一种超宽带非对称共面波导-槽线转接器的研究

陈 鹏 李晓明 房少军 王钟葆

(大连海事大学信息科学技术学院,辽宁大连116026)

一种超宽带非对称共面波导-槽线转接器的研究

陈 鹏 李晓明 房少军 王钟葆

(大连海事大学信息科学技术学院,辽宁大连116026)

为了提高共面波导与槽线连接的灵活性,并展宽其带宽,该文提出|种超宽带非对称共面波导-槽线转接器结构。利用时域有限差分法,基于PML吸收边界条件,计算了非对称共面波导-槽线转接器在1～12 GHz的S参数,分析了非对称共面波导槽宽比对转接器性能的影响。从计算结果可以看出,非对称共面波导槽宽比对转接器性能的影响呈现出|定的规律性,从而得出非对称共面波导结构与槽线的连接,在设计灵活性、阻抗匹配及带宽展宽方面均优于对称共面波导-槽线转接器。

超宽带;非对称共面波导;非对称共面波导-槽线转接器;时域有限差分法;S参数

1.引 言

微波传输线在微波地面通信、卫星通信、雷达、无线电测量等领域中有着广泛的用途,它不仅可以传输信号,还可用来制作电路器件,如滤波器、耦合器等[1-3]。微波传输线可以分为许多种类,如双线、同轴线、波导、平面型传输线等。在微波平面传输线又可以分为以下几种形式,如微带、槽线和共面波导(CPW)等[4]。

槽线和CPW是源于微带传输线发展起来的一种重要的微波平面传输线。槽线由于电场跨越槽,故在槽的两侧存在电位差,所以,这种结构很适合并接外加的元器件。CPW有易制作,易实现无源、有源器件在电路中的串并联,提高电路密度等优点。CPW和槽线不仅可以作为微波集成电路中的连接线,还能制作成各种微波无源器件[5-6]。

共面波导-槽线转接器[7-8],用来连接CPW和槽线器件或端口。然而目前的研究主要是对称共面波导结构的,由于对称共面波导的对称性,必须同时改变两个槽的宽度,来适应槽线的改变,而且当槽线端口由于某些原因被固定的情况下,就等于固定了对称共面波导端口的两个槽的宽度,结构很难再调整,因此,设计的灵活性被降低,大大增加器件设计的难度。基于以上考虑,在这里提出一种超宽带非对称共面波导-槽线转接器(ACPW-Slotline)结构,这种转接器在电路设计的灵活性,阻抗匹配及展宽带宽方面均优于对称结构的共面波导-槽线转接器,使CPW和槽线的连接更加的简单,而且可以很容易连接基于非对称共面波导(ACPW)制作的各种微波毫米波器件。该文利用时域有限差分法(FDT D)[9],基于PML吸收边界条件,对其S参数进行了计算,并对计算结果进行了分析讨论。

2.ACPW-Slotline转接器的结构

ACPW结构如图1所示,相对于对称的CPW, ACPW更具有一般性和应用灵活性。由图看出, ACPW的两个槽宽s1与s2不相等。

该文基于ACPW,设计了一种超宽带ACPWSlotline转接器,如图2所示。从图中可以看出,整个器件分为两部分,一部分是ACPW部分,另一部分是槽线部分。

从图2中可以看出,ACPW由于两个槽的宽度是不相等的,正是这种不对称的结构,为连接槽线提供了很多的方便。可以看出,由于ACPW的两个槽s1和s2可以不相等,因此ACPW-Slotline转接器可以有更多的设计方案,从而大大提高电路设计的灵活性。图2所示的ACPW-Slotline转接器结构参数如表1所示,其中介质厚度h=50 mil,介质采用低色散的蓝宝石微波介质材料,考虑到介质相对介电常数εr在1～12 GHz范围内没有因电子极化造成的陡降,其值变化极小,因此这里采用准静态处理的方法,即εr=10.0.表1中的Rs为挖空圆形半径,为了得到较大的功率传输效率,选取Rs=75 mil,k为ACPW槽宽比,即s1:s2.

