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硕士论文 基于双面平行带线( d s p s l ) 结构的射频前端工程研究 摘要 平衡技术具有很高的噪声抑制能力，并具有优良的e m c 性能，因而在微波电路和 天线设计上受到广泛关注。传统的平衡技术主要利用微带线( m s l ) 或者共面波导( c p w ) 传输线，因此一般需要巴伦( b a l u n ) 结构，这样不仅增大了电路面积，而且会引入额外的 损耗。同时，对通常的巴伦结构，信号相位反相特性与频率有关，因而也不适合宽带应 用。 以上的问题可以利用双面平行带线( d s p s l ) 得到很好的解决。d s p s l 传输的射频 信号具有等幅反相且不受频率影响的特点，这使得d s p s l 易于实现平衡差分电路结构。 本文细致地讨论了d s p s l 的特点，在此基础上设计出功率分配器、天线、带通滤 波器等射频前端模块。 本文的主要工作包括： 1 对d s p s l 的性能特点进行分析，重点在于如何实现高阻特性、如何与常见的平 面传输线过渡，并讨论在d s p s l 中间插入地板对电路性能的影响。在讨论的基础上， 设计基于d s p s l 的w i l k i n s o n 功率分配器结构。 2 利用d s p s l 平衡馈电的特点设计宽带偶极子天线及2 2 并馈偶极子天线阵列， 并进行实验验证。同时设计串馈对数周期偶极子天线，以满足u w b 的应用要求。 3 根据d s p s l 特点设计紧凑型双模带通滤波器，该滤波器采用新颖的双模谐振单 元，并采用分形设计思想以减小结构尺寸，同时利用d g s 技术为滤波器降低插入损耗， 保持滤波器的宽阻带特性。最后使该带通滤波器与偶极子天线集成，以简单验证d s p s l 在集成电路设计上的应用潜力。 本文的研究目的在于对d s p s l 在整个射频前端的实际适用性上做预研，为下一步 深入研究d s p s l 在射频前端的工程应用奠定基础。 关键字：d s p s l ，射频前端，功分器，偶极子天线，双模带通滤波器 硕士论文基于双面平行带线( d s p s l ) 结构的射频前端工程研究 a b s t r a c t t h eb a l a n c e dt e c h n o l o g yh a sb e e no fi n c r e a s i n ga t t r a c t i o nt om i c r o w a v ec i r c u i t sa n d a n t e n n ad e s i g nd u et oi t sh i g hs u p p r e s s i o nt oe n v i r o n m e n t a ln o i s e ，a sw e l la se x c e l l e n te m c p e r f o r m a n c e t h em i c r o s t r i pl i n e ( m s l ) o rc o p l a n a rw a v e g u i d e ( c p w ) i sa p p l i e di nt h e c o n v e n t i o n a lb a l a n c e dt e c h n o l o g y , w h i c hu s u a l l yr e q u i r e st h eb a l u n st ob et h et r a n s i t i o n b e t w e e nt h eu n b a l a n c e da n dt h eb a l a n c e dc i r c u i t ss ot h a tm u c hs p a c ew o u l db eo c c u p i e d ，i n a d d i t i o n , t h ee x t r al o s sw i l lb ei n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，t h ed i f f e r e n t i a ls i g n a lw i l lb ea f f e c t e d b e c a u s eo ft h ef r e q u e n c yd e p e n d e n c eo ft h eb a l u n s ，t h ea p p l i c a t i o ni nw i d e b a n ds y s t e m si s t h u sn o tp o s s i b l e t h ep r o b l e ma b o v ec a nb es o l v e db yt h ed o u b l e - s i d e dp a r a l l e ls t r i pl i n e ( d s p s l ) d s p s li so n ek i n do fb a l a n c e dt r a n s m i s s i o nl i n e s ，i nw h i