（信号与信息处理专业论文）局部基片集成人工介质结构耦合线的研究及应用.pdf

硕l 论文局部慕片集成人工介质结构耦合线的研究及应用 摘要 耦合传输线是射频电路中基本元件之一，广泛应用在耦合器、滤波器、移相器等器 件中，因此它一直以来都是人们研究的热点。近年来，人工电介质更多地用于改变介质 材料的特性，例如通过加入金属导带阵列来增加人工电介质的有效介电常数。基片集成 人工介质( s i a d ) i i l 于能增加原有介质基片有效介电常数，能够适应现代无线通信系统前 端微波电路小型化、轻量化、高可靠、多功能和低成本的要求。所以本文对基片集成人 工电介质的耦合微带线进行了研究。 首先，本文介绍了耦合微带线的基本理论，接着介绍了对称耦合微带线奇偶摸的分 析方法，并根据此分析方法研究基片集成人工介质结构对称耦合微带线的传输特性。 其次，由于非对称耦合线的应用更加的灵活和方便，因此本文介绍了非对称耦合微 带线的分析方法，并研究了基片集成人工介质结构的非对称耦合微带线的特性。 然后，通过分析l s i a d 结构的耦合微带线，研究了l s i a d 微带到共面线的转换， 并设计了超宽带共面线到微带线的转换。 最后，根据l s i a d 结构传输线的左手特性，即它具有非线性的相位响应，并且其 零阶谐振的位置可控，设计了双频定向耦合器。 关键词：局部基片集成人工介质，耦合微带线，共面线，转换器，定向耦合器 a b s t r a c t a st h eb a s i cu n i ti nr fc i r c u i t ，c o u p l i n gl i n e sa r ew i d e l yu s e di nc o u p l e r , f i l t e r , p h a s e 。s h i f t e ra n ds oo n i t sa n a l y s i sa n dd e s i g nh a sa r o u s e de x t e n s i v ea t t e n t i o n i nr e c e n ty e a r s a r t i f i c i a ld i e l e c t r i cp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l sa r eu s e dt oa l t e rt h e m e d i a , f o re x a m p l e , b y a d d i n gm e t a lc o n d u c t o ra r r yt oi n c r e a s et h ee f f e c t i v ed i e l e c t r i cp e r m i t t i v i t yo fa r t i f i c i a l s u b s t r a t ei n t e r g r a t e da r t i f i a ld i e l e c t r i cm e d i u mc a ni n c r e a s et h ee f f e c t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n t a n dc a nb eu s e di nt h em i c r o w a v ec i r c u i ti nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw h i t c h 赫 i m p r o v e dt o w a r d sm i n i a t u r i z a t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y , m u l t i f u n c t i o n a la n dc o s tr e q u i r e m e n t s s o c o u p l e dm i c r o s t r i pl i n e so fs i a da r es t u d i e di nt l l i sa r t i c l e f i r s t ，t h ea r t i c l ed e s c r i b e st h eb a s i ct h e o r yo fc o u p l e dm i c r o s t r i pl i n e s ，t h e ni n t r o d u c e s t h ee v e na n d o d da n a l y s i so fs y m m e t r i c c o u p l e dm i c r o s t r i pl i n e s b a s e do nt h ea n a l y s i s t h e c h a r a c t e r i s t i c so fs y m m e t r i c c o u p l e dm i c r o s t r i pt r a n s m i s s i o nw i t hs u b s t r a t e i n t e g r a t e d a r t i f i c i a ld i e l e c t r i cs t r u c t u r ei sd i s c u s s e d 。 