基于DMRC结构的小型含支线摇合器设计

2016-11-04 by:CAE仿真在线来源:互联网

摘要:

首先基于复合左右手传输线和微带缺陷结构提出了一种新型双螺旋微带缺陷谐振单元,并研究了其幅度特性和相位特性。然后,研究了其结构参数对传输特性的影响。最后,运用该新型双螺旋微带缺陷结构设计了一个小型化分支线藕合器,仿真及实测结果表明:该分支线藕合器不仅实现了62.8%的小型化,而且避免了后向辐射的问题。

关键词:分支线藕合器;双螺旋微带缺陷谐振单元;小型化;后向辐射

由于输出口具有相等的信号幅度和90?的相位差,分支线藕合器在有源集成电路中起着举足轻重的作用,然而随着现代通信系统小型化程度的不断提高,工程应用对分支线藕合器的小型化要求也日益增加。

近年来,复合左右手传输线在小型分支线藕合器设计中得到了较好的应用:文献「6」和「7」均采用逆开环谐振器设计小型的分支线藕合器,但是这种方法会不可避免的引人后向辐射;文献「8l采用集总元件加载的复合左右手传输线设计了小型分支线藕合器,但是这种方法会受到集总元件自身频率特性的限制,不适用于高频段。在微带谐振器的小型化中,微带缺陷是一种新兴的简单有效的方法,这种方法通过在微带线上刻蚀缝隙且不需要采用金属化接地孔、缺陷地面等技术来实现慢波效应:文献[[9]采用了一种新型的微带谐振单元。但是由于其结构复杂且设计和调试过程繁琐,因此不利于推广应用。

本文基于上述问题首先提出了一种新型双螺旋微带缺陷谐振单元,研究了其幅度特性和相位特性,发现其具有良好的带阻特性和慢波效应。然后,研究了结构参数对传输特性的影响,总结了设计规律。最后,运用该新型微带螺旋缺陷结构设计了一个小型化分支线藕合器,该分支线藕合器不仅实现了小型化,而且避免了后向辐射的问题。

1、DMRC结构研究

本文融合微带谐振器小型化中复合左右手传输线和微带缺陷结构的方法,提出了一种新型的双螺旋微带缺陷谐振单元(Double-spiral一defected mierostrip resonator cell,DMRC)结构。结构图如图1所示,该谐振单元是通过在微带传输线上刻蚀双螺旋单元得到的一个对称性结构。其中深色部分为金属微带线,自色部分为腐蚀的螺旋结构,采用50 S2微带线。为了表述方便,将腐蚀的螺旋结构单元单独画出。

图1 DMRC结构示意图

为了了解所提出DMRC结构的特性,在仿真软件HFSS中建立模型,并给定一组参数:ω1 =3.7 mm , ω2=0.2 mm , g1=0.2 mm , g2=0.2 mm , l1,=3.6 mm。对该结构单元进行仿真,介质板采用相对介电常数为2.65、厚度为1.5mm的聚四氟乙烯玻璃布板(F4B-2),50欧姆微带线宽度为4.1mm。得到如图2所示的仿真结果,从图中可以看出,S参数曲线在2 GHz处有一个传输零点,这证明该结构具有带阻效应。

图2 DMRC结构的传输特性

图3给出了等长的传统传输线与基于DMRC传输线的相位特性曲线。从图中可以看出,在微带线上加载螺旋缺陷结构后,有明显的相位滞后效应,这也是该结构实现小型化的重

要依据之一。〕

图3相位特性比较

2、结构参数分析

为了对DMRC结构有一个更加直观的认识,并为后续的研究设计提高效率,需要对结构参数特性进行详细分析。在分析时主要针对两个方面:幅度特性和相位特性。在对其中某一个参数进行分析时,其他参数均保持不变。在已经得出研究结果的情况下,本文只给出对传输特性影响较大的参数的扫描分析结果。

