一种基于复合传输线的正交模变换器

一种基于复合传输线的正交模变换器

1复合整体结构的工作原理左手综合征材料是自然界上不存在的合成材料。介电常数和磁导率同时为负。另一方面，平面波在左材料中的传播具有反平行的相速度和相对速度。这种传播特征决定了左材料具有许多奇怪的性质。具有上述平面波传播特性的传输线称为左手传输线。左手传输线结构的理论基础是传输线理论,右手传输线可以等效成串联电感和并联电容组成的分布参数电路如图1所示,而将电感和电容的位置调换就得到左手传输线。根据传输线理论。由于寄生电容,寄生电感的存在,不存在纯粹的左手传输线,所以更一般的考虑是左右手复合传输线,也即同时存在串联电感LＲ,串联电容CＬ,并联电感LＬ,并联电容CＲ［１］。传统的微波器件一般仅能工作在一个特定的频带上,而双频器件是指1个器件可以同时在2个不相关的频带内实现功能,复合左右手传输线具有非线性相移的特性,可以用来设计双频器件。正交模变换器是为紧缩场用馈源喇叭天线提供平衡馈电的重要器件,起到功分和反相的作用。在紧缩场的测试中有时需要正交模变换器工作在非标频段的2个边频处,借助于复合左右手传输线的双频特性,可以设计一个微带电路来实现功能。2基础研究2.1复合整体网位下复合面临的挑战表征传输线特性的2个基本量是特性阻抗和相位响应,特性阻抗决定了传输线的匹配状况,相位响应决定了传输线的工作特征。普通右手传输线的相位响应具有线性性质。所以不能在2个不相关的频点上同时满足相位要求［２］。如图2所示的复合左右手传输线相位响应曲线,与右手传输线的线性响应不同,复合左右手传输线的相位响应具有非线性特征,设计传输线的参量可以使其在任意2个不相关的频点上工作,从而可以利用复合左右手传输线实现正交模变换器的双频工作特性。工作频点分别为1.9GHz和2.6GHz。2.2传播常数及特性阻抗考虑无耗的复合左右手传输线,并且满足LＲCＬ=LＬCＲ,可得传播常数及特性阻抗［１］:将(ω１,β１),(ω２,β２)代入式(1),并另Zｃ=Zｔ(Zｔ为终端负载阻抗),求解可得:2.3复合左身传输线的结构采用巴伦结构实现功分和反相的功能［３－１１］,在巴伦结构中通过复合左右手传输线和右手传输线的耦合实现双频的功能。复合左右手传输线采用由交指电容和接地短桩电感构成的微带型结构如图3所示,交指电容和短桩电感分别提供了左手材料CＬ和LＬ的影响。右手材料的电容CＲ增加了路径和地之间的电容,右手材料的电感LＲ则是由交指电容的指间流过电流产生的磁通量引起的。计算CＬ和LＬ的经验公式如下［１］:式中:h为介质基板的厚度,Zｃ为特性阻抗。3模拟和结果3.1耦合线2.4波长结合上述原理分析,微带介质基板选用聚四氟乙烯,介电常数为2.65,板厚为1.5mm,表面导体层厚为0.018mm,确定正交模变换器各部分尺寸:巴伦耦合线长度1/4波长(2.275GHz对应的波长),中心传输线线宽3mm,线间距0.56mm。复合左右手传输线交指电容指长5.08mm,指宽0.24mm,交指电容指间间距为0.11mm,短桩电感线长9mm,线宽0.39mm。耦合线线间距相比交指电容指宽要宽很多,以减小电路性能对尺寸的灵敏度,使其在加工精度允许的范围内保证电路的性能。输出端2段微带线长1/4波长,线宽2.8mm。在输入端口处加50Ω过渡连接部分,长度可视电路整体尺寸而定,这样有利于与同轴接头的匹配连接,如图4所示。3.2桥后回波的影响电桥对驻波有较大影响,并且电桥高度降低可以改善驻波。电桥影响驻波的作用机制是通过在隔离端口和输出端口间建立波通道。从输出端反射回来的波有一部分通过电桥先进入另一侧的副耦合线再耦合到主耦合线,这两部分波叠加并抵消以起到降低回波的作用。电桥的高度越低,通过电桥的电磁能量越高从而能更大程度降低驻波。仿真发现加入电桥使得输出端口和隔离端口之间的传输参数增加证实了这一点。另外,相位不平度对电桥的位置变化较为敏感,为了得到较低的相位不平度,需要微调电桥的位置。由于在测试中需要将电桥焊接到电路板上,而电桥的尺寸较小,在焊接过程中不容易精确控制电桥的位置,所以需要根据实验调试的结果确定电桥的最终焊接状态。3.3位差仿真结果双频正交模变换器实物图如图5所示,驻波比仿真结果与测试结果如图6所示,幅度不平度仿真结果与测试结果如图7所示,输出端口间相位差仿真结果与测试结果如图8所示。可以看出,上边频处驻波比在3以下,下边频处驻波比在1.5以下,整个频带内的驻波比都不超过3,表明在整个频带内匹配情况良好。幅度不平度在整个频带内小于0.5dB。输出端口间相位差在2个边频点处都在180°附近,相位不平度小于2°,在整个频带内的相位不平度小于8°。表明正交模变换器主要在上下边频处实现功分和反相的功能,体现了双频工作的特性。4电桥的内匹配和相测试结果表明,以复合左右手传输线为基础的正交模变换