s e c o n d ，a s y m m e t r i cc o u p l e dl i n e sa r em o r gf l e x i b l ea n dc o n v e n i e n ti nt h ea p p l i c a t i o n s ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa s y m m e t r i cc o u p l e d m i c r o s t r i pl i n e so fl s i a di ss t u d i e d t h e n ，b ya n a l y z i n gt h el - s i a ds t r u c t u r eo fc o u p l e dm i c r o s t r i pl i n e s ，am i c r o s t r i dt o c o p l a n a rl i n et r a n s i t i o no fl s i a ds t r u c t u r e i ss t u d i e di n t h i s a r t i c l e ；a nu l t r a w i d e b a n d c o p l a n a rl i n et om i c r o s t f i pl i n et r a n s i t i o ni sd e s i g n e d f i n a l l y , d u et ot h el e f t h a n d e dc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s m i s s i o nl i n eo fl - s i a d s t r u c t u r e ，w i t c hm e a n st h a ti th a san o n l i n e a rp h a s er e s p o n s e ，a n dt h el o c a t i o no ft h e z e r o o r d e rr e s o n a n c ec a nb ec o n t r o l e d ，ad u a ld i r e c t i o n a lc o u p l e ri sd e s i g n e d k e yw o r d ：l - s i a d ，c o u p l e dm i c r o s t r i pl i n e s ，c o p l a n a rl i n e ，t r a n s i t i o n ，t h ed u a l d i r e c t i o n a lc o u p l e r 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：揭蛰拯 坤年6 月叼日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：墨交塾 卯吼月1 日 硕十论文局部基片集成人t 介质结构耦合线的研究及应用 1 绪论 1 1 研究背景及意义 随着航空和航天技术的发展，对体积小、重量轻、性能可靠的微波电路和系统的需 求越来越高。首先需要解决的问题是设计新的波导系统，为了便于微波电路和系统集成 化，平面结构往往成为一种设计趋势。 近年来，平面传输线受到了人们的广泛关注，新材料、新结构不断涌现，因而对新 结构平面传输线的研究十分必要。耦合线是应用广泛的微波平面传输线，是设计射频微 波电路的重要的单元。耦合线广泛应用在耦合器、滤波器、移相器等器件的设计中。对 新结构耦合线的研究成为了必要。 另一方面电磁信号在不同的传输媒介之问的转换一直是微波和毫米波技术研究的 重要内容。在毫米波频段，为便于测试，天馈以及独立微带电路之间的连接，常常需要 将微带电路的输入，输出端口通过转换结构来过渡。过渡结构的研究是一种必然的趋势， 目前的微波毫米波电路正在向着小型化的趋势发展，为了便于整体电路的集成化，过渡 结构的体积和接口方向成为一个重要的考虑因素。 过渡研究方面，共面线有很多优点，在现在的平面传输线的电路设计中经常用到， 但是在现有的仪器设备下不能直接进行测量，需要转换到其他的传输线，可以使方便的 测量需要用方便的网络分析仪。往往需要用到转换器。一般用到c p s c p w ，c p s 槽线 和c p s 到微带线转换器。微带线是最流行的传输线，微带线是一个不平衡传输线，微 带线到共面线的转换具有大的宽带，低损耗和结构简单等特点。由于共面线使用普遍， 将其转换成微带结构，再通过s m a 接头，再和网络分析仪等测量仪器连接，因此微带 到共面线的转换器具有广阔的用途1 3 1 h 3 4 | 。 