双螺旋单元的纵向尺寸ω1对结构的传输特性的影响效果如图4所示。取不同的ω1 (ω1,=2.3 mm , 2.9 mm , 3.5 mm)扫描,得到如图4所示的S参数的幅度特性和相位特性随、,变化的曲线。从图4(a)中可以看出,随着ω1的增大,传输线的阻带向低频段移动,阻带宽度逐渐增加。从图4(b)中可以看出,DMRC结构的相位特性随着、,的增大出现滞后效应。

图4 ω1对幅度特性和相位特性的影响

双螺旋单元的线宽ω2对结构的传输特性的影响效果如图5所示,取不同的ω2 (ω2=0.1 mm , 0.2 mm , 0.3 mm),得到如图5所示的S参数的幅度特性和结构相位特性随ω2变化的曲线。从图5(a)中可以看出,随着ω2的增加,在阻带频率升高的同时带宽逐渐减小;从图5(b)中可以看出,DMRC结构相位特性随着、:的增大逐渐超前。值得注意的是,当ω2=0.1 mm时,整体的相位都不会大于零,这与其余两个参数有所不同。

图5 ω2对幅度特性和相位特性的影响

最后讨论l1的变化对结构的幅度和相位特性产生的影响,取不同的l1 (l1=0.5 mm ,1.0 mm ,1.5 mm ),图6给出了特性曲线的仿真。从图6(a)中可以看出,随着l1的增加,阻带对应的频点会降低,且阻带宽度会逐渐增加;从图6(b)中可以看出,随着l1的增加DMRC结构的相位特性也会随着阻带频点的降低而滞后。

图6 l1对幅度特性和相位特性的影响

3、小型化分支线祸合器设计

根据上述对基于DMRC结构的传输线相位特性的分析,可以通过调节谐振器的尺寸来调节传输线的相位特性。本文中将传输线的工作频率设计为0.98 C,Hz。传输线是由两个相同的DMRC组成,且特性阻抗为35欧姆和50欧姆,图7给出了分支线藕合器的结构示意图。

图7 小型化分支线藕合器结构示意图

根据优化仿真得到的结果分支线藕合器50欧姆传输线的长度为14 mm,其中的Celll的结构参数为: ω1=6.3 mm , ω2=0.2 mm , g1=0.2 mm , g2=0.2 mm , l1,=3.4 mm。单元之间的距离为0.6 mm。35欧姆传输线的长度为10.6 mm,其中Cell2的结构参数为: ω1 =3.7 mm , ω2 =0.2 mm , g1 =0.2 mm , g2 =0.2 mm ,l1, =5.8mm,单元之间的距离为0.4 mm。

为了验证分析的有效性,对所设计的分支线藕合器进行加工和测试,图8,9和10给出了所设计的分支线藕合器的仿真结果和测试结果。

从图8和9的测试结果中可以看出,在0.98 C,Hz时,S11>20 dB,S21>25 dB,S31=3.94 dB,S41=3.11 dB;从图10可以看出port3和port4的输出相位差为89.3度。在0.96~1 CHz频带范围内IS31-3l<1 dB,IS41-3l<1 dB。图11给出了小型分支线藕合器与传统结构的对比图,本文所设计的分支线藕合器的有效面积为44.4 mmx29.4 mm,而工作于相同频带的传统分支线藕合器的有效面积为63.8 mmx55 mm。本文所设计的分支线藕合器的有效面积仅为工作于相同频带的传统的分支线藕合器的37.2%。

图8 小型化分支线藕合器仿真结果

图9 小型化分支线藕合器测试结果

图10小型化分支线藕合器输出端口相位差

图11小型化分支线藕合与传统结构对比图

4、结论

本文提出了一种新型双螺旋微带缺陷单元,并仿真研究了其各结构参数变化时的幅度特性和相位特性。基于该新型双螺旋缺陷结构所具有的相位调节特性设计了一个小型化分支线藕合器。仿真和实验测试结果表明:该分支线藕合器在工作频率0.98 GHz较好地实现了小型化,其有效面积减小了62.8%,有利于推广应用,并避免了后向辐射的问题,具有重要的实用价值。

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