陳 鵬 李曉明 房少軍 王鐘葆

(大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,遼寧大連116026)

一種超寬帶非對稱共面波導(dǎo)-槽線轉(zhuǎn)接器的研究

陳 鵬 李曉明 房少軍 王鐘葆

(大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,遼寧大連116026)

為了提高共面波導(dǎo)與槽線連接的靈活性,并展寬其帶寬,該文提出|種超寬帶非對稱共面波導(dǎo)-槽線轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)。利用時域有限差分法,基于PML吸收邊界條件,計(jì)算了非對稱共面波導(dǎo)-槽線轉(zhuǎn)接器在1～12 GHz的S參數(shù),分析了非對稱共面波導(dǎo)槽寬比對轉(zhuǎn)接器性能的影響。從計(jì)算結(jié)果可以看出,非對稱共面波導(dǎo)槽寬比對轉(zhuǎn)接器性能的影響呈現(xiàn)出|定的規(guī)律性,從而得出非對稱共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與槽線的連接,在設(shè)計(jì)靈活性、阻抗匹配及帶寬展寬方面均優(yōu)于對稱共面波導(dǎo)-槽線轉(zhuǎn)接器。

超寬帶;非對稱共面波導(dǎo);非對稱共面波導(dǎo)-槽線轉(zhuǎn)接器;時域有限差分法;S參數(shù)

1.引 言

微波傳輸線在微波地面通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、無線電測量等領(lǐng)域中有著廣泛的用途,它不僅可以傳輸信號,還可用來制作電路器件,如濾波器、耦合器等[1-3]。微波傳輸線可以分為許多種類,如雙線、同軸線、波導(dǎo)、平面型傳輸線等。在微波平面?zhèn)鬏斁€又可以分為以下幾種形式,如微帶、槽線和共面波導(dǎo)(CPW)等[4]。

槽線和CPW是源于微帶傳輸線發(fā)展起來的一種重要的微波平面?zhèn)鬏斁€。槽線由于電場跨越槽,故在槽的兩側(cè)存在電位差,所以,這種結(jié)構(gòu)很適合并接外加的元器件。CPW有易制作,易實(shí)現(xiàn)無源、有源器件在電路中的串并聯(lián),提高電路密度等優(yōu)點(diǎn)。CPW和槽線不僅可以作為微波集成電路中的連接線,還能制作成各種微波無源器件[5-6]。

共面波導(dǎo)-槽線轉(zhuǎn)接器[7-8],用來連接CPW和槽線器件或端口。然而目前的研究主要是對稱共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的,由于對稱共面波導(dǎo)的對稱性,必須同時改變兩個槽的寬度,來適應(yīng)槽線的改變,而且當(dāng)槽線端口由于某些原因被固定的情況下,就等于固定了對稱共面波導(dǎo)端口的兩個槽的寬度,結(jié)構(gòu)很難再調(diào)整,因此,設(shè)計(jì)的靈活性被降低,大大增加器件設(shè)計(jì)的難度?；谝陨峡紤],在這里提出一種超寬帶非對稱共面波導(dǎo)-槽線轉(zhuǎn)接器(ACPW-Slotline)結(jié)構(gòu),這種轉(zhuǎn)接器在電路設(shè)計(jì)的靈活性,阻抗匹配及展寬帶寬方面均優(yōu)于對稱結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)-槽線轉(zhuǎn)接器,使CPW和槽線的連接更加的簡單,而且可以很容易連接基于非對稱共面波導(dǎo)(ACPW)制作的各種微波毫米波器件。該文利用時域有限差分法(FDT D)[9],基于PML吸收邊界條件,對其S參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析討論。

2.ACPW-Slotline轉(zhuǎn)接器的結(jié)構(gòu)

ACPW結(jié)構(gòu)如圖1所示,相對于對稱的CPW, ACPW更具有一般性和應(yīng)用靈活性。由圖看出, ACPW的兩個槽寬s1與s2不相等。

該文基于ACPW,設(shè)計(jì)了一種超寬帶ACPWSlotline轉(zhuǎn)接器,如圖2所示。從圖中可以看出,整個器件分為兩部分,一部分是ACPW部分,另一部分是槽線部分。

