基于短路枝節加載型復合左右手諧振器的雙工器的制作方法

本發明涉及用于通信的發送接收雙工器，尤其是涉及一種基于短路枝節加載型復合左右手諧振器的雙工器。
背景技術：
：自從2000年，DavidSmith利用空間周期排列的金屬線與開口環諧振器制造出第一塊左手材料后，過去只存在于理論分析中的左手材料就進入了大眾視野，并在科技和工程領域受到空前關注，然而，其體積大、帶寬窄、損耗大等缺點限制了其在微波工程中的應用。不過人們對左手材料的熱情并沒有降低，Eleftheriades帶領的研究小組以及T.Itoh和C.Caloz領導的研究小組就分別于2002年提出了周期加載集總和分布并聯電感和串聯電容的平面非諧振式復合左右手傳輸線結構，特別是其中的分布式并聯電感和串聯電容的平面非諧振式復合左右手傳輸線結構，該結構通過在微帶線的金屬條帶上開口的方式實現串聯電容，通過在微帶線的金屬條帶上加載終端短路的并聯枝節來實現并聯電感。2006年，C.Caloz和T.Itoh共同編撰了“ElectromagneticMetamaterials:TransmissionLineTheoryandMicrowaveApplications”一書，書中記錄了左手材料的許多特性及其在微波領域的應用，還給出了復合左右手傳輸線單元與均勻傳輸線等效的條件。相比于純左手材料，該結構不僅在性能上具有很大的改善，并且保證了結構的緊湊型，為微波無源器件的小型化提供了新的可能。目前,無線通信系統大多是同時工作在多個頻段上,雙工器作為微波通信領域的重要器件，受到廣大研究人員的重點關注。雙工器是解決收發共用一副天線而又使其相互不受影響而設計的一種微波器件，相當于一個開關的作用。當發信機工作時，雙工器接通天線與發信機，收信機斷開；相反，當收信機工作時，雙工器接通收信機而斷開發信機，這種特性使雙工器可被應用于多種需要在特定頻段進行信息發射和接收的微波通信設備。近年來，無線設備小型化和便攜性的要求也不斷提升,這對射頻微波器件的小型化、低成本等提出了更高的要求。為順應這一發展趨勢，在滿足目標濾波特性的前提下，微波領域的研究者們提出了各種緊湊結構的雙工器，比如：螺旋型結構、折疊型結構等，甚至提出了一些新的制作工藝，希望最大程度的實現小型化，但制作工藝及本身結構的限制仍然使這些雙工器的應用受到限制。工業應用需要具有良好性能，制作工藝簡單，設計靈活，結構緊湊體積小且成本較低的雙工器，而將復合左右手傳輸線單元應用于構造雙工器，就是一種可行的縮小雙工器體積的方法，在微波應用領域具有非常廣闊的應用前景。技術實現要素：本發明的目的在于針對上述現有技術中存在的不足，提供可實現小型化、帶寬可控和頻率可調等性能，并具有制作工藝簡單、設計靈活、結構緊湊體積小、構造成本低的一種基于短路枝節加載型復合左右手諧振器的雙工器。本發明設有上層微帶結構、中間層介質基板和底層接地板；所述上層微帶結構包括三條輸入輸出饋線、第一信道的短路枝節加載型復合左右手諧振器、第二信道的短路枝節加載型復合左右手諧振器以及分布于第一、二信道短路枝節加載型復合左右手諧振器上半周附近的耦合線和耦合線終端的方形接地貼片，所述耦合線與短路枝節加載型復合左右手諧振器間存在縫隙，并于短路枝節加載型復合左右手諧振器的上方中心處通過方形接地貼片與底層接地板相連；饋線一端接耦合線并呈直角型結構，饋線另一端接同軸線纜內導體；所述中間層介質基板的上、下表面分別緊貼上層微帶結構和底層接地板，底層接地板完全覆蓋中間層介質基板的下表面，底層接地板接同軸線纜外導體。所述短路枝節加載型復合左右手諧振器可由兩個復合左右手傳輸線單元和一個短路加載枝節組成。