微带分支线定向耦合器( b l c ) 是一种基本的微波元件，广泛用于各种实际电路和 系统中。随着无线通信技术的发展，对双频b l c 的需求也越来越迫切，但由于普通的 右手传输线( r h t l ) 具有线性的相位响应，所以传统的微带分支线定向耦合器( b l c ) 只能工作在基频及其奇数倍频上，这对于任意双频工作就欠缺灵活性。为了实现任意双 频工作，科研人员进行过一些尝试。c r l h t l 与传统传输线不同，它具有非线性的相 位响应，并且其零阶谐振的位置可控，这为双频微波元件的设计提供了很大的便利。 1 2 国内外研究概况 国内外已经有大量的文章对耦合线进行的分析，分别用到了矩量法、f d t d 、网络 分析等对耦合传输线进行了研究与分析。例如c r i s t a l 介绍了在均匀介质中一系列非对 l 绪论 硕1 ：论文 称耦合线单根线的奇偶模阻抗，z i e 和z i oi = l ，2 ，提取分析电压耦合系数k 和截止特性 阻抗z i ，这些可以完全匹配t e m 线结构。p e r l o w 和p r e s s e r 应用到这些表达式在设计 非均匀对称耦合线耦合器。当在c 模和兀模下的相速度相对之差很小的时候，这个方法 在各种情况下可以给出合理的响应，这样，我们可以接受模特性阻抗可以等效为奇偶模 阻抗。g u n t o n 和p a i g e ，t r i p a t h i 提取了散射参数非均匀非对称耦合线。均匀介质中非 均匀传输线【4 3 】l l0 。，非对称耦合线的研究1 8 j 【1 4 1 1 5 j 均有较好的发展。 微带线到共面线的过渡研究，主要是阻抗匹配和电场匹配。以下是国内外研究的成 果。1 9 9 7 年y o n g x iq i a na n dt a t s u oi t o h 提出通过用对称，优化的t 型节对信号进行分 离和结合，对9 0 度微带线带宽使用理想的斜接缝，改进转换器的性能。18 0 度相移功 分器通过l 1 - 1 2 = 四分之一波长实现。这样耦合微带线的传输模型主要是奇次模，这样 随着地面的截断很容易传输到c p s 模型。为了减小不需要的反射和散射损耗在微带线 9 0 度拐角处采用了理想的斜接缝。通过形成补偿t 型节和边带，相应的带宽达到了6 8 。 工作带宽窄【l 】。 2 0 0 1 年y o u n g h os u ba n dk a ic h a n g 设计了宽带微带线到共面线的转换器1 2 j 。 2 0 0 3 ，t s e n c h i e hc h i u ，y u s h i n gs h e n 用宽带耦合导带替代微带线半径截止减小了转换器 的整体的面积。宽带转换器插入损耗不到1 d b 频率范围为6 5 1 3 8 g h z 。这个转换器组 成平滑的锥度微带线或是锥度的地面由此可以得到很好的电场匹配在5 0 欧姆微带线和 高阻抗的c p s 中。但是，结构复杂，制作费用高。因为它需要精确的双面蚀刻和对齐。 ( 结构中除了很长的一段长度) 1 3 。2 0 0 6 年w e n h u at u 通过微带线多段变压器实现阻抗 匹配，通过耦合实现电场匹配，可是现实大的带宽。其他的由多部分组成的阻抗变压器 已经安装，为了完成好的阻抗匹配在一个大的开路边带。但是这种方法增加了整个转换 器的整个大小，由于多阶段转换器部分的需要1 4 j 。 2 0 0 7 年y o u n g g o nk i m 采用了微带线到共面线的电场分布的渐变过渡通过改变地 面的结构来是实现。两个传输线的阻抗匹配也是通过控制调节地面的形状来实现的。宽 带转换插入损耗不足i d b 在频率范围在5 3 9 4 0 g h z ，在这个转换器中，微带线的电场 分布渐渐转变到c p s 内通过地面锥度形状的变化。但是这个转换需要打孔实现【5 j 。2 0 0 7 年k u m r o nm e e l a r p k i t 设计了双频带转换器1 6 j 。 2 0 0 8 年t e c kb e n gl i ma n dl e iz h u 设计共面线的一个导带条终端丌路截止，然而另 一个直接与左边的微带线相连，中问耦合线的部分设置为理想通带中心频率的四分之一 个波长。随着导体条的变窄，有两个转换的超宽带极目标就可以达到1 7 】。 对于任意双频分支线定向耦合器的设计，u c l a 的小组曾用c r l h t l s 替代 r h t l s 应用于任意双频微带b l c 的设计中，其中c r l h 的两个工作频率的相位响应 分别为n 2 和7 【2 4 9 j 。2 0 0 9 年刘潇在u c l a 小组设计的双频定向耦合器的基础上利用 改进的c r l h 方法设计任意双频b l c 。