一个插入导体平面的双面平行线和它的应用.doc

一种插入导体平面的双面平行带线及其应用
摘要——在这篇文章中，一个使用插入导体平面的双平行带线正在被研究，它具有新奇的多分层结构。在被提议的结构中一个导体平面插入在双平面平行带线底层的中间，它作用于隔离着不恒等电路的顶部和最下层有效的虚拟平面。另一方面，导体平面是能忽略不计的恒等电路。基于新的结构，一个双频带抽头可以实现使用隔离特点在导体平面内，枝节可以被视为2个操作在在不同频率背靠背的微带枝节。插入导体平面提供在共同平面的2个微带枝节。根据这个想法的示范，一个有2个传输零点的带通滤波器正在被优化，组装和测试。模拟和判断的结果有较好的一致性。滤波器的尺寸被大约降低到了相同型号的微带滤波器的一半。
1.简介
今天，随着无线和手机通信的高速发展，小尺寸和高性能的微波组件在很多领域有很高的需求。最近多层结构已经变成一个研究课题，这个课题是在微波元件设计尺寸的减少就像低温共烧陶瓷技术。在这种趋势下，双通道微波集成电路已经流行于微波元件的传统制造技术。

图1 电场分布（a）双面平行带线。（b）有一个插入导体平面的双面平行带线。（c）插入一个可忽略的导体平面的双面平行带线。
双面平行带线，是一条均衡传输线，由2条相同带线分隔开电介质薄板如图所示。图1（a），可以方便的使用图像分析理论。双面平行带线适合双面微波集成电路设计。与平衡传输线相比较，共面带线，双面平行带线一个重要的优势是简单实现低特性阻抗，低特性阻抗是用于微波元件的设计，就像低通滤波器和耦合器。在双面平行带线中分析有引导性的波长。可是，高阻抗特性可以实现抵消最高带和没有减少带宽的底部带，可以提高功率处理能力。双面平行带线的固有的异相特征是2条频率之间是独立的，固有的异相特征可以适用于平衡电路设计中的性能改善。
在这篇文章中，我们提出一个双面平行带线的多层结构，它具有一个插入导体平面。在导体平面，插入基质的中间，以及相同电路的顶部和最下层是没有效果的。可是，虚拟平面可以隔离2个不恒等电路，和转换它们成为2个背靠背的微带电路，在这里共同点是只是提倡插入的导体平面。一个双频枝节被成功的设计，它是用来验证导体平面的隔振特性。根据新的结构，一个带通滤波器正在被设计，制造和测试，这个带通滤波器使用提出双频枝节且有2个传输零点。模拟和测量结果被提供和体现出有较好的一致性。
2.有一个插入导体平面的双面平行带线
图1（a）展示了有对称结构的传统双面平行带线。对于RF信号传输，如果上层的电压是+的话那么底部带上RF电压是-的。根据镜像原理，RF电压在基质的中间为0。放置一个很大的导体平面在基质的中间（导体平面的厚度要足够小且能够被忽略）将不会改变E领域的分布，它把双面平行带线转换成有2个相同背靠背微带线的组合。就像图1(b)(c)展示的那样。作为结果，被插入导体平面能够被视为一个虚拟平面。

图（2） 一个插入导体平面中的传统双面平行带线的3D视图
图2展示了一个插入导体平面中的传统双面平行带线的3D视图。相对介电常数的基质εr=2.94和厚度h=0.762mm在这篇文章中的所有电路中使用。顶部和底层的带宽w=2.65mm。与双面平行带线中50Ω的特性阻抗相对应。图2中的结构能够被分为2个部分来分析。一个是双面平行带线，另一个是在厚度为h/2的介电质上的微带线，如图3所示。微带线是一个相同背靠背微带线的一半。由一个导体平面上的双面平行带线组成。根据镜像原理，在2个输电线路上一定满足I1=I2，U1=U2。显而易见的是2个输电线路直接特性阻抗的关系一定满足Z1=2Z2。因此，在插入平面上的双面平行带线的设计一定基于微带线。在图2 的模拟结构中，在整个系统中模拟结构S11不管有没有导体平面都是很好的（<-30db）。作为结果，当导体平面插入基质的中间，特性阻抗是不会变化的。图4展示了模拟和测量结果。演示实验显示插入导体平面对双面平行带线没有影响。
3.在一个插入导体平面内使用双面平行带线的双频枝节

图（3）简略介绍输电线路。（a）双面平行带线。（b）微带线

图（4）没有插入平面的双面平行带线的模拟和仿真结果

图（5）双面平行带线的开路枝节的3D视图

图（6）双面平行带线的开路枝节的模拟和仿真结果
图5展示了一个双面平行带线的开路枝节，它是由一个传统结构产生了一个传输零点。ω=2.65mm是50Ω双面平行带线的带宽，枝节的宽度是ω1=2.2mm（56.8Ω）。图6展示了仿真的结果。众所周知频率的传输零点是通过枝节的长度（λg/4）来控制的,其中λg是引导波长。如果在顶部和在底部的2个枝节有不一样的长度（l1=19.4mm, l 2=24.4mm）,短枝节l 1=19.4mm是传输零点的主导频率，这个能从图6上被看出来。

