在无限波长频率使用超材料复合左/右手传输线的功率合成器

摘要

描述了使用在复合左/右手(CRLH)超材料线中发现的无限波长现象的用于隧道二极管振荡器的功率合成方法和设备。一个实施方式利用了包括零度线的串联合成器，每个振荡器输出端口直接连接到所述线且同相合成以相等地合成同相功率。在第二实施方式中，零度传输线的部分实现了驻波谐振器，振荡器与该谐振器松耦合，其中波幅度和相位沿着所述线恒定。在该第二实施方式的一个测试中，使用具有2GHz的两个隧道二极管振荡器的零度谐振器获得131％的最大功率合成效率。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年5月3日提交的美国申请序列号11/744,160的优先权，此处引用该申请的全部内容，该申请要求2006年5月18日提交的美国临时申请序列号60/802,089的优先权，此处引用该申请的全部内容作为参考。

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本发明受到政府支持，协议/授权号为N00014-01-1-0803，由海军研究办公室资助。政府具有本发明的某些权利。

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技术领域

本发明一般涉及功率分流和合成，且更具体而言，涉及在无限波长频率使用超材料传输线的功率合成隧道二极管振荡器。

背景技术

功率合成器用于输送比使用单个输出设备所能实现的更多的输出功率。因为它们的同相合成信号的能力，串联合成器(series combiner)被广泛地用于合成功率放大器、天线、振荡器等。同相合成信号需要在波长的特定部分(诸如λ或λ/2)设置每个端口之间的间距。功率分配器执行相反的操作，其中，它从单个输入端口输送功率到多个输出端口。与并联功率分配器相比，串联功率分配器更不复杂且更紧凑。串联分配器的优势随着输出端口的增加而增加，且用于馈电网络(feednetwork)的物理区域是受限的。串联分配器相等地且同相地输送功率到所有输出端口。串联分配器可以用在各种应用中，诸如用于馈电天线阵列，用于时钟同步和用在无线电接收机电路中。

因此，对能在串联连接中以紧凑形式实施且不需要固定波长配置的分配器/合成器装置和方法存在需求。本发明满足这种需求，且克服了原先开发的合成器和分配器的缺陷。

发明内容

描述了用于诸如隧道二极管振荡器的设备的、使用复合左/右手(CRLH)超材料线(meta-material line)中观察的无限波长现象的功率分配/合成装置、电路和方法。在此频率，传输线的电长度是对应于无限长波长的零度。

使用超材料传输线的无限波长属性实现N端口功率分配器/合成器。其结构基于复合左/右手(CRLH)传输线(TL)，该复合左/右手(CRLH)传输线(TL)根据频率而具有纯右手(RH)(相位延迟)或纯左手(LH)(相位超前)TL的传播属性。RH和LH区域之间的过渡频率是传播常数等于零的点(β＝0)。因而，在该过渡频率可以存在无限波长，在此频率，沿着该线传播的波的相位和幅度与位置无关，同时用作谐振器的线支持驻波。

描述的串联合成器采用零度线(zero degree line)，该零度线具有与该零度线直接相连的各振荡器输出端口，在其中振荡器信号被同相合成。该电路能够相等地同相合成功率输入而与沿着CRLH传输线的端口的位置和数目无关，且能够通过模场之间的非线性作用将不同的振荡模式锁模在一起。

本发明的一个方面可以包括用于实现驻波谐振器的零度传输线部分，振荡器(或其他RF源)与该谐振器松耦合，且谐振特性用于减小合成的振荡器相位噪声。在测试(并不是限制的方式)中，使用2GHz的两个隧道二极管振荡器配置的零阶谐振器获得131％的最大功率合成效率。

本发明的另一方面是采用零度线的串联分配器，它相等地且同相地分配输入端口的信号到输出端口。该电路能够相等地分配同相功率，而与沿着CRLH传输线的端口的位置和数目无关。分配器的物理长度或功率抽头位置对每个输出端口之间的相位和功率平衡没有影响。

本发明的另一方面是用于实现驻波谐振器的零度传输线(zerodegree transmission line)部分，其中输入信号松耦合到谐振器，且谐振特性用于相等地且同相地耦合能量到输出端口。举例来说但不做限制，实现3个和5个端口的串联分配器，它们表明了与分接头位置无关的相等的功率分割。