另外2 0 0 5 年m y u n j o o 利用交叉耦合分支设计 2 硕士论文局部基j 1 集成人工介质结构耦合线的研究及应用 了双频定向耦合器1 5 引，频率分别为0 9 9 g h z 和1 9 7 g h z ，在0 9 9 g h z 回波损耗为3 5 5 d b ， 耦合为3 0 5 d b ，3 2 2 d b 直通，隔离为3 2 6 d b ；1 9 7 g h z 处，回波损耗为2 4 1 d b ，耦合 3 5 3 d b ，直通为2 9 5 d b ，隔离为2 2 d b 。在0 9 9 g h z 和1 9 7 g h z 处，相位分别为9 l 度 和9 0 度。可以看出具有良好的特性。2 0 0 6 年c a r l o sc o l l a d o 利用双环设计了双频定向 耦合器，并给出了设计步骤，并具有较好的性能1 4 引。 1 - 3 本课题的主要工作 本文的研究内容是研究新结构基片集成人工介质结构的对称耦合线和非对称 耦合线以及对它的应用。 第一章介绍了基片集成人工介质结构耦合线、微带到共面线的转换和双频定向耦合 器的研究意义。之后对国内外研究现状进行了短暂的回顾。 第二章讨论了耦合传输线基本理论。 第三章讨论了局部基片集成人工介质( l s i a d ) 对称耦合微带线传输特性。根据 奇偶模分析并利用微波网络提取l s i a d 结构对称耦合微带线的z 参数。用h f s s 软件 进行仿真，对仿真结果进行数据分析。 第四章讨论了局部基片集成人工介质( l s i a d ) 非对称耦合微带线传输特性，利 用微波网络提取l s i a d 结构非对称耦合微带线z 参数。用a n s o f td e s i g n e r 软件进行仿 真并对仿真结果进行数据分析。 第五章基于l s i a d 结构耦合线的传输线特性，研究l s i a d 结构微带线到共面线 转换；设计了超宽带共面线到微带线的转换；利用l s i a d 结构传输线的左手特性，设 计3 d b 任意双频定向耦合器。 2 耦合传输线的基本理论硕i j 论文 2 耦合传输线的基本理论 2 1 耦合传输线的概念 耦合传输线作为基本单元，在微波电路中的应用十分广泛，人们对它的分析与设计 都十分重视。 耦合传输线简称耦合线( c o u p l e dl i n e ) ，它是由两根或多根彼此靠的很近的非屏蔽传 输线构成的导行系统。有不对称和对称耦合线两种结构。本节只讨论对称耦合线。耦合 线适用于设计定向耦合器、混合电桥、滤波器等微波电路元件。 带状线和微带线是一种半开放式传输线结构，当两根或是多根中心导体带彼此靠的 很近时，其间必然有电场和磁场能量相互耦合，构成耦合带状线( c o u p l e ds t r i p l i n e ) 和耦 合微带线( c o u p l e dm i c r o s t r i pl i n e ) 。常用的耦合带状线是侧边耦合和宽边耦合对称耦合带 状线，如图2 1 1 所示： h ( a )( b ) 图2 1 1 ( a ) 侧边耦合带状线( b ) 宽边耦合带状线 常用的耦合微带线是侧边耦合对称耦合微带线，如图2 1 2 所示： 图2 i 2 耦合微带线的截面图 2 2 耦合线理论与奇偶模分析方法 上述耦合带状线线和耦合微带线均可以表示成图2 2 1 ( a ) 所示结构。假设传输t e m 模，则由于导体带和接地板为非导磁体，引入另一个导体带对磁场的分布影响不大，对 电场的分布影响较大，即引入另一导体带后，单根带状线或是单根微带线的分布电感几 乎不变，分布电容则变化较大。因此可以认为，耦合线的特性可由其问有效电容与线上 波的传播速度完全决定。图2 2 1 ( b ) 为2 2 1 ( a ) 的等效网络，其中c 表示带状导体2 不 存在时带状导体1 对地的自电容；c ，表示带状导体l 不存在时带状导体2 对地的自电 容；c ，表示接地导体不存在时带状导体1 和2 之间的互电容 9 1 。 4 硕上论文 局部基片集成人r t 介质结构耦合线的研究及应用 口臼 c l c 1 2 ( a )( b ) 图2 2 1 ( a ) 三线耦合线( b ) 等效电容网络 对于两个带状导体尺寸相同且相对于接地导体的位置完全相同的对称耦合线， c i i = c 2 2 。 2 2 1 奇偶模分析方法 对于对称耦合传输线的分析，人们通过奇偶模的分析方法，得出了各种等效网络及 其网络参数，如用端口电压、电流定义的z 参数、y 参数及a 参数等。在微波领域里， 常用端口入射波、反射波定义的散射参数( s 参数) 。所有这些网络理论的建立都为对 称耦合线的应用奠定了较完善的基础i s 。对称耦合线的特性借助于奇偶模分析法可以方 便地求得。 a 奇偶模激励及其参量 由大小相等方向相反的电流对耦合线两带状导体产生的激励称为奇模激励 ( o d d m o d ee x c i t a t i o n ) ；由大小相等方向相同的电流产生的激励称为偶模激励 ( e v e n - m o d ee x c i t a t i o n ) ，如图2 2 2 所示，由图可见，奇模激励时中间对称面为电壁， 偶模激励时中间对称面为磁壁。 - i - i 马喹g 一 ( b ) 图2 2 2 ( a ) 奇模激励( b ) 偶模激励 5 2 耦合传输线的幕奉理论硕1 j 论文 奇模激励状态下，单根带状导体对地的分布电容称为奇模电容， 如图2 2 2 ( a ) 所示，则有 c 。