CN1874056B

CN1874056B - 左手微带传输线以及基于该传输线构成的时间延迟线

Info

Publication number: CN1874056B
Application number: CN2006100880172A
Authority: CN
Inventors: 朱旗; 陈立均
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2006-06-17
Filing date: 2006-06-17
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2026-06-17
Also published as: CN1874056A

Abstract

本发明提出了一种左手微带传输线以及基于该传输线构成的时间延迟线，属微波技术领域。该左手微带传输线以及基于其构成的时间延迟线由介质覆导体板制作而成；在介质板上表面的导体层上制作两幅相向交叉放置的平面交指结构构成电容，并在每幅平面交指结构的外侧交指或边带上制作过孔，由置于过孔中的导体将介质板上、下表面层的电容和地相连构成电感；传输线的信号输入和输出端口分别位于交指电容两端的边带上。本发明的左手传输线在平面载体上直接实现了串联电容和并联电感，结构紧凑，易于加工，体积小，损耗低，能够直接应用于微带集成电路；且具有对称结构，可调参数多，可以容易地实现工作频带的调节以适合不同性能要求，实现不同应用。

Description

左手微带传输线以及基于该传输线构成的时间延迟线

一.技术领域：

本发明属微波技术领域，涉及到传输线结构以及利用该传输线设计的时间延迟线。

二.背景技术：

传输线和时间延迟线是微波技术领域中的常见器件，在多种场合有应用，如信号处理系统，雷达系统和相控天线阵列等。

左手传输线是近年来提出的新概念，利用它进行微波传输时具有一些优异的电磁特性，引起了人们的关注。目前提出的左手传输线主要基于微带线和同轴线两种结构，但是目前已提出的左手传输线结构普遍存在着面积或体积较大、不易于集成的缺点。

2005年11月，萨勒海等人在美国电子电气工程师协会主办的微波理论和技术学报发表了“基于同轴波导的左手传输线的分析、建模与应用”的论文(“Analysis，modeling，and applications of coaxial waveguide-based left-handed transmission lines”，Salehi，H.；Mansour，R.；Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，Volume 53，Issue11，Nov.2005Page(s)：3489-3497)。文章利用同轴波导结构实现了微波左手传输线。其主要缺点是：采用同轴波导结构，使其无法与现有微波集成电路工艺兼容，不利于微波电路的集成化和单片实现。

2004年5月，卡洛兹等人在美国电子电气工程师协会主办的天线与传播学报发表了“左手介质的传输线实现和一种人工左手传输线的微带线实现”的论文(“Transmissionline approach of left-handed(LH)materials and microstrip implementation of an artificial LHtransmission line”，Caloz，C.；Itoh，T.；Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，Volume 52，Issue 5，May 2004Page(s)：1159-1166)。文章利用微带传输线结构实现了微波左手传输线。此文章所提出结构有如下缺点：此文章所提出结构为非互易结构，而且通过向外延伸金属层来实现接地电感，平面面积大，不利于平面微波电路设计以及器件小型化。

微波时间延迟线(或简称为延时线)在多种领域有应用，如信号处理系统，雷达系统和相控天线阵列。目前传统的时间延迟线主要种类有声表面波时间延迟线、静磁波时间延迟线、光纤时间延迟线和传输线时间延迟线等。由于前三种延迟线都需要实现微波和相应波之间的相互转换，增加了延时线器件的复杂度，因而存在损耗大、使用频率低等缺陷；而利用传统传输线当作延时线使用时，虽然不存在额外的转换问题，但由于传统传输线本身的低延时效率特性造成它效率低、体积大、插损大，难以得到实际应用。

2001年4月，芮道尔等人在美国电子电气工程师协会主办的微波理论和技术学报发表了“应用于频率调制连续波雷达系统中的精确声表面波延时线的设计、制作以及应用”的论文(“Design，fabrication，and application of precise SAW delay lines used in an FMCWradar system”，Reindl，L.；Ruppel，C.C.W.；Berek，S.；Knauer，U.；Vossiek，M.；Heide，P.；Oreans，L.；Microwave Theory and Techniques，IEEE Transactions on，Volume 49，Issue4，Part 2，April 2001Page(s)：787-794)。声表面波延时线将电磁波信号转换为声波信号，利用声表面波传播速度远小于电磁波的传播速度，从而达到时间延时的目的。其优点是体积小；其缺点是：需要实现电磁波和声波间的相互转换，损耗大、使用频率低等。

