一種超寬帶非對稱共面波導-槽線轉接器的研究

陳 鵬 李曉明 房少軍 王鐘葆

(大連海事大學信息科學技術學院,遼寧大連116026)

一種超寬帶非對稱共面波導-槽線轉接器的研究

陳 鵬 李曉明 房少軍 王鐘葆

(大連海事大學信息科學技術學院,遼寧大連116026)

為了提高共面波導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-槽線轉接器結構。利用時域有限差分法,基于PML吸收邊界條件,計算了非對稱共面波導-槽線轉接器在1～12 GHz的S參數,分析了非對稱共面波導槽寬比對轉接器性能的影響。從計算結果可以看出,非對稱共面波導槽寬比對轉接器性能的影響呈現出|定的規律性,從而得出非對稱共面波導結構與槽線的連接,在設計靈活性、阻抗匹配及帶寬展寬方面均優于對稱共面波導-槽線轉接器。

超寬帶;非對稱共面波導;非對稱共面波導-槽線轉接器;時域有限差分法;S參數

1.引 言

微波傳輸線在微波地面通信、衛星通信、雷達、無線電測量等領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、平面型傳輸線等。在微波平面傳輸線又可以分為以下幾種形式,如微帶、槽線和共面波導(CPW)等[4]。

槽線和CPW是源于微帶傳輸線發展起來的一種重要的微波平面傳輸線。槽線由于電場跨越槽,故在槽的兩側存在電位差,所以,這種結構很適合并接外加的元器件。CPW有易制作,易實現無源、有源器件在電路中的串并聯,提高電路密度等優點。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-槽線轉接器[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結構的,由于對稱共面波導的對稱性,必須同時改變兩個槽的寬度,來適應槽線的改變,而且當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端口的兩個槽的寬度,結構很難再調整,因此,設計的靈活性被降低,大大增加器件設計的難度。基于以上考慮,在這里提出一種超寬帶非對稱共面波導-槽線轉接器(ACPW-Slotline)結構,這種轉接器在電路設計的靈活性,阻抗匹配及展寬帶寬方面均優于對稱結構的共面波導-槽線轉接器,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(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參數進行了計算,并對計算結果進行了分析討論。

2.ACPW-Slotline轉接器的結構

ACPW結構如圖1所示,相對于對稱的CPW, ACPW更具有一般性和應用靈活性。由圖看出, ACPW的兩個槽寬s1與s2不相等。

該文基于ACPW,設計了一種超寬帶ACPWSlotline轉接器,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構,為連接槽線提供了很多的方便。可以看出,由于ACPW的兩個槽s1和s2可以不相等,因此ACPW-Slotline轉接器可以有更多的設計方案,從而大大提高電路設計的靈活性。圖2所示的ACPW-Slotline轉接器結構參數如表1所示,其中介質厚度h=50 mil,介質采用低色散的藍寶石微波介質材料,考慮到介質相對介電常數εr在1～12 GHz范圍內沒有因電子極化造成的陡降,其值變化極小,因此這里采用準靜態處理的方法,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結構參數(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值技術,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網格尺寸,Δt為時間步長。式中電導率取σe=100,導磁率σm=0。

用具有相同電參量的空間網格去模擬被研究對象,選取合適的場初始值和計算空間的邊界條件,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

由于計算機容量的限制,FDTD計算只能在有限區域進行。為了能模擬開域的電磁散射過程,在計算區域的截斷邊界處必須給出吸收邊界條件。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區域截斷邊界處設置一種特殊的介質層,該層介質的波阻抗與相鄰介質波阻抗完全匹配,因此入射波將無反射地穿過分界面而進入PML層。并且,由于PML層為有耗介質,進入PML層的投射波將迅速衰減,在實際計算中,PML是一種常用的吸收邊界。

在PML介質中,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轉接器FDTD模型構造

利用Yee氏算法的網格劃分方法[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轉接器FDTD模型構造如圖3所示。FDTD計算參數如表2所示。

圖3 ACPW-Slotline轉接器FDTD模型

表2 FDTD計算參數

4.FDTD計算結果與分析

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

圖4 ACPW-Slotline轉接器S參數

5.結 論

文提出的一種超寬帶ACPW-Slotline轉接器結構進行了建模,并對1～12 GHz頻段內的S參數進行了計算。從計算結果看出,ACPW-Slotline轉接器的性能隨著ACPW槽寬比呈現出規律性的變化。在1～8 GHz頻段內,對稱共面波導與槽線轉接器的性能較好;在8～12 GHz頻段,ACPW-Slotline轉接器的性能要優于對稱共面波導與槽線轉接器。綜合分析,非對稱結構的共面波導與槽線的連接在設計靈活性、阻抗匹配及帶寬展寬方面總體上要優于對稱結構的共面波導與槽線的連接,因此ACPW-Slotline轉接器相對于對稱的共面波導與槽線轉接器更適用于超寬帶無源器件的設計。

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[2] HU H L,HUANG X D,CHENG C H,Ultra-wideband bandpass filter using CPW-to-microstrip coupling structure[J].Electronics Letters,2006,42(10):586-587.

[3] WAT ERHOUSE R B,NOVAK D.Small folded CPW fed slot antennas[J].IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,2006,2599-2602.

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[6] 延曉榮,鐘順時,梁仙靈.漸變共面波導饋電的新型超寬帶印刷單極天線[J].電波科學學報,2008,23(5): 823-827. YAN Xiaorong,ZHONG Shunshi,LIANG Xianling. Novel ultra-wideband printed monopole antennas fed by tapered coplanar waveguides[J].Chinese Journal of Radio Science,2008,23(5):823-827.(in Chinese)

[7] ZHU Lei,WU Ke,Hybrid FGCPW/CPS scheme in the building block design of low-cost uniplanar and multilayer circuit and antenna[J].IEEE MT T-S International M icrowave Symposium,1999,3:867-870.

[8] HO T Q,HARTS M.A broad-band coplanar waveguide to Slotline transition[J].IEEE Microwave and Guide Wave Letters,1992,(2):415-416.

[9] YEE K S.Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwell's equations in isotropic media[J].IEEE Trans.on AP,1966,14(5):302-307.

[10] MUR G.Absorbing boundary conditions for the f-i nite-difference approximation of the time-domain electromagnetic field equations[J].IEEE Trans on E-lectromagnetic Compatibility,1981,23(4):377-382

[11] BERENGER J P.A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic wave[J].J Comput Phys,1994,114(2):185-200.

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年于大連海事大學獲得博士學位,現為大連海事大學信息科學技術學院講師,研究方向為:無線傳感器網絡、超寬帶無線通信技術與天線。

李曉明 (1984-),男,內蒙古人,大連海事大學信息科學技術學院,博士生,研究方向為:微波技術與微波通信。

房少軍 (1957-),男,山東人,大連海事大學信息科學技術學院,教授,博士,研究方向為:微波技術與微波通信。

王鐘葆 (1983-),男,四川人,大連海事大學信息科學技術學院,博士生,研究方向為:微波技術與微波通信。

2009-08-18

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

聯系人:陳鵬E-mail:chenpeng213@126.com