基于复合左右手传输线的任意双频功分器及其制作方法

摘要

本发明公开一种基于复合左右手传输线的任意双频Wilkinson功分器包括三个端口、四个右手传输线和两个左手传输线及隔离电阻；方法包括获取工作频点频率比、建立传输线相移值、建立端口传输线、建立右手传输线、建立左手传输线、建立隔离电路步骤。本发明制作的普通型任意双频Wilkinson功分器、基于复合左右手传输线和负相移技术的缩小型和双节阻抗变换技术的紧凑型任意双频功分器，克服传统功分器只能奇次倍频工作的缺陷，分支线长度能够缩短到小于（λ/4）α，满足双频工作的同时结构紧凑。本发明功分器设计简单，所需微波板材和元器件均易于获得，便于加工。本发明提出的功分器在两个工作频点处均能很好的满足功分器的性能要求。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于复合左右手传输线的任意双频Wilkinson功分器。

背景技术

基于现代无线通信的双频标准，为减少系统中的器件数目，要求所使用的器件应尽量满足双频工作的要求。Wilkinson功分器在通信系统中经常被用来对天线进行馈电，但传统的Wilkinson功分器只能工作在基频和它的奇次谐波频率下，而目前的GSM无线通信通常使用的是900M和1800M两个工作频段，因此传统的Wilkinson功分器已不能满足现代通信的需要。

传统的Wilkinson功分器结构如图1，图1中Z₀为端口特性阻抗，Z₁为分支线特性阻抗，R＝2Z₀为隔离电阻。分支线特性阻抗为Z₀，线长为λ_g/4。这种情况下的功分器能将从1口输入的功率从2、3口等分输出，并且能满足在工作频率下，三个口均有很好的匹配，且两个输出口之间相互隔离。另外，如果将2、3口作为输入，1口作为输出，这种情况下可以当作功率合成器来使用。但是，这种λ_g/4支节的功分器只能工作在基频和它的奇次谐波频率下，其中Z₁＝Z₀，隔离电阻R＝2Z₀。即图2中RH曲线所示的相移90度和270度所对应的频率，分别为f₁、3f₁。

为克服传统功分器只能奇次倍频工作的缺点，Lei Wu等人在文献[1](Lei Wu，Zengguang Sun，Hayattin Yilmaz，and Manfred Berroth，“ADual-Frequency Wilkinson Power Divider”，IEEE TRANSA CTIONS ONMICROWAVE THEORYAND TECHNIQUES，to be published)中基于双节阻抗变换提出了一种能工作在任意双频下的新型Wilkinson功分器，可以满足现代通信的双频要求。但是这种结构需要将原来的λ_g/4支节线变成两个特性阻抗不同的支节的串联，其总长度大于λ_g/4，因此这种结构的双频特性是以牺牲器件的结构紧凑特性为代价的，这也与现代通信系统的小型化趋势相违背。

另一方面，自2000年Smith等人制作出介电常数和磁导率均为负的人工左手材料^[2](D R Smith，Willie J Padilla，Vier D C，et al..Composite Medium withSimultaneously Negative Permeability and Permittivity.Phys.Rev.Lett.，2000，84：4184～4187.)，并用实验证明负折射现象的存在以来^[3](ShelbyR A，Smith D R，Schultz S，Experimental Verification of a Negative Index of Refraction.Science，2001，292：77～79.)，左手材料越来越受到世界各地研究小组的关注。但这种左手材料是基于谐振结构，其较大的衰减和较窄的带宽限制了它在微波领域的应用。

2002年，美国UCLA大学的Itoh等人提出一种用传输线实现左手材料的新方法^[4](Caloz C，Itoh T.Application of the transmission line theory ofleft-handed(LH)materials to the realization of a microstrip LH transmission line.IEEE-APS Int.Symp.Dig..TX：San Antonio，2002，2：412-415.)，并将其命名为左手传输线(LH-TL)。传统的传输线也被称为右手传输线(RH-TL)；将左手传输线和右手传输线结合起来，构成复合左右手传输线(CRLH-TL)。这种左手传输线基于高通滤波器的拓扑结构，与谐振结构的左手材料相比具有宽频带、低损耗的特性，它特殊的相移特性在微波电路领域的应用也被深入研究^[5-8]([5]C. Caloz，A.Sanada，L.Liu，and T.Itoh，“A BroadbandLeft-Handed(LH)Coupled-Line Backward Coupler with Arbitrary Coupling Levels”，IEEE-MTT Int′l Symp.，vol.1，pp.317-320，Philadelphia，PA，June 2003.

[6]A.Sanada，C.Caloz，and T.Itoh，“Zeroth Order Resonance in CompositeRight/Left-Handed Transmission Line Resonators”，accepted at Asia-Pacific MicrowaveConference，Seoul，Korea，November 2003.