c ht h er fs i g n a li n h e r e n t l yt a k e st h e f e a t u r e so fe q u a la m p l i t u d ea n df r e q u e n c y - i n d e p e n d e n to u t o f - p h a s eb e t w e e nt w oi d e n t i c a l s t r i p s d s p s lc a nt h u sf i n dw i d ea p p l i c a t i o n si nd i f f e r e n t i a l b a l a n c e dc i r c u i t r yc o n s t r u c t i o n t h i sp a p e rw i l ls t u d yt h ef e a t u r e so fd s p s la sd e t a i l e da sp o s s i b l e t h er ff r o n t - e n d m o d u l e ，s u c ha sp o w e rd i v i d e r , a n t e n n a , a n db a n d p a s sf i l t e rw i l lb ed e s i g n e do nt h ep l a t f o r m o fd s p s l t h em a i nw o r k si nt h i st h e s i sa r el i s t e db e l o w ： 1 ) a n a l y z i n g t h ep e r f o r m a n c e so fd s p s l t h ee m p h a s e sa r ef o c u s e do nh o wt or e a l i z e h i 班c h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c ea n di n t r o d u c et h ew a yt od e s i g nat r a n s i t i o nb e t w e e nd s p s l a n do t h e rp l a n a rt r a n s m i s s i o nl i n e s a tt h es a m et i m e ，t h ee f f e c to nc i r c u i t r yo fag r o u n dp l a n e i n s e r t e di nd s p s lw i l lb ed i s c u s s e d ，t o o 2 ) ap l a n a rd i p o l ea n d2 2p a r a l l e l f e dd i p o l ea r r a ya r ed e s i g n e du t i l i z i n gt h e b a l a n c e d f e df e a t u r eo fd s p s lt oa c h i e v ew i d e rb a n d w i d t h ，t h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o nh a s a l s ob e e nc a r r i e do u tt od e m o n s t r a t et h ev a l i d i t yo ft h ed e s i g ns t r a t e g i e s i na d d i t i o n ，a l o g p e r i o d i cd i p o l ea n t e n n a i sd e s i g n e dt om e e tt h ed e m a n do fu w ba p p l i c a t i o n 3 ) ac o m p a c td u a l m o d ed s p s lb a n d p a s sf i l t e ri sd e s i g n e d an o v e lr e s o n a t o ri sa d o p t e d t oe x c i t ed u a l - m o d e ，a n dt h e n 丘a c t a lt h e o r yi su s e dt oa c h i e v em o r ec o m p a c tg e o m e t r y t h e d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ( d g s ) i sa l s oa p p l i e dt oi m p r o v ei n s e r t i o nl o s sa n dw i d es t o p b a n d f u r t h e r m o r e ，ap l a n a rd i p o l ee l e m e n ti