表1 ACPW-Slotline结构参数(单位:mil)

3.PML边界条件及FDTD模型

3.1 FDTD方法概述

FDTD是求解电磁问题的一种数值技术,它是在1966年由YEE K S第一次提出的。FDTD法直接将有限差分式代替麦克斯韦时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场分量对空间、对时间的微分,得到FDT D六个基本方程。其中:电场Ex和Hx的有限差分式如式(3)和(4),式中:Δx、Δy与Δz分别为FDT D网格尺寸,Δt为时间步长。式中电导率取σe=100,导磁率σm=0。

用具有相同电参量的空间网格去模拟被研究对象,选取合适的场初始值和计算空间的边界条件,可以得到包括时间变量的麦克斯韦方程的四维数值解。通过傅立叶变换可求得三维空间的频域解。

3.2 PML吸收边界条件的理论基础

由于计算机容量的限制,FDTD计算只能在有限区域进行。为了能模拟开域的电磁散射过程,在计算区域的截断边界处必须给出吸收边界条件。吸收边界从开始简单的插值边界,到后来广泛采用的Mur吸收边界[10],以至近些年来发展的PML吸收边界[11],其吸收效果也越来越好。

PML是通过在FDTD区域截断边界处设置一种特殊的介质层,该层介质的波阻抗与相邻介质波阻抗完全匹配,因此入射波将无反射地穿过分界面而进入PML层。并且,由于PML层为有耗介质,进入PML层的投射波将迅速衰减,在实际计算中,PML是一种常用的吸收边界。

在PML介质中,阻抗完全匹配是一个重要的基本条件,即阻抗匹配条件,如式(5)

3.3 ACPW-Slotline转接器FDTD模型构造

利用Yee氏算法的网格划分方法[9],将上式演绎成Yee氏迭代公式,即式(3)(4)形式的FDTD基本方程,取PML吸收边界条件,激励源采用高斯脉冲, ACPW-Slotline转接器FDTD模型构造如图3所示。FDTD计算参数如表2所示。

图3 ACPW-Slotline转接器FDTD模型

表2 FDTD计算参数

4.FDTD计算结果与分析

根据图3所示模型,通过计算得出时域计算空间中的电场和磁场值E、H,进而得出器件的S参数,计算结果如图4(a)、(b)所示。图中给出了ACPW-Slotline转接器在表1中给出的5种结构的S参数在1～12 GHz的值,为了便于对照,将转接器ACPW部分置于图中。图4(a)和(b)分别为S11和S21.对计算结果进行分析,可以看出,器件性能随着k值呈现出一定规律性的变化,主要表现为,在1～8 GHz频段内,k=1:1,即s1=s2的对称共面波导-槽线转接器性能较好;在8～12 GHz范围内,随着k值的增大,例如k=2:1和k=3:1两种情况,非对称共面波导-槽线转接器结构的性能要优于对称共面波导-槽线转接器。从ACPW的物理结构并结合优化理论进行分析可知,由于ACPW两个槽宽可以不相等,相对于对称结构的CPW来说多出一个可以优化的变量,因此ACPW与槽线的连接在阻抗匹配与带宽展宽方面要优于对称结构共面波导与槽线的连接,因此更适合于设计超宽带器件,例如超宽带耦合器与滤波器等。

图4 ACPW-Slotline转接器S参数

5.结 论

文提出的一种超宽带ACPW-Slotline转接器结构进行了建模,并对1～12 GHz频段内的S参数进行了计算。从计算结果看出,ACPW-Slotline转接器的性能随着ACPW槽宽比呈现出规律性的变化。在1～8 GHz频段内,对称共面波导与槽线转接器的性能较好;在8～12 GHz频段,ACPW-Slotline转接器的性能要优于对称共面波导与槽线转接器。综合分析,非对称结构的共面波导与槽线的连接在设计灵活性、阻抗匹配及带宽展宽方面总体上要优于对称结构的共面波导与槽线的连接,因此ACPW-Slotline转接器相对于对称的共面波导与槽线转接器更适用于超宽带无源器件的设计。

[1] LIU H W,YOSHIMASU,SUN T,et al.CPW bandstop filter using periodically loaded slot resonators[J]. Electronics Letters,2006,42(6):352-353.

[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.

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[6] 延晓荣,钟顺时,梁仙灵.渐变共面波导馈电的新型超宽带印刷单极天线[J].电波科学学报,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

陈 鹏 (1977-),男(回族),山西人,2007年于大连海事大学获得博士学位,现为大连海事大学信息科学技术学院讲师,研究方向为:无线传感器网络、超宽带无线通信技术与天线。

李晓明 (1984-),男,内蒙古人,大连海事大学信息科学技术学院,博士生,研究方向为:微波技术与微波通信。

房少军 (1957-),男,山东人,大连海事大学信息科学技术学院,教授,博士,研究方向为:微波技术与微波通信。

王钟葆 (1983-),男,四川人,大连海事大学信息科学技术学院,博士生,研究方向为:微波技术与微波通信。

2009-08-18

中国博士后科学基金项目(20080431134);国家自然科学基金资助项目(60771032)

联系人:陈鹏E-mail:chenpeng213@126.com