小型化新型寬頻帶環(huán)形電橋

1、2006年8月第33卷第J期Aug. 2006Vol. 33 No. 4西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(門然科學(xué)版)JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY小型化新型寬頻帶環(huán)形電橋張鵬飛，龔書喜(西安電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)旅點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西兩安710071)摘要：采用人工合成左/右手傳輸線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩種新型的小型寬頻帶壞形電橋.通過在電橋中用 士90枝竹代替290°枝節(jié)使壞形電橋的電路面積減小了 75%匚作于2GHz的第1種環(huán)形電橋的同相 輸出帶寬增加了 50%,180反相輸岀帶寬增加了 49%.通過在電橋中引入0。枝卩便第2種電橋可以對 具有0°90°18

2、0°和270。相差的兩個(gè)信號進(jìn)行同相或反相混合同相輸出帶寬增加了 38%.關(guān)鍵詞：環(huán)形電橋；左手媒質(zhì)；人工合成左/右手傳輸線 小圖分類號-0411. 11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號: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雙負(fù)性材料即介電常數(shù)£和磁導(dǎo)率"同時(shí)為負(fù)的材料稱為左手介質(zhì)(LHMs)或后向波材料(BWMs)-1 . 從2000年Smith等人叩實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了左手材料以來丄HMs的獨(dú)特性質(zhì)引發(fā)了許多新的概念以及應(yīng)用也被 引入到新的微波

6、器件設(shè)計(jì)中.最近，基于傳輸線等效電路的以及融合LHMs和右手介質(zhì)(RHMs)的人工介成左/右手傳輸 線(CRIJI-TLs)5弓I發(fā)了許多新型微波器件和天線的設(shè)計(jì)6門.CRLH-TLs因具小的插入損耗較寬的頻 帶，以及町在同一結(jié)構(gòu)上不同頻段實(shí)現(xiàn)LHMs.RHMs和從LHMs過渡到RHMs的平衡狀態(tài)，即零相位狀 態(tài)的特性.在新型微波器件和天線設(shè)計(jì)當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用®I環(huán)形電橋是微波電路中的一種加本元件，可用作等幅同相和等幅反相功分器.微帶線環(huán)形電橋因易于實(shí)現(xiàn) 平面結(jié)構(gòu)而廣泛應(yīng)用于微波集成電路當(dāng)中筆者設(shè)計(jì)了山CRLH-TLs實(shí)現(xiàn)的3個(gè)一90°支路和一個(gè)90°支路構(gòu) 成的

7、壞形電橋以及采用2個(gè)0°支路、一個(gè)90°支路和一個(gè)一90。支路的環(huán)形電橋，并對其性能進(jìn)行了分析.1 CRLH-TLs圖1給出了 LHMs和RHMs以及CRLH傳輸線等效結(jié)構(gòu)通過傳輸線分析理論可知：RH-TLs.LH- TLs,CRLH-TLs中的傳輸常數(shù)為y = a + p=(/中Z和T分別為單元電路的小聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納.收稿日期：2005-07-30基金項(xiàng)目：國家部委重大預(yù)研資助項(xiàng)11(10.2. 1. 4)作者簡介：張鵬( 1979-).男西安電子科技大學(xué)博I:研究生.第4期張鵬E等：小型化新型寬頻帶環(huán)形電橋#從而有(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)若滿足平衡條件，即 I.rCl = IjCr ,= 1/(LrCrLlCl)1m , 則 “=0 (a)RH-TLs(b)LH-TLSAM/|F£ Gir-T(c)CRLH-TLs第4期張鵬E等：小型化新型寬頻帶環(huán)形電橋#第4期張鵬E等：小型化新型寬頻帶環(huán)

9、形電橋595圖1 RH-TLs丄H TLs.CRLH-TLs單元電路示意圖山此可看出通過傳輸線電路實(shí)現(xiàn)了正、負(fù)和零相速這一特性將被應(yīng)用到新型的環(huán)形電橋當(dāng)中對應(yīng)的 阻抗分別為 Zqr = (Lr/Cr),/Zol =(Ll/Cl)1/平衡態(tài) Zorl = (Ll/Q)1/2 = (LR/CR)1/2.2新型環(huán)形電橋的設(shè)計(jì)圖2(a)給出了傳統(tǒng)壞形電橋的原理圖.電橋山3個(gè)90°枝節(jié)和一個(gè)270°枝節(jié)構(gòu)成通過相位關(guān)系可看出若1端 口輸入則2和3端口等幅同相輸出,4端口隔離;若4端口輸入廁2和3端口等幅反相輸出,1端口隔離若2和3 端I等幅同相輸入，則信號在1端口栓加輸出，4端口隔離

10、.若2和3端口等幅反相輸入，則信號在4端口栓加輸 出，1端口隔離.山于270。枝節(jié)的存在,使電路相位隨頻率變化較快、損耗較大，并且電橋而積較大，如圖3所示.1(C)0°90°(d)圖24種不同結(jié)構(gòu)的壞形電橋示意圖圖2(b)給出了山3個(gè)90°枝節(jié)和1個(gè)一90。枝節(jié)構(gòu)成的電橋圖2(c)給出了山3個(gè)負(fù)90°枝節(jié)和1個(gè)90。 枝節(jié)構(gòu)成的電橋兩個(gè)電橋均町實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電橋的功能圖2(d)給出了 |兩個(gè)0。枝節(jié)，一個(gè)90。枝節(jié)和一個(gè)一 90。枝節(jié)構(gòu)成的電橋通過相位關(guān)系可以看出若3端口輸入則1和4端口等幅同相輸出2端口隔離；若1 和4端口等幅同相輸入則信號在3端口疊加輸出，