图（7）插入导体平面中的双面平行带线的开路枝节3D视图

图（8）插入导体平面中的双面平行带线的开路枝节的等效模型

图（9）插入导体平面中的双面平行带线的开路枝节的模拟结果

表1插入导体平面中的双面平行带线的开路枝节的模拟结果
图7展示了一个插入导体平面中的传统双面平行带线的3D视图。当顶部和底部的枝节长度相等时（l1= l 2），如图5所示,它的响应频率与没有插入导体平面的结构相同，且插入导体平面能够被忽略。可是，当2个枝节长度不相同时，导体可以当做虚拟平面来使用,导体可以用来隔离它们，且把它们转化成为2个背靠背微带枝节，在2个微带枝节的常见平面仅仅能提供插入导体平面。应该说插入导体平面不是一个用来屏蔽不同部分电路和减少有害耦合的传统导体平面。当它被当作一个部分电路来使用时，它是一个用来隔离顶部和底部不恒等电路的虚拟平面。因此，我们可以得到的结论是插入导体有2个作用，1）隔离顶部和底部的不恒等电路，2）为2个背靠背微带电路提供常见的导体平面。根据以上的结论，在图7中顶部和底部有不同长度的枝节被导体平面隔离，且可以在不同频段产生2个传输零点。这意味着双频带的操作使提出双频带枝节应运而生。作为结论，在图7中的开路枝节可以分成2个微带枝节来分析，它的等效模型如图8所示。部分的封闭虚线代表在插入导体平面的双面平行带线，它可以被视为背靠背微带线的结合。微带线的特性阻抗Z0’=Z0/2，Z0是双面平行带线的特性阻抗。图9和表1展示了图7结构的模拟结果。所以带宽数据与图5那些都是相同的。2个枝节长度l 1=19.4mm, l2=24.4mm是不同的，在1.93GHZ和2.32GHZ产生2个传输零点。传输零点可以被设置为任意频率，就像图10所示，底部枝节长度l2=24.4mm是固定的。这可以从图10中看出，当一个枝节长度改变，传输零点的频率造成枝节不同，然而另一个传输零点没有变化。因此，该双频枝节的设计，使顶部和底部的微带枝节能够被分别设计，以及双频枝节能够通过结合它们被实现。双频枝节的设计过程与使用带阻效应相比是一个非常简单的过程。在提出的多层结构中，插入导体平面对双面平行带线没有作用以及不能在双面平行带线与背靠背微带线界面之间不能产生任何间断，这意味着在它们之间没有过度需求。因此，没有结合顶部和底部微带电路所需的额外电路，这是一个在多层电路设计中的一个有利的特点。为了展示新的想法，双面枝节被设计和测量。在图7中的数据如下。
·W1=2.2mm
·l1=19.4mm
·l2=24.4mm
·W=2.65mm
图11中展示了测量及实验的结果，良好的建议可以被注意到。应该说插入导体平面的长度P1要足够的长这样在2层它看起来像是无限的被隔离的枝节。

图（10）在插入导体平面中使用不同枝节长度的双面平行带线的频率响应特性

图（11）双面枝节的仿真和模拟结果

图（12）带通滤波器的布局（a）3D 视图（b）空间布局
4.有一个插入导体平面的双面平行带线带通滤波器
图12（a）（b）展示了3D视图和使用有一个插入导体平面的双面平行带线的带通滤波器的尺寸布局。带通滤波器由谐振器α=λg/4和在λg/4谐振器之间的被提出的双频枝节组成。与微带带通滤波器有相同的尺寸，开路枝节不仅仅是工作于K方向器，但是它也采用了一个传输零点。根据使用传统的设计方法，高低阻带的传输零点被实现，2个有不同枝节长度的带通滤波器是串级的，且它们占据了巨大的电路尺寸。在[24]中，一个λg/2开路枝节合并到了这个类型的带通滤波器的设计中，它可以被分为2个λg/4的枝节，与高低传输零点的频率分别相对应。尽管消除了串级的设计，滤波器的尺寸没有被大大的降低。在提出的带通滤波器中，一个双频枝节组成了在顶部和底部有不同长度的2个枝节，双频枝节能够在高低阻带产生2个传输零点。除了枝节的长度，这2个电路在2个层面都是相同的。很显然被提出的带通滤波器的尺寸减少了大约一半，相比那些在[23][24]中使用的微带线。这就是多层组件和双面MIC在微带电路设计中很是流行的原因。可是，提出的带通滤波器还有另一个优势就是微带滤波器丧失了低辐射。众所周知的是传统微带滤波器有大量的辐射损失。这种情况下毫米波频率会恶化。可是，提出的双面平行带线带通滤波器，电流单独过滤是异象的和附件，产生的光束远场辐射在电路的顶部和底部被抵消掉了。因此，带通滤波器的辐射损失变小。

图（13）提出带通滤波器的模拟和仿真结果 （a）S11 (b)S21
为了证明这个想法，一个带通滤波器的设计方法，组装和测量。滤波器的尺寸如下。
·a=20.5mm
·s=0.3mm
·s1=3mm
·W1=2.2mm
·W2=ω3=0.5mm
·l1=19.4mm
·l224.4mm
·W=2.65mm
仿真和测量已经利用IE3D和HP8510进行。图13（a）和（b）展示了测量和仿真的结果。集中在2.33GHZ，这种经过带通滤波器在2.13GHZ和2.52GHZ有2个传输零点。通频带的插入损失小于1.6db和返回损失大于10db。从图13中可以看书，仿真和测量结果展示了很好的电气性能。因为制造过程中有意想不到的公差和实施带通滤波器所以有一些误差。
5.结论
本文介绍了一个在一个插入平面的一个新颖的使用双面平行带线的多层结果。插入的导体平面可以在2个相同电路的顶部和底部被忽略，可是在2层他可以隔离不恒等电路。基于这个技术，双频枝节被设计和制造。仿真和测试结果展示了良好的建议和验证提出的想法。一个使用双频枝节技术有2个传输零点的多层次的带通滤波器被设计。提出的带通滤波器的大小比同类微带滤波器减少了一半，该结构可以找到许多潜在应用在微波多层电路的设计。