（通信与信息系统专业论文）双面平行传输线dspsl的工程应用研究.pdf

硕士论文 平行双线传输线 d s p s l 的工程应用研究 摘要 对于现在的微波电路来说 传统的微带线和共面波导依然占据着主要的地位 最近 共面带状线c p s 和槽线等平衡传输线已经广泛应用于差分 平衡电路的设计中 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 通常的巴伦结构的信 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 因此采用d s p s l 易于实现平衡 差分电路结构 相比共面带状线c p s 和槽线 d s p s l 具有一些独特的优点 例如易于实现高低特性阻抗等 本文较为深入地讨论了d s p s l 的特点 并以此为平台设计出宽带滤波器 双通带 滤波器 双工器和混合环 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 最后 介绍了混合环的基本原理 并设计了基于 d s p s l 的混合环结构 2 基于d s p s l 四分之一波长耦合节和s i r 开路线的宽带滤波器设计 设计一种基于d s p s l 四分之一波长耦合节和s i r 开路线的宽带滤波器 通过对耦 合节中d s p s l 底面带线的一些改进 增强了耦合强度 获得了较宽的通带 同时s i r 开路线的应用使得阻带特性更好 3 基于d s p s l 的槽线等边三角形双模双通带滤波器及双工器的设计 通过使用中间加有导体板的d s p s l 结构 结合槽线等边三角形双模滤波器设计了 双通带滤波器 并在滤波器的基础上设计了双工器 这种结构充分利用了上下表面 大 大减小了微波器件的尺寸 4 d s p s l 小型宽带混合环的设计 在本章中 应用d s p s l 反相单元和传输线分支加载结构来设计小型宽带的d s p s l 混合环 该混合环不仅具有较宽的带宽 而且混合环的尺寸仅为基本混合环的1 1 1 关键字 d s p s l 混合环 耦合器 宽带滤波器 双模双通带滤波器 双工器 a b s t r a c t t o d a y f o rm i c r o w a v ec i r c u i t r y t h et r a d i t i o n a lm i c r o s t r i pl i n ea n dc o p l a n a rw a v e g u i d e c p w s t i l lp l a yd o m i n a n tr o l e s r e c e n t l y t h eb a l a n c e dt r a n s m i s s i o nl i n es u c ha sc o p l a n a r s t r i p l i n e c p s a n ds l o tl i n eh a v eb e e nc o m m o n l yu s e dt oc o n s t r u c td i f f e r e n t i a l b a l a n c e d c i r c u i t sf o ri m p r o v i n gt h ec i r c u i tp e r f o r m a n c e t h em i c r o s t r i p l i n e m s l o rc o p l a n a r w a v e g u i d e c p w a r eu s e di nt h ec 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 s t h eb a l u n sa st h et r a n s i t i o nb 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 h s p a c ew o u l db eo c c u p i e d i na d d i t i o n t h ee x t r al o s s w 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 e d 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 db 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 e a p p l i c a t i o ni nw i d e b a n ds y s t e m si st h u sn o tp o s s i b l e t h ed o u b l e s i d e dp a r a l l e l s t r i pl i n e d s p s l i si n v e s t i g a t e d i n c l u d i n gt h ep e r f o r m a n c e