基于DMRC結(jié)構(gòu)的小型含支線搖合器設(shè)計(jì)

2016-11-04 by:CAE仿真在線來(lái)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(duì)傳輸特性的影響。最后,運(yùn)用該新型雙螺旋微帶缺陷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)小型化分支線藕合器,仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果表明:該分支線藕合器不僅實(shí)現(xiàn)了62.8%的小型化,而且避免了后向輻射的問(wèn)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(hào)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(duì)分支線藕合器的小型化要求也日益增加。

近年來(lái),復(fù)合左右手傳輸線在小型分支線藕合器設(shè)計(jì)中得到了較好的應(yīng)用:文獻(xiàn)「6」和「7」均采用逆開(kāi)環(huán)諧振器設(shè)計(jì)小型的分支線藕合器,但是這種方法會(huì)不可避免的引人后向輻射;文獻(xiàn)「8l采用集總元件加載的復(fù)合左右手傳輸線設(shè)計(jì)了小型分支線藕合器,但是這種方法會(huì)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(jiǎn)單有效的方法,這種方法通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)慢波效應(yīng):文獻(xiàn)[[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(jì)和調(diào)試過(guò)程繁瑣,因此不利于推廣應(yīng)用。

本文基于上述問(wèn)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(duì)傳輸特性的影響,總結(jié)了設(shè)計(jì)規(guī)律。最后,運(yùn)用該新型微帶螺旋缺陷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)小型化分支線藕合器,該分支線藕合器不僅實(shí)現(xiàn)了小型化,而且避免了后向輻射的問(wèn)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(guò)在微帶傳輸線上刻蝕雙螺旋單元得到的一個(gè)對(duì)稱(chēng)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(dú)畫(huà)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(duì)該結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行仿真,介質(zhì)板采用相對(duì)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(gè)傳輸零點(diǎn),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(zhǎng)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(shí)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(duì)DMRC結(jié)構(gòu)有一個(gè)更加直觀的認(rèn)識(shí),并為后續(xù)的研究設(shè)計(jì)提高效率,需要對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)特性進(jìn)行詳細(xì)分析。在分析時(shí)主要針對(duì)兩個(gè)方面:幅度特性和相位特性。在對(duì)其中某一個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析時(shí),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(duì)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(duì)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(dòng),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(duì)幅度特性和相位特性的影響

雙螺旋單元的線寬ω2對(duì)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(shí)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(dāng)ω2=0.1 mm時(shí),整體的相位都不會(huì)大于零,這與其余兩個(gè)參數(shù)有所不同。

圖5 ω2對(duì)幅度特性和相位特性的影響

最后討論l1的變化對(duì)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(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)會(huì)降低,且阻帶寬度會(huì)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(huì)隨著阻帶頻點(diǎn)的降低而滯后。

圖6 l1對(duì)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(jì)

根據(jù)上述對(duì)基于DMRC結(jié)構(gòu)的傳輸線相位特性的分析,可以通過(guò)調(diào)節(jié)諧振器的尺寸來(lái)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(jì)為0.98 C,Hz。傳輸線是由兩個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yàn)證分析的有效性,對(duì)所設(shè)計(jì)的分支線藕合器進(jìn)行加工和測(cè)試,圖8,9和10給出了所設(shè)計(jì)的分支線藕合器的仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果。

從圖8和9的測(cè)試結(jié)果中可以看出,在0.98 C,Hz時(shí),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(duì)比圖,本文所設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)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(duì)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(shí)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(jì)了一個(gè)小型化分支線藕合器。仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)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(wèn)題,具有重要的實(shí)用價(jià)值。

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