基于加载CSSRR复合左右手传输线的22.5°移相器

胡 勇,张晨新,高向军

（空军工程大学 导弹学院,陕西 三原 713800）

基于加载CSSRR复合左右手传输线的22.5°移相器

胡 勇,张晨新,高向军

（空军工程大学 导弹学院,陕西 三原 713800）

利用复合左右手传输线独特的相位特性,设计了一个新型零相移的逆开口谐振单环（CSSRR）,在此基础上,设计了一个22.5°移相器,并对其进行了加工和测试。实测结果表明,该移相器工作频带内相移误差在±0.56°以内,插入损耗优于1.13 dB。实测结果与仿真电路吻合较好,证明了所提出方法的正确性和有效性。

相控阵雷达;左手材料;22.5°移相器;逆开口谐振环;复合左右手传输线;微波通信

1 引 言

左手材料是一种具有负介电常数和负磁导率的人工周期结构材料[1],于2001年由Smith等人用实验进行了验证[2]。利用左手材料奇异的电磁特性可以突破传统材料限制,开发出具有高性能、新功能的产品,因而成为近年来物理学界和电磁学界研究的热点。然而,理想左手材料的实现比较困难,于是,Caloz等人提出了复合左右手（Composite Right/Left-Handed,CRLH）传输线的概念,其所具有的双频带、小型化、宽频带和频率抑制等特性使其在微波电路中具有广阔的应用前景[3]。

移相器在相控阵雷达、微波通信、卫星技术等众多领域具有广泛的应用前景,特别是在相控阵雷达系统中,移相器是相控阵雷达T/R组件的重要组成部分。常用移相器一般可分为开关线型、加载线型、反射型和高低通型等几种类型,高低通型移相器主要应用于低频段,而开关线型、加载线型和反射型主要用于微波和毫米波频段。

近年来,国内外关于左手材料在移相器中的应用的报道较多,文献[3]中采用集总元件的形式实现了一个开关线型四位数字移相器,文献[4]中用变容二极管的形式实现了一个线性可调的移相器,文献[5]中采用共面波导的形式实现了一个180°的移相器。这些都是左手材料在移相器中应用的例子。然而,集总元件的方法对元器件要求较高,且不易调试;变容二极管的方法对焊接要求较高;共面波导的方法对加工工艺要求较高,不易实现。基于此,本文采用基于逆开口谐振单环（Complementary Split Single Ring Resonator,CSSRR）CRLH传输线的方法实现了一个22.5°开关线型移相器。该方法简单易行,加工方便,且具有较高的移相精度,能实现较宽带宽。

2 开关线型移相器基本原理

开关线移相器的基本电路如图1所示,它由4个开关和两条具有不同相移的传输路径构成。这4个开关控制着信号的传输路径,而两条传输路径的电长度之差便决定了这个移相器的差分相移量。开关既可以串联方式接入电路,如图1（a）;也可以并联方式接入电路,如图1（b）[6]。

图1 开关线移相器电路简化示意图Fig.1 Sketch illustration of the switched line phase shifters circuit

通过控制开关通断的变化,使微波信号的传输在上下两条不同的路径之间转换,由于上下两条通路的相移量不同,因而实现了移相功能。两条传输路径的电长度之差决定了相移量。若设一条通路的长度为l1,另一条为l2,则所产生的相移为

式中,β为传输线相位常数,λg为传输线中的波长,Δ 为相移量。开关线移相器结构简单,容易实现。

3 加载CSSRR的CRLH传输线

开口谐振单环（Split Single Ring Resonator,SSRR）可以在其谐振频率周围产生负磁导率效应,而金属导线可以在其等离子体频率下产生负介电常数效应,因此将SSRR与金属导线结合并周期排列,就可构造出左手传输带。由于CSSRR与SSRR的对偶性,CSSRR可在其谐振频率附近产生负介电常数效应,那么将具有负磁导率效应的材料与CSSRR相结合,也会产生出左手传输通带。而微带线的容性间隙可以产生负磁导率效应,因此将CSSRR与微带容性间隙结合,可在一定的频率范围获得左手传输通带[7-9],加载CSSRR微带线的左手传输通带结构如图2所示。

图2 传统加载CSSRR的CRLH传输线Fig.2 Conventional CRLH transm ission line with loaded CSSRR

采用介电常数为2.65、厚度为1 mm的聚四氟乙烯玻璃布板作为介质板。为增大CSSRR与微带线之间的耦合效应,在传统结构的环开口处添加一对水平缝隙;同时,为了减小辐射损耗,参考文献[10]中的方法,采用交指方式来实现间隙电容,得到改进型CSSRR单元如图3所示。

