多層復(fù)合左手傳輸線諧振器的設(shè)計(jì)與研究

多層復(fù)合左手傳輸線諧振器的設(shè)計(jì)與研究

多層復(fù)合整體材料的設(shè)計(jì)近年來(lái)，越來(lái)越多的研究人員對(duì)左岸材料的獨(dú)特性引起了關(guān)注。1968年,前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago首次從理論角度提出“左手材料”的概念,即介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的一種材料。由于天然的左手材料并不存在,因此在其后近30年的時(shí)間中對(duì)其的研究幾乎處于停滯狀態(tài)。直到1996年,Pendry等人通過實(shí)驗(yàn)方法得到人工實(shí)現(xiàn)的左手材料,從而引發(fā)了科學(xué)界的研究熱潮。目前有很多人工構(gòu)造左手材料的方法,其中比較有代表性的是Caloz等人提出的利用傳輸線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的左手材料,由微帶形式的串聯(lián)交指電容和并聯(lián)短截線電感構(gòu)成。由于它是在低于轉(zhuǎn)換頻率的低頻段呈現(xiàn)出左手材料結(jié)構(gòu)特性,在高于轉(zhuǎn)換頻率的高頻段呈現(xiàn)出右手材料特性的新型傳輸線結(jié)構(gòu),故將基于該結(jié)構(gòu)的一維左手材料統(tǒng)稱為復(fù)合左右手傳輸線(CRLHTL)。CRLHTL應(yīng)用于微波電路中,可以顯著減小微波器件的尺寸,增加帶寬,例如功分器、定向耦合器、零階諧振器等諸多應(yīng)用。但這一結(jié)構(gòu)中交指電容占據(jù)了整個(gè)器件絕大部分的平面面積,減小其占用面積將進(jìn)一步減小器件的尺寸,更加有利于日益小型化的軍用和民用微波電路系統(tǒng)。為了解決上述問題,在研究復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)特性和參考Horii.Y等人多層人工傳輸線設(shè)計(jì)濾波器的基礎(chǔ)上,結(jié)合LTCC技術(shù)特點(diǎn)和復(fù)合左右手傳輸線諧振器理論,設(shè)計(jì)了一種多層復(fù)合左右手傳輸線諧振器。諧振器中的擬交指電容的結(jié)構(gòu),采用垂直堆疊方式,有效地利用LTCC可實(shí)現(xiàn)多層電路的特點(diǎn),達(dá)到減小平面面積的目的。利用該結(jié)構(gòu),結(jié)合濾波器合成方法設(shè)計(jì)出了中心頻率為2.45GHz、物理尺寸為2.4mm×1.0mm×1mm、帶內(nèi)插損不大于1.0dB并在4.4GHz處存在一個(gè)傳輸零點(diǎn)的WLAN帶通濾波器,并給出了仿真和測(cè)試結(jié)果,兩者基本符合。1復(fù)合功能變量ls分析理想的右手傳輸線和左手傳輸線的單元等效電路模型如圖1所示。顯然,左手傳輸線和右手傳輸線是對(duì)偶關(guān)系,即右手傳輸線的電容和電感互換位置即可得到左手傳輸線,單元相移的相位響應(yīng)分別為:φR=?arctan[ω(LR/ZoR+CRZoR)2?ω2LRCR]＜0(1)φL=?arctan[ω(LL/ZoL+CLZoL)2?ω2LLCL]＞0(2)φR=-arctan[ω(LR/ΖoR+CRΖoR)2-ω2LRCR]＜0(1)φL=-arctan[ω(LL/ΖoL+CLΖoL)2-ω2LLCL]＞0(2)其中ZoR和ZoL分別是右手傳輸線和左手傳輸線的特征阻抗。在人工構(gòu)造的左手傳輸線中不可避免地存在寄生電容和寄生電感,表現(xiàn)為右手特性,因此被稱為復(fù)合左右手傳輸線(CRLHTL)結(jié)構(gòu)。Caloz等人提出的左手傳輸線結(jié)構(gòu)單元及等效電路如圖2所示。其中多個(gè)交指單元構(gòu)成了等效電路中的CL;左手電感LL通過短路截支線形成,大小由截支線的長(zhǎng)度和寬度決定。很明顯,復(fù)合左右手傳輸線單元相移為:φC=φg+φL(3)φC=φg+φL(3)從式(3)中可以看出,相位響應(yīng)曲線是非線性的,在低頻段為左手特性,相位超前;在高頻段為右手特性,相位滯后。2左、右交指電容參數(shù)的改變圖3(a)中給出一個(gè)復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)的LTCC諧振器單元。它是基于Horii.Y等人提出的MLCRLHTL結(jié)構(gòu)和Caloz提出的復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成,其中諧振器的四周全部為金屬地。在本LTCC諧振器中,交指電容構(gòu)成了左手電容CL,左手電感LL通過最外面的兩根交指接地形成,最外層交指的對(duì)地寄生電容表征了等效電路圖中的右手電容CR,而右手電感LR由交指間的耦合電感組成。圖3(b)中給出了該諧振器的等效電路圖。