= c i l + 2 c 1 2 = c 2 2 + 2 c 1 2 偶模激励状态下，单根带状导体对地的分布电容称为偶模电容， 2 2 2 ( b 惭示，则有 奇模工作时， 偶模工作时， c e = c i l = c 2 2 单根带状导体对地的特性阻抗称为奇模特性阻抗， = 悟= 譬= 去= 古 单根带状导体对地的特性阻抗称为偶模特性阻抗， 以c o 表示， ( 2 2 1 ) 以e 表示，如图 ( 2 2 2 ) 以z o 。表示，则有 ( 2 2 3 ) 以z o 。表示，则有 砧专= 警= 壶= 古 仁2 砷 由于已假定t e m 模传输，故v 胛= ，胆= v p = c ，。结果表明，只要求得c 。和e ， 就可求得z 。和z 。 b 奇偶模方法 如上所述，在奇、偶模激励下，耦合线分别被电壁和磁壁分成两半，只须研究其一 半，即变成分别研究单根奇模线和单根偶模线的特性，然后叠加便可得到耦合线的特性。 也就是说，在奇、偶模激励下，另一根带状导体的影响分别可用对称面上的电壁( 奇模) 和磁壁( 偶模) 边界条件来等效，这样，原来的耦合线四端1 ：3 结构就被简化为二端e 1 结 构，可以应用传输线理论进行分析和计算。 如图2 2 3 ( a ) 所示，对耦合线端1 ：31 和2 的任意激励电压k 和，总可以分解成对 奇、偶模激励电压v o 和圪的组合 k = v e + v o ，= 圪一v o ( 2 2 5 ) 由此可得 屹：华圪：华 ( 2 2 6 ) 因此适当选择奇、偶模激励比例，可描述不同的耦合状态。例如，对于实用的只有 端口1 激励的状态，吒= 0 ，则得 圪：导圪：粤 ( 2 2 7 ) 即在此种情况下，奇、偶模电压的振幅相等，得到如图2 2 4 所示的原理图。 6 硕上论文局部基片集成人丁介质结构耦合线的研究及应用 i ，匝3 二 4 2 3 v l t l i d z；c i d z v l + d v i l l m d z 州u 叫l ：d z - i + d l i 上c l i l 1 1 2 + d i 2 v 2 l i d z 芊c l d z v 2 + d v 2 ( a ) ( b ) 图2 2 3 ( a ) 对称耦合线( b ) 等效电路 ( a )( b )( c ) 图2 2 4 ( a ) 1e l 激励( b ) 偶模激励( c ) 奇模激励 图2 2 5 描述了整个结构的奇偶模阻抗和有效电压和电流之问的相关等式和一半结 构的之间的关系。对于偶模激励下，对称面之间为磁壁，左右两个导体线的电流为相同 的幅值+ l ，因此在地面之i 日j 流动的电流为一2 t 。总之，偶模情况下的等效的电流为 所有的信号线的电流之和为+ 2 j 。，然而它的电压可以简单的表达为任何一个导体条和 地面之间的电压定义为圪 1 0 】。 相反，在奇模的激励下，奇模的对称面为电壁，地面所流过的电流为零，因为两导 体条的电流极性相反分别为一i o 和+ l 。在这种情况下，奇模电流值为定义为单根导体 条的电流为。，两导体条之间的电压为2 v o 。 对上面的定义进行比较，奇偶模一半结构的电压和电流如图2 2 5 ( c ) 和( d ) 从而可以 得知整个结构的奇偶模阻抗和一半结构的奇偶模阻抗值的关系如下： 7 一z ：o l o e 一2 ( 2 2 8 ) z o 。= 2 z o h o 7 2 耦合传输线的皋奉理论倾l ：论文 e e eo e o i i 2 i e ( a ) ( c )( d ) 图2 2 5 奇偶模等效的电压和电流值 ( a ) 整个结构偶模( b ) 整个结构的奇模 ( c ) 半个模型的偶模( d ) 、卜个结构的奇模 2 2 2 耦合传输线方程与耦合参量 假设耦合线传输t e m 模，则两线之间的电磁耦合可等效为通过两线之间的互电容 和互电感进行耦合，线元出的集总参数等效电路如图2 2 3 ( b ) 所示。图中，三。和q 分 别表示线间单位长度的耦合电感和耦合电容，厶和c l 表示受另一线影响时单根线的分 布电感和分布电容。根据基尔霍夫定律，对于时谐变化的电压和电流，可得到方程： 一a v , = j t o l l d z l l + j t o l 。d z l 2 二d二主,出dzi=+jml。,d龙zi(1dij m cj m ck 一圪) ( 2 2 9 ) 一 。=，出+。龙( k 一圪) 、7 一d 1 2 = 加c l d z 圪+ j m c 。出( 一) 8 或者 一掣：融i 。+ j l 一车：_ 三，：+ 。厶 一望：c 。巧+ 如c 。( k 一砭) 一望：，c 。吃+ c 。( 一k ) 口z ( 2 2 1 0 ) 坠堕壅 一一 局部基片集成人工介质结构耦合线的研究及心用 - 二二二= 二= = ：= ：! ：1 2 = = ! ：! ：! 竺兰竺 此即对称耦合传输线基本方程。式中三= l i , c = c i + 巴，分别表示耦合线单根线单 位长度总的电感和总的电容。 