一种新型复合左手传输线的特性分析

一种新型复合左手传输线的特性分析

由于左耳材料的异常特性，左手材料成为磁体领域的研究热点。itph等人首先提出使用传输线理论来制作这种左手传输线，并使用微带螺旋电、交指电形成左传输线。在这一结构中，假定要制作以传输线周期性加载能耗和电致成本为负值的材料，并从理论和实验上证明要实现左手传输的可能性。这种传统的复合左向输输线应用于各种微波耦合器、振动源、滤波器、相位检测、天线结构和反馈系统。但由于多孔结构的结构复杂，结构不适用于波幅和毫米波电路的推广应用。近年来,各种形式的缺陷地面结构(DGS)结构已经被广泛地应用到平面电路和滤波器设计中.Bonache等人提出补偿型开口环谐振器,实际上也是一种新形式的DGS结构.笔者研究了这种开口环缺陷地面结构(SRRDGS)的复合左右手传输特性,采用曲线拟合技术提取出单元模型的等效电路值,推导出该单元模型的传输零点位置、色散特性和折射率特性,研究了单元数目对级联结构传输特性的影响,并在实验上进一步验证了其带传输零点的复合左右手传输特性.1导带与缺陷地面振幅环间的耦合如图1(a)所示,SRRDGS复合左右手传输线通过在微带接地板上刻蚀两个反向同心开口环形成对地的并联谐振回路,由导带间隙构成串联电容,其结构简单且不引入对地过孔,更易于工程实现.为简单起见,文中传输线单元采用εr=2.65的50Ω微带线,介质板的高度h=1.5mm,导带宽度为4.1mm,环边长a为10mm,环开口宽度g和内外环间距d均为1mm,导带缝隙c为0.4mm,单元周期长度p=20mm.由于导带与缺陷地面谐振环之间存在电容性耦合CS,从而在单元等效电路中引入了对地串联谐振,所以具有带外传输零点,获得较好的边带抑制.通过AnsoftHFSS对该单元进行三维电磁结构仿真得到传输曲线,然后导入MicrowaveOffice与对应的原理电路进行曲线拟合,可以近似提取出相应于该结构的电路元件值:LL=3.567nH,CR=0.336pF,LR=5.182nH,CL=0.286pF,CS=1.316pF.2关于属性的研究2.1srr-dgs-lh的情况SRRDGSCRLH单元与传统CRLH单元相比,最显著的特点是具有带外传输零点,使得该结构的滤波器在边带处下降更快.其传输零点的位置由LL,CR和CS所构成的并联支路谐振频率fS来决定.并联支路两部分的阻抗值分别为Z1=1/(jωCR+1jωLL)=jωLL1−ω2LLCR,(1)Z2=1jωCS=−j1ωCS.(2)Ζ1=1/(jωCR+1jωLL)=jωLL1-ω2LLCR,(1)Ζ2=1jωCS=-j1ωCS.(2)当Z1+Z2=0时并联支路谐振,出现传输零点.此时谐振频率为fS=1/(2π(LL(CR+CS))1/2),(3)fS=1/(2π(LL(CR+CS))1/2),(3)代入电路值求得fS=2.07GHz.从图1(c)可以看出SRRDGSCRLH与传统CRLH相比,在保持其他传输特征的同时在低端引入了一个传输零点.2.2单元电路的开展由传输线的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为相位常数,p为单元长度.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)可以进一步推得该单元电路的色散关系: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单元结构由等效电路模型可知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传输线模型有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))1/2.一般情况下n=c/v=c(με)1/2,假定ωS<ωse<ωsh,那么有:(1)当0<ω<ωS或ωse<ω<ωsh时,με<0,有Re(n)=0,Im(n)=c(|με|)1/2;(n)=c(|με|)1/2;(2)当ωS<ω<ωse或ω>ωsh时,με>0,有Re(n)=sign(ω)·c(με)1/2,Im(n)=0.其中sign(ω)={−1,+1,当ωS＜ω＜ωse时,当ω＞ωsh时.(10)其中sign(ω)={-1,当ωS＜ω＜ωse时,+1,当ω＞ωsh时.(10)对于笔者提出的SRRDGSCRLH单元结构,折射率取值如图2(b)所示,在(fS,fse)之间折射率n<0,呈现左手特性;而在(fsh,∞)间0<n<c(LRCR)1/2,呈现右手特性.2.4通带范围和带隙频率f图3分别给出了非平衡状态和平衡状态下的SRRDGS复合左右手传输线级联结构的传输特性.在非平衡状态下,fse≠fsh,在通带范围(fse,fsh)间出现带隙,带隙中心频率为f0=(fse·fsh)1/2;在平衡状态下,fse=fsh=f0,呈现出平坦的超宽带滤波特性.与传统CRLH传输线不同的是,在左边带外出现一个恒定的传输零点,从而提高了左边带的陡度.同时,随着单元数目的增加,带内变得更加平坦,而带外抑制度进一步改善.3不同开口环缺陷地面结构的复合东南角单元模型为验证上述结果,笔者加工了SRRDGS复合左右手传输单元.介质板厚度为1mm,介电常数2.65,导带宽度4mm,开口间隙0.4mm.由于介质板厚度不同,传输零点位置移到1.3GHz,从图4可以看出,S21幅度计算值与测试值吻合,由于参考面不同相位略有偏移.该结构具有带传输零点的复合左右手传输线超宽带特性.开口