基于左右手传输线的定向耦合器.pdf

圣言 汔粉找 DONGF ANG TURBI NE 2 5 杨柳林雷凯罗健 明 ( 东汽投资发展有限公 司，四川 德阳 ，6 1 8 0 0 0 ) 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3 d B2 ( 】 d B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 Di r e ct i o n a l Cou p l e r Ba s e d on Ri gh t L e f t - h a n d e d Tr a n s m is s i on L i n e s Ya n g Liu l in， Le i Ka i， Lu o J ia n min g ( Do n g f a n g S t e a m T u r b i n e I n v e s t me n t &De v e l o p me n t Co ， L t d De y a n g S i ch u a n 6 1 8 0 0 0 ) Ab s t r a ct ：A n o v e l b a l a n ce d co mp o s i t e r ig h t l e f t h a n d e d t r a n s mis s i o n l i n e s tr u ct u r e i s d e s ig n e d ， wh ich i s b a s e d o n t h e t h e o r y o f co mp o s i t e r i g h t l e f t h a n d e d t r a n s mis s i o n l i n e s a n d co n v e n t io n a l t r a n s mi s s io n l i n e s A p a r a l l e l mi cr o s t r ip d i r e ct i o n a l c o u p l e r is d e s ig n e d b a s e d o n t h is s t r u ctur e Th is t y p e o f co u p l e r is a co mp a ct p l a n a r s t ru ctur e wit h t h e ch a r a ct e r is t ic o f s t r o n g co u p l in g ， wid e b a n d wi d t h a n d h ig h d i r e ct io n a l p r o p e rty T h e co u p l e r o ffe r s a n a l t e r n a t i v e t o co n v e n t io n a l co u p l e r s By ch a n g i n g t h e s p a ci n g o f t h e co u p l e d l i n e a n d t h e n u mb e r o f s t r u ctur e u n i t ce l 1 co e ffi ci e n t s f r o m 3 d B t o 2 O d B ca n b e a ch ie v e d r e s p e ct iv e l y K e y Wo r d s ： l e f t h a n d e d me t a ma t e r ia l s( L H Ms ) ， co mp o s it e r i g h t l e ft - h a n d e d t r a n s mis s io n l i n e( C R L H T L ) ， d ir e ct io n a l co u p l e r , e l e ct r o ma g n e t ic s imu l a t io n 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 ( L e f t H a n d e d ，L H ) 材 料 的 “ 超 材料 ( M e t a m a t e r ia l s ) ” ( 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 ( L e f t H a n d e d M e t a m a t e r ia l S ，L H M s ) 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 , L H M s 评为2 0 0 3 年度的十大科学突破之一心 ，并 作者简介：杨柳林 ( 1 9 8 6)，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。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 I 索 言 汔 粉 揍 l DONGF ANG TURBI NE 将 与L H M s 设 计方 法相 类似 的梯 度超 材 料来 实现 “ 隐身斗篷 ”评为2 0 0 6 年度十大科学突破之一 ； 2 0 0 7 年 当时世 界上最大 的出版 商E l s e v ie r 公司更 是发行了刊名为 M e t a m a t e r ia l s 的新期刊 。 。 遵漂 内容 l l 。 lll l 本 文在 系统 研 究L H M s 原理 、传 输 线理 论 、 C R L H T L 结 构 、定 向耦 合 器 原 理 的 基 础 上 ， 以 Z e l a n d 公司 的电磁仿真软件I E 3 D 为仿真工具 ，以 相 对 介 电 常 数 e = 2 6 5 、 厚 度 h = 1 5 m m ，损 耗 为 0 0 0 5 的微带线 设计C R L H T L ，并 以此来 设计 出基 于C R L H T L 的定 向耦合器，最后通过I E 3 D 的电磁仿 真得 O C R L H T L 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 0 2 详细设计曩 曩 曩 蠢 誊 。 0 0 ll i ； 2 1 C RL H T L 单元 根据C R L H T L 的相关理论，本文中使用微带线 实现人工的C R L H T L 结构 。C R L H T L 单元的结构如图 1 N示。 J 1 ) 工 J I - E I J f 1 一 一 1 L 1 一 _ - - 图1 C R L H T L 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2 hC R L H T L 单元结构模型的等效 电路。 