王健銘，逯 科，，王 精

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西朔州036006；2.空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院，陜西三原713800；3.解放軍94878部隊，安徽蕪湖241009）

基于非對稱耦合螺旋諧振器的順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計?

王健銘1，逯 科2，??，王 精3

（1.中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西朔州036006；2.空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院，陜西三原713800；3.解放軍94878部隊，安徽蕪湖241009）

基于一種新型超材料單元——非對稱耦合螺旋諧振器，提出了基于該單元的順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案。由于螺旋諧振器的內(nèi)卷幾何特性，非對稱耦合螺旋諧振器尺寸非常緊湊。同時，研究發(fā)現(xiàn)，該單元的－90°相移頻率大致與通帶中心頻率對應(yīng)，對于設(shè)計正交相移微波器件具有重要價值。由于非對稱耦合螺旋諧振器的上述優(yōu)點(diǎn)，提出的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有小型化和調(diào)試簡單等優(yōu)點(diǎn)。測試結(jié)果表明，該饋電網(wǎng)絡(luò)能夠較好地滿足順序旋轉(zhuǎn)饋電的要求。

圓極化天線陣；單平面超材料單元；順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)；耦合諧振器

1 引 言

近10年來，超材料研究受到了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，相關(guān)研究成果對物理、材料、光學(xué)及微波領(lǐng)域都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響?；诼菪C振器超材料單元是一種新穎的單平面超材料單元，此類單元具有螺旋內(nèi)卷的幾何特性，尺寸緊湊，因而在微波器件小型化設(shè)計中具有廣闊的應(yīng)用前景。英格蘭拉夫堡大學(xué)研究小組最早開展了基于螺旋諧振器超材料單元的研究［1－4］。該小組曾提出一種實(shí)現(xiàn)低剖面折合陣子的超材料移相單元，該單元由兩個關(guān)于中心線對稱的分離矩形螺旋構(gòu)成，本文稱其為對稱耦合螺旋諧振器（Symmetrical Coupled-Spirals Resonator，SCSR）。在低剖面折合陣子中，對稱耦合螺旋諧振器建立在由頂層介質(zhì)板、中間空氣層、底層介質(zhì)板構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)上。文獻(xiàn)［5－6］研究發(fā)現(xiàn)：基于單層介質(zhì)板的對稱耦合螺旋諧振器在給定頻率范圍內(nèi)存在插入損耗特性差的缺陷，無法作為移相單元使用。針對上述問題，文獻(xiàn)［5］提出了改進(jìn)結(jié)構(gòu)，即非對稱耦合螺旋諧振器（Asymm-Etrical Coupled-Spirals Resonator，ACSR）。研究結(jié)果表明，ACSR克服了SCSR插入損耗特性的缺陷，具有良好的帶通特性，不但繼承了SCSR尺寸緊湊的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是，ACSR結(jié)構(gòu)的－90°相移頻率大致與通帶中心頻率對應(yīng)，這一特性對正交相移微波器件設(shè)計具有重要的應(yīng)用價值。利用ACSR的相位特性，研究人員設(shè)計出小型化分支線耦合器［6］；利用其帶通特性，設(shè)計了具有極窄橫截面積的小型化雙頻帶通濾波器［7］。

順序旋轉(zhuǎn)技術(shù)是設(shè)計高性能圓極化天線陣的有效手段，但傳統(tǒng)設(shè)計中相應(yīng)饋電網(wǎng)絡(luò)存在尺寸大、調(diào)整靈活性差的缺點(diǎn)。針對上述問題，本文研究了利用ACSR相移特性及小型化優(yōu)勢設(shè)計新型順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)的方案。利用ACSR代替?zhèn)鹘y(tǒng)順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)中四分之一波長微帶線，一方面可以顯著減小饋電網(wǎng)絡(luò)尺寸，另外一方面也可以提高布局的靈活性，并減小調(diào)試復(fù)雜度。測試結(jié)果表明，本文提出的饋電網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計頻帶內(nèi)可以較好地滿足順序旋轉(zhuǎn)饋電的要求。

2 非對稱耦合螺旋諧振器特性研究

本文所研究的非對稱耦合螺旋諧振器如圖1所示，該結(jié)構(gòu)由兩個分離矩形螺旋構(gòu)成，其中一個矩形螺旋由另外一個矩形螺旋繞結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180°獲得。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文稱其為非對稱分離螺旋諧振器（Asymmetrical Separated Spirals Resonator，ACSR）結(jié)構(gòu)。由于矩形螺旋無金屬連接，能量通過電磁耦合傳輸，所以ACSR是耦合諧振結(jié)構(gòu)［8］。本文仿真和加工模型均采用單層Rogers5880介質(zhì)板，其介電常數(shù)為2.2，厚度為1.5 mm，損耗角正切為0.001。傳統(tǒng)耦合諧振結(jié)構(gòu)研究僅集中研究了其幅度特性，對相位特性沒有專門關(guān)注。本文研究小組則對所提出ACSR的相位特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。為了證明性質(zhì)具有普遍性，本節(jié)針對3個不同的ACSR進(jìn)行全波仿真，結(jié)果如圖2所示。仿真中ACSR兩側(cè)微帶線長度為1mm，W1＝4.6mm，W2＝0.1mm，W3＝0.5 mm，W4＝0.5 mm。