2002年9月，考伯建斯基等人在美国电子电气工程师协会主办的磁学学报发表了“用于微波信号的有源静磁波延时线”的论文(“Active magnetostatic wave delay line formicrowave signals”，Kobljanskyj，Y.V.；Melkov，G.A.；Pan，V.M.；Tiberkevich，V.S.；Slavin，A.N.；Magnetics，IEEE Transactions on Volume 38，Issue 5，Part 1，Sept.2002Page(s)：3102-3104)。静磁波延时线利用静磁波在铁磁性材料中传播速度小的原理实现所传输的信号延时。其优点是体积较小；其缺点是：需要实现微波和静磁波间的相互转换，损耗大、色散严重等。虽然有源静磁波延时线通过反射信号办法可以部分降低损耗，但该工作方式使得天线相互间互耦增加不利于天线阵列工作。

2004年9月，Xu等人在电子学快报上发表了“小型化渐开线型光纤延时线”的论文(“Compact involute optical delay line”，Xu，J.；Lu，Z.；Zhang，X.-C.；Electronics Letters，Volume 40，Issue 19，16Sept.2004Page(s)：1218-1219)。光纤延时线具有损耗小、带宽大等优点；其缺点是：需要实现电磁波和光波间的相互转换，存在着光微波转换效率低、需要额外的光电器件及其相应的电源等缺点。

2004年11月，Su等人在美国电子电气工程师协会主办的微波理论与技术学报发表了“宽带超导微带延时线”的论文(“Wide-Band Superconducting Microstrip Delay Line”，Hieng Tiong Su，Yi Wang，Frederick Huang，and Michael J.Lancaster，IEEETRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES，VOL.52，NO.11，NOVEMBER 2004，page(s)：2482-2487)，利用超导材料实现传统传输线结构的延时线。传统传输线延时线效率低，利用传统传输线构成的延时线的优点是：设计简单；缺点是：体积大、插损大。虽然利用超导材料可以降低插损，但同时也带来了成本上升，制造困难的缺点，另外其延时效率低，体积大的缺点仍无法克服。

上述文献表明，声表面波延时线、静磁波延时线以及光纤延时线均需要额外的转换器以分别实现微波和声表面波、微波和静磁波以及微波和光波的相互转换，从而增加了延时线器件的复杂度，导致损耗增大，这是此类延时线的主要缺点。而传输线延时线则因为其低的延时效率而难以得到应用。

三.发明内容：

本发明的技术目的：提出一种结构紧凑的平面型的左手微带传输线，以克服现有左手微带传输线存在的面积或体积较大、不易于集成的缺点；并基于此种左手微带传输线构造小型化的时间延迟线，以克服现有时间延迟线存在的体积大、损耗大、效率低等缺点。

本发明的技术解决方案如下：

左手微带传输线由介质覆导体板制作而成，其中间层为介电常数大于1的介质板，上、下表面层为金属导体；介质板下表面的导体层为传输线的地；在介质板上表面的导体层上制作两幅相向交叉放置的平面交指结构构成电容，每幅平面交指结构至少为两根交指、由其一端的边带相连；并在每幅平面交指结构的外侧交指或边带上制作至少一个过孔，由置于过孔中的导体将介质板上、下表面层的电容和地相连构成电感，过孔的直径应小于所处交指或边带的宽度；传输线的信号输入和输出端口分别位于交指电容两端的边带上。