注入锁定测量显示，串联合成器可用于可调振荡器，其中零阶谐振器可用于较高Q的振荡。

本发明的一个实施例是一种装置，包括：(a)零度复合左/右手(CRLH)传输线(TL)；(b)其中该传输线配置有用于输入和输出的多个端口，其中用于输入的端口被配置以用于从相应设备接收输出信号；(c)该装置包括由用于输入的多个端口和用于输出的一个端口形成的合成器，或由用于输入的单个端口和用于输出的多个端口形成的分配器；(d)在合成器的情况下，在用于输入的端口上接收到合成器中的输入信号通过所述传输线同相地合成以产生用于输出的端口上的输出信号；(e)在分配器的情况下，在所述输入端口上接收到所述分配器中的输入信号被所述传输线相等地且同相地分割以产生每一个用于输出的端口上的输出信号。

本发明的至少一个实施例是功率合成器，包括：(a)零度复合左/右手(CRLH)传输线(TL)；(b)其中该传输线配置有输出端口和多个输入端口，所述输入端口被配置以用于从相应输入设备接收输出信号；(c)其中在所述输入端口上接收的输入信号通过传输线同相地合成以产生输出端口处的输出信号。在本发明的一个模式中，阻抗匹配变压器耦合到每个输入端口，具有对应于相关振荡器的输出频率的四分之一波长的长度。在该合成器中，每个输入端口被配置以用于从振荡器或其他RF源接收信号。合成器的输入端口上接收的振荡器输出信号通过传输线同相地合成以产生输出端口上的输出信号。

在另一实施例中，功率合成器包括配置为零阶谐振器的复合左/右手(CRLH)传输线(TL)，该传输线具有开路的第一端、在第二端松耦合的输出端口以及多个松耦合的输入端口，其中每个输入端口被配置以用于从振荡器接收信号，且其中在输入端口上接收的振荡器输出信号通过传输线同相地合成以产生输出端口上的输出信号。

在至少一个优选实施例中，振荡器包括隧道二极管振荡器。在本发明的一个模式中，输出端口与特定阻抗(诸如50欧姆)是阻抗匹配的。在本发明的另一模式中，每个输入端口与相应的振荡器阻抗匹配。在本发明的另一模式中，阻抗匹配变压器耦合到每个所述输入端口，诸如使用具有对应于相应振荡器的输出频率的四分之一波长的长度的每个变压器实施。

本发明的另一实施例是功率分配器，包括：(a)复合左/右手(CRLH)传输线(TL)；(b)该传输线具有一个输入端口和多个输出端口，该输出端口被配置以用于向相应设备输出信号；(c)其中在所述输入端口上接收的输入信号通过所述传输线相等地且同相地分割以产生每个输出端口的输出信号。在本发明的一个模式中，TL的输出端口连接由诸如包括二极管的开关控制。

应当理解上述合成器的实施例和模式不限于与振荡器结合使用，且可以用于合成任意所需输出，诸如功率放大器、天线阵列等的输出。

还应当理解，类似地，上述分配器的实施例和模式不限于与振荡器的输入一起使用，且其输出可以在任意所需设备上被控制，诸如在天线阵列、时钟同步电路以及无线电接收器电路。

本发明的一个方面是用作串联合成器或分配器的结构。

本发明的另一方面是从在无限波长频率操作的CRLH-TL的分段形成的合成器/分配器的实体。

本发明的另一方面是合成器，其中所有的输入端口能够同相地合成，而不需要维持合成器的输入端口之间的特定距离。

本发明的另一方面是分配器，其中输入信号被相等且同相地在所有输出端口之间分割而不需要维持输出端口之间的特定距离。

本发明的另一方面是作为诸如从隧道二极管振荡器接收输入的零阶谐振器的开放式CRLH-TL(open-ended CRLH-TL)，所述隧道二极管振荡器松耦合到谐振器，而功率从谐振器的一端提取。

本发明的另一方面是利用输入和输出端口上的诸如皮法范围的耦合电容器用作零阶谐振器的开放式CRLH-TL。

本发明的另一方面是提供周期结构的CRLH TL合成器/分配器，该周期结构包括右手串联电感L_R和分路电容C_R(作为常规传输线)以及左手串联电容C_L和分路电感L_L。

本发明的另一方面是CRLH-TL合成器/分配器，该CRLH-TL合成器/分配器结合了集总元件来模拟左手电容，且结合了短路短截线(shorted stub)而不是集总元件来模拟左手电感器以减小损耗。

