【《基于双导体型矩形螺旋单元的波导结构概述》2700字】

基于双导体型矩形螺旋单元的波导结构概述目录TOC\o"1-3"\h\u28429基于双导体型矩形螺旋单元的波导结构概述 1198331.1双导体SSPP波导的传输特性 1275341.2三种SSPP波导的弯折损耗 3317971.3三种SSPP波导的介质损耗 51.1双导体SSPP波导的传输特性为了对三种周期单元的电磁特性进行更深入的研究，下面依据周期单元结构的特点设计相应的SSPP波导，单螺旋结构的波导就同前面图3-3所示，而微带型结构的波导则是将单螺旋的SSPP波导背面渐变地面替换成一个完整的接地面。对于双螺旋SSPP波导，其顶层设计与单螺旋SSPP波导一致，而背面如图3-16所示，为了更好的对比，三种传输线的尺寸完全一致。图3-16双螺旋波导背面结构三种传输线传输特性的仿真结果如图3-17所示，可以看到三种SSPP波导都有着良好的低通特性，基于微带型和双螺旋型的SSPP传输线的截止频率分别为4.8GHz和4.4GHz，相较于单元结构仿真所得的渐进频率有所偏差。但可以看到两种传输线在通带内的S21均在0dB附近，而S11值都低于-10dB，表现出良好的传输特性。同时与单螺旋的传输线对比可以看到，基于双导体的SSPP传输线在低频段拥有更好传输效率，并且在传输通带内S21均优于单导体传输线。这主要有两方面的原因，一方面是相较于单导体的SSPP传输线，两种基于双导体的SSPP不需要设计接地面的过渡结构，因此减少了模式转化过程中的辐射损耗。另一方面则是由于两种双导体结构的色散曲线在低频段更加偏离光锥线，在低频时能够将波长更长的电磁波局域在金属/介质表面，减小了传输过程中的辐射损耗。图3-17三种类型传输线的传输特性为了进一步说明两种双导体周期单元结构对电磁波的束缚特性，图3-18展示出了在2.5GHz和4.0GHz下x=85.0mm截面上电场振幅的分布。可以看到不论是2.5GHz还是4.0GHz，两种结构的导体周围电场能量较强，并且离金属导体条的距离越远，电场能量迅速衰减为零，并且有相当一部分电场被束缚在两个金属导体之间的介质基板中。另一方面可以看到双螺旋结构在周围空间电场能量衰减速度大于微带型，表明双螺旋结构具有更强的电场束缚能力。图3-18微带型和双螺旋型SSPP波导在x=85.0mm横截面上的电场振幅分布（z取值范围为-10.0mm~10.0mm）1.2三种SSPP波导的弯折损耗为了更近一步对三种结构的电磁束缚能力进行研究，仿真模拟了三种SSPP传输线进行为半径的90°弯折的传输特性，具体结构如图3-19所示，由于微带型传输线底层为用铜全部覆盖，因此不再展示，弯折后的传输线长度与直线型的SSPP结构总长度保持一致。图3-1990°弯折传输传输线示意图（a）三种传输线顶层结构（b）单螺旋SSPP传输线底层结构（c）双螺旋SSPP传输线底层结构图3-20为三种传输线90°弯折的传输特性的仿真结果，可以看到对于单螺旋SSPP传输线来说，与非弯曲结构相比，附加弯曲会导致较小的附加插入损失；并且在随着工作频率的增加，弯曲所增加的损耗进一步减小。而对于两种双导体结构的SSPP传输线来说，弯折前后的插入损耗并没有出现变化，但可以看到传输线的截止频率均出现上浮，微带型和双螺旋型分别增加0.1GHz和0.15GHz。图3-20三种传输线90°弯折的传输特性图3-21所示为三种周期结构在z方向上的电场分布，可以看到单螺旋型结构的电场主要是分布在螺旋枝节的S3和S4上；而另外两种结构由于引入了第二个导体，因此其电场分布不同于单螺旋结构，微带型的电场主要分布在S5周围，而双螺旋型则主要是分布在S3，S4和S5所形成的包围中。