sd e s i g n e da n di n t e g r a t e dw i t ht h i sb a n d p a s sf i l t e r , t h e p o t e n t i a lf o rd s p s u si cc a nt h u sb ev a l i d a t e ds i m p l y t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st os t u d yt h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n so fd s p s li nt h er f f r o n t e n d ，w h i c hi se x p e c t e dt ol a yf o u n d a t i o nf o r t h ef u r t h e re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a b s t r a c t硕士论文 k e yw o r d s ：d s p s l ，r ff r o n t e n d ，p o w e rd i v i d e r , d i p o l e ，d u a l - m o d eb a n d p a s sf i l t 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：年月日 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：年月日 硕士论文基于双面平行带线( d s p s l ) 结构的射频前端工程研究 1 绪论 1 1 研究背景及其意义 射频信号，尤其是较高微波频段的信号，有一个重要特性，即它们传送信息的容量 很大。这主要是由于在如此高的频段上可利用的绝对带宽很宽。微波与光线传输具有相 似的直线传输特性。而且微波信号不会像低频信号被电离层折射，因此，在用微波信号 进行地区或全球通信时，可通过地面上的有向通信塔或链接基站与轨道卫星配合完成信 号的传送。此外，受到微波辐射的导体材料或物质的分子、原子和核子会产生共振，微 波的这一特性在生物、医学、遥感等领域具有广泛的应用。在过去的几十年里，射频 微波( r f a v i w ) 在系统中的应用一直呈上升趋势。 在射频微波电路中，微波传输线可将能量和信息从一个点传送到另一个点，并可用 作阻抗变换、延迟线、耦合器之类的元件。射频微波集成电路的无源电路部分大都采用 传输线构成的分布参数电路，这是因为在频率较低的电子线路中所用的分立式集总参数 元件( 电阻、电容和电感) 的尺寸与微波的波长可比拟，使得电压和电流的空间分布产生 变化。对在微波集成电路中作为电路元件的传输线结构而言，其主要要求之一是这种结 构是“平面”的。平面几何形状意味着元件的特性可以由单一平面内的尺寸来确定。采 用“平面 传输线的一种或几种所组成的电路与常规微波电路相比，具有重量轻、尺寸 小、性能优越、可靠性高、可复制性好且价格低廉等优点，同时，它们也适合和固态芯 片器件配合使用。 当前电路设计的发展趋势是小型化和集成化。利用更小的空间和更小的重量实现更 多的功能，因而出现了在一个芯片中集成微波系统的概念。r f i c m i c 是由不同功能的 电路通过微波传输线组合而成的，同时各电路均由平面化的半导体器件、无源集总参数 元件和分布参数元件构成。 差分结构电路和平衡结构电路由于具有很多常规电路无法比拟的优良特性，现在越 来越受到电子设计工程师的关注。但是，通常的差分电路和平衡电路由于元件数目是平 面分立电路的两倍，因此会占用较大的空间，不利于系统集成和芯片设计，而差分信号 需要借助微波平衡传输线才可以在很宽的频带范围内实现良好的差分特性。 双面平行带线( d s p s l ) 是一种微波平面平衡传输线，与其它平衡传输线相比，具 有一系列的优点，因而非常适合与差分电路连接，同时它具有双平面传输的特点，可以 有效地减小差分和平衡电路的面积，利于集成。 1 2 国内外研究现状 1 绪论 硕士论文 d s p s l 的结构概念首先由w h e e l e r 于1 9 6 4 年提出【l 】，由于当时加工制造与理论上 的不完善并未得到足够的重视，近十几年来，随着微波工程理论的不断完善，微波电路 小型化集成化和可靠性的迫切需求，以及多层制造工艺的日渐成熟，d s p s l 开始受到关 注。 印制偶极子天线，除具有一般印制天线的优点以外，还具有结构更简单，更高集成 度以及更大带宽的优点。在微波的高频段以至红外线中，平面振子天线得到了日益广泛 的应用。结合d s p s l 的特点可以方便地为双面印制偶极子天线馈电，这类天线同样具有 较宽的阻抗带宽，并且其馈电网络适于与天线阵结构一起设计，可以用印刷电路技术大批 量生产，是实现大型天线阵的一种理想的辐射单元形式。d u f f i e y 等人利用d s p s l 结构设 计了一种带宽达到倍频程的偶极子天线阵【z j 。 