所述復合左右手傳輸線單元可由容性交趾結構和感性曲折型短路枝節組成，所述容性交趾結構枝節數為5，交趾枝節長度為2.5～3.0mm，交趾枝節寬度為0.12～0.18mm；所述感性曲折型短路枝節的終端通過圓形接地貼片與底層接地板相連，圓形接地貼片的中心過孔的半徑為0.25～0.35mm，圓形接地貼片的半徑為0.35～0.45mm，所述感性曲折型短路枝節的總長度為6.5～10mm。所述短路加載枝節的寬度為0.7～0.9mm，長度為3.5～4.5mm。所述短路加載枝節的末端中心處由一圓形金屬過孔與底層接地板相連，所述圓形金屬過孔的圓心距離短路加載枝節末端0.4～0.5mm，圓形金屬過孔的半徑為0.25～0.35mm。所述耦合線的寬度為0.2～0.3mm，耦合線與短路枝節加載型復合左右手諧振器間的距離為0.1～0.2mm；耦合線順著短路枝節加載型復合左右手諧振器的輪廓延伸，每條耦合線總長度為6～10mm；分別與第一端口和第二端口的饋線相連的兩條耦合線的終端通過方形接地貼片與底層接地板相連，方形接地貼片的中心過孔的半徑為0.25～0.35mm，方形金屬貼片的邊長為0.8～1.0mm。三條輸入輸出饋線分別與基于短路枝節加載型復合左右手諧振器的雙工器的第一端口(P1)、第二端口(P2)和第三端口(P3)相連。第一端口(P1)至第二端口(P2)形成第一信道傳輸路徑，第一端口(P1)至第三端口(P3)形成第二信道傳輸路徑。與第一端口(P1)相連的饋線在距端口不遠處分裂為兩條與原饋線等寬的饋線，分別連接第一信道和第二信道的輸入端口。所述饋線為50Ω微帶饋線，饋線寬度由信道中心頻率、基板參數、微帶線厚度等共同決定并計算得到，饋線長度為4～8mm；所述接同軸線纜的特性阻抗為50Ω。所述中間層介質基板為長方體，長方體的長邊為14～17mm，寬邊為13～16mm，高度為0.508mm，材料為RogersR04350B，中間層介質基板的相對介電常數為3.48，相對磁導率為1，損耗正切角為0.004。本發明的有益效果在于：本發明提供了一種基于短路枝節加載型復合左右手諧振器的雙工器，其第一信道和第二信道分別由兩個不同尺寸的短路枝節加載型復合左右手諧振器產生，且工作頻率分別為2.6GHz和2.9GHz，第一和第二信道的中心頻率及帶寬可分別通過改變控制第一、二信道的短路枝節加載型復合左右手諧振器的參數進行獨立調節，因此，本發明的輸入信道和輸出信道的工作頻率可被靈活調控，工程應用性強。本發明通過應用容性交趾結構以及感性曲折型短路枝節，有效縮小了該雙工器的體積，使結構更加緊湊，實現了設備的小型化。磁性的源負載耦合結構改善了該雙工器的頻率選擇性。本發明底層接地板為完整的地，有利于維護信號的完整性，有效地防止信號泄露，且易于和其他微帶電路集成。附圖說明圖1為本發明結構示意圖；圖2為本發明基于短路枝節加載型復合左右手諧振器俯視圖；圖3為本發明俯視圖；圖4為本發明實施例的S21和S31參數隨d3變化的頻率響應曲線圖；圖5為本發明實施例的S21和S31參數隨d4變化的頻率響應曲線圖；圖6為本發明實施例的S21、S31、S22和S33參數頻率響應曲線圖；圖7為本發明實施例的S11和S32參數頻率響應曲線圖。具體實施方式以下結合附圖對本發明的技術方案作進一步的描述。如圖1和2所示，本發明實施例設有上層微帶結構、中間層介質基板和底層接地板。其中上層微帶結構包括輸入輸出端口、饋線、耦合線和兩個尺寸不同結構相同的短路枝節加載型復合左右手諧振器6和7；輸入端口P1和輸出端口P2、P3的特性阻抗均為50Ω，且分別與50Ω饋線1、2、3相連，50Ω饋線寬度由信道中心頻率、基板參數、微帶線厚度等共同決定并計算得到，饋線長度為4～8mm，其中第一饋線1又一分為二成反Z型饋線4和L型饋線5，分別作為第一信道和第二信道的輸入饋線，第二饋線2和第三饋線3則分別作為第一信道和第二信道的輸出饋線。