[发明专利]在无限波长频率使用超材料复合左/右手传输线的功率合成器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年5月3日提交的美国申请序列号11/744,160的 优先权，此处引用该申请的全部内容，该申请要求2006年5月18日 提交的美国临时申请序列号60/802,089的优先权，此处引用该申请的 全部内容作为参考。

关于联邦政府资助研究或发展的声明

本发明受到政府支持，协议/授权号为N00014-01-1-0803，由海军 研究办公室资助。政府具有本发明的某些权利。

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不适用

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技术领域

本发明一般涉及功率分流和合成，且更具体而言，涉及在无限波 长频率使用超材料传输线的功率合成隧道二极管振荡器。

背景技术

功率合成器用于输送比使用单个输出设备所能实现的更多的输出 功率。因为它们的同相合成信号的能力，串联合成器(series combiner) 被广泛地用于合成功率放大器、天线、振荡器等。同相合成信号需要 在波长的特定部分(诸如λ或λ/2)设置每个端口之间的间距。功率分 配器执行相反的操作，其中，它从单个输入端口输送功率到多个输出 端口。与并联功率分配器相比，串联功率分配器更不复杂且更紧凑。 串联分配器的优势随着输出端口的增加而增加，且用于馈电网络(feed network)的物理区域是受限的。串联分配器相等地且同相地输送功率 到所有输出端口。串联分配器可以用在各种应用中，诸如用于馈电天 线阵列，用于时钟同步和用在无线电接收机电路中。

因此，对能在串联连接中以紧凑形式实施且不需要固定波长配置 的分配器/合成器装置和方法存在需求。本发明满足这种需求，且克服 了原先开发的合成器和分配器的缺陷。

发明内容

描述了用于诸如隧道二极管振荡器的设备的、使用复合左/右手 (CRLH)超材料线(meta-material line)中观察的无限波长现象的功 率分配/合成装置、电路和方法。在此频率，传输线的电长度是对应于 无限长波长的零度。

使用超材料传输线的无限波长属性实现N端口功率分配器/合成 器。其结构基于复合左/右手(CRLH)传输线(TL)，该复合左/右手 (CRLH)传输线(TL)根据频率而具有纯右手(RH)(相位延迟)或 纯左手(LH)(相位超前)TL的传播属性。RH和LH区域之间的过渡 频率是传播常数等于零的点(β＝0)。因而，在该过渡频率可以存在无 限波长，在此频率，沿着该线传播的波的相位和幅度与位置无关，同 时用作谐振器的线支持驻波。

描述的串联合成器采用零度线(zero degree line)，该零度线具有 与该零度线直接相连的各振荡器输出端口，在其中振荡器信号被同相 合成。该电路能够相等地同相合成功率输入而与沿着CRLH传输线的 端口的位置和数目无关，且能够通过模场之间的非线性作用将不同的 振荡模式锁模在一起。

本发明的一个方面可以包括用于实现驻波谐振器的零度传输线部 分，振荡器(或其他RF源)与该谐振器松耦合，且谐振特性用于减小 合成的振荡器相位噪声。在测试(并不是限制的方式)中，使用2GHz 的两个隧道二极管振荡器配置的零阶谐振器获得131％的最大功率合 成效率。

本发明的另一方面是采用零度线的串联分配器，它相等地且同相 地分配输入端口的信号到输出端口。该电路能够相等地分配同相功率， 而与沿着CRLH传输线的端口的位置和数目无关。分配器的物理长度 或功率抽头位置对每个输出端口之间的相位和功率平衡没有影响。

本发明的另一方面是用于实现驻波谐振器的零度传输线(zero degree transmission line)部分，其中输入信号松耦合到谐振器，且谐振 特性用于相等地且同相地耦合能量到输出端口。举例来说但不做限制， 实现3个和5个端口的串联分配器，它们表明了与分接头位置无关的 相等的功率分割。

注入锁定测量显示，串联合成器可用于可调振荡器，其中零阶谐 振器可用于较高Q的振荡。