在射频通信系统中，无论发射机还是接收机都需要选择特定频率的信号进行处理， 同时滤除其他频率的干扰信号。在射频通信系统中，通常都需要使用滤波电路来分离有 用信号。对于系统集成而言，希望各部分功能电路性能达到设计标准的同时，结构上要 求尽量紧凑。滤波器作为通信系统常用的功能电路，如何实现其结构的紧凑性一直是研 究的热点。近年来，已有一些基于d s p s l 结构的各类滤波器的报道，结合d s p s l 结构 特点可以得到很好的设计效果。但其结构往往不够紧凑，尺寸相对较大。s u n 和z h u 利 用d s p s l 结构成功地设计出一种可加强阻带的小型化低通滤波器【3 】，通过d s p s l 的导 带偏移获得高阻抗特性，减小了电路尺寸，而同时又达到更好的阻带特性。 l c h i u 等人提出并设计了一种基于d s p s l 结构的功分器，可以提高输出端口之间 的隔离度 4 】，这种新型功分器借助一种相位交换结构，与常规功分器不同，阻抗带宽会 随着输出端口功分比的增加而提高。x u e 等人甚至通过d s p s l 结构设计出性能优良的 有源v c o ，并与八木天线结构实现集成【5 】，与传统微带电路相比，在诸多性能上都有明 显的提高。上述研究已经表明d s p s l 结构在有源电路乃至系统集成设计上都具有巨大 的潜力。 1 3 本课题的主要工作 本文利用前述的d s p s l 的特点，以d s p s l 为设计平台，对射频前端基本模块进行 了研究。本文的主要工作有： 1 、d s p s l 特性研究 主要根据d s p s l 的电磁场传输特性探讨其物理参数与电磁特性的关系，并介绍 d s p s l 与常见平面传输线的过渡结构，以及d s p s l 偏置结构的一些特性。同时研究夹 层地板结构在d s p s l 电路中的特性，并在此基础上设计新颖的w i l k i n s o n 功分器结构。 2 、基于d s p s l 的印制偶极子天线及其阵列结构的研究与设计 设计种基于d s p s l 结构的宽带印制偶极子结构，并实现并馈偶极子天线阵列的 2 硕士论文基于双面平行带线( d s p s l ) 结构的射频前端工程研究 设计；同时构造对数周期偶极子天线阵以实现d s p s l 在串馈端射天线上的应用。 3 、基于d s p s l 的带通滤波器研究与设计 设计结构紧凑新颖的微带双模带通滤波器，利用d g s 结构提高滤波器通带和阻带 特性，然后与d s p s l 结构特点相结合，从而设计出基于d s p s l 的带通滤波器，并与偶 极子天线做一体化设计，以证明d s p s l 结构在微波电路及系统集成上的优越性。 3 2d s p s l 结构及特性硕士论文 2d s p s l 结构及特性 用于传输电磁能量和信息的线路称为传输线，应用于微波波段的传输线统称为微波 传输线。由于微波频率很高，频率范围较宽( 一般可认为3 0 0 m h z 3 0 0 g h z ) ，应用要求 各异，因此微波传输线的种类很多。对微波传输线的基本要求是：保证电磁波能量在较 宽的频带内以单一工作模式低损耗地传输。与低频传输线不同的是，微波传输线除用于 传输电磁能量之外，还可用来构成各种形式的微波元件。 形式繁多的微波传输线各有其特点，并有它们自身的发展过程。在低频时，两根平 行导线便可完成能量的传输，但当频率升高至其波长可与两平行线间距相比拟时，能量 就会辐射到自由空间，致使传输损耗增加，传输效率降低。为此，可将传输线做成如同 轴线一样的封闭形式，使电磁场完全被限制在内外导体之间。但随着频率的进一步提高， 同轴线的横截面尺寸必须相应减小，因而会增大同轴线的欧姆损耗，同时其传输功率容 量也被限制。为此，可将同轴内导体去除( 即构成波导形式) ，理论与实践证明，只要 这种空心管的横截面尺寸与波长相比足够大，电磁波便可以在其中传播。 随着空间技术的不断发展，对设备的体积和重量提出了越来越苛刻的要求，于是出 现了可用于小功率微波系统的微带传输线，可工作于毫米波及亚毫米波频段的介质波导 ( d i e l e c t r i cw a v e g u i d e ) ，以及可工作于微波高频端的鳍线等等。 4 ( a ) 微带线 同轴线 卜一a 一 ( e ) 带状线 ( d ) 矩形波导 图2 1 1 几种常见的微波传输线 f t i b上 硕士论文 基于取面平行带线( d s p s l ) 结构的射频前端工程研究 各种微波传输线的材料不同，形状各异，所传输的电磁波的性质也不同。微波传输 线从不同角度有各种不同的分类方法：按结构可分为封闭型( 如规则金属波导、同轴线 等) 、半封闭型( 如微带线) 和开放型( 如共面波导、鳍线等) ：按传输波的类别可分为 t e m 波传输线( 如平行双线、带状线、同轴线等) 和色散波传输线( 如规则金属波导、 槽线等) ；按所传输的信号形式可分为平衡传输线( 如槽线、共面带线等) 和非平衡传 输线等。 与其他放大电路结构相比，差分放大电路( 本质上输出电压与两端输入电压之差成 正比的放大电路) 具有抑制零点漂移的良好特性，并且抗共模干扰能力较强【“。同时以 平衡放大电路和平衡混频电路为代表的r f 平衡电路具有诸多优点和良好的可靠性，已 经被广泛地应用到无线通信系统中。