基于非对称耦合螺旋谐振器的顺序旋转馈电网络设计❋

王健铭，逯 科，，王 精

（1.中煤平朔集团有限公司，山西朔州036006；2.空军工程大学导弹学院，陕西三原713800；3.解放军94878部队，安徽芜湖241009）

基于非对称耦合螺旋谐振器的顺序旋转馈电网络设计❋

王健铭1，逯 科2，❋❋，王 精3

（1.中煤平朔集团有限公司，山西朔州036006；2.空军工程大学导弹学院，陕西三原713800；3.解放军94878部队，安徽芜湖241009）

基于一种新型超材料单元——非对称耦合螺旋谐振器，提出了基于该单元的顺序旋转馈电网络设计方案。由于螺旋谐振器的内卷几何特性，非对称耦合螺旋谐振器尺寸非常紧凑。同时，研究发现，该单元的－90°相移频率大致与通带中心频率对应，对于设计正交相移微波器件具有重要价值。由于非对称耦合螺旋谐振器的上述优点，提出的馈电网络结构具有小型化和调试简单等优点。测试结果表明，该馈电网络能够较好地满足顺序旋转馈电的要求。

圆极化天线阵；单平面超材料单元；顺序旋转馈电网络；耦合谐振器

1 引 言

近10年来，超材料研究受到了科学界的广泛关注，相关研究成果对物理、材料、光学及微波领域都产生了深远影响。基于螺旋谐振器超材料单元是一种新颖的单平面超材料单元，此类单元具有螺旋内卷的几何特性，尺寸紧凑，因而在微波器件小型化设计中具有广阔的应用前景。英格兰拉夫堡大学研究小组最早开展了基于螺旋谐振器超材料单元的研究［1－4］。该小组曾提出一种实现低剖面折合阵子的超材料移相单元，该单元由两个关于中心线对称的分离矩形螺旋构成，本文称其为对称耦合螺旋谐振器（Symmetrical Coupled-Spirals Resonator，SCSR）。在低剖面折合阵子中，对称耦合螺旋谐振器建立在由顶层介质板、中间空气层、底层介质板构成的多层结构上。文献［5－6］研究发现：基于单层介质板的对称耦合螺旋谐振器在给定频率范围内存在插入损耗特性差的缺陷，无法作为移相单元使用。针对上述问题，文献［5］提出了改进结构，即非对称耦合螺旋谐振器（Asymm-Etrical Coupled-Spirals Resonator，ACSR）。研究结果表明，ACSR克服了SCSR插入损耗特性的缺陷，具有良好的带通特性，不但继承了SCSR尺寸紧凑的优点，更重要的是，ACSR结构的－90°相移频率大致与通带中心频率对应，这一特性对正交相移微波器件设计具有重要的应用价值。利用ACSR的相位特性，研究人员设计出小型化分支线耦合器［6］；利用其带通特性，设计了具有极窄横截面积的小型化双频带通滤波器［7］。

顺序旋转技术是设计高性能圆极化天线阵的有效手段，但传统设计中相应馈电网络存在尺寸大、调整灵活性差的缺点。针对上述问题，本文研究了利用ACSR相移特性及小型化优势设计新型顺序旋转馈电网络的方案。利用ACSR代替传统顺序旋转馈电网络中四分之一波长微带线，一方面可以显著减小馈电网络尺寸，另外一方面也可以提高布局的灵活性，并减小调试复杂度。测试结果表明，本文提出的馈电网络在设计频带内可以较好地满足顺序旋转馈电的要求。

2 非对称耦合螺旋谐振器特性研究

本文所研究的非对称耦合螺旋谐振器如图1所示，该结构由两个分离矩形螺旋构成，其中一个矩形螺旋由另外一个矩形螺旋绕结构中心点旋转180°获得。根据其结构特点，本文称其为非对称分离螺旋谐振器（Asymmetrical Separated Spirals Resonator，ACSR）结构。由于矩形螺旋无金属连接，能量通过电磁耦合传输，所以ACSR是耦合谐振结构［8］。本文仿真和加工模型均采用单层Rogers5880介质板，其介电常数为2.2，厚度为1.5 mm，损耗角正切为0.001。传统耦合谐振结构研究仅集中研究了其幅度特性，对相位特性没有专门关注。本文研究小组则对所提出ACSR的相位特性进行系统研究。为了证明性质具有普遍性，本节针对3个不同的ACSR进行全波仿真，结果如图2所示。仿真中ACSR两侧微带线长度为1mm，W1＝4.6mm，W2＝0.1mm，W3＝0.5 mm，W4＝0.5 mm。

图1 ACSR结构示意图

图2 ACSR相移特性

由图2可知，3种情况中，－90°相移频率均大致与通带中心频率对应。而对于一些传统超材料单元，例如基于逆谐振器复合左右手结构［9－11］以及由交指电容和并联短路枝节构成的复合左右手结构［12］，要获得－90°相移频率和通带频率对正的效果，需要经过复杂的调试。相比之下，ACSR能够不经过调试就可以达到－90°相移频率大致与通带中心频率对正的效果，这一特性可以有效降低正交相移器件的设计复杂度。图3比较了具有相同物理长度微带线和ACSR的相移特性，图中浅色矩形块标注的区域是ACSR的通带频率范围，仿真中ACSR结构参数为L1＝11.5 mm，W1＝4.6 mm，W2＝0.1mm，W3＝0.5mm，W4＝0.5mm，总物理长度为25mm。由图3可知：与传统微带线不同，ACSR具有非线性的相位响应曲线；在ACSR通带内，ACSR相移要远大于对应微带线相移。因此，在获得－90°相移前提下，ACSR物理长度小于对应微带线，具有小型化优势。