sa n a l y s i so fd s p s la n dt h e i ra p p l i c a t i o n s i nm i c r o w a v ec o m p o n e n td e s i g n s t h ed s p s l a sa n o t h e rb a l a n c e dt r a n s m i s s i o nl i n e h a s m a n yi m p o r t a n ta d v a n t a g e so v e rt h ec p sa n ds l o tl i n e i e e a s yr e a l i z a t i o no fl o wo rh i g h c h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e t h ef e a t u r e so fd s p s la r ed i s c u s s e d s o m en o v e lm i c r o w a v ec i r c u i t sa r ed e s i g n e do n t h eb a s i so fd s p s l s u c ha sw i d e b a n db a n d p a s sf i l t e r d u a l m o d ed u a l b a n df i l t e r a n dh y b r i d c o u p l e r 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 gt 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 1 1 i g hc 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 n l et i m e t h ee f f e c to n c 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 li sa l s od i s c u s s e d i na d d i t i o n t h eb a s i cd e s i g nt h e o r yo fc o n v e n t i o n a l h y b r i dc o u p l e ri si n t r o d u c e d w h i l eac o m p a c th y b r i d c o u p l e rr e a l i z e dw i t hd s p s li s d e s i g n e da n dd i s c u s s e d 2 1b a s e do nt h ed s p s lq u a r t e rw a v e l e n g t hc o u p l el i n ea n dt h es t e p p e di m p e d a n c e r e s o n a t o r s i r o p e ns t u b s aw i d e b a n db a n d p a s sf i l t e ri sd e s i g n e d t h et r a n s m i s s i o nz e r o c r e a t e db ys i r o p e ns t u b si m p r o v e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t o p b a n d 3 b a s e do nt h es l o t t e de q u i l a t e r a lt r i a n g l ed u a l m o d eb a n d p a s sf i l t e r t h en o n i d e n t i c a l r e s o n a t o r so nt h et o pa n db o t t o ml a y e r i s o l a t e db yt h ei n s e r t e dc o n d u c t o r p l a n e g e n e r a t et h e i r r e s p e c t i v ep a s s b a n df o r t h ec o n s t r u c t i o no ft h ed u a l b a n db a n d p a s sf i l t e ra n dd i p l e x e r 4 1am i n i a t u r i z e dw i d e b a n dd s p s lh y b r i d c o u p l e rw i t hp h a s ei n v e r t e ra n dt h e o p e n s t u b sa r ea l s oi n t r o d u c