對(duì)于CRLHTL結(jié)構(gòu),在相速度和群速度反相傳播的低頻段和相速度與群速度同向傳播的高頻段,截止頻率如下:左手支路最高頻率為:ωτ1=min{1LRCL√,1LLCR√}(4)ωτ1=min{1LRCL,1LLCR}(4)右手支路最低頻率為:ωτ1=max{1LRCL√,1LLCR√}(5)ωτ1=max{1LRCL,1LLCR}(5)左手支路最低頻率為:ωCL=12LLCL√(6)ωCL=12LLCL(6)上述公式顯示了可通過CL、LL、CR、LR來(lái)改變?yōu)V波器的中心頻率、帶寬等特性。針對(duì)該LTCC諧振器中交指電容參數(shù)可用公式(7)初步估計(jì)。其中CL為左手電容值,ε0為自由空間中介電常數(shù),εr為L(zhǎng)TCC介質(zhì)的介電常數(shù),A為交指電容中重疊金屬片的重疊面積,d為每層介質(zhì)的厚度,n為金屬電容層的層數(shù)。CL=ε0εrA(n?1)d(7)CL=ε0εrA(n-1)d(7)通過改變參量,可改變左手串聯(lián)電容值,從而改變中心頻率。最外層交指的長(zhǎng)度和接地通孔直徑及長(zhǎng)度的改變主要影響左手電感LL值,對(duì)通帶的中心頻率可起到微調(diào)的作用。由于這個(gè)LTCC諧振器在負(fù)1階諧振模式產(chǎn)生諧振,因此其物理尺寸小于傳統(tǒng)的右手諧振單元。同時(shí),在下面的濾波器設(shè)計(jì)中,它能在串聯(lián)諧振頻率處產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn),起到提高濾波器帶外抑制的作用。上述LTCC諧振器采用0.2mm的線寬,交指長(zhǎng)度為2mm,給出的兩個(gè)虛擬地間距為0.9mm。LTCC介質(zhì)介電常數(shù)為14,正切損耗值為0.002。經(jīng)三維電磁仿真得出,該結(jié)構(gòu)的基本諧振頻率為2.75GHz,是復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)的負(fù)1階諧振,傳輸零點(diǎn)發(fā)生在6.5GHz。3濾波器設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果利用上述復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)LTCC諧振器設(shè)計(jì)的2階高性能帶通濾波器克服了Horii文獻(xiàn)中濾波器帶內(nèi)波紋大的缺點(diǎn),使帶內(nèi)損耗更加平穩(wěn),從而滿足了現(xiàn)代通訊設(shè)備的要求。圖4給出了該濾波器的3D結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖。該濾波器中,LTCC基片的介電常數(shù)為14,正切損耗為0.002,層間金屬厚度為0.01mm,其金屬導(dǎo)電率為3.66×107S/m。它的兩個(gè)諧振器結(jié)構(gòu)通過電容耦合實(shí)現(xiàn),輸入輸出端口通過兩個(gè)連接在諧振器上的帶狀線抽頭實(shí)現(xiàn)。抽頭位置可由式(8)得出。t=2Lπsin(πZ02ZrQe?????√)(8)t=2Lπsin(πΖ02ΖrQe)(8)式中:t為抽頭距諧振器中間的位置;Z0為抽頭的特征阻抗;Zr為準(zhǔn)發(fā)卡結(jié)構(gòu)的特征阻抗。所設(shè)計(jì)的濾波器性能參數(shù)要求為:中心頻率2.45GHz,傳輸零點(diǎn)頻率4.5GHz,雜波通帶大于6GHz,1dB帶寬大于10%。在7GHz左右,濾波器產(chǎn)生了一個(gè)雜波的寄生通帶,該寄生通帶產(chǎn)生的原因是由于高階模式的結(jié)果。在該諧振器的所有高階模式中,第1和第2高階模式對(duì)雜波通帶的影響最大。該諧振器的第1階諧振模式即為負(fù)1階諧振模式,這個(gè)頻率是作為濾波器的中心頻率來(lái)設(shè)計(jì)的;第2階諧振模式為正1階諧振模式的諧振頻率,該諧振頻率作為雜波通帶出現(xiàn)在濾波器的頻率響應(yīng)曲線中。該正1階諧振頻率強(qiáng)烈依靠于諧振器中級(jí)聯(lián)電感LR,當(dāng)LR變小時(shí),第1階諧振模式會(huì)相應(yīng)地增加,并且對(duì)第2階諧振模式的大小幾乎沒有影響。LR值的大小取決于交指電容的交指表面產(chǎn)生的寄生右手電感大小,有效減小寄生的右手電感值即可使雜波通帶變寬。圖5給出了該濾波器的仿真和測(cè)試結(jié)果,其中圖5(a)給出了寬帶頻率響應(yīng)曲線,圖5(b)給出了窄帶的頻率響應(yīng)曲線?？梢钥吹椒抡娼Y(jié)果和測(cè)試結(jié)果基本吻合,濾波器測(cè)試的中心頻率為2.45GHz,相對(duì)帶寬為15%,帶內(nèi)插損小于1dB,并在頻率為4.4GHz處產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn),正是由于該傳輸零點(diǎn),大大提高了濾波器的高次諧波抑制。在7GHz左右,濾波器產(chǎn)生了一個(gè)雜波的寄生通帶,該寄生通帶產(chǎn)生的原因是由于高階模式的結(jié)果。圖5(c)給出了該濾波器的群時(shí)延響應(yīng)曲線,可以看到濾波器的帶內(nèi)群時(shí)延很平坦。4電容性耦合本文以復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)(C