一種新型復合左手傳輸線的特性分析

一種新型復合左手傳輸線的特性分析

由于左耳材料的異常特性，左手材料成為磁體領域的研究熱點。itph等人首先提出使用傳輸線理論來制作這種左手傳輸線，并使用微帶螺旋電、交指電形成左傳輸線。在這一結(jié)構(gòu)中，假定要制作以傳輸線周期性加載能耗和電致成本為負值的材料，并從理論和實驗上證明要實現(xiàn)左手傳輸?shù)目赡苄?。這種傳統(tǒng)的復合左向輸輸線應用于各種微波耦合器、振動源、濾波器、相位檢測、天線結(jié)構(gòu)和反饋系統(tǒng)。但由于多孔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復雜，結(jié)構(gòu)不適用于波幅和毫米波電路的推廣應用。近年來,各種形式的缺陷地面結(jié)構(gòu)(DGS)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛地應用到平面電路和濾波器設計中.Bonache等人提出補償型開口環(huán)諧振器,實際上也是一種新形式的DGS結(jié)構(gòu).筆者研究了這種開口環(huán)缺陷地面結(jié)構(gòu)(SRRDGS)的復合左右手傳輸特性,采用曲線擬合技術提取出單元模型的等效電路值,推導出該單元模型的傳輸零點位置、色散特性和折射率特性,研究了單元數(shù)目對級聯(lián)結(jié)構(gòu)傳輸特性的影響,并在實驗上進一步驗證了其帶傳輸零點的復合左右手傳輸特性.1導帶與缺陷地面振幅環(huán)間的耦合如圖1(a)所示,SRRDGS復合左右手傳輸線通過在微帶接地板上刻蝕兩個反向同心開口環(huán)形成對地的并聯(lián)諧振回路,由導帶間隙構(gòu)成串聯(lián)電容,其結(jié)構(gòu)簡單且不引入對地過孔,更易于工程實現(xiàn).為簡單起見,文中傳輸線單元采用εr=2.65的50Ω微帶線,介質(zhì)板的高度h=1.5mm,導帶寬度為4.1mm,環(huán)邊長a為10mm,環(huán)開口寬度g和內(nèi)外環(huán)間距d均為1mm,導帶縫隙c為0.4mm,單元周期長度p=20mm.由于導帶與缺陷地面諧振環(huán)之間存在電容性耦合CS,從而在單元等效電路中引入了對地串聯(lián)諧振,所以具有帶外傳輸零點,獲得較好的邊帶抑制.通過AnsoftHFSS對該單元進行三維電磁結(jié)構(gòu)仿真得到傳輸曲線,然后導入MicrowaveOffice與對應的原理電路進行曲線擬合,可以近似提取出相應于該結(jié)構(gòu)的電路元件值:LL=3.567nH,CR=0.336pF,LR=5.182nH,CL=0.286pF,CS=1.316pF.2關于屬性的研究2.1srr-dgs-lh的情況SRRDGSCRLH單元與傳統(tǒng)CRLH單元相比,最顯著的特點是具有帶外傳輸零點,使得該結(jié)構(gòu)的濾波器在邊帶處下降更快.其傳輸零點的位置由LL,CR和CS所構(gòu)成的并聯(lián)支路諧振頻率fS來決定.并聯(lián)支路兩部分的阻抗值分別為Z1=1/(jωCR+1jωLL)=jωLL1?ω2LLCR,(1)Z2=1jωCS=?j1ωCS.(2)Ζ1=1/(jωCR+1jωLL)=jωLL1-ω2LLCR,(1)Ζ2=1jωCS=-j1ωCS.(2)當Z1+Z2=0時并聯(lián)支路諧振,出現(xiàn)傳輸零點.此時諧振頻率為fS=1/(2π(LL(CR+CS))1/2),(3)fS=1/(2π(LL(CR+CS))1/2),(3)代入電路值求得fS=2.07GHz.從圖1(c)可以看出SRRDGSCRLH與傳統(tǒng)CRLH相比,在保持其他傳輸特征的同時在低端引入了一個傳輸零點.2.2單元電路的開展由傳輸線的Bloch-Floquet原理,可知(exp(?jβp)?1)2/exp(?jβp)?Z?Y=0,(4)(exp(-jβp)-1)2/exp(-jβp)-Ζ?Y=0,(4)式中β為相位常數(shù),p為單元長度.