[7]Hiroshi Okabe，Christophe Caloz，and Tatsuo Itoh，“A CompactEnhanced-Bandwidth Hybrid Ring Using an Artificial Lumped-Element Left-HandedTransmission-Line Section”，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES，VOL.52，NO.3，MARCH 2004，p798-804

[8]L.Liu，C.Caloz，andT.Itoh，“Dominant Mode(LM)Leaky-Wave Antenna withBackfire-to-Endfire Scanning Capability”，Electron.Lett.，vol.38，no.23，pp.1414-1416，Nov.2000.)。

2003年Caloz提出了基于复合左右手传输线的双频设计思想，并设计制作出一种能工作在任意两个频点的分支线电桥和环形电桥^[9](I-Hsiang Lin，Marc De Vincentis，Christophe Caloz，and Tatsuo Itoh，“ArbitraryDual-Band Components Using Composite Right/Left-Handed Transmission Lines”，IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES，VOL.52，NO.4，APRIL 2004，1142-1149)。根据Caloz提出的双频设计思想，在右手传输线中加入左手传输线，构成复合左右手传输线(CRLH)，能改变整个传输线的相移特性，达到在任意两个频率点f₁、f₂下，相移分别为90度和270度，如图2中的CRLH曲线所示。

发明内容

为了解决传统的功分器只能工作在基频和它的奇次谐波频率下，分支线长度为λ_g/4，它的尺寸虽小，但不能在任意双频下工作的问题；

为了解决基于双节阻抗变换的双频功分器，分支线为两个λ_g/6支节串联，虽然能在任意双频下工作，但功分器尺寸较大的问题；

为了解决基于负相移技术谐振结构功分器，其较大的衰减和较窄的带宽限制了它在微波领域应用的问题；

本发明的第一个目的是：提供一种基于复合左右手传输线的普通型任意双频Wilkinson功分器的制作方法；

本发明的第二个目的是：提供一种尺寸小于现有技术、基于复合左右手传输线和负相移技术的缩小型任意双频Wilkinson功分器的制作方法；

本发明的第三个目的是：基于复合左右手传输线和双节阻抗变换技术的紧凑型任意双频Wilkinson功分器的制作方法。

为了实现本发明的第一个目的，本发明基于传统功分器和复合左右手传输线的双频设计思想，将只能工作在奇次倍频下的传统功分器改进成具有任意双频工作性能的新型功分器。

本发明的第一个方面，提供一种基于复合左右手传输线的普通型任意双频功分器的制作方法，制作步骤如下：

获取工作频点频率比步骤：确定任意两个工作频点，并计算二者频率比；

建立传输线相移值步骤：基于复合左右手传输线的相移特性，分别获得右手传输线和左手传输线的相移值；

建立端口传输线步骤：利用端口特性阻抗、相移值和介质板参数，获取端口传输线的线宽和长度；

建立右手传输线步骤：利用分支线特性阻抗、相移值和介质板参数，获取分支线中右手传输线的线宽和长度；

建立左手传输线步骤：确定左手传输线的结构单元数，获取左手传输线的电容值和电感值；

建立隔离电路步骤：根据两输出端口之间电路关系，确定隔离电路所采用具体元器件及参数。

本发明一种基于复合左右手传输线的普通型任意双频功分器，包括第一端口、第二端口、第三端口，其特征在于还包括：两个分支线均为复合左右手传输线为：包括四个右手传输线即第一右手传输线、第二右手传输线、第三右手传输线、第四右手传输线和两个左手传输线即第一左手传输线、第二左手传输线，隔离电阻；其中第一分支线为第一右手传输线、第一左手传输线、第二右手传输线三者串联连接，第二分支线为第三右手传输线、第二左手传输线、第四右手传输线三者串联连接；第一右手传输线和第三右手传输线的输入端与第一端口连接；在第二右手传输线、第四右手传输线的两个输出端并联连接有隔离电阻；第二右手传输线的输出端与第二端口的输入端和隔离电阻一端连接；第四右手传输线的输出端与第三端口的输入端和隔离电阻另一端连接。

所述基于复合左右手传输线的普通型任意双频功分器，隔离电阻R＝2Z₀，其中第一右手传输线、第二右手传输线、第三右手传输线、第四右手传输线具有相同的特性阻抗分别为Z₁、相移长度分别为Pf₁/2，其中工作频率f₁、右手传输线频率系数p；第一左手传输线、第二左手传输线具有相同的特性阻抗分别为Z₁、相移长度分别为Q/f₁，其中工作频率f₁、左手传输线频率系数Q；第一右手传输线、第二右手传输线、第三右手传输线、第四右手传输线分别由微带电路来实现，第一左手传输线、第二左手传输线分别由N节贴片电容C_L和贴片电感L_L组合构成。

为了实现本发明的第二个目的，主要考虑在1＜α＜3条件下，对功分器进行改进，使其尺寸缩小。

本发明的第二个方面，提供一种基于负相移技术和复合左右手传输线的缩小型任意双频功分器的制作，根据复合左右手传输线的负相移特性，可以将分支线的长度缩短，从而使整个功分器的尺寸缩小。这种缩小型功分器的分支线由具有负相移特性的复合左右手传输线构成，其长度缩小为

所述建立传输线相移值步骤还包括：根据Negative复合左右手传输线相移曲线把f₁、f₂两个频点下传输线的相移分别设为-π/2和π/2，计算f₁频率下右手传输线和左手传输线的相移Pf₁、Q/f₁，得到频移系数P、Q值为：