用集总元件左手性传输线制作的微波功分器.pdf

用集总元件左手性传输线制作的微波功分器，涉及一种用集总元件构造的左手性传输线制作的微波功分器。它是由普通微带线(4)和左手性传输线(3)组成的具有对称结构和耦合作用的三线六端口的微波功率分配器。其线间间隙(7)是按设定要求而定的。左手性传输线(3)采用印刷电路板技术在介质覆铜板上设计、制作符合使用要求的图形结构的单元间隙(8)和垂直的通孔内分别固接贴片电容(6)和贴片电感(5)。本发明可达到中心频带的30％以上的很宽的频带和功率损耗＜0.5dB，实现两端口二等分、三端口三等分、三端口任意比例的功率分配，并且输入驻波比、隔离度都较好，结构更紧凑，容易设计、制作。可广泛应用于各种不同波电路和微波仪器需要。

1.  用集总元件左手性传输线制作的微波功分器，其特征在于：它是由一条普通微带线(4)和两条左手性传输线(3)，或者由一条左手性传输线(3)和两条普通微带线(4)组成的具有对称结构和耦合作用的三线六端口的微波功分器。

2.  根据权利要求1所述的用集总元件左手性传输线制作的微波功分器，其特征在于：上述普通微带线(4)和左手性传输线(3)之间的线间间隙(7)的尺寸是按不同的使用场合的要求而设定的。

3.  根据权利要求1所述的用集总元件左手性传输线制作的微波功分器，其特征在于：上述左手性传输线(3)是采用印刷电路板技术在介质覆铜板上设计、制作符合使用要求的图形结构，在图形结构的单元间隙(8)间和垂直的通孔内分别固接贴片电容(6)和贴片电感(5)。

