微型左手復合傳輸線寬帶濾波器的設計與仿真

微型左手復合傳輸線寬帶濾波器的設計與仿真

0微波振幅環(huán)的提出和完善最近，相對于電常數(shù)和磁導率為負的異質材料或左側材料（lhss）成為研究的熱點。1968年前蘇聯(lián)物理學家VESELAGO對電磁波在介電常數(shù)ε和磁導率μ同時為負數(shù)的介質中的傳播特點作過純理論的研究。1996年,英國皇家科學院的PENDRY等從研究結構材料的角度出發(fā),提出了用周期性排列的金屬條可以在微波波段產生負等效介電常數(shù)。1999年,PENDRY等進一步提出了用周期性排列的開口金屬諧振環(huán)可以在微波波段產生負等效磁導率。2000年,美國加州大學圣地亞哥分校SMITH等將金屬絲板和SRR板有規(guī)律地排列在一起,制作了世界上第一塊等效介電常數(shù)和等效磁導率同時為負數(shù)的介質。在最先提出的缺陷環(huán)諧振器和金屬線之后,GEORGEV.Eleftheriades提出了傳輸線模型,他將傳輸線中的電感、電容和電阻與左手材料中的Rod和SRR相對應。這樣不僅便于分析LHM的特性,而且可以構造具有左手特性的電路,成為研究過程中的一個獨特領域?；趥鬏斁€方法,新型的微波器件和設計不斷被提出,例如耦合器,濾波器,移相器和天線等。然而,現(xiàn)有異性結構尺寸大,難于實際應用和集成。另一方面,由于周期的不連續(xù)性導致嚴重的耦合噪聲,特別在大的或非常大的集成電路中,周期性的器件需要較大的尺寸。將左手材料理論用于濾波器設計是左手材料的一個重要應用?，F(xiàn)有的左手材料濾波器設計主要是應用左手材料等效電路理論進行設計。對其加工精度,設計尺寸沒有嚴格的要求。本文提出了一種新的微型左右手復合傳輸線結構,其中并行的兩條蛇形線用于產生串聯(lián)電感和電容。具體的傳輸特性將在下一節(jié)中介紹。采用微機電系統(tǒng)(Microelectromechanicalsystem,MEMS)技術可以使本結構易于制造和集成。我們用電磁場仿真軟件得出了電磁場的傳播特性,采用MEMS工藝制備出了一種寬帶濾波器,并對其進行了測試。1傳輸特性分析1.1蛇形線結構參數(shù)設計圖1給出了傳輸線結構圖。器件介質層相對介電常數(shù)εr=2.2,厚度d1=0.8mm。輸入輸出端口微帶線寬度bs=2.5mm,對應微帶線特征阻抗Zo=50Ω。根據(jù)SMA頭的焊接需要,Ls=8mm。蛇形線半徑及寬度主要是根據(jù)加工的精度進行設計。并聯(lián)電感長度及金屬圓片半徑難于應用理論計算,因此,其設計方法是基于已有的蛇形線半徑及寬度,根據(jù)試驗和仿真結果取值。結構尺寸參數(shù)含義及取值如下表所示。(為表達方便,用單元表示蛇形線的一組完整的折疊)1.2左、右電極結構圖2中給出了器件的等效電路。其中左手的部分包括電容C1和電感L1,右手部分包括蛇形線對產生的電容Cr和串聯(lián)電感Lr,以及蛇形線端圓片產生的電容Crp。電阻Rs和Rp表示損耗部分。下面給出這種異性結構的詳細分析,并說明與傳統(tǒng)左右手復合傳輸線相比的優(yōu)越性。1.3蛇形線設計的仿真結果首先研究蛇形線對,蛇形線在同樣的空間長度上可以獲得相對多的電感,在蛇形線對間距和金屬層厚度不變的情況下,電容和電感與蛇形線的等效線長成正比。與傳統(tǒng)設計相比,本設計的優(yōu)勢在于可以在增加電容的同時,相對于傳統(tǒng)設計更多的增加串行的電感?，F(xiàn)設一變量Δl=2(Ro+R1-Lw),其中2(Ro+Ri-Lw)為蛇形線一個周期寬度。由于傳統(tǒng)設計采用插指電容,當通過延長插指長度Δl增加電容時,對應的等效線長增加約為△l/N,其中N為插指電容的指數(shù)。這是因為插指電容的電感是插指間并聯(lián)的結果。而采用蛇形線設計,在增加一個單元寬度Δl時,對應的等效線長增加為2bs。按本文中的設計增加一個單元時,增加的等效線長與插指電容的設計相比,有式中M表示兩種設計相比較的比例結果,N表示單元個數(shù)。