基于左右手传输线的定向耦合器

圣言汔粉找DONGFANGTURBINE25杨柳林雷凯罗健明东汽投资发展有限公司，四川德阳，618000摘要设计出了一种新型平衡混合左右手传输线结构，并利用该结构设计出了一种基于混合左右手传输线的平行耦合型微带定向耦合器。该结构类型的定向耦合器具有强耦合、宽带宽和高定向性等特点，为常规耦合器提供了一种替代。通过改变耦合线之间距离和组成耦合线的混合左右手传输线结构单元的数目，可以实现不同耦合度和带宽的定向耦合器，实现3DB2】DB范围内的任意耦合，具有较高的应用价值。关键词左手材料；混合左右手传输线；定向耦合器；电磁仿真DIRECTIONALCOUPLERBASEDONRIGHTLEFTHANDEDTRANSMISSIONLINESYANGLIULIN，LEIKAI，LUOJIANMINGDONGFANGSTEAMTURBINEINVESTMENTDEVELOPMENTCO，LTDDEYANGSICHUAN618000ABSTRACTANOVELBALANCEDCOMPOSITERIGHTLEFTHANDEDTRANSMISSIONLINESTRUCTUREISDESIGNED，WHICHISBASEDONTHETHEORYOFCOMPOSITERIGHTLEFTHANDEDTRANSMISSIONLINESANDCONVENTIONALTRANSMISSIONLINESAPARALLELMICROSTRIPDIRECTIONALCOUPLERISDESIGNEDBASEDONTHISSTRUCTURETHISTYPEOFCOUPLERISACOMPACTPLANARSTRUCTUREWITHTHECHARACTERISTICOFSTRONGCOUPLING，WIDEBANDWIDTHANDHIGHDIRECTIONALPROPERTYTHECOUPLEROFFERSANALTERNATIVETOCONVENTIONALCOUPLERSBYCHANGINGTHESPACINGOFTHECOUPLEDLINEANDTHENUMBEROFSTRUCTUREUNITCEL1COEFFICIENTSFROM3DBTO2ODBCANBEACHIEVEDRESPECTIVELYKEYWORDSLEFTHANDEDMETAMATERIALSLHMS，COMPOSITERIGHTLEFTHANDEDTRANSMISSIONLINECRLHTL，DIRECTIONALCOUPLER,ELECTROMAGNETICSIMULATION进入新世纪以来，具有负介电常数S和负磁导率的被称为左手LEFTHANDED，LH材料的“超材料METAMATERIALS”指具有自然界中常规材料不具有的独特电磁特性的人工结构引起了学术界和工程界的广泛关注N，在应用电磁学、固体物理学、材料科学和光学等诸多学科领域内成为研究的前沿和热点。左手材料LEFTHANDEDMETAMATERIALS，LHMS的出现是电磁学理论和应用发展的重要事件，它开辟了经典电磁理论和电磁应用等方面崭新的研究空间，具有重大的科研价值和巨大的应用前景。对超大规模的集成电子、微波通讯和医学成像等科技研究和社会发展产生了极为重要的影响。美国科学杂志更是J,LHMS评为2003年度的十大科学突破之一心，并作者简介杨柳林1986，男，工学学士，毕业于四川大学，现在从事太阳能光伏发电技术研究工作。26I索言汔粉揍LDONGFANGTURBINE将与LHMS设计方法相类似的梯度超材料来实现“隐身斗篷”评为2006年度十大科学突破之一；2007年当时世界上最大的出版商ELSEVIER公司更是发行了刊名为METAMATERIALS的新期刊。遵漂内容LL。LLLL本文在系统研究LHMS原理、传输线理论、CRLHTL结构、定向耦合器原理的基础上，以ZELAND公司的电磁仿真软件IE3D为仿真工具，以相对介电常数E265、厚度H15MM，损耗为0005的微带线设计CRLHTL，并以此来设计出基于CRLHTL的定向耦合器，最后通过IE3D的电磁仿真得OCRLHTL定向耦合器的相关参数，主要有祸合度、中心频率和工作频带宽度等等；并比较相关参数改变对定向耦合器性能的影响。一02详细设计曩曩曩蠢誊。00LLI；21CRLHTL单元根据CRLHTL的相关理论，本文中使用微带线实现人工的CRLHTL结构。CRLHTL单元的结构如图1N示。J1工JIEIJF1一一1L1一_图1CRLHTL单元结构图由图1可知，用交指电容和终端短路的微带短截线实现单元电路，起到了左手和右手的作用，其中，在实际制作中终端短路用金属化过孔实现。