对于奇模激励状态，k = 一= 圪，i i = 一厶= i o ，代入( 2 2 9 ) 式可得奇模传输线方 程 一咄堪一k 、io 咄l o l o ：z 、i o 一警= 如c ( 1 + k 。) g o = c 。圪：e 圪 据此可得奇模相速度、奇模波导波长和奇模特性阻抗分别为 2 万2 习露2 蒋乖鼋j 丽霸 小吾寺 瓦= 厝= 船- z o 压 式中，k l = 上。三为电感耦合系数；k c = c 。c 为电容耦合系数；z 。：厕是耦合线 单根线的特性阻抗。 对于偶模激励状态，k = 吃= 圪，。= ，：j 。，代入式( 2 2 1 0 ) ，得到偶模传输线方 程为 一警咖堪+ k l 、) le 咄l c 】e - z 8 j c 一笔：c o k 。) 圪：c 。圪：e 圪 刃 。 。 据此可求得偶模相速度、偶模波导波长和偶模特性阻抗分别为 2 万2 鬲2 面雨毒厅葡 k 吾寺 瓦= 居= 船一z o 晤 ( 2 2 1 3 ) ( 2 2 1 4 ) 由上述z 0 。、z o 。、1 ，加和1 ，肚关系可求得耦合线单位长度自电容、自电感、互电感和互电 容分别为 9 ) ) 1 2 l l 2 z 亿 亿 2 耦合传输线的摹本理论硕：f ：论文 c = 兰 c d ( ，) + c p ( ，) 】 k 鼍盼丽1 亿2 朋， c m = 去 c 。( ，) 一c p ( ，) 】 铲半 南一划 即耦合线的单位长度分布参数，可由奇偶模静态电容决定。因此，借助于奇偶模方 法，通过求解单根线的奇偶模电容便可求得耦合线的各种特性。 对于均匀介质填充的对称耦合线( 如耦合带状线) ，其传输模为t e m 模，此时应有 c 扎= 1 p e 。= v p2 万 这就要求k l = k r = k ，于是得到 v 胂2v 胪2 、l c ( 1 - k 2 ) 九即2 九严2 ：j 万i 丽2 了二左趸丽( 2 2 1 6 ) 面、f l 乙、l ai，、f l 乙、i ai，、，、，、 z o o = z o 篇 犯z o 等 由式( 2 2 1 4 ) * n 式( 2 2 1 6 ) ，得到 z ；= z o 。z o p k ：墨q 盘 ( 2 2 1 7 ) 么o p + 么o o 耦合系数k 的分贝耦合度则为 c = 2 0 l g k ( d b ) ( 2 2 1 8 ) 对于非均匀介质填充耦合线( 如耦合微带线) ，传输模不是t e m 模，上述结果不再 适用。此时可引入有效介电常数为。和。的均匀介质代替非均匀介质，假定t e m 模， 用准静态方法求其奇偶模参量【9 】。 1 0 硕上论文 局部基片集成人工介质结构祸合线的研究及麻用 2 3 本章小结 本章主要讨论了对称耦合微带线的传输特性，在奇、偶模激励下，耦合线分别被电 壁和磁壁分成两半，只须研究其一半，即变成分别研究单根奇模线和单根偶模线的特性， 然后叠加便可得到耦合线的特性。这样，原来的耦合线四端口结构就被简化为二端口结 构。 3l - s i a d 结构对称耦合线的传输特性 硕l j 论文 3l s i a d 结构对称耦合线的传输特性 3 1 基片集成人工介质基本结构 基片集成人工电介质( l o c a ls u b s t r a t ei n t e g r a t e da r t i f i c i a ld i e l e c t r i c ，s i a d ) 是在2 0 0 7 年由m c o u l o m b e 等人提出的一种新型人工介质材料。s i a d 结构是由两层电介质构 成，在下面一层加入许多的金属柱，这些金属柱排列均匀并与最下面的接地板相连，并 与上层介质板隔离。金属柱的大小和间距远小于导波波长。金属柱和信号线之间为隔离 层，主要作用是将金属柱与微带电路隔丌防止短路，微波电路就制作在上层电介质上面 【1 2 l o 对于基片集成人工介质结构的微带线的研究已经得到了研究，其l s i a d 结构的微 带线的特性阻抗公式已经拟合，并已经验证了l s i a d 结构微带线可以减小电路的体积 笔【1 l 】 可o 下面我们以对称耦合线为例，如图3 1 1 所示：基片集成人工电介质结构对称耦合 线。 t ”：叮 “。? 1 ； 锚 “ | h l i s o l a t e dl a y e r 。 j g r o u n dp l a n eh _ 一 r 1 _ 4 卜 d i l i cp o s t ( a ) ( b ) 图3 1 1 基片集成人工电介质对称耦合线的结构 ( a ) 俯视图( b ) 截面图 3 2 ( 局部) 基片集成人工介质结构理论分析 3 2 1 基片集成人工介质结构分析 基片集成人工介质在下面一层的电介质中加入金属柱，使得相对的接地平面提高， 地面与耦合线的距离变小，使得地面与耦合线之问的分布电容增大。由于金属柱一端接 地，另一端开路，金属柱上流过的传导电流很小，因此可以认为金属柱对分布电感的影 响可忽略不计，即分布电感几乎保持不变，所以增加了有效介电常数，耦合线的特性阻 抗变小。