C L 图 2 C R L H T L 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C R L H T L 左手部分的 电容 ，由C 决 定； 为C R L H T L 左手部分 的电感，由 枷 决定 ； 为 C R L H T I J 右 手 部 分 的 电容 ， 由C 和 决 定 ；L 为C R L H T L 右手部分 的电感 ， 由 s 决定 。 符合C R L H T L 的所有特性 ，说 明设计是正确的。 LR 。 C 图3 C R L H T L 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e = 2 6 5 、厚度h = 1 5 m m 、损耗T L = O 0 0 5 ，要求 中心频率 = 1 5 G H z 。根据上述要求设定C R L H T L 单 元机构 的物理大小。如 图1 的结构中，采用交指电 容对数N= 5 ，指 宽 r = 0 3 m m ，指 间间隙为0 2 m m ， 指长 1 5 0 m m ，终端短路微带短截线的宽度 ，= 0 9 6 i n to ，长度 ， = l 5 2 m m 。 2 2 匹配渐变微带线 由于C R L H T L 的两端需要, H 5 o 欧姆阻抗 匹配 ， 使用T X L in e 软件进行计算可知，相对介 电常数 = 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 5 、厚度h - 1 5 m m 、损耗T L = O 0 0 5 ，工作的中心 频f o - 1 5 G H z ，特 性阻抗 为5 O 欧姆的微带线的宽 度 W= 4 1 2 m m ，小于C R L H T L 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_- 4 1 2 m m，H- 4 8 m m ， L = 2 0 0 m m 。 图4渐变微带线结构图 2 3 CRL H l L 在上一节 中完成了C R L H T L 单元的设计 ，现在 进行C R L H T L 部分的设计 ，即将C R L H T L 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C R L H T L 单元进行级联 ，如 图5 所 示 。其 中 微 带 短 截 线 的 长 度 分 别 为 1 5 2 m m D 7 6 m m。 图5 3 单元C R L H T L 结构图 2 4 对称型CR L H T L 定向耦合器 根据上一节设计得到的3 单元C R L H T L 结构， 复制 并 反射 可 以得 到如 图6 所示 的对 称 型C R L H T L 定 向耦合器，C R L H T L 阻抗耦合器。 l I 图6对称型C R L H T L 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C R L H T L 之 间间 隔S 可调，以满足不同耦合度需求。 2 5 非对称型CR L H T L 定向耦合器 根据上一节设计得到的3 单元C R L H T L 结构和 圣 乞 粉找 DONGF ANG TURBI NE 2 7 常规微带线可 以得到如图7 所示的非对称 型C R L H T L 定 向耦合器，C R L H T L 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C R L H T L 定向耦合器结构图 本文采用Z e l a n d 公司的电磁仿真软件I E 3 D ( v 1 2 3 ) 中M G R I D 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 。 3 1 混合左右手传输线 在 I E 3 D ( v 1 2 3 ) 中M G R I D 中 建 立 图5 所 示 的 C R L H T L 的模 型 ( 见图8 )。仔细观察对 比发现 图 8 中的C R L H T L 的短截线结构 中没有金属化过孔 ， 这 是 因为在 M G R I D 中可 以用B u il d V ia a n d P o r t O n E d g e s 命令 建立 微 带线 与基 板之 问 的短 路连 接，从而简化电路。 图8 M G R I D 中建立的3 单元C R L H T L 图中端 口1 和端 口2 t 别为全波仿真中的输 入 端 口和输 出端 口。经M O D U A 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 9 p j ? 示 。 O 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 F r e q ( G Hz ) 图9 M O D U A 中仿真得到的C R L H T L S 参数曲线图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 28 l 豪 言 乞 粉拨 I DONGF ANG TURBI NE 由图9 可知，在通带内I S 【 始终大于1 5 d B ， 1 S ， l 始终接近O d B ，即回波损耗足够小。但是通过 上 述 的三 单元 C R L H T L ，我们 无法得 出该结构 的 C R L H T L 的零阶谐振频率 ，又因为在M O D U A 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C R L H T L 。所 以这里 采用 一种很 巧妙 的方法 求得 这种 结构 的 C R L H T L 的零阶谐振点。 图1 0 为一个 与上述三单元C R L H T L 参数相 同的 七单元C R L H T L ，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5 O 欧姆 ，其余端 口短路 ( 但 由于M O D U A 端口阻抗不能为零，故只能设其余 端 口阻抗为很小的0 0 0 1 欧姆，近似短路 )。 图1 0 M G R I D 中建立的7 单元C R L H T L 由仿真得到图1 0 结构 的端 口1 和端 口2 的全波 仿真 的S 参量曲线图 ( 如图1 l 所示)。在通带内仍 然有l s 1 始终大于1 5 d B ，l s 。 I 始终接近O d B ，即回 图1 1 M O D U A 中仿真得 到的7 单元C R L H T L S 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l 2 所示 ，可知端 口2 f J 端 口8 的相位 均随时间发生相移，而在频率为1 5 5 G H z 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C R L H T L 是平衡 的，则相 同参数 的3 单元C R L H T L 也 是以 1 5 5 G H z 为零阶谐振频率的平衡C R L H T L 。 