從圖2中可以看出,ACPW由于兩個槽的寬度是不相等的,正是這種不對稱的結(jié)構(gòu),為連接槽線提供了很多的方便?？梢钥闯?由于ACPW的兩個槽s1和s2可以不相等,因此ACPW-Slotline轉(zhuǎn)接器可以有更多的設(shè)計(jì)方案,從而大大提高電路設(shè)計(jì)的靈活性。圖2所示的ACPW-Slotline轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示,其中介質(zhì)厚度h=50 mil,介質(zhì)采用低色散的藍(lán)寶石微波介質(zhì)材料,考慮到介質(zhì)相對介電常數(shù)εr在1～12 GHz范圍內(nèi)沒有因電子極化造成的陡降,其值變化極小,因此這里采用準(zhǔn)靜態(tài)處理的方法,即εr=10.0.表1中的Rs為挖空圓形半徑,為了得到較大的功率傳輸效率,選取Rs=75 mil,k為ACPW槽寬比,即s1:s2.

表1 ACPW-Slotline結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位:mil)

3.PML邊界條件及FDTD模型

3.1 FDTD方法概述

FDTD是求解電磁問題的一種數(shù)值技術(shù),它是在1966年由YEE K S第一次提出的。FDTD法直接將有限差分式代替麥克斯韋時域旋度方程中的微分式,如式(1)和式(2)

然后用中心差分式代替各場分量對空間、對時間的微分,得到FDT D六個基本方程。其中:電場Ex和Hx的有限差分式如式(3)和(4),式中:Δx、Δy與Δz分別為FDT D網(wǎng)格尺寸,Δt為時間步長。式中電導(dǎo)率取σe=100,導(dǎo)磁率σm=0。

用具有相同電參量的空間網(wǎng)格去模擬被研究對象,選取合適的場初始值和計(jì)算空間的邊界條件,可以得到包括時間變量的麥克斯韋方程的四維數(shù)值解。通過傅立葉變換可求得三維空間的頻域解。

3.2 PML吸收邊界條件的理論基礎(chǔ)

由于計(jì)算機(jī)容量的限制,FDTD計(jì)算只能在有限區(qū)域進(jìn)行。為了能模擬開域的電磁散射過程,在計(jì)算區(qū)域的截?cái)噙吔缣幈仨毥o出吸收邊界條件。吸收邊界從開始簡單的插值邊界,到后來廣泛采用的Mur吸收邊界[10],以至近些年來發(fā)展的PML吸收邊界[11],其吸收效果也越來越好。

PML是通過在FDTD區(qū)域截?cái)噙吔缣幵O(shè)置一種特殊的介質(zhì)層,該層介質(zhì)的波阻抗與相鄰介質(zhì)波阻抗完全匹配,因此入射波將無反射地穿過分界面而進(jìn)入PML層。并且,由于PML層為有耗介質(zhì),進(jìn)入PML層的投射波將迅速衰減,在實(shí)際計(jì)算中,PML是一種常用的吸收邊界。

在PML介質(zhì)中,阻抗完全匹配是一個重要的基本條件,即阻抗匹配條件,如式(5)

3.3 ACPW-Slotline轉(zhuǎn)接器FDTD模型構(gòu)造

利用Yee氏算法的網(wǎng)格劃分方法[9],將上式演繹成Yee氏迭代公式,即式(3)(4)形式的FDTD基本方程,取PML吸收邊界條件,激勵源采用高斯脈沖, ACPW-Slotline轉(zhuǎn)接器FDTD模型構(gòu)造如圖3所示。FDTD計(jì)算參數(shù)如表2所示。

圖3 ACPW-Slotline轉(zhuǎn)接器FDTD模型

表2 FDTD計(jì)算參數(shù)