因此，平衡传输线槽线( s l ) 和共面带线( c p s ) 越来越多地被应用于差分或平衡电路以提高电路性能。 m e t a l s h i p m e l a ls 晡c 影 ( 却s lc p s 围2i2 槽线( s l ) 和共面带线( c p s ) 双面平行带线( d s p s l ) 作为另外一种平衡传输线，与s l 和c p s 相比有着显著的 优点： 1 ) 易于实现高“氐阻抗； 2 ) 与其他非平衡传输线之间的过渡简单，且可实现宽频带过渡。 囚而，d s p l 可以更广泛地应用于r f m w 系统的设计中。 2 2d s p s l 结构介绍 w h e e l e r 于1 9 6 4 年首先提出d s p s l 结构，并利用数学分析保角映射注进行了初步 的分析”，此后r o c h e l l e 进一步完善了分析理论hj 。但在过去几十年里，与s l 和c p s 相比，d s p s l 由于其双面结构的原因很少被关注。 d s p s l 结构如图2 21 所示，两条彼此平行的金属导带被分别蚀刻在介质板的上下 表面上。随着r f m w 制造工艺的不断提高，和封装测试技术的日趋成熟，d s p s l 由双 面结构引发的设计与加工缺点已经可以被完全克服。同时，随着多层结构技术在微波系 统中的大量应用，使得双层结构成为新的设计热点f 9 】。 2 d s p s l 结构& 特性颤t 沧r 幽2 2 1d s p s l 结构幽 借助基于有限g ( f e m ) 算法的三维电磁仿真软件a n s o f c h f s s ，给出d s p s l 的仿真 结果见图2 22 。仿真选取介电常数= 36 ，厚度h = 05 0 8 的a d 3 6 0 介质板，导带的宽度 计算可参考公式( 2 3 1 ) 。可见，从射频低频段5 0 0 m h z 到高频段1 0 g h z ，d s p s l 都保 持了良好的传输特性。 o0 。 - 00 1 - 00 2 曼00 3 五 - 00 4 - 00 0 f r e q u e n c y ( g h z ) ( a ) d s p s l 反劓特性 024681 0 f r e q u e n c y ( g h z ) m d s p s l 传输特性 图2 , 2 2 d s p s l 仿真结果 硕士论文基于双面平行带线( d s p s l ) 结构的射频前端工程研究 2 3d s p s l 特性介绍 如前所述，不同类型的微波传输线往往各有其特点。本节主要介绍d s p s l 与其他 常见的传输线之间的过渡方法以及其结构特点。 2 3 1d s p s l 与常见微波传输线的过渡 微带线( m s l ) 和共面波导( c p w ) 等传输线，由于体积小，重量轻，设计加工简便， 易于与s m a 接头匹配连接，因而得到广泛的应用。然而，在较为复杂的r f m w 电路 或系统中，常常需要不同类型的传输线相互转换，因此不同传输线之间的过渡结构显得 尤为重要。过渡如果满足以下两个条件( 1 ) 传输线间的电磁场自然过渡；( 2 ) 阻 抗匹配良好，则可实现良好的性能。 文献【1 4 】报道了d s p s l 与m s l 之间的宽频带过渡结构，由于d s p s l 的电场分布与 m s l 结构相似，如图2 3 1 所示。因而很容易满足过渡条件( 1 ) 。 ( ( i ，、，、，、，) ) ( a ) d s p s l( b ) m s l 图2 3 1d s p s l 与m s l 的横截面电场分布图 而根据镜像理论( 图2 3 2 ) ，d s p s l 结构可看作是介质板中间虚地结构的两层微带 线背靠背相接，因此一段厚度为h 的d s p s l 特性阻抗近似为一段等宽且厚度为h 2 的微 带线特性阻抗的两倍 15 1 ，即可表示为：z l = 2 2 2 ( 2 3 1 ) + u 1 如 一矾 图2 3 2d s p s l 的镜像理论分析 利用电磁仿真软件对公式( 2 3 1 ) 进行验证，选取介电常数g ，= 3 6 ，厚度h = 0 5 0 8 m m 的a d 3 6 0 介质板，计算出当h 2 = 0 2 5 4 m m 且特性阻抗z ，= 2 5 q 时，微带线导带宽度w 1 5 m m ，即为d s p s l 的导带宽度。仿真结果给出特性阻抗随导带宽度变化的曲线如图 2 3 3 所示。可见，d s p s l 的特性阻抗随导带宽度w 的变窄而增高，这点与微带线特性 十分相似。 7 2d s p s l 结构及特性 硕士论文 w = 0 7 m m w = 1 1 m m w _ = i 5 m m w = 1 9 m m w = 2 3 m m 024 681 0 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 3 3d s p s l 特性阻抗与导带宽度的关系 因此，d s p s l 与m s l 之间的过渡结构是十分简单自然的，如图2 3 4 所示。