e dt of u r t h e rr e d u c et h es i z eo ft h e h y b r i dc o u p l e r t h e t t 硕士论文 平行双线传输线 d s p s l 的工程应用研究 e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es i z eo ft h ep r o p o s e dh y b r i di sr e d u c e dt o11 o ft h e c o n v e n t i o n a lh y b r i dc o u p l e r i t sr e l a t i v eo p e r a t i n gb a n d w i d t hi sg r e a t e rt h a n8 0 k e yw o r d s d s p s l h y b r i dc o u p l e r w i d e b a n db a n d p i a s sf i l t e r d u a l m o d ed u a l b a n d b a n d p a s sf i l t e r d i p l e x e r i l l 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 己在论文中作了明确的说明 研究生签名 巫晔 丫嘞月衫日 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 j 御 y 口年 月 日 硕士论文 平行双线传输线 d s p s l 的工程应用研究 1 绪论 1 1 研究背景及其意义 在微波电路中 由于差分 平衡技术能很好地提高电路的性能 因此受到越来越多 的关注 通常 基于微带线和共面波导 c p w 设计的传统的差分 平衡电路需要巴伦结 构 这就增加了电路的尺寸 还会引入额外的插入损耗 此外 这种巴伦结构的反相特 性是与频率相关的 因此它不适合宽带应用 而这些问题可以通过采用平衡传输线来解 决 在平衡传输线的两个相同的导带上传输的射频信号有着固有的等幅和与频率无关的 反相特性 因此平衡传输线更容易用来实现差分 平衡电路 另外 通过交叉平衡传输 线的两个带线 就可以很方便地实现与频率无关的0 一 相位转换 这对于许多微波电路 的设计非常有用 此前 人们已经对槽线和共面带线 c p s 进行了大量的分析研究 它们是两种典 型的单平面平衡传输线 在微波 毫米波电路的设计中已经获得广泛的应用 尤其是在 将固态器件进行串联或并联时不需要任何通孔 这两种传输线已经在微波有源和无源电 路的设计中有了广泛的应用 然而 这两种单平面平衡传输线有一个主要的缺点 就是 难以实现低特性阻抗 所以在与其它传输线或器件集成时就需要复杂的阻抗转换电路 从而造成诸多不便 同c p s 槽线相比 双面平行带线 d s p s l 作为另一种平衡传输 线 有如下两个主要的优点 1 易于实现低特性阻抗 2 到微带线或共面波导 c p w 的宽带转换结构简单 正因为具有上述独特的优点 对于微波集成差分电路的设计 d s p s l 会是一种很有 前途的传输媒质 d s p s l 是由设计在电介质衬底正反表面上的两个相同的导带所构成 它最早由h a w h e e l e r 在1 9 6 4 年提出 并用保角映射的方法进行了分析 1 1 可以通过假设准t e m 传 输模式来计算其单位长度的分布电感和分布电容 然而在过去几十年 和槽线以及c p s 相比 由于双面结构的缺点 d s p s l 没能得到很大的应用 而且相关研究也很少 随着 多层制造工艺的发展 多层电路在现代微波 毫米波系统设计中正越来越受关注 其中 双面微波集成电路 m i c 正成为一个很有前景的课题 被广泛地研究和应用在微波有 源和无源电路的设计中 通常 双面m i c 在衬底的两个表面上使用了多种传输线如微带 线 槽线 c p w 以及它们的改进传输线 和传统的m i c 相比 双面m i c 具有许多优点 1 由于使用了衬底的双面 因而具有更高的集成性 2 通过背靠背微带线公用地面上的槽缝可以很容易地达到强耦合 3 d b 这对 于诸如定向耦合器 带通滤波器这样的无源电路设计非常有用 而这样的强耦合是不能 1 1 绪论硕 论文 通过双微带线和c p w 来实现的 3 通过使用非平衡到平衡的转换 可以容易地构造平衡电路 这就很容易达到性 能上的提高 对不需要的谐波可有很高的抑制 4 可以实现宽范围的传输线阻抗 5 即使在相对复杂的电路中 也可以避免线路的交叉 1 2 国内外研究现状 随着多层制造工艺的发展 多层电路在现代微波 毫米波系统设计中正越来越受关 注 正因为如此 d s p s l 得到越来越多入的关注 首先是韩国学者s a n g g y uk i m 在2 0 0 4 年提出了d s p s l 到微带线的几种过渡方式1 2 j 并且利用d s p s l 设计了低通滤波器 带 通滤波器 混合环等微波无源器件 通过理论仿真到实验测试说明了利用d