一4 0 一 6 0 乏 一 一1 【 ) ( ) 一l 2 O _1 40 1 6 0 I 80 1 I 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 1 8 F r cq ( G t t z ) 图1 2 M O D U A 中仿真得到的7 单元C R L H T L S 参数相位曲线图 3 2 基于CR L H T L 单元的定 向耦合器 三 单元 基 于C R L H T L 的定 向耦合 器 如 图 1 3 所 示 ，每 一条C R L H T L 均 与上一节 中的三单元C R L H T L 结构和参数完全相同。 图1 3 M G R I D 中建立的3 单元基于C R L H T L 定向耦合器 通 过M O D U A 仿 真 可 以得 到 如 图 1 4 所 示 的 两 C R L H T L 间距s = O 2 m m( 由于加工工艺的限制，微带 的最小单位长度为0 2 m m )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1 1 3 G H z 1 8 8 G H z ，中心频率 约为1 5 G H z ，相 对 百分 比带宽达 到5 0 ，且中心频 率的耦合度 为 3 9 d B ，隔离度大于2 2 d B ，回波损耗大于1 6 d B ，中 心频 点的方 向性系数达 U 2 0 d B 。各项参数都完全 满足设计的要求 。 一S l lI S【 1一S ， l S O F r cq ( O Hz ) 图1 4 3 单元基于C R L H T L 定向耦合器S 参数曲线图( s = O 2 m m ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 1间隙对散射参量的影响 现 在讨 论 两 平 行 耦合 线 之 间问 隙 S ( s 0 2 n m ) 改变 对基于C R L H T L 定 向耦合 器散射参量 的影 响。 4 1 1 散射参量f s ， l 如图1 5 所示，在中心频率 附近，随着两耦合 线间距 从0 。 2 m m 增大N5 4 m m ，虽然 l s I 总体上逐 渐增大 ，但回波损耗始终大于 l 7 d B ，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 。 F r e q ( GHz ) 图1 5 定向耦合器不同问隙l S I 对比曲线 4 1 2散射参量f S 。 l 如图1 6 所示 ，在中心频率 附近 ，随着两耦合 线间距 从0 2 m m 增大N5 4 m m ，1 s ， I 减速增大，最 终趋近于0 3 d B ，从4 1 3 的讨论 中可知这是 由于 对应的J s 。 i 逐渐增大导致的。 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 l 7 I 8 1 9 2 0 F r e q ( GH z ) 图1 6定向耦合器不同间隙l s 。 。 l 对比曲线 4 1 3 散射参量I S ， I 索 乞 粉搬 DONGF ANG TURBI NE 2 9 如图l 7 所示，在中心频率 附近，随着两耦合 线间距 从0 2 m m 增大N5 4 m m ，I s i 逐渐减小，即 定 向耦合器的耦合系数逐渐增大 ，从3 9 d B 增大到 2 0 d B ，但工作频带宽度基本不变 。这说明，该基 于C R L H T L 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 3 9 d B 1 2 0 d B 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2 0 d B 的耦合系数是很困难的。 0 l J l 2 1 3 l 4 J 5 l 6 l 7 l 8 l 9 2 0 F r c q ( GH z ) 图1 7定向耦合器不同间隙1 S 。 。 1 对比曲线 4 1 4 散射参量 s I 如图1 8 所示，J s l 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2 0 d B ，这使得耦合器 的 良好方 向性 的实现成为可能。 1 0 1 1 l 2 l 3 1 4 1 5 1 6 l 7 1 8 1 ， 9 2 0 F r c q l G l t z ) 图1 8定向耦合器不同间隙J S J 对比曲线 4 2 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 【gp j o 鼍 苫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 I 圣 言 汽 粉 揍 l D0NGF ANG TURBl NE 表1最大耦合度对应的各项参数和特性 S ( i n ll1 )最大耦合度C ( d B )隔离度I ( d B )方 向性D ( d B )频率( G H z ) O 2 O 3 9 24 2l 1 4 6 O 5 0 5 4 3 5 3 0 1 46 0 8 0 6 7 29 22 1 47 1 1 7 9 26 1 8 1 47 1 4 9 1 24 l 5 1 47 1 7 1 O 2 3 l 3 1 4 7 2 O 1 1 2 3 1 2 1 46 3 O l 4 2 3 9 1 46 4 O l 7 24 7 1 45 5 0 1 9 2 5 6 1 4 5 5 3 2 O 2 5 5 1 4 5 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1 4 6 G H z 附近 ，可 以通过改变 耦合线 间距 ，实现3 9 d B 到2 0 d B 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。 4 3 单元数对耦合器特性的影响 现在讨论，定 向耦合器结构中C R L H T L 单元数 对定 向耦合器特性的影 响，如图l 9 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 。 1 0 l I 1 2 1 3 1 4 1 5 I 6 I 7 j 8 I 9 2 【 J F r e q ( GH z ) 图1 9不同单元数的定向耦合器的1 S 。 1 对比曲线 如图l 9 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 3 d B 或更强的耦合，但工作频带宽度有所减小。 4 4 其他 前面设计了对称型C R L H T L 定 向耦合器 ，现在 利用C R L H T L