一種寬帶復(fù)合傳輸線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

一種寬帶復(fù)合傳輸線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

x型crlh-tl的基本材料隨著d.r.smith等人首次實(shí)驗(yàn)證明了左材料的存在，左材料理論迅速成為物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)的研究熱點(diǎn)。隨著國(guó)內(nèi)外理論和實(shí)驗(yàn)研究成果的創(chuàng)新，關(guān)于左材料是否存在的問(wèn)題基本結(jié)束，許多研究成果在許多領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用。目前已發(fā)表的左手材料(Left-HandedMaterial,LHM)或者復(fù)合左右手傳輸線(CompositeRight/LeftHandedTransmissionLine,CRLH-TL)大多采用周期性結(jié)構(gòu)合成,本質(zhì)上為非均勻結(jié)構(gòu).當(dāng)LHM或者CRLH元胞單元及單元間隔與入射波波長(zhǎng)相比很小時(shí),即可進(jìn)行均勻材料(EffectiveHomogeneousMaterial,EHM)等效,并且非均勻結(jié)構(gòu)與等效均勻結(jié)構(gòu)在相同的電磁輻射照射下將呈現(xiàn)一致的散射特性,進(jìn)而能夠利用等效本構(gòu)參數(shù)(EffectiveConstitutiveParameters,ECPs)即介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ來(lái)刻畫(huà)其對(duì)外呈現(xiàn)的宏觀電磁特性.本文結(jié)合文獻(xiàn)[10-11]中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),提出了一種X型CRLH-TL.文獻(xiàn)所研究的S波段X型CRLH-TL,由于其平面內(nèi)X型結(jié)構(gòu)過(guò)大的耦合效應(yīng)降低了結(jié)構(gòu)通帶的帶寬;與文獻(xiàn)相比,本文降低了單元耦合,實(shí)現(xiàn)了在9.3~10.9GHz通帶內(nèi)的寬帶特性.此外,文章基于反射和傳輸參數(shù)反演提取本構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的左手特性進(jìn)行分析后,還應(yīng)用電磁分析和傳輸線理論,結(jié)合曲線擬合技術(shù),提取了等效電路中的各個(gè)元件值,電路仿真得到了與全波電磁仿真相一致的響應(yīng)曲線.該場(chǎng)路結(jié)合的分析方法為研究CRLH-TL擴(kuò)寬了思路,為結(jié)構(gòu)在微波頻段的應(yīng)用和改進(jìn)提供了依據(jù).各元件值的提取和調(diào)諧有利于CRLH-TL結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和對(duì)其特性的分析,尤其是平衡型CRLH-TL的設(shè)計(jì).在左手材料領(lǐng)域的發(fā)展中,研究者們?yōu)檠芯砍橘|(zhì)的特性提出了許多經(jīng)典的實(shí)驗(yàn),本文也引入了平行板波導(dǎo)系統(tǒng),通過(guò)雙層印刷電路板技術(shù)制作出X型CRLH-TL并放置在系統(tǒng)中,利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量了其響應(yīng)曲線,完成了對(duì)X型結(jié)構(gòu)從特性探究到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究過(guò)程.本文提出的X型CRLH-TL呈現(xiàn)尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需過(guò)孔,其所具有的濾波、寬帶等特性對(duì)各種微波結(jié)構(gòu)的研制都具有一定的參考價(jià)值.1工藝流道設(shè)計(jì)與理論分析1.1基于電磁仿真的等效電路仿真單元結(jié)構(gòu)尺寸圖如圖1(a)示.斜Z型金屬片(厚度均為0.05mm)周期性反對(duì)稱置于介質(zhì)板的兩面上,俯視類似X型,本文稱之為X型傳輸線.其相關(guān)尺寸為:f=3.6mm,d=2.2mm,dx=2mm,dy=2.5mm,t1=1mm.三單元的X型CRLH-TL尺寸及其仿真時(shí)的邊界條件設(shè)置如圖1(b)所示.結(jié)構(gòu)介質(zhì)板采用介質(zhì)損耗正切值為0.002,相對(duì)介電常數(shù)為9.8的RogersTMM10i,厚度c=1mm.結(jié)構(gòu)的建模和電磁仿真均利用CSTSTUDIOSUITE2010中的微波工作室完成,設(shè)置電磁波沿平行于介質(zhì)板方向入射,在結(jié)構(gòu)的y、z方向分別設(shè)置周期邊界條件,x方向設(shè)置入射端口.