一種基于超表面的小型微波頻率可重構耦合器制造技術

本發明專利技術涉及一種基于超表面的小型微波頻率可重構耦合器，主要解決現有技術中存在的尺寸大、成本高、損耗高、調諧范圍小的技術問題。本發明專利技術通過采用包括半徑及厚度均相等的上層圓形結構，下層圓形結構，上層圓形結構與下層圓形結構通過圓心處設置的圓心孔(4)與貫穿圓心孔(4)設置的金屬棒實現結構固定及相對角度調諧；所述上層圓形結構上表面為超表面；所述下層圓形結構上表面固貼有環形耦合器，下表面為接地面的技術方案，較好的解決了該問題，可用于微波頻率可重構耦合器的工業生產中。

A small microwave frequency reconfigurable coupler based on Super Surface

The invention relates to a small microwave frequency reconfigurable coupler based on ultra surface, which mainly solves the technical problems of large size, high cost, high loss and small tuning range existing in the prior art. The invention comprises the upper circular structure radius and thickness were equal, the lower circular structure, upper and lower center hole circular structure of circular structure by setting at the centre of the circle (4) and through the center hole (4) metal rod set structure and fixed relative angle tuning; the upper circular structure on the surface super surface; the lower layer on the surface of solid circular structure with ring coupler, the lower surface is a technical scheme of the ground, a better solution to the problem, can be used in Microwave Frequency Reconfigurable coupler in industrial production.