上層微帶結構的厚度為0.018mm。短路枝節加載型復合左右手諧振器6和7分別用于產生濾波信道一和濾波信道二，諧振器6由兩個復合左右手傳輸線單元8、9和一個短路加載枝節10構成，短路加載枝節10的寬度為0.7～0.9mm，長度為3.5～4.5mm。枝節的末端中心處由一圓形金屬過孔與底層接地板相連，該圓形金屬過孔的圓心距離所述短路加載枝節末端0.4～0.5mm,圓形金屬過孔的半徑為0.25～0.35mm。復合左右手傳輸線單元8包括容性交趾結構和感性曲折型短路枝節，其中交趾結構由5根交趾枝節組成，包括兩根與感性曲折型短路枝節相連接的微帶線11和三根與短路加載枝節10相連的微帶線12，交趾枝節長度為2.5～3.0mm，交趾枝節寬度為0.12～0.18mm；感性曲折型短路枝節由微帶線13，微帶線14，微帶線15及圓形接地貼片16相連而成，微帶線13，微帶線14，微帶線15的總長度為6.0～10.0mm，寬度為0.12～0.18mm，圓形接地貼片16的中心過孔的半徑為0.25～0.35mm，圓形接地貼片16的半徑為0.35～0.45mm。復合左右手傳輸線單元9和復合左右手傳輸線單元8結構相同，呈對稱分布。根據參考文獻“C.CalozandT.Itoh,ElectromagneticMetamaterials:TransmissionLineTheoryandMicrowaveApplications.Hoboken,NJ:Wiley-IEEEPress,2006”的分析，當復合左右手傳輸線單元的電長度小于時,我們可以將復合左右手傳輸線單元等效為均勻傳輸線，如圖2所示，以第一信道為例，復合左右手傳輸線單元的等效均勻傳輸線的電長度和阻抗分別為θ1和Z1，其中θ1＝βl，l為等效均勻傳輸線的物理長度。短路枝節的物理長度為d。引入奇偶模分析方法，當諧振器兩端加載奇模激勵時，中心位置處電壓為零，故加載的短路枝節不會影響奇模諧振頻率。奇模諧振頻率為：其中，為滿足n＝1；c為光在真空中的速度；εeff為有效介電常數。由于復合左右手傳輸線單元的物理長度L1與其等效的均勻傳輸線的物理長度具有正相關性，故第一信道的奇模諧振頻率可以通過改變L1的長度來調控。當諧振器兩端加載偶模激勵時，中心位置處電流為零，諧振頻率由加載的短路枝節和復合左右手傳輸線單元的等效長度共同決定。偶模諧振頻率為：其中，n＝1,2,3,…；c為光在真空中的速度；εeff為有效介電常數。可以看到，短路加載枝節的長度d只對偶模諧振頻率產生影響，對奇模諧振頻率不產生影響，而復合左右手傳輸線單元的物理長度L1即能影響奇模諧振頻率，又能影響偶模諧振頻率。故我們可以通過改變L1和d的長度來調控第一信道的中心頻率和帶寬。第二信道的諧振器結構與第一信道相同，其控制原理也與第一信道一致。耦合線位于短路枝節加載型復合左右手諧振器6和7的兩邊，由微帶線17、微帶線18、微帶線19、微帶線20及方形接地貼片21相連而成，微帶線17和微帶線18沿著諧振器6一直角頂點延伸成Γ型微帶線，其寬度為0.2～0.3mm，與短路枝節加載型復合左右手諧振器間的距離為0.1～0.2mm；微帶線17和微帶線18總長度為6～10mm；微帶線19和微帶線20沿著諧振器6另一直角頂點延伸成反Γ型微帶線，與微帶線17和微帶線18呈對稱分布。微帶線18和微帶線19與方形接地貼片21實現源負載交叉耦合，改善了第一信道的帶外特性，提高了雙工器的選擇性，方形接地貼片的中心過孔的半徑為0.25～0.35mm，方形金屬貼片的邊長為0.8～1.0mm，微帶線17和微帶線20分別與饋線2和饋線4相連。