4.FDTD計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)圖3所示模型,通過計(jì)算得出時域計(jì)算空間中的電場和磁場值E、H,進(jìn)而得出器件的S參數(shù),計(jì)算結(jié)果如圖4(a)、(b)所示。圖中給出了ACPW-Slotline轉(zhuǎn)接器在表1中給出的5種結(jié)構(gòu)的S參數(shù)在1～12 GHz的值,為了便于對照,將轉(zhuǎn)接器ACPW部分置于圖中。圖4(a)和(b)分別為S11和S21.對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,可以看出,器件性能隨著k值呈現(xiàn)出一定規(guī)律性的變化,主要表現(xiàn)為,在1～8 GHz頻段內(nèi),k=1:1,即s1=s2的對稱共面波導(dǎo)-槽線轉(zhuǎn)接器性能較好;在8～12 GHz范圍內(nèi),隨著k值的增大,例如k=2:1和k=3:1兩種情況,非對稱共面波導(dǎo)-槽線轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)的性能要優(yōu)于對稱共面波導(dǎo)-槽線轉(zhuǎn)接器。從ACPW的物理結(jié)構(gòu)并結(jié)合優(yōu)化理論進(jìn)行分析可知,由于ACPW兩個槽寬可以不相等,相對于對稱結(jié)構(gòu)的CPW來說多出一個可以優(yōu)化的變量,因此ACPW與槽線的連接在阻抗匹配與帶寬展寬方面要優(yōu)于對稱結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)與槽線的連接,因此更適合于設(shè)計(jì)超寬帶器件,例如超寬帶耦合器與濾波器等。

圖4 ACPW-Slotline轉(zhuǎn)接器S參數(shù)

5.結(jié) 論

文提出的一種超寬帶ACPW-Slotline轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模,并對1～12 GHz頻段內(nèi)的S參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果看出,ACPW-Slotline轉(zhuǎn)接器的性能隨著ACPW槽寬比呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。在1～8 GHz頻段內(nèi),對稱共面波導(dǎo)與槽線轉(zhuǎn)接器的性能較好;在8～12 GHz頻段,ACPW-Slotline轉(zhuǎn)接器的性能要優(yōu)于對稱共面波導(dǎo)與槽線轉(zhuǎn)接器。綜合分析,非對稱結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)與槽線的連接在設(shè)計(jì)靈活性、阻抗匹配及帶寬展寬方面總體上要優(yōu)于對稱結(jié)構(gòu)的共面波導(dǎo)與槽線的連接,因此ACPW-Slotline轉(zhuǎn)接器相對于對稱的共面波導(dǎo)與槽線轉(zhuǎn)接器更適用于超寬帶無源器件的設(shè)計(jì)。

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Novel UWB ACPW-slotline transition

CHEN Peng LI Xiao-ming FANG Shao-jun WANG Zhong-bao
(Inf ormation Science and T echnology College,Dalian Maritime University,Dalian Liaoning 116026,China)

A novel UWB asymmetric CPW-slotline(ACPW-slotline)transition is proposed to transform electromagnetic energy between ACPW and slotline.The S-parameters of ACPW-slotline transition is calculated over the frequency range of 1～12 GHz using finite-difference time-domain(FDT D)method based on PML absorbing boundary condition.The results show that the ratio of slot width of ACPW has great effect on the performance of ACPW-slotline transition.Compared with symmetric CPW-slotline transition,impendence matching of the proposed transition is improved,the bandwidth is broadened,and the design is more flexible.

UWB;ACPW;ACPW-Slotline;FDT D;S-Parameters

TN814

A

1005-0388(2010)03-0559-05

陳 鵬 (1977-),男(回族),山西人,2007年于大連海事大學(xué)獲得博士學(xué)位,現(xiàn)為大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院講師,研究方向?yàn)?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、超寬帶無線通信技術(shù)與天線。

李曉明 (1984-),男,內(nèi)蒙古人,大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,博士生,研究方向?yàn)?微波技術(shù)與微波通信。

房少軍 (1957-),男,山東人,大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,教授,博士,研究方向?yàn)?微波技術(shù)與微波通信。

王鐘葆 (1983-),男,四川人,大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,博士生,研究方向?yàn)?微波技術(shù)與微波通信。

2009-08-18

中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(20080431134);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60771032)

聯(lián)系人:陳鵬E-mail:chenpeng213@126.com