图3 ACSR与同长度微带线相移特性比较

3 基于ACSR顺序旋转馈电网络设计

3.1 新型顺序旋转馈电网络模型设计

顺序旋转技术（Sequentially Rotation Technology，SRT）是通过将辐射单元按一定顺序旋转、馈电相位按一定顺序变化的技术，能有效增加天线的圆极化纯度和圆极化带宽［13－14］。其中馈电幅度比、馈电相位差是影响圆极化特性的重要因素，而上述指标取决于馈电网络设计。以四输出端口顺序旋转馈电网络为例，要求信号能量在4个输出端口等分，并且输出信号相位依次差90°。图4是利用微带线设计的传统顺序旋转四阵元圆极化天线阵。由图可知，馈电网络对天线整体尺寸影响明显。另外一方面，由于天线阵元中心需要构成矩形，并且阵元间距必须满足特定要求才能形成阵列效应，因此馈电网络布线受到较大限制。本文利用ACSR的相位特性和小型化优势，设计基于ACSR的新型顺序旋转馈电网络，其结构如图5所示。

图4 传统四阵元顺序旋转圆极化天线

图5 本文提出的顺序旋转馈电网络结构

该馈电网络由两个正交Wilkinson功分器和输出端口具有180°相位差的传统Wilkinson功分器构成，采用背面馈电方式馈电，输入端口为图中port1。本文所提出的馈电网络将ACSR嵌入Wilkinson功分器的一个输出臂构成正交功分器，避免使用四分之一波长微带线，利于实现小型化。同时，由于ACSR的－90°相移频率大致与通带中心频率对应，可以减小调试难度。由图6可知，本文提出的顺序旋转馈电网络完全在4个输出端口构成的矩形之内，即馈电网络不会影响天线阵整体尺寸，与传统结构相比，小型化优势明显。

本文提出的馈电网络中，1号功分器完成具有180°相位差的功率平分，采用传统结构，由结构参数L1、L2、L3、L5决定的输出臂电长度要比结构参数L4决定的输出臂电长度长λ/2。仿真模型保持如下关系：L5＋L2＝L4，L3－L1＝L7－L6。L5＋L2＝L4保证1号功分器中心与端口2、3连线和端口4、5连线的垂直距离在调整过程中始终相等，因而180°相位差只由L3＋L1决定，简化了调整过程；L4提供了调整与其对应输出臂平行维度上2～4端口和3～5端口距离的自由度。L3－L1＝L7－L6保证调试过程中仿真模型2、3号功分器与具有L6、L7长度的输出臂保持正确连接。上述关系使得天线阵元中心点始终构成矩形，降低了结构优化调整的复杂度。

3.2 测量结果

为验证设计的正确性，对所设计顺序旋转馈电网络模型进行加工测量，加工模型照片如图6所示，测量结果分别如图7和图8所示。因篇幅所限，仿真结果在文中予以省略。该顺序旋转馈电网络结构参数如下：L1＝14.3mm，L2＝14mm，L3＝26mm，L4＝15mm，L5＝5.5mm，L6＝38mm，L7＝49.5mm；其中ACSR结构参数为：L1＝5.5mm，W1＝4.6mm，W2＝0.1mm，W3＝0.5mm，W4＝0.5mm。

图6 加工模型照片

图7 基于ACSR顺序旋转馈电网络S参数测量结果

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

由图7可知，模型2、3、4、5端口较好地实现了功率四平分功能，各端口输出信号幅度存在一定程度差异，这是因为4个端口信号路径不同，不可避免地引入辐射损耗。而图8结果表明，各端口相位在设计频点满足顺序旋转馈电的要求。根据各端口的相位关系，可知上述馈电网络满足右手螺旋定则。综合上述，本文所设计的馈电网络能够满足顺序旋转要求的幅度比和馈电相位差要求，可以应用到顺序旋转天线阵的设计中。

4 结论

本文利用新型超材料单元，非对称耦合螺旋谐振器的奇异相位特性和小型化优势，设计了顺序旋转馈电网络。本文提出的馈电网络与传统结构相比，具有尺寸紧凑、调试简单等突出优点。测试结果表明，该馈电网络可以较好地满足顺序旋转馈电要求，在设计高性能圆极化天线阵方面具有巨大的应用价值。

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王健铭（1984－），男，吉林长春人，2007年获学士学位，现为工程师，主要研究方向为矿山通信；

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年获博士学位，主要研究方向为新型左手材料设计及其应用；

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－handed metamaterials.

Email：lookluna＠126.com

王精（1984—），男，山西朔州人，2009年获硕士学位，现为通信工程师，主要研究方向为无线通信系统设计。

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

❋❋通讯作者：lookluna＠126.com Corresponding author：lookluna＠126.com

国家自然科学基金资助项目（60971118）

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