s p s l 来设 计微波电路器件的可行性 最近几年以来 香港城市大学的一些学者对d s p s l 有了进一步的研究 拓宽了 d s p s l 在微波电路设计中的应用 首先他们利用偏移d s p s l 可以实现高阻抗的性能设 计了一个增加阻带宽度和尺寸小型化的低通滤波器 4 利用d s p s l 设计改善了滤波器的 性能 同时 他们还利用偏移d s p s l 设计具有较大功分比的功分网络 5 j 因为这种功分 器的高阻抗是通过偏移d s p s l 上下带线来实现的 而带线宽度本身没有变化 所以利 用偏移d s p s l 来设计的较大不等分功率比的功分器有较大的功率容量 同时 他们还提出了一种在d s p s l 中i 日j 插入金属导体板的新颖结构 利用这种结 构他们设计出了具有较大相对带宽的反相功分器 7 1 准椭圆函数的带通滤波器瞪j 这种 带有中间导体板的电路结构在设计微波电路的时候可以缩小电路尺寸 还可以利用 d s p s l 上下两条微带的射频信号反相且与频率无关的特性 这种结构为我们设计微波电 路提供了一个新的思路 随着人们对d s p s l 研究的深入 有些学者提出了利用两个金属柱交换d s p s l 上下 表面电流的反相器 这种反相器具有的反相特性与频率无关 因此 利用它来代替电长 度为半波长的传输线既可以缩小电路的尺寸 同时能够增加电路的工作带宽 已经有学 者利用d s p s l 反相器进行了宽带功分器1 9 宽带定向耦合器 1 川和宽带滤波器 1 1 的设计 x u eq 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1 6 1 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均具有巨大的潜力 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 为平台 分析设计了一些新型的射频微 波电路 本文的主要工作有 2 硕十论文平行双线传输线 d s p s l 的工程应用研究 1 d s p s l 特性研究 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 最后介绍混合环的基本原理 并利用d s p s l 设计一个基 本的混合环进行验证 2 基于d s p s l 四分之一波长耦合节和s i r 开路线的宽带滤波器的设计 设计一种基于d s p s l 四分之一波长耦合节和s i r 开路线的宽带滤波器 通过对耦 合节中d s p s l 底端带线的一些改进增强了耦合节的耦合强度 获得了较宽的通带 同 时s i r 开路线的应用使得阻带特性更好 3 基于d s p s l 的槽线等边三角形双模双通带滤波器及双工器的设计 通过使用中间加有导体板的d s p s l 结构 结合槽线等边三角形双模滤波器设计了 双通带滤波器 并在滤波器的基础上设计了双工器 这种结构充分利用了上下表面 大 大减小了微波器件的尺寸 4 小型宽带d s p s l 混合环的设计 在本章中 我们应用d s p s l 反相单元和传输线分支加载结构来设计小型宽带的 d s p s l 混合环 该混合环不仅具有较宽的带宽 而且混合环的尺寸缩小为基本混合环的 1 1 1 2d s p s l 结构厦特性 顺 论文 2d s p s l 结构及特性 2 1d s p s l 的基本结构 d s p s l 的基本结构 在衬底的正反面h 各平行地放置一条金属带线 这就构成了 d s p s l 最基本的结构 如图21 1 所示 f 曲 b 幽21 i d s p s l 基本的结构幽 a 三维图 b 械面图 其中 它的e 场分布如图2 12 所示 吲2i2 其中的e 场分布 双面平行带线 d s p s l 于1 9 6 4 年由h aw h e e l 首次提出并用保角映射的方法对 其进行了分析 然而在过去儿十年问 和微带线及c p w 相比 关于d s p s l 的研究较 少 因为其取而结构在设计微波电路时不是很方便 但是随着多层制造工艺的发展 d s p s l 又重新被用来设计射频微波电路 近几年 香港城市大学 南洋理工大学等大学 的专家学者们在d s p s l 的理论和应用上都做了大量的研究 得到了很多成果 基于 d s p s l 设计的无源器件 有射频低通滤波器 带通滤波器 等分或不等分功分器等 有 源器件有差分振荡器 推挽式振荡器等 在m m i c 方面也提出了很多潜在的应用 纵观 这些研究成果 可以发现 这些器件具有好的工作性能 并且器件结构紧凑 易于和其 它微带电路或平面电路集成 另外 设计思路和过程也相对简单 因此 本文对此进行 了较为深入的分析 并以此为平台 没刮了一些新颖的射频 微波电路 堡 堡墨 生翌丝生塑丝 些王堡生旦 塞 2 2d s p s l 到微带线 m s l 和共面波导 c p w 的过渡 2 2 ld s p s l 到微带线的过渡吲 微带线 m s l 和共面波导 c p w 等平面传输线 