上述左手微带传输线中的交指间隙为0.05～0.2mm，交指宽度为0.1～0.8mm，边带宽度为0.1～0.8mm。

利用上述左手微带传输线，本发明还实现了有较大时间延迟效率的时间延迟线：该时间延迟线由上述左手微带传输线构成，即由介质覆导体板制作而成，其中间层为介电常数大于1的介质板，上、下表面层为金属导体；介质板下表面的导体层为传输线的地；在介质板上表面的导体层上制作两幅相向交叉放置的平面交指结构构成电容，每幅平面交指结构至少为两根交指、由其一端的边带相连；并在每幅平面交指结构的外侧交指或边带上制作至少一个过孔，由置于过孔中的导体将介质板上、下表面层的电容和地相连构成电感，过孔的直径应小于所处交指或边带的宽度；传输线的信号输入和输出端口分别位于交指电容两端的边带上。

上述基于左手微带传输线的时间延迟线中的交指间隙为0.05～0.2mm，交指宽度为0.1～0.8mm，边带宽度为0.1～0.8mm。

本发明的优点：

本发明实现的左手传输线基于平面交指结构并且在交指上过孔接地，在平面载体(即介质覆导体板)上直接实现了串联电容和并联电感，结构紧凑，易于加工，体积小，损耗低，能够有效地克服前人提出的左手微带传输线面积大，加工困难，且不易应用于微带集成电路的缺点。本发明实现的左手传输线具有对称结构(即为互易结构)，可调参数很多，可以容易地实现工作频带的调节以适合不同性能要求，实现不同应用。

基于本发明的左手传输线实现的时间延迟线，具有传统微带结构无可比拟的体积优势，同时在性能上也有很大提高，延时效率高、损耗小，在雷达、相控天线阵列中应用具有很大优势。利用左手传输线构成的延时线不需要任何有源器件、不需要能量转换、可直接制作在介质覆导体板(例如普通的印刷电路板)上、可以和微波电路直接制作在一起，可以克服已有时间延迟线中存在的问题。

四.附图说明：

图1为本发明左手微带传输线的实施例1结构三维示意图。

图2为本发明左手微带传输线的实施例1结构侧视示意图。

图3为本发明左手微带传输线的实施例1结构俯视示意图。

图4为本发明左手微带传输线的实施例2结构三维示意图。

图5为本发明左手微带传输线的实施例2结构俯视示意图。

图6为本发明时间延迟线的实施例1结构三维示意图。

图7为本发明时间延迟线的实施例1结构俯视示意图。

图8为本发明时间延迟线的实施例2结构三维示意图。

图9为本发明时间延迟线的实施例2结构侧视示意图。

图10为本发明时间延迟线的实施例2结构俯视示意图。

图11为本发明时间延迟线的实施例3结构三维示意图。

图12为本发明时间延迟线的实施例3结构俯视示意图。

图13为本发明时间延迟线的实施例1的散射参数示意图。

图14为本发明时间延迟线的实施例1的散射参数S21相位示意图。

图15为本发明时间延迟线的实施例2的散射参数示意图。

图16为本发明时间延迟线的实施例2的散射参数S21相位示意图。

图17为本发明时间延迟线的实施例3的散射参数示意图。

图18为本发明时间延迟线的实施例3的散射参数S21相位示意图。

五.具体实施方式：

下面结合实施例和附图，进一步说明本发明。但本发明并不仅限于此。

以下实施例均为单元结构，在具体使用时也可以按照实际需求将其串联，即后一单元的输入端与前一单元的输出端依次相连。前后单元中所采用的某些参数也可以不一致，具体可以根据实际需要进行微量调整。

左手微带传输线实施例1

本实施例中左手微带传输线单元是在常规的印刷电路板上制作的，印刷电路板为最常见的介质覆导体板，其上表面层1、下表面层2为金属导体铜，厚度为0.004mm，由下表面层的金属铜构成左手传输线的地，中间层3为介电常数9.8、厚度为0.254mm的Rogers TMM 10i介质板。在上表面层采用印刷电路工艺制作金属交指电容4，交指对数为5对(即每幅平面交指结构中有5根交指)，两幅平面交指结构交叉平行放置，内侧4对交指宽度0.1mm，交指间距0.1mm，交指长度1mm；最外侧1对交指宽度0.3mm，交指间距0.1mm，交指长度1mm。每幅平面交指结构外端由边带5将各交指相连成为整体，边带宽0.1mm，边带长2.3mm。输入、输出端口6的馈线分别位于两幅交指结构的边带的中央，馈线宽度0.24mm。上表面层的交指结构通过2个短路钉(实心圆柱形金属铜，半径0.15mm，高度0.254mm)与下表面层相连。2个短路钉均垂直穿过介质层，分别位于最外侧两个交指的末端所打的过孔7中。