圖1 ACSR結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 ACSR相移特性

由圖2可知，3種情況中，－90°相移頻率均大致與通帶中心頻率對應(yīng)。而對于一些傳統(tǒng)超材料單元，例如基于逆諧振器復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)［9－11］以及由交指電容和并聯(lián)短路枝節(jié)構(gòu)成的復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)［12］，要獲得－90°相移頻率和通帶頻率對正的效果，需要經(jīng)過復(fù)雜的調(diào)試。相比之下，ACSR能夠不經(jīng)過調(diào)試就可以達(dá)到－90°相移頻率大致與通帶中心頻率對正的效果，這一特性可以有效降低正交相移器件的設(shè)計復(fù)雜度。圖3比較了具有相同物理長度微帶線和ACSR的相移特性，圖中淺色矩形塊標(biāo)注的區(qū)域是ACSR的通帶頻率范圍，仿真中ACSR結(jié)構(gòu)參數(shù)為L1＝11.5 mm，W1＝4.6 mm，W2＝0.1mm，W3＝0.5mm，W4＝0.5mm，總物理長度為25mm。由圖3可知：與傳統(tǒng)微帶線不同，ACSR具有非線性的相位響應(yīng)曲線；在ACSR通帶內(nèi)，ACSR相移要遠(yuǎn)大于對應(yīng)微帶線相移。因此，在獲得－90°相移前提下，ACSR物理長度小于對應(yīng)微帶線，具有小型化優(yōu)勢。

圖3 ACSR與同長度微帶線相移特性比較

3 基于ACSR順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3.1 新型順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計

順序旋轉(zhuǎn)技術(shù)（Sequentially Rotation Technology，SRT）是通過將輻射單元按一定順序旋轉(zhuǎn)、饋電相位按一定順序變化的技術(shù)，能有效增加天線的圓極化純度和圓極化帶寬［13－14］。其中饋電幅度比、饋電相位差是影響圓極化特性的重要因素，而上述指標(biāo)取決于饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。以四輸出端口順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)為例，要求信號能量在4個輸出端口等分，并且輸出信號相位依次差90°。圖4是利用微帶線設(shè)計的傳統(tǒng)順序旋轉(zhuǎn)四陣元圓極化天線陣。由圖可知，饋電網(wǎng)絡(luò)對天線整體尺寸影響明顯。另外一方面，由于天線陣元中心需要構(gòu)成矩形，并且陣元間距必須滿足特定要求才能形成陣列效應(yīng)，因此饋電網(wǎng)絡(luò)布線受到較大限制。本文利用ACSR的相位特性和小型化優(yōu)勢，設(shè)計基于ACSR的新型順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)四陣元順序旋轉(zhuǎn)圓極化天線

圖5 本文提出的順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該饋電網(wǎng)絡(luò)由兩個正交Wilkinson功分器和輸出端口具有180°相位差的傳統(tǒng)Wilkinson功分器構(gòu)成，采用背面饋電方式饋電，輸入端口為圖中port1。本文所提出的饋電網(wǎng)絡(luò)將ACSR嵌入Wilkinson功分器的一個輸出臂構(gòu)成正交功分器，避免使用四分之一波長微帶線，利于實(shí)現(xiàn)小型化。同時，由于ACSR的－90°相移頻率大致與通帶中心頻率對應(yīng)，可以減小調(diào)試難度。由圖6可知，本文提出的順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)完全在4個輸出端口構(gòu)成的矩形之內(nèi)，即饋電網(wǎng)絡(luò)不會影響天線陣整體尺寸，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，小型化優(yōu)勢明顯。

本文提出的饋電網(wǎng)絡(luò)中，1號功分器完成具有180°相位差的功率平分，采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由結(jié)構(gòu)參數(shù)L1、L2、L3、L5決定的輸出臂電長度要比結(jié)構(gòu)參數(shù)L4決定的輸出臂電長度長λ/2。仿真模型保持如下關(guān)系：L5＋L2＝L4，L3－L1＝L7－L6。L5＋L2＝L4保證1號功分器中心與端口2、3連線和端口4、5連線的垂直距離在調(diào)整過程中始終相等，因而180°相位差只由L3＋L1決定，簡化了調(diào)整過程；L4提供了調(diào)整與其對應(yīng)輸出臂平行維度上2～4端口和3～5端口距離的自由度。L3－L1＝L7－L6保證調(diào)試過程中仿真模型2、3號功分器與具有L6、L7長度的輸出臂保持正確連接。上述關(guān)系使得天線陣元中心點(diǎn)始終構(gòu)成矩形，降低了結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整的復(fù)雜度。