该过 渡结构可在i 3 0 g h z 下稳定工作，已被应用于偶极子天线和准八木天线的设计中，以获 得宽频带特性。 缪缪 黝锄 w 臣囫g m u n dp l a n ep a t t e r n t o pp l a n ep a t t e r n 图2 3 4d s p s l 与m s l 的宽带过渡结构 文献 1 6 报道了d s p s l 与c p w 之间的宽带过渡结构，如图2 3 5 所示。其带宽可 达1 5 0 ，可为d s p s l 与c p w 的结合设计提供良好的兼容性。 黝狮触删_ 翩瓣蒯 图2 3 5d s p s l 与c p w 的宽带过渡结构 在实际测试时，我们发现d s p s l 结构在与测试仪器的同轴电缆连接时，可以不必 过渡，而在同一层的表面直接通过s m a 接头连接。从而在提高结构的紧凑性的同时， 又可以避免b a l u n 结构所引起的额外插入损耗。 8 阳 ； 一o n 一叱 硕士论文 基于双面平行带线( d s p s l ) 结构的射频前端工程研究 2 3 2d s p s l 偏移特性 微波电路往往需要设计高功分比的功率分配器，因此传输线必须具备高特性阻抗。 然而，对平面传输线而言，通常很难实现其高阻抗特性，如m s l 要提高特性阻抗通常 需要使导带变窄，但考虑到功率容量、加工等问题，其特性阻抗上限往往受到限制( 通 常小于1 5 0 0 h m ) 。虽然目前已有诸多方法，通过附加感抗元件的方法来提高特性阻抗， 如加入d g s ，但设计过程通常较为复杂。 d s p s l 不仅可以通过窄的导带宽度得到高阻抗特性，而且可通过改变上下两层导带 之间的相互位置( 偏移量) 来实现高阻抗特性，如图2 3 6 所示。因此在设计上具备了 更多的灵活性，也便于设计实现。 ：皇爿 w 图2 3 6d s p s l 偏移后电场分布示意图 d s p s l 的这一特性可以简单描述为，可将上下导带看作是金属板电容器，则根据电 容计算公式得c = 里u = 蔫，其中s 表示上下导体板的实际重叠面积。由于两层导带 之间引入偏移量d 致使s 减小，上下导带之间的耦合变弱，即分布电容值变小，引起特 性阻抗的升高( z 0 = 篙) 。 采用厚度h _ o 5 0 8 m m 的a d 3 6 0 介质板，导带的宽度为1 5 m m ( 即d s p s l 的特性 阻抗z o = 5 0 q ) 图2 3 7 给出了偏移量与阻抗关系的仿真曲线图，从中我们可以看到 d s p s l 的特性阻抗随偏移量的增加而提高。 024681 0 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 3 7d s p s l 特性阻抗与偏移量d 的变化关系 d = 0 m m d = 0 5 m m d = l m m d = 1 5 m m d = 2 m m 9 ； 约 舌； 为 1 1 1 1 1 一o n ) 9 叱 2d s p s l 结构及特性硕士论文 借助全波分析有限元( f e m ) 算法得到m s l 、d s p s l 和偏移d s p s l 结构的导波长度 和有效介电常数。图2 3 8 和2 3 9 中的纵坐标分别代表三种传输线结构( 特性阻抗 z o = 5 0 f 2 ) 的导渡长度与自由空间波长之比( 即j ! ) ，以及有效介电常数与介质板介电 常数之比( 即勺么) 。可见，与m s l 相比，。s p s l 更有利于实现结构上的小型化；同 时，相对较高的等效介电常数值也使得其更适合电路结构的设计。 024681 0 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 3 8 三种传输线的导波长度 0 8 4 0 8 3 o 跎 02 46 8 1 0 f r e q u e n c y ( g h z ) p s l 图2 3 9 三种传输线的有效介电常数 2 3 3d s p s l 中插入地板的特性 图2 3 1 0 给出了d s p s l 在介质板中间插入无限大导体平面的电场示意图。对于上 下面对称的d s p s l 结构，r f 电压在两面导带上存在1 8 0 。的相位差，跟据镜像理论， 介质板中间位置为r f 电压零点。此时，在中间位置插入无限大导体平面并不会影响 d s p s l 的电磁传输特性，即这个导体平面可被看作是“虚地”结构。 1 0 5 0 5 o 5 o 5 4 4 3 3 2 2 1 5 5 5 5 5 5 5 0 0 0 0 0 o 0 o茹叮叱c_ocoo母 刚 鸺 碍 丌 孢 两 0 o o 0 0 0 0 o茹叱co j i 山 硕十论文基于飙自平行带线( d s p s l ) 结构的射频前端i 程研究 0 ) d s p s l 电场分布嘞插入导体板结构的电场分布 图2 3 1 0 电场分布 然而，当d s p s l 上下面不对称时，这个导体平面可被视为真正的地板，由于它的 存在，上下两层电路可看作是两层微带电路背靠背地连接，电路特性不会相互影响。此 时，这个插入的导体平面起到隔离两层电路的特殊作用。 