此实施例在1.0GHz-7.2GHz之间的频带范围内表现出相位超前的左手特性。

左手微带传输线实施例2

本实施例中左手微带传输线单元是在常规的印刷电路板上制作的，印刷电路板的上表面层1、下表面层2为金属导体铜，厚度为0.004mm，由下表面层的金属铜构成左手传输线的地，中间层3为介电常数2.2、厚度为0.254mm的Rogers RT/duroid5880介质板。在上表面层采用印刷电路工艺制作金属交指电容4，交指对数为3对，两幅平面交指结构交叉平行放置，内侧2对交指宽度0.1mm，交指间距0.1mm，交指长度1mm；最外侧1对交指宽度0.3mm，交指间距0.1mm，交指长度1mm。每幅平面交指结构外端由边带5将各交指相连，边带宽0.2mm，边带长2.4mm。输入、输出端口6的馈线分别位于两幅交指结构的边带的中央，馈线宽度0.24mm。上表面层的交指结构通过2个短路钉(实心圆柱形金属铜，半径0.15mm，高度0.254mm)与下表面层相连。2个短路钉均垂直穿过介质层，分别位于最外侧两个交指的末端所打的过孔7中。

此实施例在7.0GHz-19.0GHz之间的频带范围内表现出相位超前的左手特性。

在左手传输线的研究过程中，我们发现，左手传输线除具有传输损耗小、体积小等优点外，还具有传输信号相位随频率变化比传统传输线剧烈的特点。基于此，我们进一步提出了利用左手传输线延时线的设计。以下为左手延时线的具体实施例。

时间延迟线实施例1

本实施例中基于左手微带传输线的时间延迟线也是在印刷电路板上制作的，印刷电路板的上表面层1、下表面层2为金属导体铜，厚度为0.004mm，由下表面层的金属铜构成左手传输线的地，中间层3为介电常数2.2、厚度为0.254mm的RogersRT/duroid 5880介质板。在上表面层采用印刷电路工艺制作金属交指电容4，交指对数10对，两幅交指结构交叉平行放置，交指宽度0.1mm，交指间距0.1mm，交指长度4mm。每幅交指结构外端连有边带5，边带宽0.1mm，边带长3.9mm，输入、输出端口6的馈线分别位于两幅交指结构的边带的中央，馈线宽度0.776mm。上表面层的交指结构通过2个短路钉(实心圆柱形金属铜，半径0.05mm，高度0.254mm)与下表面层相连。2个短路钉均垂直穿过介质层，分别位于从两侧由外向内数第三根交指和其边带的交点处所打的过孔7中。

此实施例在4.2GHz-5.8GHz之间的频带范围内实现660ps延时。

图13为此实施例散射参数示意图，由图可见，在4.2GHz-5.8GHz频率范围内，散射参数S11＜-15dB，通带性能良好。

图14为此实施例散射参数S21相位示意图，由图可见，在4.2GHz-5.8GHz频率范围内，散射参数S21相位-频率曲线的线性度良好，可在此工作频带内实现恒定延时。

时间延迟线实施例2

本实施例中基于左手微带传输线的时间延迟线也是在印刷电路板上制作的，印刷电路板的上表面层1、下表面层2为金属导体铜，厚度为0.004mm，由下表面层的金属铜构成左手传输线的地，中间层3为介电常数9.8、厚度为0.254mm的RogersTMM 10i介质板。在上表面层采用印刷电路工艺制作金属交指电容4，交指对数11对，两幅交指结构交叉平行放置，内侧10对交指宽度0.1mm，交指间距0.1mm，交指长度1.135mm；最外侧1对交指宽度0.3mm，交指间距0.1mm，交指长度0.535mm，每幅交指结构外端连有边带5，边带宽0.1mm，边带长4.5mm，输入、输出端口6的馈线分别位于两幅交指结构的边带的中央，馈线宽度0.24mm。上表面层的交指结构通过2个短路钉(实心圆柱形金属铜，半径0.15mm，高度0.254mm)与下表面层相连。2个短路钉均垂直穿过介质层，分别位于最外侧两个交指的末端所打的过孔7中。