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 困而得到广泛的应用 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 i 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 下图为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 因而很容易满足过渡条件 1 如图2 21 所示 露盈 a l d s p s l b m s 圉2 21 d s p s l 与m s l 的横截面电场分布圈 日z 羽 日 砷 b c 倒2 22d s p s l 与微带线的儿种过渡方式 a 阶跃过渡 线性过渡 0 弧形过渡 d s p s l 与微带线的过渡方式有三种 如图2 2 2 分别为阶跃过渡 线性过渡和弧 形过渡 从实验测试结果来看 弧形结构过渡性能相对其它二者较好 主要是弧形过渡 结构比较平滑 不会产生较大的不连续性 从而能使电磁场平稳过渡 2 d s p s l 结构及特件 倾l 论女 2 2 2d s p s l 到共面波导 c p w 的过渡 3 在微波电路设计当中 平行带线d s p s l 与共而波导c p w 都有广泛的应用 二者都 具有平衡特性 在设计反相 差分电路方面有其独特的优势 d s p s l 结构相比微带线有 以下几个特点 易于实现高阻抗 肯较高的功率容量且容易与其它传输线实现宽频带的 过渡 困内外学者已经用馥结构设训出反相功分器 滤波器 般工器 耦合器等微波儿 器件 同时 c p w 的所有导体均在一个面上 在安装并联或串联形式的有源或无源集 中参数元件都非常方便 而小用在基片上钻孔或丌槽 在m m i c 中 c p w 的应用增加 了电路 殳计的灵活性 也可用柬改善某些 b 路的性能 在本节中 我们将对d s p s l 与 c p w 的过渡方式进行简要 兑明 底层金属导带 二 上层金属导带 图2 23d s p s l1 c p w 的耦台过渡结构 d s p s l 与微带的第一种过渡方法是利用电磁耦合结构的过渡 如图2 23 所示 c p w 中间导体带直接与d s p s i 的上导体带连接 由于他们5 0 0 对应的过渡线宽度1 一样 所以中间还需要采用锥形过渡 对锥形段的长度进行优化即可以获得较好的效果 由于 c p w 的电场方向是水平的 即从叫1 e i j 导体带指向两边的接地板 而d s p s l 的电场方向 是垂直的 所以关键是解决c p w 接地板到d s p s lf 导体带线的能量过渡问题 本结构 采用扇形短截线实现能量的耦合过渡 采用扇形结构有利于丑 现强耦台 扇形结构除了 实现上下层之间的能量耦台 还用于实现电场方向的逐渐过渡 叩山水平方向到垂直方 向 在这个结构旱 对于过渡性能影响较大的主要是以下几个参数 0 e 及扇形短 截线的半径r 其r r l r 大致为过渡带内的r 1 心频率点对应的四分之一波长 0 0 影 壁 堡墨 翌些生塑些 堕堂堂三堡查旦 窒 响着耦合强度和电磁场是否能够平滑过渡 只有同时兼顾以上三个参数 才能获得性能 最佳的耦台结构设计 图2 2 4 d s p s l 与c p w 利用金属柱的过渡结构 耦台过渡方式虽然能够通过强耦合获得较高的过渡通带 但是这种过渡方式的最大 缺陷是低频段的电磁能量不能传输过去 为了弥补耦台过渡方式的这种缺陷 采用另外 一种结构设计 如图22 4 所示 图中两边是c p w 结构 中间是d s p s l 我们采用四 个金属柱将c p w 的地板和d s p s l 下层的带线连接起来 从而可以使c p w 的地板的电 磁能量通过会属柱到达d s p s l 下层的带线 达到能量过渡的效果 2 3 带有插入导体平面的d s p s l 随着无线和移动通信的快速发展 在现代通信系统中更需要高性能 小尺寸的微波 器件 随着工艺水平的不断提高 多层结构在微波器件设计中的应用得到越来越来的关 注和采用 例如低温共烧陶瓷 l t c c 技术 0 3 1 在这种趋势的带动f 双层结构也 成为微波集成电路设计者的一种选择 本节我们将介绍巾间带有插入导体平面的d s p s l 的结构及其相关特性 其三维结 构如图23 l 所示 2d s i n i 掏 特性 顾 t 论业 幽2 3i 带有插人导体半面的d s p s l 的二维幽 观察分析中脚插入导体平而后的d s p s l 巾e 场的分如 如图2 32 所示 a b 例2 32d s p s l b 场分却 a 通常的d s p s l b 带有捕入导体下面的d s p s l 如图2 32 a 中所示的带有对称结构的d s p s l 对丁射频传输信号 如果项崖射频 电压为j f 那么底层的射频r u 压则为负f 根据镜像理论 中问的电压为零 o 所以在衬底的中问放上个尺寸无限大的导体平面 厚度足够薄以至于可以被忽略 不 会改变其中电场的分却 如图2 32 b 所示 这个插入的导体平面将d