为了验证以上结论的j f 确性，我们利用一段并联分支线对其进行简单的仿真分析。 根据长线理论，一段终端开路的短线( z ，_ ) 可替代分立的并联电容元件 己：上：zz l + j z o t a n f l l ；兰l 一( 2 3 2 ) 。f l o c4 + 肛l t a n p | i z l t a n 8 l j 所阻当，= “形时，并联电容z c = 0 被短路，此时不会有能量输出，故根据微 波二端口网络定义有s 2 l = o 。 如果在介质板中间插入的导体面对d s p s l 上下对称结构可视为“虚地”，则其存在 与否对电路影响不大。故可通过比较来验证。仿真时选取介电常数= 6 ，厚度h = 0 5 0 8 m m 的介质板，则特性阻抗为5 0 2 的d s p s l 宽度近似为1l m m 。当选取短线宽度 矿= l m m 长度t 分别为1 0 m m 和1 5 m m 时，仿真计算结果如图2 3 1 2 所示，为了便 于比较，同时附上插人地板结果的仿真结果，二者几乎完全重台。由此可见，插入地板 对d s p s l 结构几乎没有影响，可视为“虚地”。 图2 , 31 1d s p s l 对称并联开路短线 2d s p s l 结构特性 硕论文 图2 3 1 3 d s p s l 不对称插地结构 硕士论文 基于双面平行带线( d s p s l ) 结构的射频前端工程研究 同样地，当上下导体平面不对称，即存在短线长度l i = 1 0 r a m , l 2 = 1 5 m m 时，在 插入地板结构后( 如图2 3 1 3 ) ，若能同时得到对称结构中l l 和l 2 的叠加效果，即可 以证明地板结构对上下面不对称的d s p s l 起到隔离效果。 在建模过程中，由图2 3 1 0 可见，d s p s l 结构与插地结构实际上构成串联网络，故 d s p s l 部分的特性阻抗z 斛可由插地结构部分的特性阻抗z 0 表示出，即z 叫= 2 z 岛。 与公式( 2 3 1 ) 比较，不难发现，d s p s l 结构与插地结构之间几乎不需要阻抗变换。 仿真结果如图2 3 1 4 所示。可见，当d s p s l 中间加入地板以后，对于上下两层不 对称电路，可以起到很好的隔离效果。但实际的地板不可能做到无限大，其引入会对电 路造成一些影响，因此需要借助c a d 技术来优化地板尺寸，以实现小尺寸与高性能的 折中。 0 5 1 0 口 式一1 5 ( o 一2 0 2 5 012345 f r e q u e n c y ( g h z ) ( a ) 地板宽度为6 0 m m 时，传输零点频率分别为2 2 8 g h z 和3 1 2 g h z 0 5 - 1 0 已t r l 1 5 n 2 0 - 2 5 0 1234 5 f r e q u e n c y ( g h z ) ( b ) 地板宽度为4 0 r a m 时，传输零点频率分别为2 4 g h z 和3 3 2 g h z 图2 3 1 4 不对称短线插地结构仿真结果 2 d s p s l 结构特性 m i 论i 此外，如图231 5 所示，由于单纯的d s p s l 传输线具有传输差分信号的特性，故 分别出上下面产生的辐射场将相互抵消，辐射损耗小丁厚度是其半的m s l 干车输线， 而比同等厚度的m s l 传输线小得多这一特性在一些需要特别考虑e m c 的结构中显然 是有用的。 ( a ) 厚度为h 的d s p s l 传输线 m ) 厚度为h 2 的m s l f c l 厚度为h 的m s l 一 ， r 0 碰论文基f 双面平行带线( d s p s l ) 结构的射顿前端i 程研究 f d ) 厚度为h 的偏移d s p s l 圈2 31 5d s p s l 和微带线辐射特性的比较 然而，当d s p s l 电路通过插地隔开后，其总辐射损耗仍稍大于m s l 电路的辐射损 耗。同时，对于d s p s l 偏移结构而盲，其辐射损耗大于d = 0 m m 时的d s p s l 结构，如 图2 3 1 5 ( d ) 所示。 因此，在进行r f m w 电路的设计时，要综合考虑各种传输线的特点，做适当的选 择。 2 4 基于d s p s l 的w i l k i a s o n 功分器设计 在微波系统中，有时需要把一路微波功率按一定比例分成n ( 2 ) 路输出，实现这一 功能的微波元件称为微波功率分配罄。但是有时恰相反，需要把n 路微波功率叠加起来 从一路输出，实现这一功能的微波元件称为功率合成器。一个设计正确的微波功率分配 器同时应具有微波功率合成器的功能。为设计性能良好的功分嚣，其基本要求是：输出 功率按一定的比例分配，各输出口之间要互相隔离，各输入输出端口必须匹配。 2 4 1 典型功分器原理旧 ( a 1 t 型接头功分器 t 型接头功分器是一种结构简单的三端口网络。它可以用来分配和合成功率，可以 用任一种传输线形式来实现。任意三端口网络的散射矩阵可表示为 i 墨，s ：s ， 【s 】= ls 墨： 。