將表中的參數(shù)值代入式(1),得M=2×2.5/[2×(0.175+0.075-0.05)/N]=12.5N因此,在希望降低器件工作頻率時,采用蛇形線設計具有更大的優(yōu)勢,本文中一個工作于1.54GHz的單元長度為3.5mm,而采用文獻中的設計,工作于2.576GHz的器件單元長度為12mm。如果采用多周期,傳統(tǒng)設計將使得長度倍增,而本設計僅用一個周期即可實現(xiàn)左手性。本文中蛇形線的單元排布方向與傳輸線方向相同,這使得一個周期內也能獲得左手材料特性。圖3給出了軟件仿真出的左手性頻帶磁場強度傳輸方向,作為對比圖4給出了能量傳輸方向圖,圖5是普通右手頻帶的磁場強度傳輸?shù)姆较驁D。圖3和圖5中的白圈區(qū)域為磁場峰值的移動方向。結果表明,在左手區(qū),磁場與能量傳輸方向相反,并且,左手區(qū)的磁場傳輸方向與右手區(qū)的磁場傳輸方向相反。這證明了單周期內出現(xiàn)了左手性。通過MEMS工藝,可以獲得更小的線寬。本文中樣品最小線寬為50μm。MEMS工藝使得在有限的面積上可以排布更長的蛇形線增加串聯(lián)電感,同時,可以進一步縮小蛇形線對間距,從而增加串聯(lián)電容。本文設計的另一個特點是使用串聯(lián)電容實現(xiàn)接地連接,這可以避免傳統(tǒng)設計中,由過孔帶來的干擾而引起器件性能下降。同時,在蛇形線的末端連接金屬圓片作為接地器件可以實現(xiàn)整個器件的共面化。使得加工工藝簡化,保證器件的精度,另一方面,也使得器件易于集成到應用系統(tǒng)中。2加工過程和工藝特點由于銅刻蝕為各向同性刻蝕,因此,直接刻蝕較厚的銅層就不能加工出精確的圖形。所以,我們采用電鍍的方法。圖6給出了相關步驟示意圖。圖7、8分別是光刻后和最終的樣品圖片。全部的加工過程共分為以下5個步驟。(1)切割敷銅板作為基板。由于加工設備使用的裝卡模具關系,需要將敷銅板切割成直徑為76mm圓片。敷銅板單面敷有厚度為30μm的銅層。后續(xù)的加工主要在無銅面進行。(2)濺射Cr/Cu種子層,由于銅基板結合力不理想,所以先濺射一層吸附力較好的Cr。濺射層總厚度約為100nm。(3)旋涂光刻膠并光刻。光刻膠為正膠,厚度為12μm。(4)電鍍厚度為10μm的銅。(5)去除光刻膠,去除底膜。3微波相移常數(shù)本文設計的傳輸線利用左手通帶和左右頻帶間的帶隙作為阻帶形成濾波器。圖9～12分別為8單元和4單元樣品端口1的反射系數(shù)S11和端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)S21結果圖。樣品的仿真結果使用CSTMicrowaveStudioVersion5.0微波仿真軟件獲得。樣品的測試結果使用網絡分析儀(8722ES)測得。8單元樣品通帶范圍0.99～2.09GHz,中心頻率為1.54GHz,相對3dB寬度為71.42%。4單元樣品通帶范圍1.84～3.36GHz,中心頻率為2.60GHz,相對3dB寬度為58.46%。結果表明設計具有較大的相對帶寬,同時,通過調節(jié)蛇形線的單元數(shù)目,可以實現(xiàn)不同的工作頻率。圖13給出了8單元樣品的相移常數(shù)曲線圖。圖中低頻部分相移常數(shù)為負,證明在此頻率范圍,微波相速度在傳輸線中反向。在左手帶邊頻率相移常數(shù)出現(xiàn)正向的峰值為奇異現(xiàn)象,目前還無法解釋。對比仿真結果與測試結果,發(fā)現(xiàn),CST微波仿真軟件可相對準確地預測設計的通帶頻率。但是在阻帶衰減幅度上仿真結果并不準確。其原因主要是仿真軟件仿真過程中的誤差。仿真軟件使用的是理想介質材料,不能模擬介質材料的損耗。而實際使用的介質板都是由損耗的,因此,在S11和S21曲線中,測試結果的性能都有所降低。這可以通過使用更低損耗的介質來改善。4試驗結果分析(1)采用MEMS微加工工藝和左手材料理論,設計并制備了一種新型的左右手復合傳輸線,軟件仿真得出該復合傳輸線在不同頻率下同時具有左手性和右手性。(2)測試結果得出8單元樣品通帶范圍0.99～2.09GHz,中心頻率為1.54GHz,相對3dB寬度為71.42%。4單元樣品