用集总元件左手性传输线制作的微波功分器
                        技术领域
本发明涉及一种应用新型的集总元件构造的左手性微带传输线材料制作的工作频带很宽的三线结构的微波功分器。
                        背景技术
微波功分器的全称是微波功率分配器，可广泛应用于各种微波电路和微波仪器中。目前，对于中小功率的微波功分器，大都是采用带状线或微带线结构，主要有微带三端口的功率分配器。对于无耗互易的三端口功率分配器，三端口不可能同时都匹配，所以为了实现三端口同时匹配，将其设计成非互易元件(如微波三端口环行器)，或者设计成有耗元件(如电阻性功分器)。但是，这两种功分器的设计必须考虑电长度，即当中心频率确定后，它们的几何尺寸也就确定，并且工作频率一旦偏离中心频率，输入驻波比、隔离度及两路输出功率的平衡度等指标均将显著变劣，故工作频带很窄。
2002年，C.Caloz、T.Itoh等人提出利用传输线理论构造左手性媒质，设想利用微带元件(叉指型电容和螺旋型电感)制成人工的左手性微带传输线(简称左手性传输线)，这种媒质具有负的折射率，电磁波在这种媒质中传播时，Maxwell方程仍然成立，但波的传播方向和能量的传播方向相反，即具有负的相速度和正的群速度，并可表现出一些奇异的电磁特性。美国专利“对电磁波制导与辐射控制的平面特异性材料”“Planar metamaterials for control ofelectromagnetic wave guidance and radiation”(US2004066251)介绍了这种新型人工结构材料metamaterials(左手性媒质)，并利用这种具有特异性能的metamaterials(左手性媒质)，制作微波相移器、微波耦合器、后向波辐射天线等微波器件。但至今为止还没有将metamaterials用于制作微波功分器。
                          发明内容
本发明的目的是公开一种具有宽的频带，可实现二端口二等分、三端口三等分或者三端口在不同频带的任意比例的功率分配，并且输入驻波比、隔离度都较好的三线结构的微波功分器。
为了达到上述目的，经我们对集总元件构造出的这种左手性微带传输线(左手性传输线)的长期研究发现，电磁波在其中传播时，其传输特性具有适中的插入损耗和较宽的带宽，并且几何尺寸较小，经过反复实验，找到了如下结构的微波功分器。它是由一条普通微带线和两条左手性传输线，或者由一条左手性传输线和两条普通微带线组成的具有对称结构和耦合作用的三线六端口的微波功分器。
上述普通微带线和左手性传输线之间的线间间隙的尺寸符合不同的使用场合的要求。
上述左手性传输线是采用印刷电路板技术在介质覆铜板上设计、制作符合使用要求的图形结构，在图形结构的单元间隙(水平缝隙)间和垂直的通孔内分别固接贴片电容和贴片电感构成集总元件左手性传输线。
本发明的优点是：
1.由于本发明采用特制的左手性传输线，该微带传输线具有较低频率范围内，有效介电常数和有效磁导率将同时为负值，相速度和群速度的方向将相反，并存在一个相移常数为零，或者说有效折射率为零的能隙的特殊性质，因此本发明的微波功分器可以实现很宽的频带，可以达到中心频带的30％以上。
2.由于本发明采用了对称结构，因此只要在左手性传输线设计制作时加载不同电容、电感值，就可以很容易实现功率分配比例的调节和工作频带的调节，实现两端口二等分、三端口三等分、三端口任意比例的功率分配，并且输入驻波比、隔离度都较好。功率损耗＜0.5dB，频率范围∽40％。
3.由于本发明的左手性传输线采用了无源的集总元件，如贴片电容和电感，因此可以很容易地实现功率分配比例的调节和工作频带的调节，以满足各种不同波电路和微波仪器需要。
4.由于本发明采用集总元件的微带耦合来实现功率分配，因此结构更紧凑，设计、制作更容易，而且具有克服现有微波功分器工作频带很窄等缺点的特性。
                         附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为中间是普通微带线，两侧是左手性传输线构成的本发明的功分器
图3为中间为左手性传输线，两侧是普通微带线构成的本发明的功分器
图4为三端口输出时的散射参数
图5为三端口在不同频带输出时的散射参数
图6为三端口输出时的散射参数
附图中的标号说明
1-底层铜箔    2-介质        3-左手性微带线  4-普通微带线
5-贴片电感    6-贴片电容    7-线间间隙      8-单元间隙
9-MSN接头
                        具体实施方式
本发明地微波功率分配器有两种结构。一种是中间为一条普通微带线4，两侧为两条左手性传输线3，组成对称形式；另一种由位于中间的一条左手性传输线3和位于两侧的两条普通微带线4组成。同时普通微带线4和左手性传输线3之间的线间间隙7的尺寸应该符合不同的使用场合的要求。本发明的左手性传输线3可简单理解为在该微带线的水平缝隙间和垂直通孔内，加载了串联的贴片电容6和并联的贴片电感5的形式：具体是在介质覆铜板的顶层铜箔上按设定要求设计成为具有单元间隙8(水平缝隙)和贯通顶层铜箔和底层铜箔1的垂直的通孔，分别用贴片电容6和贴片电感5通过焊锡固接，使其连为一体。形成的六个端口中，中间线一端为输入端口，另一端为直通端口；输入端口同一侧的上下两个端口为耦合端口，直通端口的上下两侧为隔离端口。请参阅图1。端口A为输入端口，端口B为直通端口，端口C和端口E为耦合端口，端口D和端口F为隔离端口。
实施例1
请参阅图2。本发明由中间一条普通微带线4，两侧为左手性传输线3的对称结构形式构成。介质覆铜板由顶层铜箔、介质2和底层铜箔1组成，首先，在顶层铜箔中部刻出一条普通微带线4。在普通微带线4上下两侧刻制两条左手性传输线3。每条线的宽度为2.945毫米，耦合长度为30毫米，三根线之间的线间间隙7为0.2毫米。然后，在两条左手性传输线3上按设定要求设计成电容间的微带线长度为5毫米(包括单元间隙8为0.762毫米的缝隙)，加载的贴片电容6为2.0皮法，贴片电感5为3.9纳亨。最后在两侧每三个端口顶端固接一个MSN接头9。形成的A、C、E和B、D、F可以实现端口A输入，在2.1～2.75GHz范围内端口B、C、E等分输出。即六个端口中，端口A为输入端口，端口B为直通端口，端口C和E为耦合端口，端口D和F为隔离端口。从图4中可见该功分器在2.1～2.75GHz范围内可实现B、C、E三个端口的三等分输出。
另外，在图2结构中改变加载的电容、电感为在一条左手性传输线中加载电容为1.0皮法，电感为1.8纳亨，另一条中加载电容为5.0皮法，电感为8.2纳亨，耦合长度为100毫米，其他参数同实例1。则可以实现端口A输入，三个端口B、C、E分别在1.9～2.5Ghz、1.2～1.7GHz、2.6～3.7GHz频带上输出。从图5中可见该功分器的B、C、E端口分别在上述不同频带上输出。
实施例2为本发明的中间一条左手性传输线3，两侧普通微带线4的对称结构形式。请参阅图3。在介质覆铜板上刻出一条左手性传输线3和两条普通微带线4，参数同实施例1。从图6中可见该功分器在2.1～2.75GHz范围内可实现B、C、E三个端口的三等分输出。
工作原理：根据传输线原理，在微带传输线中加载集总的电感-电容(L-C)元件，将加载的电容串联，加载的电感并联，构成左手性微带传输线，这种材料对电磁波具有特异的传输特性，在较低频率范围内，有效介电常数和有效磁导率同时为负值，相速度和群速度的方向将相反；并存在一个相移常数为零，或者说有效折射率为零的能隙。因为左手性微带传输线和普通微带线之间的耦合是在左手性微带传输线相移常数为零的能隙中耦合，并且这种功分器具有对称的结构，所以可以实现二端口二等分、三端口三等分的功率分配。如果在左右两条左手性传输线中加载不同电容、电感值，可以实现在不同的频带的三端口任意比例的功率分配。
设计原理：在0.5GHz~3GHz的工作范围，根据微带线之间的互感值和耦合电容值，选取不同的电容和电感元件，设计出符合使用要求的微波功分器。
适用范围：可应用在3GHz范围内的各种微波电路和微波仪器中。