这边可以返回去看图3-8，可以看到相邻螺旋结构的S1和S3的电流方向相反，正反方向传播的电流相互作用形成共振态，继而在螺旋结构之间形成局域模式，将电场能量束缚在相邻螺旋结构的S1和S3的表面，然后各结构之间的局域模式相互耦合形成类表等离激元的表面模式，因此可以将电磁波束缚在单导体上传输。而在将单螺旋SSPP传输线90°弯折后，在弯折部分的单元结构间隙变大，相邻螺旋结构的S1和S3所分布电流相互作用减小，原先所形成的局域模式被破坏，因此造成了部分的辐射损失，这也是单螺旋SSPP传输线在弯折后会产生的附加插入损失的原因。而双导体类型的微带型和双螺旋型单元结构其电场能量更多的被束缚在两层导体之间，因此相应的传输线在弯折后所带来的影响较小。上述的结果表明所提出的三种SSPP传输线都具有优良的传输性能、强的亚波长约束能力、低的传输损耗和弯曲损耗。这些特性能够在各种微波和太赫兹频段的平面电磁器件得到理想应用。图3-21周期单元结构z方向电场分布（a）单螺旋型（b）微带型（c）双螺旋型1.3三种SSPP波导的介质损耗 在微波频段，金属可以视为是理想导体，电磁场能量无法渗透金属导致其内部场能量为零。因此对于微波传输线来说，在传输电磁波的时候金属损耗可以忽略不计，主要的损耗是由介质衬底引起的。在此基于微扰理论对传输线的损耗系数进行近似，来对微波传输线的损耗问题进行探讨，将介质衬底的介电常数实部与虚部的比值的变化视为基板衬底损耗的扰动量，如图3-22所示，常规的微波传输线其波数变化大致可以表示成 （3-3） 式子为传输线的衰减常数，和分别表示介质基板衬底部分和传输线所在截面，和表示无损传输的电场和磁场。由于式子分母数值为传输线平均功率流的两倍，因此将其视为一个不变量，则认为传输线的损耗主要是分布在衬底区的场引起的。对于无损和有损的两种传输线的衰减常数的比值可以用解析法计算图3-22(a)已知电磁场解的初始问题(b)引入衬底损耗的微扰问题 （3-4） 式中，和是第j（j=1，2）个传输线初始问题的衰减常数和电场。在式子（3-4）中，我们可以看到衰减常数的比值主要取决于电场能量而不是扰动量。 （3-5） 式子（3-5）为传输线切线方向的衰减常数的表达式，为传输方向的波矢，为自由空间的波矢。从式子（3-5）可知，场约束的容量与传播方向上的波数呈正相关。对比图3-15中单螺旋型和两种双导体型的SSPP周期结构的色散曲线可以看到，双导体型的曲线均在单螺旋型结构的色散曲线的下方，说明相同频率下单螺旋结构的波数比双导体型周期结构的波数要小的多，即螺旋结构支持更宽松的场模传输；并且由于双导体结构能够将场束缚在两个导体间的介质基板中，因此推断单螺旋结构的SSPP传输线的传输损耗可能会小于微带型和双螺旋型的SSPP传输线的传输损耗。 为了进一步验证，我们对不同损耗角正切的三种SSPP传输线的传输特性用CST仿真软件进行了数值模拟，如图3-23所示，为了更好的对比，三种传输线的尺寸完全一致。从仿真结果可以看到随着损耗角正切从0.01增加到0.03，单螺旋型SSPP传输线的传输线的传输性能略有恶化；而微带型和双螺旋型的SSPP传输线的传输性能则出现了明显的偏差，特别是在高频率的情况下，介质损耗越大，其传输性能下降的越快。因为单螺旋SSPP传输线在低频段由于模式转换存在较多的辐射损耗，因此传输效率一般，为了更好的对比三种传输线的传输线性能，选取单螺旋SSPP传输线S21较为平稳的4GHz这个频点作为对比。在4GHz时的三种传输线的S21在损耗角正切=0.01