此实施例在9GHz-10GHz之间的频带范围内实现275ps延时。

图15为此实施例散射参数示意图，由图可见，在9GHz-10GHz频率范围内，散射参数S11＜-13dB，通带性能良好。

图16为此实施例散射参数S21相位示意图，由图可见，在9GHz-10GHz频率范围内，散射参数S21相位-频率曲线的线性度良好，可在此工作频带内实现恒定延时。

时间延迟线实施例3

本实施例中基于左手微带传输线的时间延迟线也是在印刷电路板上制作的，印刷电路板的上表面层1、下表面层2为金属导体铜，厚度为0.004mm，由下表面层的金属铜构成左手传输线的地，中间层3为介电常数2.2、厚度为0.254mm的RogersRT/duroid 5880介质板。在上表面层采用印刷电路工艺制作金属交指电容4，交指对数3对，两幅交指结构交叉平行放置，交指宽度0.1mm，交指间距0.1mm，交指长度1.415mm。每幅交指结构外端连有边带5，边带宽0.1mm，边带长1.4mm，输入、输出端口6的馈线分别位于两幅交指结构的边带的中央，馈线宽度0.776mm。上表面层的交指结构通过2个短路钉(实心圆柱形金属铜，半径0.05mm，高度0.254mm)与下表面层相连。2个短路钉均垂直穿过介质层，分别位于两个边带的最外侧所打的过孔7中。

此实施例在18.5GHz-21.5GHz之间的频带范围内实现50ps延时。

图17为此实施例散射参数示意图，由图可见，在18.5GHz-21.5GHz频率范围内，散射参数S11＜-18dB，通带性能良好。

图18为此实施例散射参数S21相位示意图，由图可见，在18.5GHz-21.5GHz频率范围内，散射参数S21相位-频率曲线的线性度良好，可在此工作频带内实现恒定延时。

Claims

1.一种左手微带传输线，由介质覆导体板制作而成，其中间层为介电常数大于1的介质板，上、下表面层为金属导体；介质板下表面的导体层为传输线的地；在介质板上表面的导体层上制作两幅相向交叉放置的平面交指结构构成电容，每幅平面交指结构至少为两根交指、由其一端的边带相连；传输线的信号输入和输出端口分别位于交指电容两端的边带上；其特征在于：在每幅平面交指结构的外侧交指或边带上制作至少一个过孔，由置于过孔中的导体将介质板上、下表面层的电容和地相连构成电感，过孔的直径应小于所处交指或边带的宽度；所述的交指间隙为0.05～0.2mm，交指宽度为0.1～0.8mm，边带宽度为0.1～0.8mm。

2.一种时间延迟线，基于传输线而构成，其特征在于：构成该时间延迟线的传输线为左手微带传输线，该左手微带传输线由介质覆导体板制作而成，其中间层为介电常数大于1的介质板，上、下表面层为金属导体；介质板下表面的导体层为传输线的地；在介质板上表面的导体层上制作两幅相向交叉放置的平面交指结构构成电容，每幅平面交指结构至少为两根交指、由其一端的边带相连；传输线的信号输入和输出端口分别位于交指电容两端的边带上；在每幅平面交指结构的外侧交指或边带上制作至少一个过孔，由置于过孔中的导体将介质板上、下表面层的电容和地相连构成电感，过孔的直径应小于所处交指或边带的宽度；所述的构成该时间延迟线的左手微带传输线中的交指间隙为0.05～0.2mm，交指宽度为0.1～0.8mm，边带宽度为0.1～0.8mm。