对不包含各向异性材料的无源元件，它一定是互易的，它的散射 l 焉- 墨：墨，j 矩阵也一定是对称的，即鼠= s 胪若此时所有端口都理想匹配t 则鼠= 0 ，因此可得 2d s p s l 结构及特性 硕士论文 0 s ：墨，i 【s 】= ls ：0是，i ，习- t 。一, 一o 。a j 、，可忽略时，即可看成是无耗网络，那么同时 l s ，邑，0j 有【s n s r = 【，】。 从而得到i s ：1 2 + l 墨，1 2 = l ，i s ：1 2 + l 是，1 2 = l ，| s s l 2 + i 是，1 2 = 1 。可见方程自身是矛盾的，故 s 3 ；= 0 ，s ：；s 2 = 0 ，s 乞s ，= 0 一个三端口网络不可能同时满足无耗、互易和全部端口均匹配的条件。然而，若这三个 条件如果有一个不成立，那么该网络在物理上是可以实现的。 因而，对于结构简单的t 形接头功分器，不可能做到所有端口均阻抗匹配，通常情 况下其输出两端口的驻波较差。 ( b ) 阻性功分器 若三端e i 功分器中包含有耗元件，它可以在所有端口实现匹配，但两个输出端口的 隔离度可能不是很好。并且其输入功率的相当一部分损耗在有耗网络上，造成一定程度 的能量浪费。 无损耗的t 形接头不能在所有端口都匹配，另外在输出端口之间也没有任何隔离。 而电阻性功分器即使有耗，可在所有端口匹配，但仍然达不到隔离的目的。 ( a ) t 形接头功分器( b ) 阻性功分器 图2 4 1 两种常见的功分器结构 ( c ) w i l k i n s o n 功分器 w i l k i n s o n 功分器是一种集总元件与分布元件混合的有耗网络，在所有端口匹配的 同时可实现输出端口间的良好隔离。它具有无损特性，即只是损耗反射功率。因而在现 代通信系统中有着广泛的应用。 1 6 硕士论文 基于双面平行带线( d s p s l ) 结构的射频前端工程研究 图2 4 2w i l k i n s o n 功分器原理图 由奇偶模式分析理论【1 8 】可知，如图2 4 2 所示的三端口w i l k i n s o n 功分器总可以化简 成如图2 4 3 所示的二端口奇、偶模式电路进行分析。 l 口2 ( 矗儡篌激衲 2 v 图2 4 3w i l k i n s o n 功分器奇偶模式 假设输出端口2 与端口3 的输出功率关系为= k 2 忍。当等效电路由偶模激励时， 输出射频电压与输出端口阻抗关系可知等= k2 堕z 3 ，此时= ( 2 - 4 - 1 ) ，集总电阻 为开路，故不产生压降。为便于分析可设z 2 = k z o ， z s = 2 - 4 - 2 ) 。且 鲁= 厝= ：垒，其中z 表示阻抗变换段的特性阻抗，同理有堕：量。故 z ：【厂，z ， 考2 乏即乏划乏 ( 2 - 4 - 3 ) 。 又由乙= 乙：乙3 = z o ，代入式( 2 - 4 - 3 ) ，可得： 1 7 2d s p s l 结构丑特性硕论文 z ；= 去肛可丽= z 0 j 譬j z ；= 磁= k z 0 4 k 石。 当等效电路由奇模激励时，由于集总电阻为短路接地点，故由输入端i s 经四分之一 波长变换结构为丌路，故若无反射则t = 乏= 弛，= 五= 导。故 2 + r s2 ( 耳+ 玄z 0 。 2 4 2 基于d s p s l 的w i l k i n s o n 功分器设计 设计的w i l k i n s o n 功分器的基本结构如图2 44 所示，输入端为d s p s l 结构，阻抗 变换段与输出端由d s p s l 插地结构组成。此结构的新颖之处在于，集总隔离电阻嵌在 公共地板上，从而可避免传统平面w i l k i n s o n 功分器需要精心选择输出臂间的距离和集 总电阻嵌入位置( 咀减小集总元件寄生效应) 的麻烦。 d s p s l 。 w b a c k - r o b a b e k 图2 4 4 基于d s p s l 的w i l k i n s o n 功分器剖面图 其分析方法与传统的w i l k i n s o n 功分器分析方法相似，但值得注意的是，由于奇偶 模式分析是从公共地板平面建立起来的，因而集总电阻在奇模等效电路中，实际上是两 部分的并联之和，即r = 琏吩= 害了z o 。整体结构如图2 4 5 所示。其中薄膜电阻 尺寸为l m m ) ( 2 m m ，阻抗变换段尺寸为1 7 r a m 48 m m 。介质板选取a r l o n 公司的a d 4 5 0 ， 其介电常数t = 4 5 ，厚度h i o5 0 8 m m 。 国2 45 基于d s p s l 的w i l k i n s o n 功分器 毕 硕士论文 基于双面平行带线( d s p s l ) 结构的射频前端工程研究 024681 0 f r e q u e n c y ( g h z ) ( a ) 三端口回波损耗 - 1 0 一- 1 5 口 - 2 0 c ，) - 2 5 3 0 3 1 024 68 f r e q u e n c y ( g h z ) 输出端口隔离度 02 4 681 0 f r e q u e n c y ( g h z ) ( c ) 传输损耗 1 9 m 啪 抛 氆 渤 髑 舶 一口一o箔。一i-c3苟叱 2 3 4 5 6