一種新型的定向耦合器

一種新型的定向耦合器

1微波定向耦合器定向耦合功能是將輸入的磁體能量以一定的比例輸出給不同的端口，并具有功率分布模式。傳統(tǒng)的耦合器有各種類型,如波導(dǎo)耦合器、同軸線耦合器、微帶耦合器等。由于定向耦合器在信號處理系統(tǒng)、通信等領(lǐng)域起著舉足輕重的作用,所以尋找性能更好、功能獨特的定向耦合器,一直是人們很感興趣的一個領(lǐng)域。在微波技術(shù)中,定向耦合器用來監(jiān)視功率、頻率和頻譜;把功率進(jìn)行分配和合成;構(gòu)成天線的收發(fā)開關(guān)、平衡混頻器和測量電橋。在研究傳統(tǒng)的耦合器時,可以通過奇、偶模分析法得出各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及等效電路。對于結(jié)構(gòu)對稱的各種耦合器,目前已經(jīng)形成了較完善的理論體系。1999年,Pendry等提出可以制作在某一頻率區(qū)間的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)值的左手性材料。2001年Smith等首次制作出微波波段的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)的材料,從實驗上證明了左手性介質(zhì)的存在。Pendry等的工作引起了物理界對負(fù)折射問題的極大關(guān)注,并把具有左螺旋性質(zhì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的人工介質(zhì)稱為Metamateria。本文主要介紹一種新型的耦合器——可調(diào)諧左右手組合介質(zhì)定向耦合器,這種耦合器的特點是:耦合器的一條信號通路為右手性材料,另一條為左右手復(fù)合材料,由于左右手復(fù)合材料的電容使用變?nèi)荻O管,因此,其耦合性質(zhì)隨外加電壓的變化而變化。最后從實驗的角度探討了這種新型耦合器的耦合性質(zhì)。2水流方向的定向耦合器結(jié)構(gòu)2.1左、瞳后耦合微帶兩條或者多條微帶相互靠近,其間必有耦合。平行線微帶定向耦合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中W表示兩條微帶線的間距,L表示兩條微帶線的耦合長度。對于圖1所示的結(jié)構(gòu)對稱的均勻無耗微帶定向耦合器,當(dāng)耦合長度等于四分之一信號波長時,耦合最強。當(dāng)在端口1施加激勵信號時,電磁信號將通過微帶向端口2傳播,同時由于電磁耦合,信號還將向3端口和4端口傳播。在某一頻率,副線中端口3的耦合信號很強,而4端口的無電磁信號輸出,也就是說3端口為耦合端,4端口為隔離端口。適當(dāng)?shù)倪x取參量使高次模不能存在,則耦合微帶的工作波型仍是準(zhǔn)TEM波,在分析其電磁性質(zhì)時通常采用奇偶模分析法。當(dāng)耦合主線的相移位時,散射矩陣為:其中,k表示耦合系數(shù)。如果我們把圖1結(jié)構(gòu)中的主線1、2(或者3、4)用左右手組合材料來代替,就構(gòu)成了一種新型的耦合器,這種耦合器稱為左右手耦合器,如圖2所示。激勵信號加在1端口,為敘述方便稱1端口到2端口的信號為直通信號。與平行微帶線耦合器相似,在特定頻率下端口1、3間有較強的耦合(耦合度小于3dB),而4端口的信號很弱,因此稱3端口為耦合端,4端口為隔離端。兩條耦合線間的距離為W,上下兩條線表示接地板。左手性材料(見圖2)中微波的傳輸性質(zhì)與常規(guī)微帶線中的電磁波相比,有許多新的特點,它的許多耦合性質(zhì)目前尚未完全清楚。本文制備了可調(diào)諧左右手定向耦合器,并對耦合強度等參量進(jìn)行了測量,目的在于研究這種新型材料的耦合特性,以期在微波技術(shù)中得到應(yīng)用。2.2整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)本文制備的可調(diào)諧左右手耦合器是在圖2基礎(chǔ)上的改進(jìn)電路,其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。