【技術實現步驟摘要】
一種基于超表面的小型微波頻率可重構耦合器
本專利技術涉及微波器件
，特別涉及到一種基于超表面的小型微波頻率可重構耦合器。
技術介紹
在現今的多頻和多標準移動無線系統中，收發機大多是通過并行集成多個單頻或單標準工作的射頻前端和共享部分模擬基帶處理電路實現的。隨著工作頻段和標準的增加，傳統的多頻和多標準收發機中的片上硅面積和片外無源器件數目增加，導致系統尺寸變大、設計成本增加、系統功耗增加和電池使用壽命變短等問題。耦合器作為微波通信系統中的基本元件，廣泛應用于平衡放大器、混頻器以及天線陣列的饋電網絡等微波電路。為了適應現代通信發展的需要，近年來關于微波耦合器的研究非常多。這些研究主要集中在實現耦合器的小型化、寬帶化、多頻帶和可調諧技術等方面。由于現代通信系統對多個無線標準集成到單個無線平臺的強烈需求，因此，耦合器可調諧技術成為研究的熱點?，F有的技術，分為機械調諧與電調諧，機械調諧通過調諧尺寸來達到改變耦合器工作頻率的目的。采用電調諧技術，是通過加載電子器件如PIN二極管、變容二極管等，控制電子器件偏置電壓從而獲得可調諧的性質。電調諧技術需要低頻電壓偏置，這會對微波器件的性能產生不良影響，比如，電調諧耦合器需要偏置電壓控制PIN二極管或變容二極管以實現可調諧，則微波耦合器的性能將依靠于電子器件與偏置源的可靠性；同時，由于加載電子器件，使得器件損耗大，且難以實現小型化?，F有技術中的可重構耦合器存在尺寸大、成本高、損耗高、調諧范圍小的技術問題。因此，提供一種尺寸小、損耗低、調諧范圍大的微波頻率可重構耦合器就很有必要。
技術實現思路
本專利技術所要解決的是現有技術中存在的尺寸大、成本高、損耗高、調諧范圍小的技術問題。提供一種新的基于超表面的小型微波頻率可重構耦合器，具有結構簡潔緊湊、成本低、損耗低、調諧范圍大的特點。為解決上述技術問題，采用的技術方案如下：一種基于超表面的小型微波頻率可重構耦合器，包括半徑及厚度均相等的上層圓形結構，下層圓形結構，上層圓形結構與下層圓形結構通過圓心處設置的圓心孔4與貫穿圓心孔4設置的金屬棒實現結構固定及相對角度調諧；所述上層圓形結構上表面為超表面；所述下層圓形結構上表面固貼有環形耦合器，下表面為接地面。上述方案中，為優化，進一步地，所述環形耦合器包括一個圓周長為1.5λ的混合環3；所述混合環3內圓周并聯有6個尺寸相同、間距相同的矩形微帶線1；所述6個矩形微帶線1中相鄰的5個矩形微帶線1將混合圓分為5段，于間距較短4段中每段的中心處設有尺寸相同與混合環3外沿連接的微帶分支線2；所述微帶分支線2未與混合環3連接一端均設有饋電點，所述接地面于饋電點對應位置設有用于饋電連接的饋電孔；其中，λ為工作頻率下的波長。進一步地，所述饋電點為環形微帶，所述饋電孔設于環形微帶內環。耦合器通過微帶線底饋的方式從接地板通過SMA連接頭給貼片饋電。這種饋電方式不會影響超表面層的旋轉。進一步地，所述微帶分支線2中心處設有用于阻抗匹配的微帶枝節線，所述微帶枝節線位于微帶分支線2逆時針向分布。進一步地，所述微帶分支線2中心處設有用于阻抗匹配的微帶枝節線，所述微帶枝節線位于微帶分支線2順時針向分布。進一步地，所述微帶枝節線寬度與所述微帶分支線2相等。進一步地，所述超表面包括周期分布的矩形金屬環結構。進一步地，所述超表面相對旋轉調諧角度范圍為0°-30°。當旋轉角度θR從0°旋轉到30°時，耦合器的頻率在2.1GHz-2.45GHz范圍內連續可調，相對可調諧帶寬為15.2％，S參數結果如圖4所示，具有良好性能?？紤]到耦合器及超表面結構的對稱性，旋轉角度有效范圍為45°，但是基于超表面的具體尺寸與耦合器尺寸的相對大小，實際的旋轉角度為30°，即當旋轉角度θR從0°旋轉到30°時，可調范圍已達最大值。進一步地，所述接地面為鋪設良導體的金屬地層，良好的接地，關系著耦合器指標的好壞。進一步地，所述上層圓形結構及下層圓形結構介質均為RO4350B，介電常數為3.48，厚度h為1.524mm。本專利技術的頻率可重構超表面耦合器由兩層半徑與厚度都相同的圓形平板結構組成。其中下層圓形結構為微帶環形耦合器結構。上層圓形結構為印有周期矩形金屬環結構的超表面。同時，耦合器采用同軸從微帶底部饋電的方式，為了提升阻抗匹配自由度，在每個輸出枝節線上加載一條微帶枝節。當旋轉超表面時，超表面相當于介電常數可調的介質基板，實現了頻率可重構超表面耦合器。頻率可重構超表面耦合器中心頻率可調范圍為2.1GHz-2.45GHz，其相對可調諧頻率范圍為15.2％，擴展了可調諧的范圍，具有良好的頻率可重構性能?；旌檄h(3)各支路特性阻抗為Z0,根據λ/4變換特性可知，環形線的特性阻抗為該1.5λ混合環(3)的大小受環形線的總長度限制。因此，要實現小型化設計必須要對該結構進行優化。由微帶線理論可知，微帶定向耦合器支線的特性阻抗和電長度決定了其寬度和長度。采用T型微帶傳輸線等效變換能有效的縮短電路尺寸。通過將原混合環(3)中阻抗為的環形的λ/4傳輸線等效為一段T型傳輸線，則能將原電路尺寸縮小30％。同時，與電子器件調諧相比，本專利技術具有低成本、低損耗的優勢。本專利技術的有益效果：效果一，減小了頻率可重構耦合器的尺寸；效果二，降低了頻率可重構耦合器的成本；效果三，降低了頻率可重構耦合器的損耗；效果四，增大了頻率調諧范圍。附圖說明下面結合附圖和實施例對本專利技術進一步說明。圖1，傳統的的環形耦合器示意圖。圖2，實施例1中環形耦合器示意圖。圖3，超表面示意圖。圖4，超表面中矩形金屬環結構。圖5，實施例2中環形耦合器結構。圖6，實施例1中基于超表面小型化微波頻率可重構耦合器S11參數。圖7，實施例1中基于超表面小型化微波頻率可重構耦合器S21參數。圖8，實施例1中基于超表面小型化微波頻率可重構耦合器S31參數。圖9，實施例1中基于超表面小型化微波頻率可重構耦合器S41參數。附圖中，1-矩形微帶線，2-微帶分支線，3-混合環，4-圓心孔。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。實施例1本實施提供一種基于超表面的小型微波頻率可重構耦合器，包括半徑及厚度均相等的上層圓形結構，下層圓形結構，上層圓形結構與下層圓形結構通過圓心處設置的圓心孔4與貫穿圓心孔4設置的金屬棒實現結構固定及相對角度調諧；所述上層圓形結構上表面為超表面；所述下層圓形結構上表面固貼有環形耦合器，下表面為接地面。如圖3，超表面包括周期分布的矩形金屬環結構。矩形金屬環結構的具體結構如圖4。分析超表面可調諧的性質，本實施例采用超材料的經典分析方法，假設超表面是無限大的金屬周期結構來進行仿真分析。通過改變入射電場與x軸的夾角θE，模擬頻率可重構超表面耦合器旋轉超表面的情況，θR與θE一一對應。因此，根據分析無限大超表面隨著線極化電場激勵入射角度θE變化所具有的性質，就能得到頻率可重構的原理。通過電磁仿真軟件獲得超表面的S參數，然后運用以下公式獲得超表面的等效阻抗Z和等效折射率n其中，d為超表面的有效厚度，k0為波數。根據μr＝nZ及εr＝n/Z計算出超表面的等效介電常數εr與等效磁導率μr。當本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于超表面的小型微波頻率可重構耦合器，其特征在于：所述小型微波頻率可重構耦合器包括半徑及厚度均相等的上層圓形結構，下層圓形結構，上層圓形結構與下層圓形結構通過圓心處設置的圓心孔(4)與貫穿圓心孔(4)設置的金屬棒實現結構固定及相對旋轉角度調諧；所述上層圓形結構上表面為超表面；所述下層圓形結構上表面固貼有環形耦合器，下表面為接地面。