图3 加载CSSRR的CRLH传输线改进结构图Fig.3 Improved CRLH transm ission line with loaded CSSRR

由于仅添加了一对缝隙,间隙电容用交指方法实现,所以等效电路模型与传统的加载CSSRR的CRHL传输线的相同,改进型CSSRR仿真结果如图4所示。由图4可以看出,加载CSSRR的CRLH传输线同其等效电路模型的S参数以及相移特性基本一致,因此,在实际电路仿真中可以用其等效电路代替加载CSSRR的CRLH传输线。

图4 改进型CSSRR的频率响应曲线Fig.4 Simulated results of the improved CSSRR

4 基于加载CSSRR的CRLH传输线移相器设计

根据所设计出的基于CSSRR的CRLH传输线,用其等效电路模型代替实际的CSSRR单元,由于在中心频率处产生的相移为零,因此只需在另一支路上补偿22.5°相移即可。由式（1）可知,需要的传输线长度为7.91 mm。选择PIN二极管作为控制开关,并将PIN二极管模型设计成理想模型,在Serenade软件中建立了移相器的仿真电路,介质板采用介电常数为2.65、厚度为1 mm的聚四氟乙烯玻璃布板,其工作频率为1.35～1.85GHz。

为验证该方法的有效性,对所设计的移相器进行了加工和测试。图5为移相器的实物照片,图6～8为移相器的仿真和测试结果。从图中可以看出,测试结果与仿真结果吻合较好,证明了所提设计方法的有效性。

实测结果表明,在整个频带内,相移量几乎不变,相移误差在±0.56°以内;插入损耗优于1.13 dB;驻波比小于2（1.35 GHz处除外）,造成部分驻波比较大的原因可能是因为实际的PIN二极管存在一定损耗,并非理想,而且焊接好坏、偏置线的布置对整个器件性能也有一定的影响。

图5 移相器实物图Fig.5 The prototype of the 22.5°phase shifter

图6 两条支路的相位和移相量测试结果Fig.6 The measured results of the phase and phase shifting of the two branchs

图7 两条支路S21仿真和测试结果Fig.7 The simulated and measured results of the insertion loss of the phase shifter

图8 两条支路驻波比仿真和测试结果Fig.8 The simulated and measured results of the VSWR of the phase shifter

5 结 论

复合左右手传输线概念的提出为人们设计传输线提供了一种新的思路,是对传输线理论的一个补充,由于其独特的相位特性,将在微波元件、天线馈线、相位补偿、器件小型化等方面具有良好的应用前景。本文首先设计了一个零相移的CSSRR单元,并将其应用于移相器的设计中,成功地制作出了一个22.5°移相器。测试结果表明,该器件具有结构紧凑、相移误差小、插损小、相对带宽较宽等优点,且是平面结构,易加工调试,在微波通信中具有良好的应用前景,也为移相器的设计提供了一种新的思路。

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

[2] Shelby RA,Smith D R,Schultz S.Experimentalverification f a negative index of refraction[J].Science,2001,292（5514）:77-79.

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[4] Hongjoon Kim,Alexander B Kozyrev,Abdolreza Karbassi etal.Linear Tunab le Phase Shifter Using a Left-Handed Transmission Line[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2005,15（5）:366-368.

[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.

[6] 顾其诤,项家桢,袁孝康.微波集成电路设计[M].北京:人民邮电出版社,1978.

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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[8] Falcone F,LopetegiT,Laso M A G,et al.Babinet princip le app lied to the design of metasurfaces and metamaterials[J].Physical Review Letters,2004,93（19）:197-401.

[9] Bonache J,Falcone F,Baena J D,et al.Application of Complementary Split Rings Resonators to the Design of CompactNarrow Band PassStructure inMicrostrip Technology[J].Microwave and Optical Technology Letters,2005,46（5）:508-512.

[10] Marta Gil,Jordi Bonache,Jordi Selga,et al.Broadband Resonant-Type Metamaterial Transmission Lines[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2007,17（2）:97-99.

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

国家自然科学基金资助项目（60971118）

胡 勇（1986-）,男,河南光山人,硕士研究生,主要从事微波、毫米波电路与工程方面的研究;

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

张晨新（1969-）,男,河南修武人,教授、硕士生导师,主要研究领域为天线技术、微波与毫米波电路、电磁散射与逆散射等;

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.

高向军（1980-）,男,山西孝义人,博士,主要研究领域为电磁散射与辐射和天线技术等。

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.