基于DMRC結(jié)構(gòu)的小型含支線搖合器設(shè)計

2016-11-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:

首先基于復(fù)合左右手傳輸線和微帶缺陷結(jié)構(gòu)提出了一種新型雙螺旋微帶缺陷諧振單元,并研究了其幅度特性和相位特性。然后,研究了其結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳輸特性的影響。最后,運用該新型雙螺旋微帶缺陷結(jié)構(gòu)設(shè)計了一個小型化分支線藕合器,仿真及實測結(jié)果表明:該分支線藕合器不僅實現(xiàn)了62.8%的小型化,而且避免了后向輻射的問題。

關(guān)鍵詞:分支線藕合器;雙螺旋微帶缺陷諧振單元;小型化;后向輻射

由于輸出口具有相等的信號幅度和90?的相位差,分支線藕合器在有源集成電路中起著舉足輕重的作用,然而隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)小型化程度的不斷提高,工程應(yīng)用對分支線藕合器的小型化要求也日益增加。

近年來,復(fù)合左右手傳輸線在小型分支線藕合器設(shè)計中得到了較好的應(yīng)用:文獻「6」和「7」均采用逆開環(huán)諧振器設(shè)計小型的分支線藕合器,但是這種方法會不可避免的引人后向輻射;文獻「8l采用集總元件加載的復(fù)合左右手傳輸線設(shè)計了小型分支線藕合器,但是這種方法會受到集總元件自身頻率特性的限制,不適用于高頻段。在微帶諧振器的小型化中,微帶缺陷是一種新興的簡單有效的方法,這種方法通過在微帶線上刻蝕縫隙且不需要采用金屬化接地孔、缺陷地面等技術(shù)來實現(xiàn)慢波效應(yīng):文獻[[9]采用了一種新型的微帶諧振單元。但是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且設(shè)計和調(diào)試過程繁瑣,因此不利于推廣應(yīng)用。

本文基于上述問題首先提出了一種新型雙螺旋微帶缺陷諧振單元,研究了其幅度特性和相位特性,發(fā)現(xiàn)其具有良好的帶阻特性和慢波效應(yīng)。然后,研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳輸特性的影響,總結(jié)了設(shè)計規(guī)律。最后,運用該新型微帶螺旋缺陷結(jié)構(gòu)設(shè)計了一個小型化分支線藕合器,該分支線藕合器不僅實現(xiàn)了小型化,而且避免了后向輻射的問題。

1、DMRC結(jié)構(gòu)研究

本文融合微帶諧振器小型化中復(fù)合左右手傳輸線和微帶缺陷結(jié)構(gòu)的方法,提出了一種新型的雙螺旋微帶缺陷諧振單元(Double-spiral一defected mierostrip resonator cell,DMRC)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,該諧振單元是通過在微帶傳輸線上刻蝕雙螺旋單元得到的一個對稱性結(jié)構(gòu)。其中深色部分為金屬微帶線,自色部分為腐蝕的螺旋結(jié)構(gòu),采用50 S2微帶線。為了表述方便,將腐蝕的螺旋結(jié)構(gòu)單元單獨畫出。

圖1 DMRC結(jié)構(gòu)示意圖

為了了解所提出DMRC結(jié)構(gòu)的特性,在仿真軟件HFSS中建立模型,并給定一組參數(shù):ω1 =3.7 mm , ω2=0.2 mm , g1=0.2 mm , g2=0.2 mm , l1,=3.6 mm。對該結(jié)構(gòu)單元進行仿真,介質(zhì)板采用相對介電常數(shù)為2.65、厚度為1.5mm的聚四氟乙烯玻璃布板(F4B-2),50歐姆微帶線寬度為4.1mm。得到如圖2所示的仿真結(jié)果,從圖中可以看出,S參數(shù)曲線在2 GHz處有一個傳輸零點,這證明該結(jié)構(gòu)具有帶阻效應(yīng)。

圖2 DMRC結(jié)構(gòu)的傳輸特性

圖3給出了等長的傳統(tǒng)傳輸線與基于DMRC傳輸線的相位特性曲線。從圖中可以看出,在微帶線上加載螺旋缺陷結(jié)構(gòu)后,有明顯的相位滯后效應(yīng),這也是該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)小型化的重

要依據(jù)之一?！?

