一种宽带复合传输线结构的设计与分析

一种宽带复合传输线结构的设计与分析

x型crlh-tl的基本材料随着d.r.smith等人首次实验证明了左材料的存在，左材料理论迅速成为物理学和地质学的研究热点。随着国内外理论和实验研究成果的创新，关于左材料是否存在的问题基本结束，许多研究成果在许多领域得到了重要应用。目前已发表的左手材料(Left-HandedMaterial,LHM)或者复合左右手传输线(CompositeRight/LeftHandedTransmissionLine,CRLH-TL)大多采用周期性结构合成,本质上为非均匀结构.当LHM或者CRLH元胞单元及单元间隔与入射波波长相比很小时,即可进行均匀材料(EffectiveHomogeneousMaterial,EHM)等效,并且非均匀结构与等效均匀结构在相同的电磁辐射照射下将呈现一致的散射特性,进而能够利用等效本构参数(EffectiveConstitutiveParameters,ECPs)即介电常数ε和磁导率μ来刻画其对外呈现的宏观电磁特性.本文结合文献[10-11]中的结构进行改进,提出了一种X型CRLH-TL.文献所研究的S波段X型CRLH-TL,由于其平面内X型结构过大的耦合效应降低了结构通带的带宽;与文献相比,本文降低了单元耦合,实现了在9.3~10.9GHz通带内的宽带特性.此外,文章基于反射和传输参数反演提取本构参数对结构的左手特性进行分析后,还应用电磁分析和传输线理论,结合曲线拟合技术,提取了等效电路中的各个元件值,电路仿真得到了与全波电磁仿真相一致的响应曲线.该场路结合的分析方法为研究CRLH-TL扩宽了思路,为结构在微波频段的应用和改进提供了依据.各元件值的提取和调谐有利于CRLH-TL结构的设计和对其特性的分析,尤其是平衡型CRLH-TL的设计.在左手材料领域的发展中,研究者们为研究超介质的特性提出了许多经典的实验,本文也引入了平行板波导系统,通过双层印刷电路板技术制作出X型CRLH-TL并放置在系统中,利用矢量网络分析仪测量了其响应曲线,完成了对X型结构从特性探究到实验验证的研究过程.本文提出的X型CRLH-TL呈现尺寸小、结构简单、无需过孔,其所具有的滤波、宽带等特性对各种微波结构的研制都具有一定的参考价值.1工艺流道设计与理论分析1.1基于电磁仿真的等效电路仿真单元结构尺寸图如图1(a)示.斜Z型金属片(厚度均为0.05mm)周期性反对称置于介质板的两面上,俯视类似X型,本文称之为X型传输线.其相关尺寸为:f=3.6mm,d=2.2mm,dx=2mm,dy=2.5mm,t1=1mm.三单元的X型CRLH-TL尺寸及其仿真时的边界条件设置如图1(b)所示.结构介质板采用介质损耗正切值为0.002,相对介电常数为9.8的RogersTMM10i,厚度c=1mm.结构的建模和电磁仿真均利用CSTSTUDIOSUITE2010中的微波工作室完成,设置电磁波沿平行于介质板方向入射,在结构的y、z方向分别设置周期边界条件,x方向设置入射端口.周期边界条件分别设为理想电导体(PerfectElectricConductor,PEC)边界和理想磁导体(PerfecctMagnCeticConductor,PMC)边界,激励源使用波导端口或平面波.通过优化仿真得到S参数的幅度如图2(a)黑色实线(S11)和虚线(S21)所示.从中可得,该结构具有通带滤波特性,谐振频点为10.08GHz,相应的10dB带宽从9.3GHz到10.9GHz,具有宽带特性,并获得较好的回波损耗(-40dB)和插入损耗值(-0.24dB).为更好地探究该结构的传输特性,本文从结构的表面电流分布入手,构建了等效传输线电路.由图2(b)电流分布看出,X型较宽部分在介质板两侧形成了平板电容效应,等效成电路中的各并联支路的电容,因与近处金属片的耦合效应不同,其值也设置为不同的C1、C2,如图2(c)所示.L1和L2为平行金属板边缘的寄生电感构成并联电感.由图2(b)可知,X型的较细部分的金属传输线,其既有传输电感效应也有电容效应,共同构成了电路中的串联支路C3、L3和C4、L4.进一步基于电磁仿真的S参数,利用AWR软件对等效电路中的各元件值进行了拟合提取,提取值如图2(c)所示,各元件提取值为:C1=7.64pF,L1=0.030nH,C2=2.168pF,L2=0.481nH,C3=1.071pF,L3=0.322nH,C4=0.097pF,L4=2.202nH.提取元件值后的电路仿真S参数如图2(a)中的红色划线(S11)和点划线(S21)所示.电磁仿真和电路仿真的S参数在带宽和谐振频点上都有很好的一致性,但等效电路更为理想,因为忽略了结构其他的寄生等效集总元件.1.2多参数动态仿真分析基于仿真或测量获取的反射和传输参数来提取ECPs是目前较为普遍和有效的方法,本文采用文献[12-13]的方法对电磁仿真得到的特性响应曲线进行了反演,各个本构参数随频率的变化曲线如图3所示.从图3可以看出,在10.08GHz处,等效磁导率、等效介电常数和折射率都出现了与S参数谐振频点相对应的谐振响应.在10.08~10.9GHz频段中,各参数均呈现负值,具有左手特性,在9.3~10.08GHz各参数均呈现正值,呈现右手特性.2x型crlh-tl的信号特性前面三部分着重于仿真及其分析,为进一步探究其特性以更好地应用到实际中,本文采用双层印刷电路板技术对X型CRLH-TL进行了制作,并引入平行板波导系统(ParallelPlateWaveguide,PPW),利用矢量网络分析仪(N5244A)对测试系统进行了测量,实物如图4(a)所示.将X型CRLH-TL放置于系统中央的(SmallAType,SMA)探针之间,因电场极化方向沿y轴,磁场极化方向沿z轴,故该系统的电磁波环境设置和仿真系统一致.平行板波导系统的尺寸沿x轴、y轴、z轴分别为10cm、1.4cm、10cm,其中铜板厚度为1mm.测试得到的传输和反射曲线结果图4(b)、(c)所示,与相应的仿真曲线相比,曲线变化趋势基本一致,由于未加吸波材料并且系统结构本身存在损耗,故测量曲线的损耗稍大.同时,在10.4GHz处多了一个谐振频点.在此频点处产生谐振的原因主要是印制电路板(PrintedCircuitBoard,PCB)在制作和加工过程中的误差以及X型CRLH-TL与平板系统的安装误差,使得CRLH-TL边缘与平行板波导系统的上下板之间产生空气层.因此在电磁波的激励下,CRLH-TL等效介电常数变小,同时产生了额外的并联寄生电容,故其相应的传输特性由通带变为了带阻特性.3结构特性验证本文提出了一种不同于微带型和集成波导型的由X型金属片周期性排列构成的复合左右手传输线,并从集总参数等效电路、S参数提取和实验等诸方面分别分析验证了