用變?nèi)荻O管代替了圖3中的電容值固定的貼片電容,相鄰變?nèi)荻O管通過焊接在印刷板上過孔中的貼片電感L與印刷板背面的地平面相接,貼片電感同時形成了直流供電通路,電源通過磁珠RFC為二極管提供直流電壓,由于磁珠RFC的電感系數(shù)遠(yuǎn)大于貼片電感L,磁珠RFC同時起到了抑制微波信號直接通過直流電源進(jìn)行傳播,電阻R在此只是起到保護(hù)二極管的作用。整體看來,所有的二極管對于直流供電系統(tǒng)來說,是并聯(lián)關(guān)系,而從微波傳播來看,則是串連關(guān)系。兩個變?nèi)荻O管和一個貼片電感構(gòu)成一個周期單元。圖4為實驗測量使用的左右手耦合器實物圖。左右手耦合器共由8個單元構(gòu)成,端口1到端口2為微帶線,3端口和4端口間為周期性結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧左右手組合材料,與圖3所不同的是,兩個二極管的串聯(lián)電容等效為一個電容。各個元件的參數(shù)如下:貼片電感L=4.7nH,二極管選用Philips公司的BB135,當(dāng)二極管上的偏置電壓從0.5V升高到30V時,二極管的電容相應(yīng)地從20pF下降到2pF。印刷板采用聚四氟乙烯敷銅板,基底的介電常數(shù)為4.75,印刷板厚1.6mm。1端口和2端口之間的微帶線寬度為3.0mm,3端口和4端口的微帶帶寬同樣為3.0mm,線間距W為0.2mm。當(dāng)測量1、2端口的散射參數(shù)為S21時,3端口和4端口均外接匹配負(fù)載50Ω。3調(diào)整左相橋試驗測量和討論3.1耦合禁帶vd當(dāng)激勵信號加在1端口,測出1端口到2端口的直通信號的移動如圖5所示?？梢钥吹街蓖ㄐ盘栍蓄愃朴谧笥沂植牧系摹敖麕А背霈F(xiàn)。為敘述方便,在此把它叫做“耦合禁帶”。當(dāng)電壓從0.5V逐漸上升到30V時,耦合禁帶從低頻逐漸向高頻方向移動。圖5中的三條曲線從左到右依次對應(yīng)于0.5V、5V和14V。在電壓從0.5V到14V的升壓過程中,耦合禁帶的最小點,即耦合禁帶的底部不斷的降低。在0.5V時,底部數(shù)值為5.05dB;當(dāng)電壓為5V時,禁帶底部為12.2dB;而當(dāng)電壓為12V時,則為15.6dB;當(dāng)電壓繼續(xù)升高時禁帶深度變化不大。實驗測量了一系列電壓值,耦合禁帶的深度與電壓的關(guān)系如圖6所示。3.2旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的耦合把激勵信號加在端口1,連續(xù)改變變?nèi)荻O管上的反向偏置電壓,測得不同電壓下的各個端口的透射率如圖7所示。實驗表明左右手材料的耦合表現(xiàn)出以下特點:(1)耦合最強的頻率(peak點)總是發(fā)生在耦合禁帶區(qū)。(2)當(dāng)電壓升高時,耦合最強區(qū)與耦合禁帶區(qū)同步向高頻方向移動。(3)隨著外加電壓的升高,耦合強度越來越大。(4)耦合度K總是小于0dB,表明這種結(jié)構(gòu)的耦合不可能實現(xiàn)完全能量轉(zhuǎn)換,引起這種現(xiàn)象的原因是由于端口1、2之間的微帶線的固有相移常數(shù)與可調(diào)諧耦合段的相移常數(shù)不同造成的。從圖7可以看出,左右手耦合強弱的變化趨勢與圖6中耦合禁帶的變化趨勢剛好相反。從能量的角度看,當(dāng)端口1的輸入能量確定時,如果電壓增加,從端口3流出的能量增加,端口2的能量必然減少,總能量保持守恒。電壓的變化實際上反映了變?nèi)荻O管的電容,因此左右手組合材料的耦合性是由變?nèi)荻O管的電容決定的?？梢哉f,左右耦合器的耦合性質(zhì)與電容的大小有關(guān),當(dāng)電容減小時,左右手耦合器1、3端口的耦合增強。4可調(diào)諧東南角板單元本文設(shè)計制作了一種新型的電壓調(diào)諧耦合器,并對這種新型的耦合器進(jìn)行了實驗測量和性能分析。實