本发明的另一方面是CRLH-TL合成器/分配器，该CRLH-TL合成器/分配器具有利用提供适当RH相位的电长度的微带线实施的线的RH部分。

本发明的另一方面是CRLH-TL合成器/分配器，该CRLH-TL合成器/分配器具有输入端口或输出端口，该输入端口或输出端口分别具有诸如50欧姆的特定阻抗。

本发明的另一方面是CRLH-TL合成器/分配器，其中从通过短路短截线耦合的隧道二极管振荡器接收信号，该短路短截线用作电感器以抵销电容和设置振荡频率。

本发明的另一方面是CRLH-TL合成器/分配器，和常规合成器/分配器配置相比，响应于CRLH-TL提供的滤波，该CRLH-TL合成器/分配器具有改善的相位噪声特性。

本发明的另一方面是提供用于给定带宽的模式锁定的CRLH-TL合成器/分配器。

在说明书的下面的部分中给出本发明的各个方面，其中，详细的描述用于完全公开本发明的优选实施例的目的，而没有对其进行限制。

附图说明

参考下面仅用于说明目的的附图，将更全面地理解本发明。

图1是根据本发明的实施例在β＝0的功率合成器的平衡的CRLH传输线的示意图；

图2是用于图1的平衡的CRLH串联合成器的测量的S参数幅度的图表，示出了使用具有两个端口的零度线；

图3是根据本发明的实施例的作为零阶谐振器功率合成器的平衡的CRLH传输线在β＝0的示意图；

图4是用于图3的示出为具有两个端口的零级CRLH谐振器功率合成器的测量的S参数幅度的图表；

图5是根据本发明的一方面使用具有隧道二极管振荡器的两端口零阶谐振器功率合成器的实验设置的框图；

图6是根据本发明的一方面使用零阶谐振器功率合成器的锁模的两个隧道二极管振荡器的输出频谱的图表。

具体实施方式

更具体地参考附图，用于说明目的，本发明一般在如图1至图6所示的装置中实施。应当理解所述装置可以在配置和零件细节上变化，且方法可以在具体步骤和顺序方面变化，而不偏离此处公开的基本概念。

1.介绍

本发明包括基于无限波长频率的存在的功率合成(分配)方案。举例而言但不做限制，描述和比较了功率合成方案的两种实施方式。第一实施例使用CRLH-TL的分段作为串联合成器的部分以合成若干隧道二极管振荡器的功率。使用这种结构，因为沿着线的所有端口是同相的，每个二极管可以被最佳合成。第二实施例利用开放式CRLH-TL作为零阶谐振器(βl＝0)。在这种结构中，隧道二极管振荡器与超材料振荡器松耦合且通过谐振器的一端提取功率。因为驻波被支持，所有的二极管也同相地合成。而且，因为在整个谐振器上驻波维持相同的电压，所以不易受沿着所述线的串联损耗的影响。因此，如果附加损耗被应用于线，仅无限波长模式维持，而其他谐振模式被抑制。这是有利的，因为它产生了高Q振荡且还可以减小谐波。这两种方案的实验数据也被呈现并比较。

2.振荡器功率合成器的设计和实施

此处描述的功率合成结构基于在无限波长频率操作的CRLH-TL结构，其中在ω≠0，β＝0。

2.1 CRLH理论

CRLH TL可以看成是周期结构，该周期结构由右手串联电感L_R和分路电容C_R(常规传输线)以及左手串联电容C_L和分路电感L_L组成。在L_RC_L≠L_LC_R的不平衡情况下，存在可以支持无限波长的两个不同的谐振频率ω_se和ω_sh：

${\omega }_{\mathrm{sk}}=\frac{1}{\sqrt{C_R{L}_L}}$和${\omega }_{\mathrm{sc}}=\frac{1}{\sqrt{C_L{L}_R}}.---\left(1\right)$

在ω_se和ω_sh，群速度(vg＝dω/dβ)是零且相速度(vp＝ω/β)无限。在L_RC_L＝L_LC_R的平衡情况，谐振频率相符且ω_se＝ω_sh。

2.2 功率合成器单元的设计

根据A.Sanada，C.Caloz，and T.Itoh，“Zeroth Order Resonance inCRLH TL Resonance in Left-Handed Transmission Line，”IEICE Trans.Electron.，vol.E87-C，NO.1，pp.1-7，January 2004实施在2GHz的零度CRLH-TL以找到L_R、C_R、L_L和C_L的值，此处引用该文献的全部内容作为参考。