特别需要说明的是右手电容来源于传输线与接地层之间的电容，右手电感的产生是由_F叉指电容器数字电流产生的磁通量。图2HCRLHTL单元结构模型的等效电路。CL图2CRLHTL单兀等效电路其中为交指电容等效的串联电容，三为交指电容等效的串联电感，C为交指电容对地的等效电容；C为终端短路微带短截线等效的并联电容，为终端短路微带短截线等效的并联电感；而终端短路微带短截线的寄生串联电感远小于交指电容等效的串联电感，所以可忽略不计。进一步化简等效电路图，得到图3所示的电路化简图。其中C，为CRLHTL左手部分的电容，由C决定；为CRLHTL左手部分的电感，由枷决定；为CRLHTIJ右手部分的电容，由C和决定；L为CRLHTL右手部分的电感，由S决定。符合CRLHTL的所有特性，说明设计是正确的。LR。C图3CRLHTL单元等效化简电路图根据设计要求，所使用的微带线的相对介电常数E265、厚度H15MM、损耗TLO005，要求中心频率15GHZ。根据上述要求设定CRLHTL单元机构的物理大小。如图1的结构中，采用交指电容对数N5，指宽R03MM，指间间隙为02MM，指长150MM，终端短路微带短截线的宽度，096INTO，长度，L52MM。22匹配渐变微带线由于CRLHTL的两端需要,H5O欧姆阻抗匹配，使用TXLINE软件进行计算可知，相对介电常数265、厚度H15MM、损耗TLO005，工作的中心频FO15GHZ，特性阻抗为5O欧姆的微带线的宽度W412MM，小于CRLHTL单元宽度，所以需要设计如图4所示的渐变微带线进行连接。其中W_412MM，H48MM，L200MM。图4渐变微带线结构图23CRLHLL在上一节中完成了CRLHTL单元的设计，现在进行CRLHTL部分的设计，即将CRLHTL单元级联并接上匹配阻抗的微带渐变线再进行细微的修改。这里设计的三个CRLHTL单元进行级联，如图5所示。其中微带短截线的长度分别为152MMD76MM。图53单元CRLHTL结构图24对称型CRLHTL定向耦合器根据上一节设计得到的3单元CRLHTL结构，复制并反射可以得到如图6所示的对称型CRLHTL定向耦合器，CRLHTL阻抗耦合器。LI图6对称型CRLHTL定向耦合器结构图其输入、直通、耦合、隔离端口分别为端口、端口、端口和端口。两CRLHTL之间间隔S可调，以满足不同耦合度需求。25非对称型CRLHTL定向耦合器根据上一节设计得到的3单元CRLHTL结构和圣乞粉找DONGFANGTURBINE27常规微带线可以得到如图7所示的非对称型CRLHTL定向耦合器，CRLHTL相位耦合器。其输入、直通、耦合、隔离端口分别为端口、端口、端口和端口。同样的，两传输线之间间隔S可调，以满足不同耦合度需求。图7非对称型CRLHTL定向耦合器结构图本文采用ZELAND公司的电磁仿真软件IE3DV123中MGRID作为仿真工具来实现相关的设计的仿真，各模块的仿真和分析结果如下。31混合左右手传输线在IE3DV123中MGRID中建立图5所示的CRLHTL的模型见图8。仔细观察对比发现图8中的CRLHTL的短截线结构中没有金属化过孔，这是因为在MGRID中可以用BUILDVIAANDPORTONEDGES命令建立微带线与基板之问的短路连接，从而简化电路。图8MGRID中建立的3单元CRLHTL图中端口1和端口2T别为全波仿真中的输入端口和输出端口。经MODUA全波仿真得到端口的S参量，进而得到S参量的频率曲线关系图，如图9PJ示。O00510152025FREQGHZ图9MODUA中仿真得到的CRLHTLS参数曲线图28L豪言乞粉拨IDONGFANGTURBINE由图9可知，在通带内IS【始终大于15DB，1S，L始终接近ODB，即回波损耗足够小。但是通过上述的三单元CRLHTL，我们无法得出该结构的CRLHTL的零阶谐振频率，又因为在MODUA仿真结果中不能直接得到色散曲线，无法直接通过色散图得零阶谐振点并判断是否是平衡的CRLHTL。所以这里采用一种很巧妙的方法求得这种结构的CRLHTL的零阶谐振点。图10为一个与上述三单元CRLHTL参数相同的七单元CRLHTL，建立如图的端口1到端口8，其中设端口L和端口2的阻抗为5O欧姆，其余端口短路但由于MODUA端口阻抗不能为零，故只能设其余端口阻抗为很小的0001欧姆，近似短路。图10MGRID中建立的7单元CRLHTL由仿真得到图10结构的端口1和端口2的全波仿真的S参量曲线图如图1L所示。在通带内仍然有LS1始终大于15DB，LS。