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拓扑与电路 ★ 4.0

微型化超表面启发的可调功分器与移相器

Miniaturized Metasurface-Inspired Tunable Power Divider and Phase Shifter

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中文摘要

结合超表面(MS)单元的复合左右手传输线(CRLH TL)概念被重新提出,以设计平面可调谐且小型化的功率分配器和移相器器件。其制作涉及单层金属图案化和变容二极管。通过改变直流偏置电压可以改变其电学特性。本文提出了一种具有等功率分配和不等功率分配特性的平面X波段功率分配器。实验结果证实,该功率分配器具有140 MHz的中心频率调谐能力。在性能无显著变化的情况下,两个输出端口之间的功率传输最大差值达到4.5 dB。另外,还提出了一种结合变容二极管、谐振频率分别为8.95 GHz和10.25 GHz的设计方案,以实现可调谐的相移特性。该设计在近2 GHz的带宽内可产生45°的宽线性相位调谐范围。这两款原型器件都便于集成有源器件,以实现可调谐功能。

English Abstract

Composite right/left-handed transmission line (CRLH TL) concept with metasurface (MS) unit cells is resurfaced to propose planar tunable and miniaturized power divider and phase shifter devices. Fabrication deals with monolayer metal patterning and varactor diodes. Electronic behavior can be modified by varying the dc bias voltages. A planar X-band power splitter with both equal and unequal power dividing properties is presented. Experimental outcomes confirm that it has 140-MHz center frequency tuning capability. It achieved a highest difference in power transfer of 4.5 dB between the two output ports without any notable change in the performance. Another design having resonant frequencies of 8.95 and 10.25 GHz along with varactor diodes is proposed to produce tunable phase shift characteristics. It generates a wide linear phase tuning range of 45° over almost a 2-GHz bandwidth. Both the prototypes allow an easy integration of active devices to attain tunable functionalities.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于超表面单元的可调谐功率分配器和移相器技术具有重要的潜在应用价值,特别是在光伏逆变器和储能系统的射频控制与通信模块方面。

该技术采用复合左右手传输线(CRLH TL)结合超表面概念,实现了器件的小型化和可调谐特性。在X波段140MHz的中心频率调谐能力和45°宽线性相位调谐范围,对于我司产品的无线通信系统、功率电子设备的电磁兼容性管理以及智能电网通信模块具有实际意义。特别是在大型光伏电站和储能电站的分布式监控系统中,小型化、可调谐的射频器件能够优化通信链路,提升系统集成度。

从技术成熟度评估,该方案采用单层金属图案化和变容二极管,工艺相对成熟,易于与有源器件集成,这与我司在电力电子领域的制造能力具有良好的协同性。4.5dB的功率分配差异控制和2GHz带宽的相位调谐性能,为多通道功率管理和信号处理提供了灵活性。

然而,技术挑战在于:其应用频段(X波段)与我司当前主流产品的工作频率存在差异,需要评估向更低频段(如Sub-6GHz工业物联网频段)迁移的可行性;变容二极管的温度稳定性和长期可靠性需要在户外严苛环境下验证;功耗管理也是大规模部署时需考虑的因素。

建议将此技术纳入前瞻性研究范畴,重点关注其在新一代智能逆变器的无线通信模块、储能系统的多端口功率分配以及氢能设备的射频监测系统中的应用潜力,为产品差异化竞争提供技术储备。