基于加載CSSRR復合左右手傳輸線的22.5°移相器

胡 勇,張晨新,高向軍

（空軍工程大學 導彈學院,陜西 三原 713800）

基于加載CSSRR復合左右手傳輸線的22.5°移相器

胡 勇,張晨新,高向軍

（空軍工程大學 導彈學院,陜西 三原 713800）

利用復合左右手傳輸線獨特的相位特性,設計了一個新型零相移的逆開口諧振單環（CSSRR）,在此基礎上,設計了一個22.5°移相器,并對其進行了加工和測試。實測結果表明,該移相器工作頻帶內相移誤差在±0.56°以內,插入損耗優于1.13 dB。實測結果與仿真電路吻合較好,證明了所提出方法的正確性和有效性。

相控陣雷達;左手材料;22.5°移相器;逆開口諧振環;復合左右手傳輸線;微波通信

1 引 言

左手材料是一種具有負介電常數和負磁導率的人工周期結構材料[1],于2001年由Smith等人用實驗進行了驗證[2]。利用左手材料奇異的電磁特性可以突破傳統材料限制,開發出具有高性能、新功能的產品,因而成為近年來物理學界和電磁學界研究的熱點。然而,理想左手材料的實現比較困難,于是,Caloz等人提出了復合左右手（Composite Right/Left-Handed,CRLH）傳輸線的概念,其所具有的雙頻帶、小型化、寬頻帶和頻率抑制等特性使其在微波電路中具有廣闊的應用前景[3]。

移相器在相控陣雷達、微波通信、衛星技術等眾多領域具有廣泛的應用前景,特別是在相控陣雷達系統中,移相器是相控陣雷達T/R組件的重要組成部分。常用移相器一般可分為開關線型、加載線型、反射型和高低通型等幾種類型,高低通型移相器主要應用于低頻段,而開關線型、加載線型和反射型主要用于微波和毫米波頻段。

近年來,國內外關于左手材料在移相器中的應用的報道較多,文獻[3]中采用集總元件的形式實現了一個開關線型四位數字移相器,文獻[4]中用變容二極管的形式實現了一個線性可調的移相器,文獻[5]中采用共面波導的形式實現了一個180°的移相器。這些都是左手材料在移相器中應用的例子。然而,集總元件的方法對元器件要求較高,且不易調試;變容二極管的方法對焊接要求較高;共面波導的方法對加工工藝要求較高,不易實現。基于此,本文采用基于逆開口諧振單環（Complementary Split Single Ring Resonator,CSSRR）CRLH傳輸線的方法實現了一個22.5°開關線型移相器。該方法簡單易行,加工方便,且具有較高的移相精度,能實現較寬帶寬。

2 開關線型移相器基本原理

開關線移相器的基本電路如圖1所示,它由4個開關和兩條具有不同相移的傳輸路徑構成。這4個開關控制著信號的傳輸路徑,而兩條傳輸路徑的電長度之差便決定了這個移相器的差分相移量。開關既可以串聯方式接入電路,如圖1（a）;也可以并聯方式接入電路,如圖1（b）[6]。

圖1 開關線移相器電路簡化示意圖Fig.1 Sketch illustration of the switched line phase shifters circuit

通過控制開關通斷的變化,使微波信號的傳輸在上下兩條不同的路徑之間轉換,由于上下兩條通路的相移量不同,因而實現了移相功能。兩條傳輸路徑的電長度之差決定了相移量。若設一條通路的長度為l1,另一條為l2,則所產生的相移為

式中,β為傳輸線相位常數,λg為傳輸線中的波長,Δ 為相移量。開關線移相器結構簡單,容易實現。

3 加載CSSRR的CRLH傳輸線

開口諧振單環（Split Single Ring Resonator,SSRR）可以在其諧振頻率周圍產生負磁導率效應,而金屬導線可以在其等離子體頻率下產生負介電常數效應,因此將SSRR與金屬導線結合并周期排列,就可構造出左手傳輸帶。由于CSSRR與SSRR的對偶性,CSSRR可在其諧振頻率附近產生負介電常數效應,那么將具有負磁導率效應的材料與CSSRR相結合,也會產生出左手傳輸通帶。而微帶線的容性間隙可以產生負磁導率效應,因此將CSSRR與微帶容性間隙結合,可在一定的頻率范圍獲得左手傳輸通帶[7-9],加載CSSRR微帶線的左手傳輸通帶結構如圖2所示。

圖2 傳統加載CSSRR的CRLH傳輸線Fig.2 Conventional CRLH transm ission line with loaded CSSRR

采用介電常數為2.65、厚度為1 mm的聚四氟乙烯玻璃布板作為介質板。為增大CSSRR與微帶線之間的耦合效應,在傳統結構的環開口處添加一對水平縫隙;同時,為了減小輻射損耗,參考文獻[10]中的方法,采用交指方式來實現間隙電容,得到改進型CSSRR單元如圖3所示。

圖3 加載CSSRR的CRLH傳輸線改進結構圖Fig.3 Improved CRLH transm ission line with loaded CSSRR

由于僅添加了一對縫隙,間隙電容用交指方法實現,所以等效電路模型與傳統的加載CSSRR的CRHL傳輸線的相同,改進型CSSRR仿真結果如圖4所示。由圖4可以看出,加載CSSRR的CRLH傳輸線同其等效電路模型的S參數以及相移特性基本一致,因此,在實際電路仿真中可以用其等效電路代替加載CSSRR的CRLH傳輸線。