s p s l 等分成两 个相同的背靠背的微带线 捕入的导体平面可以被霜成一个虚地结构 插入的导体平面 有两个作用 1 对于二项层和底层相同的电路没有影响 但能隔离顶层和底层不相同的电路 并 将它们转换成两个背靠背的微带电路 2 为由插入导体甲面形成的两个背靠背的微带电路提供一个共用的地面 插入导体平面所具柯的作用为基于d s p s l 的电路设计提供了很好的思路和方案 在设计的过程中会显得十分方便 为了验证中q 插入导体板的d s p s l 具有这样的特性 下面我们给出一个设训实侧及其仿真结果进行醴明 圈2 33 带有中间插入导体板的d s p s l 与投有导体板的d s p s l 插 损耗和回波损耗的仿真 结果比较 图233 给出了中间有插入导体板的d s p s l 与没有导体板的d s p s l 的插入损耗和 回波损耗的h f s s 仿真结果 采用介电常数为26 5 高度为o5 m m 的介质底板 上下导 带的宽度为1 8 m m 从图中可以看出 插入导体板之后对于d s p s l 的特性阻抗并没有 什么大的影响 d s p s l 的回波损耗在整个我们仿真的频率范围内依然能保持在一2 0 d b 虬 f 因此 我们得出这样的结论 d s p s l 两个导带中间带有金属导体板并不会对d s p s l 的特性阻抗产生什么影响 削2 34 丰间带有导体扳的d s p s l 开路短截线结构图 p 口2 o 2d s p s l 结构 特性 m i 论女 0 5 1 15 2 0 号2 5 3 0 3 5 0 4 5 f r e q u e n 纠g h z 图2 35 中间带有导体扳的d s p s l 开路短截线结构仿真结果 我们在巾间带有导体板的d s p s l 中加载短截线 通过仿真米验证说明中间带有导 体板的d s p s l 的特点 我们选择介电常数为6 5 高度为12 7 m m 的介质底板 l l l 2 分别表示l 下表面短截线的长度 中间d s p s l 的特性阻抗为5 0 0 宽度为26 m m 长度为6 0 n u n 加载的短截线的宽度为o4 m m 中间导体板的长度d l 为3 0 m m 蚓2 36 中间带订导体扳的d s p s l 短路短截线结杠j 幽 硕上论文 平行双线传输线 d s p s l 的工程应用研究 o 5 1 0 1 5 刁 2 0 n 2 5 3 0 3 5 4 0 2 42 62 83 03 23 43 63 84 04 2 f r e q u e n c y g h z 图2 3 5 中间带有导体板的d s p s l 短路短截线的仿真结果 根据传输线线理论 一段终端开路长度小于四分之一波长的短截线 z 一o o 可替 代分立的并联电容元件 乙 上 z n 玺型三 刍一 l j 国c z o j z l t a n1 3 1j z l t a n1 3 t 所以当三 九 4 时 并联电容z 0 被短路 此时不会有能量输出 由微波二端口 网络理论可知 s 2 l 0 同理 对于终端短路的短截线 当l 九 2 的时候 s 2 l 0 仿真结果如图2 3 5 和图2 3 7 产生的传输零点列于表2 3 1 中 不难看出 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 从图3 2 2 b 可以看出d s p s l 结构与插地结构实际上构成了串联网络 故d s p s l 部分的特性阻抗z p d 可由插地结构部分的特性阻抗z 0 表示出 即z 纠 2 z 二 不难发现 d s p s l 和背对背的微带结构之间不会产生不连续性 这也意味着d s p s l 结构与中间插 有导体板的d s p s l 结构之间不需要阻抗变换 这为我们设计多层微波电路提供了不可 多得的特性 2d s p s l 结构及特性 硕上论文 表2 3 1 中间带有导体板的d s p s l 加载在上下面分别加载不同长度的短截线的时候传输零点 的频率位置 短截线长度 传输零点的频率 g h z m m 开路短截线短路短截线 l 1 2 01 8 52 9 5 l 2 2 0 l 1 2 01 8 2 2 9 l 2 2 41 3 7 3 6 5 l 1 2 41 3 53 6 5 l 2 2 4 2 4 混合环介绍 2 4 1 基本混合环原理1 3 3 j 混合环是一种定向耦合器 它可以制作成几种形式 既可以制成平面模式 微带线 或者带状线 也可以制成波导形式 其特性与波导m a g i ct 十分相似 这种器件和所有 t e m 模传输线器件一样 其早期结构都是用同轴线制作的 后来才逐渐有了带状线及 微带线的各种结构形式 最早的混合环通常称为基本混合环 其中尤以3 d b 混合环 即 鼠道混合环1 应用最广 由于这种混合环的工作频带受到限制 从五十年代到八十年代 许多人先后研制了频带宽度可达倍频程的各种倒相混合环 以及带宽接近倒相混合环的 改进型基本混合环 七十年代末 有学者设计了一种具有多倍频程带宽的宽带混合环 几十年来 混合环作为一种重要的微波器件在微波工程领域获得了广泛的应用 