【技術特征摘要】
1.一種基于超表面的小型微波頻率可重構耦合器，其特征在于：所述小型微波頻率可重構耦合器包括半徑及厚度均相等的上層圓形結構，下層圓形結構，上層圓形結構與下層圓形結構通過圓心處設置的圓心孔(4)與貫穿圓心孔(4)設置的金屬棒實現結構固定及相對旋轉角度調諧；所述上層圓形結構上表面為超表面；所述下層圓形結構上表面固貼有環形耦合器，下表面為接地面。2.根據權利要求1所述的基于超表面的小型微波頻率可重構耦合器，其特征在于：所述環形耦合器包括一個圓周長為1.5λ的混合環(3)；所述混合環(3)內圓周并聯有6個尺寸相同、間距相同的矩形微帶線(1)；所述6個矩形微帶線(1)中相鄰的5個矩形微帶線(1)將混合圓分為5段，于間距較短4段中每段的中心處設有尺寸相同與混合環(3)外沿連接的微帶分支線(2)；所述微帶分支線(2)未與混合環(3)連接一端均設有饋電點，所述接地面于饋電點對應位置設有用于饋電連接的饋電孔；其中，λ為工作頻率下的波長。3.根據權利要求2所述的基于超表面的小型微波頻率可重構耦合器，其特征在于：所述饋電點為環形微帶，所述饋電孔設于環形微帶內環。4.根據權利要求2所述的基于超...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳會，萬應祿，石憲青，朱磊，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：四川,51