可以使用符合指定无穷小模型的分布式或集总式元件实施CRLH-TL，使得每个单元小于λ/10。例如，集总式元件用于模拟左手电容器，且使用短路短截线而不是集总元件实现左手电感器以减小损耗。所述线的RH部分通过使用提供适当RH相位的电长度的微带线实现。计算的参数为：C_L＝2pF，L_L＝5nH，C_R＝1.3pF且L_R＝3.3nH。当L_RC_L＝L_LC_R时，该单元是平衡的。例如，在h＝31mil、ε_r＝2.33的包括RT/Duroid的基板上制造CRLH-TL。

2.3 使用零度线的串联功率合成器

图1示出了发明的串联合成器电路的示例性实施例10。示出的CRLH TL 12具有与50Ω阻抗匹配的输出端口14(端口1)，而其他端口16a、16b、16n-1、16n与隧道二极管振荡器的最佳阻抗匹配，其然后在基本频率经由长度为L的四分之一波长变压器18a、18b、18n-1、18n变换。

如原先部分中讨论的，使用CRLH-TL单元的分段或多个分段使每个振荡器端口相连，以确保每个振荡器可以在输出端口同相合成。注意，每个端口之间的距离：d₁，d₂，...，d_n可以任意，但由于在工作频率β＝0的事实，仍然提供同相功率合成。任意间距减轻了对合成器布局和振荡器间距的约束。

应当理解在装置的分配器配置中，端口14是输入端口，而端口16a、16b、16n-1和16n是输出端口。输入端口14优选地与诸如50Ω阻抗匹配，而输出端口与接收输出信号的相应设备的最佳阻抗匹配。

图2示出了具有两个端口的CRLH零度线的测量的S参数。端口1是输出端口，且在2GHz，测量的相位和幅度为：S_2l＝-89.9°，S_3l＝-91.6°，|S_2l|＝-3.056dB且|S_3l|＝-3.247dB。观察到的损耗可能是由于用于实施LH电容的电容器中的损耗。根据本发明的串联合成器的两种附加配置也被制造和测量。第一种配置是均匀间隔的三端口合成器，测量的相位和幅度为：S_2l＝-102.96°，S_3l＝-102°，S_4l＝-102.67°，|S_2l|＝-4.892dB，|S_3l|＝-5.195dB和|S_4l|＝-4.915dB。第二种配置是非均匀间隔的三端口合成器，测量的相位和幅度为：S_2l＝95°，S_3l＝-88°，S_4l＝-90.3°，|S_2l|＝-5.019dB，|S_3l|＝-5.335dB和|S_4l|＝-5.022dB。由于集总式元件电容器，这两种结构具有0.3dB的损耗。应当理解当单元的数目增加时，该效果越显著。通过使用较低损耗的电容器和/或使用分布线(distributed line)可以改善结果。

2.4 零阶谐振器功率合成器

图3示出了利用与部分2.2中描述的相同的单元的零阶谐振器32的优选配置的示例性实施例30。然而，在这种配置中，通过使得其末端之一为开路和使输出端口和振荡器端口松耦合到该结构，CRLH-TL的长度用作谐振器。在该示例中，将在每个端口使用以分流功率的耦合电容器36a、36b、36n-1以及36n的值是3pF，而功率合成器的输出端的耦合电容器34为5pF。这种结构被认为为振荡器提供附加的滤波以减小相位噪声。而且，因为谐振表现为驻波，由于电压沿着线恒定，它较不易受到所述线中串联损耗的影响。

还应当理解在分配器配置中，电容器34处于输入端口，且电容器36a、36b、36n-1和36n处于设备的输出端口。

图4是零级功率合成器的图表，如部分2.1中确定的，示出了具有被配置为两个级联单元的两个端口的零级功率合成器。用于图3中所示的合成器的在2GHz的测量的S参数为S_2l＝-66.7°，S_3l＝-67.5°，|S_2l|＝-3.5dB且|S_3l|＝-3.6dB。

3.振荡器功率合成测量

在2GHz振荡器设计中使用隧道二极管(例如，Metelics公司的M1X1168型隧道二极管)。由于其I-V特性的负斜率，该隧道二极管具有振荡的能力，这与C.Kider，I.Mehdi，J.R.East and G.I.Haddad，“Power and stability limitations of resonant，tunneling diodes”，IEEE Trans.Microwave Theory & Tech.，vol.38，No.1，pp.864-872，January 1990描述的谐振隧道二极管类似，此处引用该文献的全部内容作为参考。