基本混合环的结构形式如图2 4 1 1 所示 它由三节长为四分之一中心频率的波长 一节长为四分之三中心频率的波长的传输线段组成的环形电路和与之相连的四条输出 臂构成 图中z 0 z 1 z 均为归一化特征阻抗 若按图中虚线选取对称面 可用奇偶模分析 法 1 5 j 进行分析 图2 4 1 2 给出了基本 混合环的奇偶模等效电路 假定传输线是无耗的 且线的尺寸远小于工作波长 则边缘 效应和结效应均可忽略不计 当l 臂输入单位幅度信号时 可以导出四个输出臂输出的 信号幅度分别为 1 2 堡 堂兰 翌些韭壁垡 坠 塑兰堡 些 篁 p z 圈2 4 i 基本混台环结构幽 a 偶模等效电路 4 s c f b l 奇槿笛做l u 路 幽2 4127 m 合环的奇偶模等敛电路 2d s p s l 结构及特性 硕上论文 7 1 么2 一歹 4 厶2 去每q 4 1 妒 一播 晓4 1 2 4 0 2 4 1 3 妒 睾 泣4 1 4 n 3 1 3 4 式可知 1 臂无反射的条件是4 0 即 专 1 2 2 1 2 4 1 5 因为丘 0 故3 臂是隔离臂 彳2 和a 4 同相 均落后输入信号9 0 且2 4 两臂 的输出功率比为 4 4 j 鸣1 2 i a 1 2 z 1 2 z 2 2 2 4 1 6 如果将2 臂换作输入臂 其无反射条件仍然是 2 4 1 5 式 这时 4 臂成了隔离臂 1 3 两臂的功率分配比也是z 1 2 乙2 只是两种输出信号相差1 8 0 由此可见 混合 环的任何一臂作为输入臂时 其相对臂必定是隔离臂 而相邻两臂的功率分配由环形电 路的特征阻抗z l 和z 2 决定 且两臂的输出信号不是同相就是反相 从 2 4 1 5 和 2 4 1 6 两式还可看出 若z 1 z 2 则有 z l z 2 4 2 2 4 1 7 最 只 2 4 1 8 这就是鼠道混合环的情形 这时 环形电路的特征阻抗是均匀的 且为支臂传输线 特征阻抗的 2 倍 当任何一臂作为输入臂时 两相邻臂的输出信号不是等幅同相就是 等幅反相 当信号从p 1 或p 4 输入时 信号将从p 2 p 4 或p 1 p 3 等幅同相输出 当 信号从p 2 或p 3 输入时 信号将从p i p 3 或p 2 p 4 等幅反相输出 也就是说当信号 从p 2 p 4 或p 1 p 3 n 相输入时 信号将在p l 或p 3 进行叠加 同理当信号从p 1 p 3 或p 2 p 4 n 相输入时 信号将在p 2 或p 4 进行抵消 所以p 1 p 4 称为和端1 3 1 p 2 p 3 称为差端口 1 4 堡主笙 i 翌垫生塑垡 堕坐塑王堡生旦墅塑 2 4 2d s p s l 基本混合环的设计 为了进一步说明混合环的特性 下面我们利用d s p s l 设计一个基本的混合环 如 图2 42 l 所示 选用介电常数为9 2 厚度为08 m m 的介质底板 仿真软件采用基于有 限元法的h f s s l 0 0 在本结构中 p 1 为输入端口 p 2 和p 3 为等幅同相输出端口 p 4 为隔离端r 7 四个输入输出臂的特性阻抗为5 0 欧姆的双面平行带线 圆环中d s p s l 的 特性阻抗为7 07 欧姆 闰2 42id s p s l 基本棍合环结构图 o 81o 21416182 0 2 2 2 4 2 628 f r e q u e n c y g h z 却 一 鼍 口nie w 2d s p s l 结构及特性硕 卜论文 o 81 01 21 41 61 8 2 0 2 2 2 42 62 8 f r e q u e n c y g h z b 图2 4 2 2d s p s l 基本混合环的仿真结果曲线图 基本混合环的圆环总长度为中心频率处的3 2 倍波长 从图2 4 2 2 中的仿真结果可 以看到 该混合环的中心频率为1 8 g h z 相对工作带宽为2 6 从图2 4 2 2 a 可见 在整个工作频段内 回波损耗s 1 1 和隔离度 4 1 均小于 2 0 d b 图3 2 2 b 给出了输出端 口2 和端口3 的相位差 在整个通带内 即在1 8 g h z 左右 相位差在 5 环形混合网络的带宽受限于与环长度有关的频率 通常有2 0 0 o 3 0 的带宽 可以 通过添加节数或通过对称环电路来增加带宽 但这会导致其他性能变坏 如两输出端口 信号的幅度和相位平衡度 2 5 本章小结 本章首先介绍了d s p s l 的一些基本特性 并重点介绍了d s p s l 到微带和c p w 的过渡 结构的设计 文中对中间加有金属导体板的d s p s l 的一些特性进行了分析介绍 并以加 有开路和短路短截线的d s p s l 结构为例予以进一步说明 最后 介绍了基本混合环的工 作原理 同时采用d s p s l 设计了一个最基本的混合环 这些为下一步采用d s p s l 来进行 新型r f 微波电路的设计打下了一定的基础 1 6 o 0 o 0 0 0 0 6 4 2 乏 4 西啦凸 o c正 塑 丝塞 里垫堕堕丝 些盐三望 旦竺基 3 基于平行耦合线和阶跃阻抗谐振器 s m 