11、2端口隔離若1和4端口等幅反相輸入，則信號在2端圖34種結(jié)構(gòu)的相對尺寸示意圖(僅畫出微帯電路部分)口證加輸出3端口隔離若2和3端口為輸入端口3端口信號領(lǐng)先2端口信號90°則信號在1端口栓加輸 出，4端口隔離若3端口信號領(lǐng)先2端口 270°,則信號在4端口稔加輸出1端口隔離.在上述電路當(dāng)中山于 用一90°枝節(jié)替代了 270。枝節(jié)，使電路損耗減小，頻帶變寬，并II使電橋面積大為減小上述所冇電橋當(dāng)中枝 節(jié)阻抗值均為70. 7 端口阻抗為50 aI RH-TL I(b)0枝節(jié)圖4枝節(jié)I.C等效圖壞形電橋設(shè)計(jì)為微帶電路采用RT/Druoid,ffi片療度為1.57 mm.工

12、作的中心頻率為2 GHz. 90°枝節(jié) 微帶線對應(yīng)于70.7 0寬度為277mm,50 Q端口對應(yīng)的寬度為4.914 7 mm.圖2(b)(d)電橋的一90。枝節(jié)采用 集總元件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生負(fù)相位的LH-TLs.：r.聯(lián)的5°的傳輸線用來提高帶寬旦 圖4(a)所示元件值以以下初值來 優(yōu)化C =2.0 pF,L = 9.4nH：3.0°枝節(jié)采用相位補(bǔ)償，通過集總元件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生負(fù)和位的LH-Tl.s和RH- TI.s(等效于CRLH-T1當(dāng)中的右手電感電容)正相位相百抵消來產(chǎn)生零相位如圖4(b).3計(jì)算結(jié)果圖5(a)給出了傳統(tǒng)環(huán)形電橋的S參數(shù)圖，圖5(b)給出了電磁仿真的結(jié)果

13、，吻合較好圖6給出了圖2(b) 結(jié)構(gòu)的S參數(shù)圖，圖6(b)給出了電磁仿真的結(jié)果，吻合較好驗(yàn)證了電磁仿真的可您性.圖7和8給出了筆者所提出的結(jié)構(gòu)即圖2(c),(d)的S參數(shù)圖和相位關(guān)系圖.由圖中曲線可看出，同相和 反相輸出幅度的一3.5dB帶寬人大加寬，輸出幅度帶內(nèi)穩(wěn)定.從相位輸出曲線可看出無論同相輸出還是反 相輸出，兩個(gè)輸出端口的相位曲線變化一致，保證了相對相位的穩(wěn)定.表1給出了參數(shù)關(guān)系.表1圖2各參數(shù)圖 2(a)圖 2(b)圖 2(c)圖 2(d)3. 5dB同相輸出頻率范圍/G Hz1.652. 251. 30732. 847 81.31072. 937 81.4232. 814相對帶寬(

14、相對2GHz)/%31.577.02581.35569. 553. 5 dB反相輸出頻率范M/GHz1.652. 251.3074 2.872 31. 333 92. 937 7相對帶寬/%31.57& 3880. 19電路尺寸(平)/mm26 8802 75014001 400第4期張鵬E等：小型化新型寬頻帶環(huán)形電橋#qp、»*Y 凰5 5 5 12 3 - -9P、邃WY 泡1.52.5/GHz(b)仿真結(jié)果圖5傳統(tǒng)電橋的S參數(shù)1.5.-L5-VS1.52.5/GHz(a)文獻(xiàn)3測址結(jié)果(a)文獻(xiàn)3結(jié)果GU/G(b)仿真結(jié)果圖6單一90。枝肖電橋的S參數(shù) 12 3 4 一

15、 qp、第糧v艱00o o Oo O2 1第4期張鵬E等：小型化新型寬頻帶環(huán)形電橋597/GHz/GHz(a)幗度(b)相位圖73個(gè)一90°枝H電橋的輸出福度和相位4結(jié)束語筆者提出的兩種新型微帶環(huán)形電橋，采用LHM-TLs和CRLH-TLs.通過引入一 90。枝節(jié)和0°枝節(jié)，在 減小了電路面積(75%以上)的同時(shí)將環(huán)形電橋的帶寬增加了 一倍多拓寬了環(huán)形電橋在各種電路尤其是在 微波集成電路當(dāng)中的應(yīng)用并使原僅町用于±180°相差信號混合的電橋的功能拓展到可對土90°士270°相差 的信號進(jìn)行混合.8P、崽悔 <舉angS3,4*丁a

16、ngS3> 1GHz（b）相位圖82個(gè)0°和1個(gè)90° 1個(gè)一90°電橋的輸出幅度和相位參考文獻(xiàn)：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

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