如O.Boric-Lubecke，Dee-Son Pan，and T.Itoh，“RF Excitation of anOscillator with Several Tunneling Devices in Series，”IEEE Microwaveand Guided Wave Letters，vol.4，NO.11，pp.364-366，November 1994所述，隧道二极管可以模拟为并联的负电阻器和电容器，此处引用该文献的全部内容作为参考。与二极管串联地插入短路短截线以用作电感器来抵销电容且设置振荡频率。对于最大振荡功率，二极管的输出被设置为最佳功率阻抗，在该情况下最佳功率阻抗为50Ω。在2GHz自激振荡的隧道二极管具有-26dBm的最大输出功率。

图5示出了用于测试功率合成器实施例的配置的示例性实施例50。如图所示，第一振荡器52和第二振荡器54分别通过端口58、60耦合到合成器56。合成器的输出通过输出端口62耦合到诸如频谱分析仪的测量装置(未示出)。如图所示，合成器56具有分别从端口60、58引导到具有诸如通过70a、70b和70c代表的相连二极管的TL部分64上的变压器66、68。在该示例中，隧道二极管被单独偏置在0.2V。

表1示出了在基波频率以及2次和3次谐波与单个隧道二极管振荡器相比不同方案的输出功率。由于上述滤波效应，零阶谐振器功率合成器获得了较高的功率合成效率。对于单个二极管，3次谐波是低于基波的-14.83dB。对于具有两个隧道二极管振荡器的零阶谐振器功率合成器，3次谐波是-26.33dB。

表2显示了研究的不同功率合成器的相位噪声。在该测量中，滤波效应更加明显。对于10kHz的偏移频率，同与零度线相连的两个二极管的情况相比，在与零阶谐振器相连的两个隧道二极管的情况下具有9.17dB的改善。

通过使用具有提供-35dBm锁定功率(locking power)的10dB外部定向耦合器的合成扫频仪(例如，HP83621)实现外部锁定。对于具有两个隧道二极管的串联零度CRLH TL功率合成器，模式锁定维持在12MHz的带宽。然而，对于具有两个二极管的零阶谐振器功率合成器，模式锁定维持在8MHz的带宽。这些不同测量证实了原先的声明，即，零阶谐振器功率合成器提供滤波效果以锁定在振荡器频率。

图6示出了使用零阶谐振器功率合成器锁模的两个隧道二极管振荡器的频谱。

4.结论

上面描述了使用无限波长现象的用于隧道二极管振荡器的功率合成方法和设备的各种实施例。在一个实施例中，使用包括零度线的串联合成器。每个振荡器输出端口直接连接到所述线且同相合成。示出了相等和不相等间隔的振荡器的示范。在另一实施例中，零度传输线的一部分用于实现驻波谐振器。在这种情况下，振荡器与谐振器松耦合。谐振特性用于减小合成的振荡器的相位噪声。使用具有2个隧道二极管且在2GHz振荡的零阶谐振器获得了131％的最大功率合成效率。注入锁定测量显示，使用零度线串联合成器的方法可用于可调节振荡器，而零阶谐振器可用于较高Q的振荡器。

尽管上面的描述包含很多细节，这些细节不应被理解为限制了本发明的范围，它们仅仅提供本发明的某些当前优选实施例的说明。因此，应当意识到，本发明的范围完全包含对本领域技术人员而言是显而易见的其他实施例。在所附权利要求中，除非明确指出，对于单数元件的引用并不旨在表示“一个或仅一个”，而是表示“一个或多个”。本领域技术人员已知的上述(多个)优选实施例的元件的所有结构和功能等价物被明确地引用且旨在被本公开和权利要求所包含。而且，设备或方法不必解决寻求通过本发明解决的任一个和每一个问题，因为它被本公开和权利要求所包含。而且，不管本公开或权利要求中是否明确陈述了元件、部件或方法步骤，本公开中的元件、部件和方法并不旨在专用于公众。除非使用短语“用于...的装置”明确陈述了元件，此处的权利要求元件不应根据美国法典第35篇第112条第60段规定理解。

表1

零阶谐振器功率合成器和零度CRLH TL之间的功率比较

表2

相位噪声比较