的d s p s l 宽带滤波器 随着宽频无线通信的快速发展 宽频系统急需要具有低损耗 良好选择性 结构紧 凑 宽阻带的宽频带通滤波器来满足系统的性能需求 平行耦合线结构广泛应用于滤波器的设计f 儿 2 7 2 8 但是传统的平行耦台线结构在 设计宽带滤波器时有几个缺点 首先 要获得较宽的通带 要求相邻的平行耦台线之间 有很强的耦合 因而耦合线之间的距离很小 这对制作工艺也提出了很高的要求 而这 样的要求在我们的实际应用过程中很难得到满足 也很容易产生较大的误差 其次 为 了能够使上下阻带更加陡峭 通常我们采用增加耦合线的级数 2 9 但是这种方法会大大 增加滤波器的尺寸及插入损耗 虽然有的学者通过采用蛇形线的应用口 大大地缩小了滤波器的尺寸 但是滤波器的 插入损耗依然受到了很大的影响 由于输入 输出耦合结构与谐振器之间的间隙耦合较难获得很大的耦合系数 因此要 通过减小耦合部分的线间距柬获得低损耗的宽带滤波器的设计是非常困难的 如果要在 不改变耦合部分的线宽及线问距的情况下得到比较大的耦合系数 常用的方法就是在地 面增加缝隙结构口 如图31 所示 i 确驴 扩 i v 图3l 增加缝隙结构的微带耦合节结构图及其仿真结果曲线图 如果平行耦合结构两边不是5 0 欧姆微带线 还可咀采用低阻抗线获得与在地面增 加缝隙结构同样的效果 两种方法都起到了在通带内引入传输极点的效果 本章 我们将把这种在微带中通过地面缝隙结构加强耦合的方法应用到d s p s l 结 构当中 并结合s i r 结构设计一个宽带滤波器 3 1d s p s l 四分之一波长耦合节 要制作相对带宽小于2 0 的微带或者带状线型多节带通或者带阻耦合线滤波器 实 0 m 一0p 镕 一colll 3 基于 l 行耦台线和阶跃阻机谐振 s r 的d s p s l 宽带滤城器碗l 论立 际上是比较容易实现的 更宽的带宽滤波器通常需要很紧密的耦合线 这在工程制造上 有些难度 上节我们提到了两种增强耦合的方法 这里我们对d s p s l 耦合节进行了改 进 如图3 1 1 所示 对于这种改进 我们可以从两种角度米予以分析 首先 对照图31 1 c o q 所示的 传统微带线的地面缝隙耦合结构 d s p s l 的下表面也形成了类似于传统微带线的地面缝 隙耦台结构 通过这种方法增强了耦合强度 也可从见外一个角度柬理解 由于d s p s l r 表面产生的分叉 我们可以把两段耦合节看成是偏移的d s p s l 随着d 的变大 偏移 量变人 两段带线的特性阻抗也随着增大 通过这种方法 我们可以在不减小带线宽度 的情况下 增加耦台强度 也便于工程加工 i 幽3 i id s p s l 四分之一波k 耦台节结构附 a 上层 b r 层 o 2 1 6 0 0 0 4 8 颧l t 论文 p 什日线传输线 d s p s l 的i 程心用州究 b 陶3i2 耦台竹特性鼬d 的变化趋势 a j 1 l 波损耗 b 插入损耗 3 2 阶跃阻抗谐振器 s i r 所谓阶跃阻抗谐振器 s t e p p e di m p e d a n c er e s o n a t o r s i r 是指出曲个以上具有不 同特征阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器 s i r 通过调 节高阻抗线与低阻抗线段的阻抗比 可以控制寄生通带的频率位霄 具有较好的杂波抑 制性能 而且在结构和设计上具有较人的自由度 不少研究人员利用s i r 的特性来设计 了包括双通带滤波器在内的大量微波电路 s i r 可以用不同类型的传输线 同轴的 带 状线的 微带的以及北面传输线的等 或介电材料柬实现 应用范围很宽 s i r 是对均 匀传输线谐振器 u n i f o 丌n i m p e d a n c e r c s o n a l o r u i r 概念的种推广 s i r 作为摹本的凿振单元 最早山m a k i m o t om 年uy a m a s h i 协s 提出 并j j 来设计微 波带通滤波器1 3 2 通过调节高低阻抗线的阻抗比 可以控制谐波位置 从而为解决谐波 抑制问题提供了有效途径 s i r 包括对称的s i r 结构和非对称的s i r 结构 本章主要是 利用 4 型的s i r 谐振器 将其并联在微带线卜来产生所需要的传输零点 棚端高低 阻抗线的阻抗比用丘米表示 即k z z 电长度分别为e 0 输入阻抗为五 如 图3 3 1 所示 为了计算简便 此处采用的是对称s i r 即0 0 那么有 r 出刍垒 l j 卜 z i 翻3 3 i k 4 型的s i r 惜振罂 饼影汐l 荔一 鼍 毫瑙一 一 3 基十f 行嘏合线和阶跃阻抗谐振器 s i r 的d s p s l 宽带滤敢 磺l j 论文 z 铖高黼 t a n 0 1t a n 0 当z o 0 的时候 s i r 产生谐振 则有 t a n2 0 k t a n 4 0 t a n 2 0 k 3 22 eo 为对应于基频五的电长度 第二 第三 第四个寄生通带的频率与基频点的频率关系如下 直