3.2 測量結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計的正確性，對所設(shè)計順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行加工測量，加工模型照片如圖6所示，測量結(jié)果分別如圖7和圖8所示。因篇幅所限，仿真結(jié)果在文中予以省略。該順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：L1＝14.3mm，L2＝14mm，L3＝26mm，L4＝15mm，L5＝5.5mm，L6＝38mm，L7＝49.5mm；其中ACSR結(jié)構(gòu)參數(shù)為：L1＝5.5mm，W1＝4.6mm，W2＝0.1mm，W3＝0.5mm，W4＝0.5mm。

圖6 加工模型照片

圖7 基于ACSR順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)測量結(jié)果

Fig.8 Themeasured phase-shift property of the proposed sequentially rotation feed network based on ACSRs

由圖7可知，模型2、3、4、5端口較好地實(shí)現(xiàn)了功率四平分功能，各端口輸出信號幅度存在一定程度差異，這是因?yàn)?個端口信號路徑不同，不可避免地引入輻射損耗。而圖8結(jié)果表明，各端口相位在設(shè)計頻點(diǎn)滿足順序旋轉(zhuǎn)饋電的要求。根據(jù)各端口的相位關(guān)系，可知上述饋電網(wǎng)絡(luò)滿足右手螺旋定則。綜合上述，本文所設(shè)計的饋電網(wǎng)絡(luò)能夠滿足順序旋轉(zhuǎn)要求的幅度比和饋電相位差要求，可以應(yīng)用到順序旋轉(zhuǎn)天線陣的設(shè)計中。

4 結(jié)論

本文利用新型超材料單元，非對稱耦合螺旋諧振器的奇異相位特性和小型化優(yōu)勢，設(shè)計了順序旋轉(zhuǎn)饋電網(wǎng)絡(luò)。本文提出的饋電網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，具有尺寸緊湊、調(diào)試簡單等突出優(yōu)點(diǎn)。測試結(jié)果表明，該饋電網(wǎng)絡(luò)可以較好地滿足順序旋轉(zhuǎn)饋電要求，在設(shè)計高性能圓極化天線陣方面具有巨大的應(yīng)用價值。

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王健銘（1984－），男，吉林長春人，2007年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)榈V山通信；

WANG Jian-ming was born in Changchun，Jilin Province，in 1984.He received the B.S.degree in 2007.He is now an engineer.His research concerns communication in coalmines.

逯科（1983—），男，山西朔州人，2012年獲博士學(xué)位，主要研究方向?yàn)樾滦妥笫植牧显O(shè)計及其應(yīng)用；

LU Kewas born in Shuozhou，Shanxi Province，in 1983.He received the Ph.D.degree in 2012.His research concerns design and application of novel left－h(huán)anded metamaterials.

Email：lookluna＠126.com

王精（1984—），男，山西朔州人，2009年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為通信工程師，主要研究方向?yàn)闊o線通信系統(tǒng)設(shè)計。

WANG Jing was born in Shuozhou，Shanxi Province，in 1984.He received the M.S.degree in 2009.He is now an engineer.His research concerns design ofwireless communication system.

Design of Sequentially Rotation Feed Network Based on Asymmetrical Coup led-spirals Resonators

WANG Jian-ming1，LU Ke2，WANG Jing3
（1.China Coal Ping-shuo Group Corporation，Shuozhou 036006，China；2.Missile Institute，Air Force Engineering University，Sanyuan 713800，China；3.Unit94878 of PLA，Wuhu 241009，China）

A novel sequentially rotation feed network based on the novelmetamaterials cells，or asymmetrical coupled-spirals resonators（ACSR）is proposed in this paper.Due to the intrinsic convoluted geometry of spiral resonator，the dimension of ACSR is extremely compact.Simultaneously，it is demonstrated that ASSR exhibits the bandpass property and the frequency point with－90 degree phase shift just right falls in the given passband.This exotic property is quite valuable to design the quadrature phase shiftmicrowave components.Utilizing the abovementionedmerits of ACSR，the proposed feed network has the advantagesof compactdimension and easy adjustment.Themeasured results indicate that the proposed feed network can satisfy the requirements of sequentially rotation technology.

circularly polarized antenna array；uniplanarmetamaterials cell；sequentially rotation feed network；coupled resonator

TN821

A

1001－893X（2013）03－0352－05

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.03.024

2012－08－15；

2012－11－16 Received date：2012－08－15；Revised date：2012－11－16

??通訊作者：lookluna＠126.com Corresponding author：lookluna＠126.com

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60971118）

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