I始终接近ODB，即回图11MODUA中仿真得到的7单元CRLHTLS参数曲线图然后，得到端口2到端口8的全波仿真的相位曲线图，如图L2所示，可知端口2FJ端口8的相位均随时间发生相移，而在频率为155GHZ处，所有相位相交于一点，由第二章中讨论得到的相关结论可知，这个相交点所对应的频率即为零阶谐振频率，且由于所有相位都相交，可以知道该CRLHTL是平衡的，则相同参数的3单元CRLHTL也是以155GHZ为零阶谐振频率的平衡CRLHTL。一40一60乏一一1【一L2O_140160I801I2L3L4L5L6L718FRCQGTTZ图12MODUA中仿真得到的7单元CRLHTLS参数相位曲线图32基于CRLHTL单元的定向耦合器三单元基于CRLHTL的定向耦合器如图13所示，每一条CRLHTL均与上一节中的三单元CRLHTL结构和参数完全相同。图13MGRID中建立的3单元基于CRLHTL定向耦合器通过MODUA仿真可以得到如图14所示的两CRLHTL间距SO2MM由于加工工艺的限制，微带的最小单位长度为02MM的定向耦合器的S参数的全波仿真曲线。可得该定向耦合器的工作频率为113GHZ188GHZ，中心频率约为15GHZ，相对百分比带宽达到50，且中心频率的耦合度为39DB，隔离度大于22DB，回波损耗大于16DB，中心频点的方向性系数达U20DB。各项参数都完全满足设计的要求。一SLLIS【1一S，LSOFRCQOHZ图143单元基于CRLHTL定向耦合器S参数曲线图SO2MM41间隙对散射参量的影响现在讨论两平行耦合线之间问隙SS02NM改变对基于CRLHTL定向耦合器散射参量的影响。411散射参量FS，L如图15所示，在中心频率附近，随着两耦合线间距从0。2MM增大N54MM，虽然LSI总体上逐渐增大，但回波损耗始终大于L7DB，没有发生较大的发射，可以认为定向耦合器工作在行波状态。FREQGHZ图15定向耦合器不同问隙LSI对比曲线412散射参量FS。L如图16所示，在中心频率附近，随着两耦合线间距从02MM增大N54MM，1S，I减速增大，最终趋近于03DB，从413的讨论中可知这是由于对应的JS。I逐渐增大导致的。10111213141516L7I81920FREQGHZ图16定向耦合器不同间隙LS。L对比曲线413散射参量IS，I索乞粉搬DONGFANGTURBINE29如图L7所示，在中心频率附近，随着两耦合线间距从02MM增大N54MM，ISI逐渐减小，即定向耦合器的耦合系数逐渐增大，从39DB增大到20DB，但工作频带宽度基本不变。这说明，该基于CRLHTL的对称型定向耦合器可以在保持带宽基本不变的条件下，实现39DB120DB的任意耦合度，这个范围包括了前耦合和中耦合的范围，而在传统微带线定向耦合器中，在保证较宽带宽的前提下实现高于20DB的耦合系数是很困难的。0LJL213L4J5L6L7L8L920FRCQGHZ图17定向耦合器不同间隙1S。1对比曲线414散射参量SI如图18所示，JSL的变化没有明显的规律，但可以得知该耦合器在不同耦合线间距条件下的隔离度均大于20DB，这使得耦合器的良好方向性的实现成为可能。1011L2L3141516L7181，920FRCQLGLTZ图18定向耦合器不同间隙JSJ对比曲线42间隙对耦合度的影响下面通过列表的方式来讨论不同S条件下该耦合器的最大耦合度对应的各项特性，如表1所示。0、寻珈兽一岂量U昱I舶枷“；枷锄枷【GPJO鼍苫30I圣言汽粉揍LD0NGFANGTURBLNE表1最大耦合度对应的各项参数和特性SINLL1最大耦合度CDB隔离度IDB方向性DDB频率GHZO2O39242L146O5054353014608067292214711792618147149124L5147171O23L31472O1123121463OL42391464OL72471455019256145532O255145由表1中各参数可知，该结构的定向耦合器的最大耦合出现在频率146GHZ附近，可以通过改变耦合线间距，实现39DB到20DB范围内任意耦合度。但随着耦合线间距的增大，方向系数将逐渐减小，耦合器性能受到影响。43单元数对耦合器特性的影响现在讨论，定向耦合器结构中CRLHTL单元数对定向耦合器特性的影响，如图L9所示，图中四条曲线分别为3单元、5单元、7单元和9单元结构的耦合器全波仿真的S。与频率的关系曲线。10LI12131415I6I7J8I92【JFREQGHZ图19不同单元数的定向耦合器的1S。1对比曲线如图L9所示，随着单元数的增加，定向耦合器的耦合度逐渐减小、耦合增强，并可以实现3DB或更强的耦合，但工作频带宽度有所减小。44其他前面设计了对称型CRLHTL定向耦合器，现在利用CRLHTL