圖4 改進型CSSRR的頻率響應曲線Fig.4 Simulated results of the improved CSSRR

4 基于加載CSSRR的CRLH傳輸線移相器設計

根據所設計出的基于CSSRR的CRLH傳輸線,用其等效電路模型代替實際的CSSRR單元,由于在中心頻率處產生的相移為零,因此只需在另一支路上補償22.5°相移即可。由式（1）可知,需要的傳輸線長度為7.91 mm。選擇PIN二極管作為控制開關,并將PIN二極管模型設計成理想模型,在Serenade軟件中建立了移相器的仿真電路,介質板采用介電常數為2.65、厚度為1 mm的聚四氟乙烯玻璃布板,其工作頻率為1.35～1.85GHz。

為驗證該方法的有效性,對所設計的移相器進行了加工和測試。圖5為移相器的實物照片,圖6～8為移相器的仿真和測試結果。從圖中可以看出,測試結果與仿真結果吻合較好,證明了所提設計方法的有效性。

實測結果表明,在整個頻帶內,相移量幾乎不變,相移誤差在±0.56°以內;插入損耗優于1.13 dB;駐波比小于2（1.35 GHz處除外）,造成部分駐波比較大的原因可能是因為實際的PIN二極管存在一定損耗,并非理想,而且焊接好壞、偏置線的布置對整個器件性能也有一定的影響。

圖5 移相器實物圖Fig.5 The prototype of the 22.5°phase shifter

圖6 兩條支路的相位和移相量測試結果Fig.6 The measured results of the phase and phase shifting of the two branchs

圖7 兩條支路S21仿真和測試結果Fig.7 The simulated and measured results of the insertion loss of the phase shifter

圖8 兩條支路駐波比仿真和測試結果Fig.8 The simulated and measured results of the VSWR of the phase shifter

5 結 論

復合左右手傳輸線概念的提出為人們設計傳輸線提供了一種新的思路,是對傳輸線理論的一個補充,由于其獨特的相位特性,將在微波元件、天線饋線、相位補償、器件小型化等方面具有良好的應用前景。本文首先設計了一個零相移的CSSRR單元,并將其應用于移相器的設計中,成功地制作出了一個22.5°移相器。測試結果表明,該器件具有結構緊湊、相移誤差小、插損小、相對帶寬較寬等優點,且是平面結構,易加工調試,在微波通信中具有良好的應用前景,也為移相器的設計提供了一種新的思路。

[1] Veselago V G.The electrodynamics of substances with simultaneously negative values ofεand μ[J].Soviet Physics Uspekhi,1968,10（4）:509-514.

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[5] Dmitry Kholodnyak,et al.Broadband Digital Phase Shifter Based on Switchable Right-and Left-handed Transm ission Line Sections[J].IEEEMicrowave and Wireless Components Letters,2006,16（5）:258-260.

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GU Qi-zheng,XIANG Jia-zhen,YUAN Xiao-kang.Design of Microwave Integrated Circuit[M].Beijing:People′s Posts&Telecomuniations Press,1978.（in Chinese）

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22.5°Phase Shifter Using Composite Right/Left-Handed Transm ission Line w ith Loaded CSSRR

HU Yong,ZHANG Chen-xin,GAO Xiang-jun
（The Missile Institute,Air Force Engineering University,Sanyuan 713800,China）

A novel complementary split single ring resonator（CSSRR）is designed using the unique phase characteristic of the Composite Right/Left-Handed（CRLH）transmission line,then a 22.5°phase shifter is designed,fabricated and measured.The measurement results show that the absolute error in operating band is within±0.56°,and the insertion loss is below 1.13 dB.The measurement results have a good agreement with the simulations,which verifies the correction of the design.

phased array radar;left-handed materia;22.5°phase shifter;comp lementary split single ring resonator（CSSRR）;composite right/left-handed（CRLH）transmission line;microwave communication

The National Natural Science Foundation of China（No.60971118）

TN623

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.06.019

1001-893X（2010）06-0084-04

2010-01-26;

2010-04-02

國家自然科學基金資助項目（60971118）

胡 勇（1986-）,男,河南光山人,碩士研究生,主要從事微波、毫米波電路與工程方面的研究;

HU Yong was born in Guangshan,Henan Province,in 1986.He is now a graduate student.His research interestsinclude microwave/millimeter wave circuit and engineering.

Email:huyong6931@163.com

張晨新（1969-）,男,河南修武人,教授、碩士生導師,主要研究領域為天線技術、微波與毫米波電路、電磁散射與逆散射等;

ZHANG Chen-xin was born in Wuxiu,Henan Province,in 1969.He is now a professor and also the instructor of graduate students.His research interests include antenna technology,microwave and millimeter wave circuit,etc.

高向軍（1980-）,男,山西孝義人,博士,主要研究領域為電磁散射與輻射和天線技術等。

GAO Xiang-jun was born in Xiaoyi,Shanxi Province,in 1980.He is with the Ph.D.degree.His research interests include antenna technology,microwave and millimeter wave circuit,etc.