其中Y=1Z1+Z2=?ω2CRCS+CS/LLjω(CS+CR)+1/(jωLL)?Z=(1jωCL+jωLR).(5)其中Y=1Ζ1+Ζ2=-ω2CRCS+CS/LLjω(CS+CR)+1/(jωLL)?Ζ=(1jωCL+jωLR).(5)可以進一步推得該單元電路的色散關系:cos(βp)=1?CS2[(CS+CR)?1/(ω2LL)]?[1ω2LLCL+ω2LRCR?(LRLL+CRCL)].(6)cos(βp)=1-CS2[(CS+CR)-1/(ω2LL)]?[1ω2LLCL+ω2LRCR-(LRLL+CRCL)].(6)2.3srr-dgs1/3單元結(jié)構(gòu)由等效電路模型可知jβ=(ZY)1/2=jω((LR?1/(ω2CL))(CR?1/(ω2LL))?CS[(CS+CR)?1/(ω2LL)])1/2,(7)jβ=(ΖY)1/2=jω((LR-1/(ω2CL))(CR-1/(ω2LL))?CS[(CS+CR)-1/(ω2LL)])1/2,(7)而由TEM傳輸線模型有β=ω(με)1/2,故μ=LR?1/(ω2CL)=((ω/ωse)2?1)/(ω2CL),(8)ε=(CR?1ω2LL)?CS[(CS+CR)?1/(ω2LL)]=(ω/ωsh)2?1(ω/ωS)2?1?CS,(9)μ=LR-1/(ω2CL)=((ω/ωse)2-1)/(ω2CL),(8)ε=(CR-1ω2LL)?CS[(CS+CR)-1/(ω2LL)]=(ω/ωsh)2-1(ω/ωS)2-1?CS,(9)其中ωse=1/(LRCL)1/2,ωsh=1/(LLCR)1/2,ωS=1/(LL(CR+CS))1/2.一般情況下n=c/v=c(με)1/2,假定ωS<ωse<ωsh,那么有:(1)當0<ω<ωS或ωse<ω<ωsh時,με<0,有Re(n)=0,Im(n)=c(|με|)1/2;(n)=c(|με|)1/2;(2)當ωS<ω<ωse或ω>ωsh時,με>0,有Re(n)=sign(ω)·c(με)1/2,Im(n)=0.其中sign(ω)={?1,+1,當ωS＜ω＜ωse時,當ω＞ωsh時.(10)其中sign(ω)={-1,當ωS＜ω＜ωse時,+1,當ω＞ωsh時.(10)對于筆者提出的SRRDGSCRLH單元結(jié)構(gòu),折射率取值如圖2(b)所示,在(fS,fse)之間折射率n<0,呈現(xiàn)左手特性;而在(fsh,∞)間0<n<c(LRCR)1/2,呈現(xiàn)右手特性.2.4通帶范圍和帶隙頻率f圖3分別給出了非平衡狀態(tài)和平衡狀態(tài)下的SRRDGS復合左右手傳輸線級聯(lián)結(jié)構(gòu)的傳輸特性.在非平衡狀態(tài)下,fse≠fsh,在通帶范圍(fse,fsh)間出現(xiàn)帶隙,帶隙中心頻率為f0=(fse·fsh)1/2;在平衡狀態(tài)下,fse=fsh=f0,呈現(xiàn)出平坦的超寬帶濾波特性.與傳統(tǒng)CRLH傳輸線不同的是,在左邊帶外出現(xiàn)一個恒定的傳輸零點,從而提高了左邊帶的陡度.同時,隨著單元數(shù)目的增加,帶內(nèi)變得更加平坦,而帶外抑制度進一步改善.3不同開口環(huán)缺陷地面結(jié)構(gòu)的復合東南角單元模型為驗證上述結(jié)果,筆者加工了SRRDGS復合左右手傳輸單元.介質(zhì)板厚度為1mm,介電常數(shù)2.65,導帶寬度4mm,開口間隙0.4mm.由于介質(zhì)板厚度不同,傳輸零點位置移到1.3GHz,從圖4可以看出,S21幅度計算值與測試值吻合,由于參考面不同相位略有偏移.該結(jié)構(gòu)具有帶傳輸零點的復合左右手傳輸線超寬帶特性.開口