通过改变金属柱的几何参数( 如直径，高度和间距) 就能有效增加介电常数， 1 2 硕上论文局部基片集成人t 介质结构耦合线的研究及麻用 得到所需要的介电常数。对任意给定的衬底材料，此结构都可用于减小电路尺寸。图 3 2 1 为普通结构对称耦合线电场分布示意图。图3 2 2 为s i a d 结构对称耦合线电场分 布示意图。 ；h 壁；e 壁 ( a )( b ) 幽j 2 1 普通结构对称耦合线的电场分布 ( a ) 偶模电场分布( b ) 奇模电场分布 ( a ) ( b ) 图3 2 2s i a d 结构对称耦合线的电场分布 ( a ) s i a d 结构对称耦合线偶模电场 ( b ) s i a d 结构对称耦合线奇模电场 根据传输线理论【2 】，可知 z o = 等一篇 在无耗的条件下，r = g = 0 ，由上式可得： z o 一延 根据上章公式( 2 2 1 ) ( 2 2 4 ) 公式和上面的分析可知： 金属柱的加入，c ，：几乎没有改变，由于金属柱的加入使得地面提高，c 1 。和c ：电 容增大。 奇模情况下： c o = c l l + 2 c 1 2 = c 2 2 + 2 c 1 2 = 悟= 等= 去= 石1 = 丽1 2 3l - s i a d 结构对称耦合线的传输特性硕i ：l 2 文 偶模情况下： e = c l 。= c 2 2 z 旷悟= 警= 去2 古= 丽1 邸2 2 ， 由上面分析可知，由于金属柱的存在，增加了分布电容c ，分布电感三近似认为没 有改变，由式( 3 2 1 ) 和( 3 2 2 ) 中可以看出，特性阻抗降低。 介质的有效介电常数： 。= 岳膳三岳 2 由式( 3 2 3 ) 可知，奇偶模的分布电容增大，c 。为不变值，介质的有效介电常数 增加，且奇偶模的相位增加。由式( 3 2 1 ) 和( 3 2 2 ) 可知，如果要保持特性阻抗不变， 在介质参数不变的情况下，则要减小微带线宽。 3 2 2l - s i a d 结构对称耦合微带线和传统对称耦合线的比较 由上节分析可知，基片集成人工介质结构由于加入了接地金属柱，导致微带电路 与接地平面间的距离减小，增大了分布电容，而接地金属柱上电流较小，对分布电感影 响较小。在s i a d 结构中金属柱太多，结构复杂，仿真时间比较长。从耦合线的分布电 场可以看出，在信号线的证下方的金属柱对分布电容影响很大，远离微带线的金属柱影 响较小，为了工艺上实现方便和节约成本，只在信号线的正下方钻孔和沉铜形成金属柱， 由此提出局部基片集成人工介质( l s i a d ) 结构。如图3 2 4 为l s i a d 结构耦合微带 线的结构图： h 1 h 2 l形5 形 _ 一 - j矗- _ - ： 西i 幻 ( a ) ( b ) 图3 2 4 局部基片集成人- t 电介质对称耦合线的结构 ( a ) 俯视图( b ) 侧面图 通过商业软件h f s s 进行仿真，进行验证。对l s i a d 结构、s i a d 结构的耦合线 和传统耦合微带线进行仿真对比。参数为：板材r o g e r sr t d u r o i d5 8 8 0 ( t m ) 相对介电常 1 4 硕j 论女 目部基集成 t f r 质结构耦线的研究驶朋 数耳为2 2 ，损耗角正切o0 0 0 9 ，耦台线宽矿为i5 4 m m 。s 为02 m m 介质总高度o5 m m ， 其中隔离层高度h i 为02 5 m m ，金属柱高度地为02 5 m m 直径d 为04 m m ，金属柱间 距p 为o8 m m 。 f r _ q u e n ( ：州g h 对 f m q u e n c y l g ：- i z l f r e q u e n c y ( g h z i f r e q t ：* n c 州g 024s8t o f r e q u e n c y ( g h z l ( e ) 凹3 25 仿真结果比较 ( a ) 偶模阻抗( b ) 奇模阻抗( c ) 偶模传插常数b ( d 奇模传播常数p ( e ) 耦合度 ： 雾 = =j l | 塑= i 一 | 一， 荸一 ；一 十 一 一口一口c=joo 3l - s i a d 结构对称耦合线的传输特性 硕 ：论文 从上面的仿真结果图可以看出： ll s i a d 结构耦合线与常规s i a d 结构耦合线相比：特性阻抗z 0 误差，传输常数 的误差很小，所以l s i a l 9 结构可以达到和s i a d 结构同样的效果，表明了在耦合线的 信号线的正下方的金属柱对分布电容影响很大，而远离微带线的金属柱影响很小，可以 省略。这样可以节省制作成本和方便加工。另一方面l 二s i a d 结构的耦合微带线的耦合 度比s i a d 结构的耦合微带线的耦合度还要大，这样l s i a d 结构可以更好的应用于设 计的电路中。 2s i a d 结构的与传统结构相比，奇偶模阻值变小，奇偶模的传播常数增大，耦合 度变差。 