一种新型的crlh传输线的设计与制作

一种新型的crlh传输线的设计与制作

0开口谐振环结构左材料是介于电阻度和磁导率之间的人工复合材料。g.前苏联科学家v.g.vselag在20世纪60年代的理论上提出了这一问题。20世纪90年代,英国皇家学院的J.B.Pendry从研究结构材料的角度出发,先后发表论文指出金属细线结构和开口谐振环结构分别在电等离子频率和磁等离子频率下电参数ε、μ会表现出负值,这为LHMs的实现提供了基础。美国加州大学D.R.Smith等人将这两种结构结合起来,使材料的介电常数和磁导率在某一个频率范围内同时表现出负值,LHMs就这样在物理上被实现了。由于金属细线和开口谐振环结构组成的左手材料采用了谐振元件,因此其损耗很大,并且工作在“左手”的频宽较窄,很难应用于射频微波电路和仪器中。2002年,一种利用传输线(TransmissionLine,TL)理论构造LHMs的思想被提出。C.Caloz和T.Itoh提出利用非振荡的微波元件(交指型电容和螺旋型电感)制成了人工的左手传输线,这种结构具有较低的插入损耗和较宽的带宽,且易于与其它微波电路结合使用。随后,这种利用传输线理论构造左手材料的思想得到了深入的研究。左手传输线作为一种人工材料,必须具备以下3个条件:(1)必须是人工制备的复合材料;(2)必须具有自然界物质所没有的奇特性质;(3)必须是一种均匀的电磁结构,这就要求其结构单元尺寸Δz<λg/4。1上下料网络的结构传统的传输线由串联电感和并联电容组成,如图1(a)所示,电磁波在其中传播的色散关系跟正折射材料相同。而左手传输线是由串联电容和并联电感组成,如图1(b)所示,电磁波在其中传播的色散关系与负折射材料类似。实际上,左手传输线是一个高通滤波网络,而右手传输线是低通滤波网络。图2即为左右手混合(CRLH)微带传输线的基本物理单元,这种电感电容单元由微带交指电容和接地的短微带线电感组成。在此结构中,交指电容和短微带线电感分别提供了左手材料CL和LL的影响。右手材料的电容CR增加了路径和地之间的电容,右手材料的LR则是交指电容指间流过的电流产生的磁通量引起的。2等号的相移及其限制当一段CRLH传输线设计出来之后,就必然要对其进行分析验证。如何正确判断其左手通带的带宽,是一个必须要解决的问题。在微波频段,有许多仿真精度很高的商业全波仿真器,如Zeland公司的平面电路仿真器IE3D。因此,只需在虚拟仿真环境中对CRLH传输线进行仿真模拟即可得到精度很高的电路参量。但无论是在虚拟仿真抑或是现实测量中,总是需要引入一段附加的馈线以便与端口相连接,那么这一段的联接传输线的分布效应就必须加以考虑。如图3所示,假设在仿真中,我们在待仿真电路两边各引入一段长度为θ,特性阻抗为Zc(与端口阻抗相匹配)的联结传输线,那么对于相位敏感的CRLH电路而言,最终测得的相位与我们需要得到的相位关系为θ测量值≈θ待测电路+2θ传输线因此,有θ待测电路≈θ测量值-2θ传输线上式中取不等号的原因是传输线的特性阻抗有可能与端口的阻抗不精确匹配,在完全匹配的情况下,可以取等号。特别的,对CRLH传输线而言,θCRLH与传统的右手材料不同,在理想的左手通带内,相移常数β小于零,导致了θCRLH(ωLH)>0;在左右手带分界点ω0处,相移为零。这就为我们提供了判别的依据,如图4所示的CRLH测试电路中,每一个单元都会提供θcell大小的相移,特别的,在ω0处,θcell等于零,这样就意味着相移为零。这样在测试或仿真环境中,就会有一个相位不动点存在,该点的相移与待测单元数量没有关系,总等于引入的附加传输线相移。在该点的左端(低端)即为左手通带,右端(高端)为右手通带。下面我们以经典的CRLH实现为例来验证一下这种判断方法。笔者采用的是与图2相同的结构来作为验证,文献中的一组参数为:p=6.1mm,lc=5.0mm,wc=2.4mm,ls=8.0mm,ws=1.0mm,交指宽度为0.15mm,交指间距为0.1mm。由图5可以清楚的看到,在3.9GHz的位置,不同单元的相位响应汇聚到了一点,即该点即是所求不动点。该点位于单元相移为零的频率,具体的值是两边馈线的电长度。图5所示的不动点与原始文献内的频率位置完全相同,验证了该种方法的有效性。由于在仿真中馈线的长度取了零(嵌入式仿真),所以不动点的值在零附近。3crlh传输线的仿真分析以目前的工艺水平,交指电容的电容值很难做大,从而限制了这种传输线在低频部分的使用。同时又由于交指是直接和微带线共形的,对微带线的分布电容和电感影响很大,给仿真和设计带来难度。本文针对这一问题提出一种新的特异性传输线结构,它利用上下两层金属条带之间的电容实现电路的串联电容,简化了电路结构。传输线结构如图6所示,介质正反两面均为周期性结构。周期结构单元的串联结构由微带传输线与位于其背面的共面波导组成,并联部分用末端短路的高阻抗微带线实现。介质选用介电常数为2.2的聚四氟乙烯,其厚度h=0.5mm,介质两面传输线的长度L1=L2=16.2mm,介质上表面传输线宽2.4mm,下表面传输线宽2.0mm,在垂直介质上下表面单元结构之间重叠长度为s=5mm,传输线和金属杆间隔g=2.0mm,金属杆长d=16.0mm,宽b=0.2mm。下面采用以上介绍的方法对该结构进行分析。由于输入输出端口都采用微带线且该结构为左右对称结构,所以这里我们采用的测试单元数为1、3、5,并在末端节点处对传输响应进行取样,相应的馈线长度不变。仿真结果显示在图7中,如图所示,在4GHz附近,可以发现1、3、5单元的相位曲线产生了公共交点,该点即为不动点,所以4GHz以前的频率都属于左手通带,以后的频率属于右手通带。另外从图8可以得知,该结构的响应类似于一个甚超宽带的滤波器,通带从2～13GHz。根据图7的结果,4GHz以前的部分属于左手通带。在经过大量的仿真计算之后,我们对优化参数后的样品进行了加工及测量。图9为CRLH传输线的实物图。由图可知,我们采用5级单元的级联方式。在测量时,在电路板的两边焊上了两个SMA接头,以方便与矢量网络分析仪进行连结测量。测试的结果显示在图10中,由图可知,仿真和测量的结果吻合相当不错。4左、左通带仿真本文首先大致介绍了CRLH传输线的工作原理以及实现方法,