周期邊界條件分別設(shè)為理想電導(dǎo)體(PerfectElectricConductor,PEC)邊界和理想磁導(dǎo)體(PerfecctMagnCeticConductor,PMC)邊界,激勵(lì)源使用波導(dǎo)端口或平面波.通過(guò)優(yōu)化仿真得到S參數(shù)的幅度如圖2(a)黑色實(shí)線(S11)和虛線(S21)所示.從中可得,該結(jié)構(gòu)具有通帶濾波特性,諧振頻點(diǎn)為10.08GHz,相應(yīng)的10dB帶寬從9.3GHz到10.9GHz,具有寬帶特性,并獲得較好的回波損耗(-40dB)和插入損耗值(-0.24dB).為更好地探究該結(jié)構(gòu)的傳輸特性,本文從結(jié)構(gòu)的表面電流分布入手,構(gòu)建了等效傳輸線電路.由圖2(b)電流分布看出,X型較寬部分在介質(zhì)板兩側(cè)形成了平板電容效應(yīng),等效成電路中的各并聯(lián)支路的電容,因與近處金屬片的耦合效應(yīng)不同,其值也設(shè)置為不同的C1、C2,如圖2(c)所示.L1和L2為平行金屬板邊緣的寄生電感構(gòu)成并聯(lián)電感.由圖2(b)可知,X型的較細(xì)部分的金屬傳輸線,其既有傳輸電感效應(yīng)也有電容效應(yīng),共同構(gòu)成了電路中的串聯(lián)支路C3、L3和C4、L4.進(jìn)一步基于電磁仿真的S參數(shù),利用AWR軟件對(duì)等效電路中的各元件值進(jìn)行了擬合提取,提取值如圖2(c)所示,各元件提取值為:C1=7.64pF,L1=0.030nH,C2=2.168pF,L2=0.481nH,C3=1.071pF,L3=0.322nH,C4=0.097pF,L4=2.202nH.提取元件值后的電路仿真S參數(shù)如圖2(a)中的紅色劃線(S11)和點(diǎn)劃線(S21)所示.電磁仿真和電路仿真的S參數(shù)在帶寬和諧振頻點(diǎn)上都有很好的一致性,但等效電路更為理想,因?yàn)楹雎粤私Y(jié)構(gòu)其他的寄生等效集總元件.1.2多參數(shù)動(dòng)態(tài)仿真分析基于仿真或測(cè)量獲取的反射和傳輸參數(shù)來(lái)提取ECPs是目前較為普遍和有效的方法,本文采用文獻(xiàn)[12-13]的方法對(duì)電磁仿真得到的特性響應(yīng)曲線進(jìn)行了反演,各個(gè)本構(gòu)參數(shù)隨頻率的變化曲線如圖3所示.從圖3可以看出,在10.08GHz處,等效磁導(dǎo)率、等效介電常數(shù)和折射率都出現(xiàn)了與S參數(shù)諧振頻點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的諧振響應(yīng).在10.08~10.9GHz頻段中,各參數(shù)均呈現(xiàn)負(fù)值,具有左手特性,在9.3~10.08GHz各參數(shù)均呈現(xiàn)正值,呈現(xiàn)右手特性.2x型crlh-tl的信號(hào)特性前面三部分著重于仿真及其分析,為進(jìn)一步探究其特性以更好地應(yīng)用到實(shí)際中,本文采用雙層印刷電路板技術(shù)對(duì)X型CRLH-TL進(jìn)行了制作,并引入平行板波導(dǎo)系統(tǒng)(ParallelPlateWaveguide,PPW),利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(N5244A)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量,實(shí)物如圖4(a)所示.將X型CRLH-TL放置于系統(tǒng)中央的(SmallAType,SMA)探針之間,因電場(chǎng)極化方向沿y軸,磁場(chǎng)極化方向沿z軸,故該系統(tǒng)的電磁波環(huán)境設(shè)置和仿真系統(tǒng)一致.平行板波導(dǎo)系統(tǒng)的尺寸沿x軸、y軸、z軸分別為10cm、1.4cm、10cm,其中銅板厚度為1mm.測(cè)試得到的傳輸和反射曲線結(jié)果圖4(b)、(c)所示,與相應(yīng)的仿真曲線相比,曲線變化趨勢(shì)基本一致,由于未加吸波材料并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身存在損耗,故測(cè)量曲線的損耗稍大.同時(shí),在10.4GHz處多了一個(gè)諧振頻點(diǎn).在此頻點(diǎn)處產(chǎn)生諧振的原因主要是印制電路板(PrintedCircuitBoard,PCB)在制作和加工過(guò)程中的誤差以及X型CRLH-TL與平板系統(tǒng)的安裝誤差,使得CRLH-TL邊緣與平行板波導(dǎo)系統(tǒng)的上下板之間產(chǎn)生空氣層.因此在電磁波的激勵(lì)下,CRLH-TL等效介電常數(shù)變小,同時(shí)產(chǎn)生了額外的并聯(lián)寄生電容,故其相應(yīng)的傳輸特性由通帶變?yōu)榱藥ё杼匦?3結(jié)構(gòu)特性驗(yàn)證本文提出了一種不同于微帶型和集成波導(dǎo)型的由X型金屬片周期性排列構(gòu)成的復(fù)合左右手傳輸線,并從集總參數(shù)等效電路、S參數(shù)提取和實(shí)驗(yàn)等諸方面分別分析驗(yàn)證了