3 3l - s i a d 结构耦合微带线的特性分析 本节讨论局部基片集成人工介质( l s i a d ) 结构中金属柱的几何尺寸对耦合微带 线特性阻抗，传输常数以及耦合度的影响。本节通过微波网络理论1 2 引来研究l s i a d 结 构耦合微带线特性参数。 对称耦合微带线是四端口网络，但是由于是对称的结构，所以我们在研究对称耦合 微带线的时候，分别研究耦合线的奇偶模式，耦合线被电壁和磁壁分成两半，只要研究 一半即可，所以四端口网络只需研究一半即可。 通过商业软件h f s s 进行仿真，可以得到z 参数矩阵，根据i l l j 传输常数的求解方法 可以对耦合线进行奇偶模分析，仿真结果与a d s 计算的奇偶模特性阻抗进行比对，如 表1 所示。 1 6 频率h f s s 仿真奇h f s s 仿真偶a d s 计算的a d s 计算的奇模阻抗偶模阻抗 ( g h z )模阻抗( q )模阻抗( q )奇模阻抗偶模阻抗 误差误差 ( q )( q ) 17 6 2 5 2 62 8 9 3 8 6 57 8 3 0 7 42 8 9 7 5 7 50 0 2 6 2 4o 0 0 1 2 8 27 6 2 3 5 22 8 9 27 8 2 6 6 82 8 9 6 80 0 2 5 9 5 70 0 0 16 5 7 37 6 2 0 5 62 8 8 9 0 37 8 2 3 3 62 8 9 6 4 150 0 2 5 9 2 20 0 0 2 5 5 47 6 1 6 3 22 8 8 51 2 57 8 2 0 4 22 8 9 6 5 0 50 0 2 6 0 9 80 0 0 3 9 2 9 57 6 1 0 7 42 8 8 0 4 9 57 8 1 7 6 22 8 9 7 15 50 0 2 6 4 6 30 0 0 5 7 5 67 6 0 3 6 42 8 7 5 3 2 57 8 1 4 8 82 8 9 8 3 7 50 0 2 7 0 30 0 0 7 9 5 3 77 5 9 4 7 62 8 6 9 7 3 5 7 8 1 2 2 2 2 9 0 0 1 8 0 0 2 7 8 3 60 0 10 4 9 8 87 5 8 3 7 42 8 6 3 6 67 8 0 9 6 82 9 0 2 5 4 50 0 3 0 4 2 30 0 1 3 3 9 7 9 7 5 6 9 8 42 8 5 6 6 97 8 0 7 3 62 9 1 5 4 60 0 3 2 4 9 80 0 1 6 7 8 6 1 07 5 5 1 72 8 4 7 5 5 57 8 0 5 3 6 2 9 8 9 0 50 0 3 2 4 9 80 0 2 1 0 9 1 1 7 5 2 6 18 12 8 3 2 3 67 8 0 3 7 62 9 1 2 8 50 0 3 5 5 70 0 2 7 6 3 3 1 27 4 8 4 3 412 7 9 3 9 5 57 8 0 2 6 22 9 1 7 2 6 50 0 4 0 7 910 0 4 2 2 6 9 目壮”蜒 i 舟m 站构辅纯的研究m 月 l - s i a d 结构和s i a d 结构比较还具有实现同一耦合微带线不同部位不同的有效介 电常数，即可以通过改变金属柱的间距、直径和高度柬啁整耦合微带线分布电容实现的。 下面讨论l s i a d 结构对称耦合微带线金属柱的直径、问距、高度的变化对对称耦 台微带线传输特性的影响。 蛙本参数：板材r o g e r sr t d u m i d5 8 8 0 ( t m l 相对介电常数l ；r - 2 2 ，损耗角正切 o0 9 0 9 ，耦合微带线宽为15 4 m m ，耦合线的叫隔s 为02 m m ，介质总高度为05 m m ， 其中隔离层高度为h ，金属柱高度为h 2 ，半径为r 金属柱间距为p 。 a 首先讨论金属柱口j 距p 为o8 m m ，高度为h 2 为o2 5 m m 保持不变，改变金属柱直 径r 的情况。通过软件仿真得到奇偶模阻抗如图33 1 所示、奇偶模传播常数如图33 2 所示和耦台度结果如图3 33 所示。 金属柱的半径分别为r = ol m m ，02 r a m 和o3 m m 的仿真结果： f r e q u e n c y ( g h z lf r e q u e n c y ( g h z 】 ( a ) h3 3 i ( a ) 耦台阻抗( b ) 奇模阻抗 圜3 32 ( 曲偶楼传播常数( b ) 奇模传橘常数 3l s 1 d 目构对称耦线的传输特性日l 论女 j 一一一 1 一一。一。 t 二一二之0 1 m m 。、 薹；塞二二二 l 划333 祸台厦 从图331 3 33 可以看出，在会属柱间距和高度均不变的情况下，改变半径对特 性阻抗、传输常数和耦合度的影响，即随着半径变大，特性阻抗变小，耦合变差。 b 。讨论盒属柱问距p 为o8 r a m ，半径r 为02 m m 保持不变，改变高度为啦的情况。 通过软件仿真得到奇偶模阻抗如图334 所示、奇偶模传播常数如图335 所示和耦合度 结聚如图3 , 3 6 所示。 金属柱的高度为h 2 分别为0l