>0, pL =- (<O2

8、 LlCl)x/2 < 0,Brh. = S3 (/ SCr + 1/(/cl)-(Lr/Ll-Cr/Cl)1/2,卄-1, 如果 3 Vs = min(LRQ"2,(5Cr)-"2).其中S(OJ)= <|+ 1 如果 3 > 如=max( ( Lr Cl)_,/2 (Ll Cr )_1/2)若满足平衡条件，即 I.rCl = IjCr ,= 1/(LrCrLlCl)1m , 则 “=0 (a)RH-TLs(b)LH-TLSAM/|F£ Gir-T(c)CRLH-TLs第4期张鹏E等：小型化新型宽频带环形电桥#第4期张鹏E等：小型化新型宽频带环

9、形电桥595图1 RH-TLs丄H TLs.CRLH-TLs单元电路示意图山此可看出通过传输线电路实现了正、负和零相速这一特性将被应用到新型的环形电桥当中对应的 阻抗分别为 Zqr = (Lr/Cr),/Zol =(Ll/Cl)1/平衡态 Zorl = (Ll/Q)1/2 = (LR/CR)1/2.2新型环形电桥的设计图2(a)给出了传统坏形电桥的原理图.电桥山3个90°枝节和一个270°枝节构成通过相位关系可看出若1端 口输入则2和3端口等幅同相输出,4端口隔离;若4端口输入厕2和3端口等幅反相输出,1端口隔离若2和3 端I等幅同相输入，则信号在1端口栓加输出，4端口隔离

10、.若2和3端口等幅反相输入，则信号在4端口栓加输 出，1端口隔离.山于270。枝节的存在,使电路相位随频率变化较快、损耗较大，并且电桥而积较大，如图3所示.1(C)0°90°(d)图24种不同结构的坏形电桥示意图图2(b)给出了山3个90°枝节和1个一90。枝节构成的电桥图2(c)给出了山3个负90°枝节和1个90。 枝节构成的电桥两个电桥均町实现传统电桥的功能图2(d)给出了 |两个0。枝节，一个90。枝节和一个一 90。枝节构成的电桥通过相位关系可以看出若3端口输入则1和4端口等幅同相输出2端口隔离；若1 和4端口等幅同相输入则信号在3端口叠加输出，

11、2端口隔离若1和4端口等幅反相输入，则信号在2端图34种结构的相对尺寸示意图(仅画出微帯电路部分)口證加输出3端口隔离若2和3端口为输入端口3端口信号领先2端口信号90°则信号在1端口栓加输 出，4端口隔离若3端口信号领先2端口 270°,则信号在4端口稔加输出1端口隔离.在上述电路当中山于 用一90°枝节替代了 270。枝节，使电路损耗减小，频带变宽，并II使电桥面积大为减小上述所冇电桥当中枝 节阻抗值均为70. 7 端口阻抗为50 aI RH-TL I(b)0枝节图4枝节I.C等效图坏形电桥设计为微带电路采用RT/Druoid,ffi片疗度为1.57 mm.工

12、作的中心频率为2 GHz. 90°枝节 微带线对应于70.7 0宽度为277mm,50 Q端口对应的宽度为4.914 7 mm.图2(b)(d)电桥的一90。枝节采用 集总元件实现产生负相位的LH-TLs.：r.联的5°的传输线用來提高带宽旦 图4(a)所示元件值以以下初值來 优化C =2.0 pF,L = 9.4nH：3.0°枝节采用相位补偿，通过集总元件实现产生负和位的LH-Tl.s和RH- TI.s(等效于CRLH-T1当中的右手电感电容)正相位相百抵消来产生零相位如图4(b).3计算结果图5(a)给出了传统环形电桥的S参数图，图5(b)给出了电磁仿真的结果

13、，吻合较好图6给出了图2(b) 结构的S参数图，图6(b)给出了电磁仿真的结果，吻合较好验证了电磁仿真的可您性.图7和8给出了笔者所提出的结构即图2(c),(d)的S参数图和相位关系图.由图中曲线可看出，同相和 反相输出幅度的一3.5dB带宽人大加宽，输出幅度带内稳定.从相位输出曲线可看出无论同相输出还是反 相输出，两个输出端口的相位曲线变化一致，保证了相对相位的稳定.表1给出了参数关系.表1图2各参数图 2(a)图 2(b)图 2(c)图 2(d)3. 5dB同相输出频率范围/G Hz1.652. 251. 30732. 847 81.31072. 937 81.4232. 814相对帶宽(

14、相对2GHz)/%31.577.02581.35569. 553. 5 dB反相输出频率范M/GHz1.652. 251.3074 2.872 31. 333 92. 937 7相对带宽/%31.57& 3880. 19电路尺寸(平)/mm26 8802 75014001 400第4期张鹏E等：小型化新型宽频带环形电桥#qp、»*Y 凰5 5 5 12 3 - -9P、邃WY 泡1.52.5/GHz(b)仿真结果图5传统电桥的S参数1.5.-L5-VS1.52.5/GHz(a)文献3测址结果(a)文献3结果GU/G(b)仿真结果图6单一90。枝肖电桥的S参数 12 3 4 一

15、 qp、第粮v艰00o o Oo O2 1第4期张鹏E等：小型化新型宽频带环形电桥597/GHz/GHz(a)帼度(b)相位图73个一90°枝H电桥的输出福度和相位4结束语笔者提出的两种新型微带环形电桥，采用LHM-TLs和CRLH-TLs.通过引入一 90。枝节和0°枝节，在 减小了电路面积(75%以上)的同时将环形电桥的带宽增加了 一倍多拓宽了环形电桥在各种电路尤其是在 微波集成电路当中的应用并使原仅町用于±180°相差信号混合的电桥的功能拓展到可对土90°士270°相差 的信号进行混合.8P、崽悔 <舉angS3,4*丁a

16、ngS3> 1GHz（b）相位图82个0°和1个90° 1个一90°电桥的输出幅度和相位参考文献：1 Vcsclago V (；. The Electrodynamics of Substances with Simultancouscly Negative Values of e and j. Sov Phys -Usp> 1968. 10(4)： 509-514.2 Smith D R. Padilla W J. Vier I) (、 et al. Composite Medium with Simultaneously Negative Perm

17、eability and Permittivity J. Phys Rev Lett, 2000 84(18)： 4 184 -4 187 .3()kabe H Caloz C Itoh V. A Compact Enhanced-bandwidth Hybrid Ring Using an Artificial Lumped-element Lefthanded Tramsmission-line SectionTj J. IEEE I'rans on Microwave Theory and Techniques* 2004 52(3) ： 798-801.C'aloz (

18、、 Itoh T. Application of the Transmission Line Theory of I.eft-handed ( LI I) Materials to the Realization of a Microstrip LH Transmission LincAJ. IEEE APS Inti Symp: Vol 1C San Antonio： IEEE# 2002. 412-415.5 Lai A. Itoh T. Caloz C. Composite Right/Left-handed Transmission Line MelamatcrialsfJ . IEEE Microwave Magazine 2004, 5(3)： 34-50.6 Ziolkowski R C. Kipple A L. Application of Double Negative Materials to Increase the Power Radiated by E