位于短路枝節加載型復合左右手諧振器7周圍的耦合線的分布與短路枝節加載型復合左右手諧振器6周圍的相同，且耦合線的寬度相等。所述中間層介質基板22為長方體，該長方體的長邊為14～17mm，寬邊為13～16mm，高度為0.508mm，材料為RogersR04350B，中間層介質基板的相對介電常數為3.48，相對磁導率為1，損耗角正切為0.004。中間層介質基板的上表面緊貼上層微帶結構，中間層介質基板下表面緊貼與中間層介質基板表面積相等的底層接地板，底層接地板完全覆蓋中間層介質基板，底層接地板接50Ω的同軸線纜外導體，底層接地板的厚度為0.018mm。圖3所示為本發明實施例的俯視圖及其標示的各參數。表1為本發明各參數最佳尺寸表。表1參數尺寸(mm)參數尺寸(mm)L5L12.65L23.95L32.05L43.25L53.4L64.3L72.2L87.6L92.55L102.35L111.95L123.7L132.95W1.1W10.15W20.3W31.1W41.4W50.8W60.15r00.25r10.4S10.1S20.1S30.1d10.8d20.1d34d43.4依照上述參數，使用HFSS對本發明實施例的各項特性參數進行S參數仿真分析。圖4和圖5給出了利用所述參數設計的實施例的仿真結果，如圖4所示，當其他參數不變，只改變產生第一信道的短路枝節加載型復合左右手諧振器的短路加載枝節的長度d3時，實施例第一信道的中心頻率和帶寬改變，但實施例第二信道的中心頻率和帶寬不變，如圖5所示，當其他參數不變，只改變產生第二信道的短路枝節加載型復合左右手諧振器的短路加載枝節的長度d4時，實施例第二信道的中心頻率和帶寬改變，而實施例第一信道的中心頻率和帶寬不變。圖6所示為本發明實施例的S21、S31、S22和S33參數頻率響應曲線圖。如圖所示，對于第一信道，在S21>-3dB條件下通帶覆蓋范圍為2.50～2.66GHz，中心頻率為2.58GHz，帶內S22<-14.7dB，該通帶的相對帶寬為6.3％；對于第二信道，在S31>-3dB條件下通帶覆蓋范圍為2.87～3.06GHz，中心頻率為2.96GHz，帶內S22<-12.6dB，該通帶的相對帶寬為6.3％。圖7所示為本發明實施例的S11和S32參數頻率響應曲線圖。在1～5.5GHz的范圍內，S32<-23dB，即隔離度大于23dB。本發明在短路枝節加載型復合左右手諧振器的基礎上，將兩個結構相同尺寸不同的短路枝節加載型復合左右手諧振器分別用于構建基于短路枝節加載型復合左右手諧振器的雙工器的第一信道傳輸路徑和第二信道傳輸路徑。短路枝節加載型復合左右手諧振器由兩個復合左右手傳輸線單元和一個短路加載枝節構成。短路加載枝節的存在使短路枝節加載型復合左右手諧振器具有奇模和偶模兩個諧振模式，其中，在改變其短路加載枝節長度的情況下，只改變奇模諧振頻率，在改變復合左右手傳輸線單元的交趾結構的枝節長度的情況下，奇模諧振頻率和偶模諧振頻率均受到影響。基于短路枝節加載型復合左右手諧振器的雙工器的兩信道通路之間互相獨立，第一信道和第二信道的中心頻率和帶寬可被獨立調控，復合左右手傳輸線單元的應用還使基于短路枝節加載型復合左右手諧振器的雙工器的體積得到了很大的縮減，使本發明得以實現小型化，而磁性源負載交叉耦合線的應用提高了本發明的頻率選擇性。因此，對于不同頻段的濾波需求，可以通過對基于短路枝節加載型復合左右手諧振器的雙工器進行參數調諧來實現而無需重新設計新的雙工器模型，縮短了設計時間。此外，基于短路枝節加載型復合左右手諧振器的雙工器結構緊湊體積小、制作工藝簡單且設計效果好等優點也使得基于短路枝節加載型復合左右手諧振器的雙工器在實際工程設計中更具有普適性。當前第1頁1 2 3