圖3相位特性比較

2、結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

為了對DMRC結(jié)構(gòu)有一個更加直觀的認識,并為后續(xù)的研究設(shè)計提高效率,需要對結(jié)構(gòu)參數(shù)特性進行詳細分析。在分析時主要針對兩個方面:幅度特性和相位特性。在對其中某一個參數(shù)進行分析時,其他參數(shù)均保持不變。在已經(jīng)得出研究結(jié)果的情況下,本文只給出對傳輸特性影響較大的參數(shù)的掃描分析結(jié)果。

雙螺旋單元的縱向尺寸ω1對結(jié)構(gòu)的傳輸特性的影響效果如圖4所示。取不同的ω1 (ω1,=2.3 mm , 2.9 mm , 3.5 mm)掃描,得到如圖4所示的S參數(shù)的幅度特性和相位特性隨、,變化的曲線。從圖4(a)中可以看出,隨著ω1的增大,傳輸線的阻帶向低頻段移動,阻帶寬度逐漸增加。從圖4(b)中可以看出,DMRC結(jié)構(gòu)的相位特性隨著、,的增大出現(xiàn)滯后效應(yīng)。

圖4 ω1對幅度特性和相位特性的影響

雙螺旋單元的線寬ω2對結(jié)構(gòu)的傳輸特性的影響效果如圖5所示,取不同的ω2 (ω2=0.1 mm , 0.2 mm , 0.3 mm),得到如圖5所示的S參數(shù)的幅度特性和結(jié)構(gòu)相位特性隨ω2變化的曲線。從圖5(a)中可以看出,隨著ω2的增加,在阻帶頻率升高的同時帶寬逐漸減小;從圖5(b)中可以看出,DMRC結(jié)構(gòu)相位特性隨著、:的增大逐漸超前。值得注意的是,當ω2=0.1 mm時,整體的相位都不會大于零,這與其余兩個參數(shù)有所不同。

圖5 ω2對幅度特性和相位特性的影響

最后討論l1的變化對結(jié)構(gòu)的幅度和相位特性產(chǎn)生的影響,取不同的l1 (l1=0.5 mm ,1.0 mm ,1.5 mm ),圖6給出了特性曲線的仿真。從圖6(a)中可以看出,隨著l1的增加,阻帶對應(yīng)的頻點會降低,且阻帶寬度會逐漸增加;從圖6(b)中可以看出,隨著l1的增加DMRC結(jié)構(gòu)的相位特性也會隨著阻帶頻點的降低而滯后。

圖6 l1對幅度特性和相位特性的影響

3、小型化分支線禍合器設(shè)計

根據(jù)上述對基于DMRC結(jié)構(gòu)的傳輸線相位特性的分析,可以通過調(diào)節(jié)諧振器的尺寸來調(diào)節(jié)傳輸線的相位特性。本文中將傳輸線的工作頻率設(shè)計為0.98 C,Hz。傳輸線是由兩個相同的DMRC組成,且特性阻抗為35歐姆和50歐姆,圖7給出了分支線藕合器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 小型化分支線藕合器結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)優(yōu)化仿真得到的結(jié)果分支線藕合器50歐姆傳輸線的長度為14 mm,其中的Celll的結(jié)構(gòu)參數(shù)為: ω1=6.3 mm , ω2=0.2 mm , g1=0.2 mm , g2=0.2 mm , l1,=3.4 mm。單元之間的距離為0.6 mm。35歐姆傳輸線的長度為10.6 mm,其中Cell2的結(jié)構(gòu)參數(shù)為: ω1 =3.7 mm , ω2 =0.2 mm , g1 =0.2 mm , g2 =0.2 mm ,l1, =5.8mm,單元之間的距離為0.4 mm。

為了驗證分析的有效性,對所設(shè)計的分支線藕合器進行加工和測試,圖8,9和10給出了所設(shè)計的分支線藕合器的仿真結(jié)果和測試結(jié)果。

從圖8和9的測試結(jié)果中可以看出,在0.98 C,Hz時,S11>20 dB,S21>25 dB,S31=3.94 dB,S41=3.11 dB;從圖10可以看出port3和port4的輸出相位差為89.3度。在0.96~1 CHz頻帶范圍內(nèi)IS31-3l<1 dB,IS41-3l<1 dB。圖11給出了小型分支線藕合器與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對比圖,本文所設(shè)計的分支線藕合器的有效面積為44.4 mmx29.4 mm,而工作于相同頻帶的傳統(tǒng)分支線藕合器的有效面積為63.8 mmx55 mm。本文所設(shè)計的分支線藕合器的有效面積僅為工作于相同頻帶的傳統(tǒng)的分支線藕合器的37.2%。

圖8 小型化分支線藕合器仿真結(jié)果

圖9 小型化分支線藕合器測試結(jié)果

圖10小型化分支線藕合器輸出端口相位差

圖11小型化分支線藕合與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比圖

4、結(jié)論

本文提出了一種新型雙螺旋微帶缺陷單元,并仿真研究了其各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時的幅度特性和相位特性?；谠撔滦碗p螺旋缺陷結(jié)構(gòu)所具有的相位調(diào)節(jié)特性設(shè)計了一個小型化分支線藕合器。仿真和實驗測試結(jié)果表明:該分支線藕合器在工作頻率0.98 GHz較好地實現(xiàn)了小型化,其有效面積減小了62.8%,有利于推廣應(yīng)用,并避免了后向輻射的問題,具有重要的實用價值。

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