一種寬帶復合傳輸線結構的設計與分析

x型crlh-tl的基本材料隨著d.r.smith等人首次實驗證明了左材料的存在，左材料理論迅速成為物理學和地質學的研究熱點。隨著國內外理論和實驗研究成果的創新，關于左材料是否存在的問題基本結束，許多研究成果在許多領域得到了重要應用。目前已發表的左手材料(Left-HandedMaterial,LHM)或者復合左右手傳輸線(CompositeRight/LeftHandedTransmissionLine,CRLH-TL)大多采用周期性結構合成,本質上為非均勻結構.當LHM或者CRLH元胞單元及單元間隔與入射波波長相比很小時,即可進行均勻材料(EffectiveHomogeneousMaterial,EHM)等效,并且非均勻結構與等效均勻結構在相同的電磁輻射照射下將呈現一致的散射特性,進而能夠利用等效本構參數(EffectiveConstitutiveParameters,ECPs)即介電常數ε和磁導率μ來刻畫其對外呈現的宏觀電磁特性.本文結合文獻[10-11]中的結構進行改進,提出了一種X型CRLH-TL.文獻所研究的S波段X型CRLH-TL,由于其平面內X型結構過大的耦合效應降低了結構通帶的帶寬;與文獻相比,本文降低了單元耦合,實現了在9.3~10.9GHz通帶內的寬帶特性.此外,文章基于反射和傳輸參數反演提取本構參數對結構的左手特性進行分析后,還應用電磁分析和傳輸線理論,結合曲線擬合技術,提取了等效電路中的各個元件值,電路仿真得到了與全波電磁仿真相一致的響應曲線.該場路結合的分析方法為研究CRLH-TL擴寬了思路,為結構在微波頻段的應用和改進提供了依據.各元件值的提取和調諧有利于CRLH-TL結構的設計和對其特性的分析,尤其是平衡型CRLH-TL的設計.在左手材料領域的發展中,研究者們為研究超介質的特性提出了許多經典的實驗,本文也引入了平行板波導系統,通過雙層印刷電路板技術制作出X型CRLH-TL并放置在系統中,利用矢量網絡分析儀測量了其響應曲線,完成了對X型結構從特性探究到實驗驗證的研究過程.本文提出的X型CRLH-TL呈現尺寸小、結構簡單、無需過孔,其所具有的濾波、寬帶等特性對各種微波結構的研制都具有一定的參考價值.1工藝流道設計與理論分析1.1基于電磁仿真的等效電路仿真單元結構尺寸圖如圖1(a)示.斜Z型金屬片(厚度均為0.05mm)周期性反對稱置于介質板的兩面上,俯視類似X型,本文稱之為X型傳輸線.其相關尺寸為:f=3.6mm,d=2.2mm,dx=2mm,dy=2.5mm,t1=1mm.三單元的X型CRLH-TL尺寸及其仿真時的邊界條件設置如圖1(b)所示.結構介質板采用介質損耗正切值為0.002,相對介電常數為9.8的RogersTMM10i,厚度c=1mm.結構的建模和電磁仿真均利用CSTSTUDIOSUITE2010中的微波工作室完成,設置電磁波沿平行于介質板方向入射,在結構的y、z方向分別設置周期邊界條件,x方向設置入射端口.周期邊界條件分別設為理想電導體(PerfectElectricConductor,PEC)邊界和理想磁導體(PerfecctMagnCeticConductor,PMC)邊界,激勵源使用波導端口或平面波.通過優化仿真得到S參數的幅度如圖2(a)黑色實線(S11)和虛線(S21)所示.從中可得,該結構具有通帶濾波特性,諧振頻點為10.08GHz,相應的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).為更好地探究該結構的傳輸特性,本文從結構的表面電流分布入手,構建了等效傳輸線電路.由圖2(b)電流分布看出,X型較寬部分在介質板兩側形成了平板電容效應,等效成電路中的各并聯支路的電容,因與近處金屬片的耦合效應不同,其值也設置為不同的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成并聯電感.由圖2(b)可知,X型的較細部分的金屬傳輸線,其既有傳輸電感效應也有電容效應,共同構成了電路中的串聯支路C3、L3和C4、L4.進一步基于電磁仿真的S參數,利用AWR軟件對等效電路中的各元件值進行了擬合提取,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參數如圖2(a)中的紅色劃線(S11)和點劃線(S21)所示.電磁仿真和電路仿真的S參數在帶寬和諧振頻點上都有很好的一致性,但等效電路更為理想,因為忽略了結構其他的寄生等效集總元件.1.2多參數動態仿真分析基于仿真或測量獲取的反射和傳輸參數來提取ECPs是目前較為普遍和有效的方法,本文采用文獻[12-13]的方法對電磁仿真得到的特性響應曲線進行了反演,各個本構參數隨頻率的變化曲線如圖3所示.從圖3可以看出,在10.08GHz處,等效磁導率、等效介電常數和折射率都出現了與S參數諧振頻點相對應的諧振響應.在10.08~10.9GHz頻段中,各參數均呈現負值,具有左手特性,在9.3~10.08GHz各參數均呈現正值,呈現右手特性.2x型crlh-tl的信號特性前面三部分著重于仿真及其分析,為進一步探究其特性以更好地應用到實際中,本文采用雙層印刷電路板技術對X型CRLH-TL進行了制作,并引入平行板波導系統(ParallelPlateWaveguide,PPW),利用矢量網絡分析儀(N5244A)對測試系統進行了測量,實物如圖4(a)所示.將X型CRLH-TL放置于系統中央的(SmallAType,SMA)探針之間,因電場極化方向沿y軸,磁場極化方向沿z軸,故該系統的電磁波環境設置和仿真系統一致.平行板波導系統的尺寸沿x軸、y軸、z軸分別為10cm、1.4cm、10cm,其中銅板厚度為1mm.測試得到的傳輸和反射曲線結果圖4(b)、(c)所示,與相應的仿真曲線相比,曲線變化趨勢基本一致,由于未加吸波材料并且系統結構本身存在損耗,故測量曲線的損耗稍大.同時,在10.4GHz處多了一個諧振頻點.在此頻點處產生諧振的原因主要是印制電路板(PrintedCircuitBoard,PCB)在制作和加工過程中的誤差以及X型CRLH-TL與平板系統的安裝誤差,使得CRLH-TL邊緣與平行板波導系統的上下板之間產生空氣層.因此在電磁波的激勵下,CRLH-TL等效介電常數變小,同時產生了額外的并聯寄生電容,故其相應的傳輸特性由通帶變為了帶阻特性.3結構特性驗證本文提出了一種不同于微帶型和集成波導型的由X型金屬片周期性排列構成的復合左右手傳輸線,并從集總參數等效電路、S參數提取和實驗等諸方面分別分析驗證了