時域有限差分法計算分析非對稱共面波導(dǎo)色散特性

《時域有限差分法計算分析非對稱共面波導(dǎo)色散特性》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、時域有限差分法計算分析非對稱共面波導(dǎo)色散特性時域有限差分法計算分析非對稱共面波導(dǎo)色散特性陳鵬，房少軍（大連海事大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連，116026）摘要：利用FDTD方法對ACPW的色散特性進行了計算與分析，給出了計算ACPW的FDTD全空間計算模型，取高斯脈沖的激勵，選擇Mur二階吸收邊界條件，計算得出幾種結(jié)構(gòu)的ACPW的特性阻抗Z0（ω），并繪出了Z0隨頻率變化的曲線。計算結(jié)果與測試值取得了良好的一致性。關(guān)鍵詞：非對稱共面波導(dǎo)，時域有限差分法，Mur邊界條件，特性阻抗Z0，色散特性中圖分類號：TN814文獻

2、識別碼：A文章編號：1引言在微波集成電路以及毫米波和光學(xué)集成電路中，共面波導(dǎo)（CPW）的應(yīng)用越來越受到重視，雖然對稱共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)較為常見，但是實際制作出來的CPW都是非對稱的，而且在微波集成元器件的研究中，非對稱共面波導(dǎo)（ACPW）的應(yīng)用也比較多，例如轉(zhuǎn)接器和耦合器等，ACPW更具有一般性和應(yīng)用靈活性。雖然已有一些學(xué)者對ACPW進行了一些研究[1][2][3][4][5]，但涉及的內(nèi)容較少，而且主要停留在靜態(tài)特性研究上，從目前的資料來看，并沒有對ACPW進行過色散特性的分析研究。自從1969年文獻[6]首先提出來

3、的CPW（對稱結(jié)構(gòu)）之后，有很多的學(xué)者都對CPW很感興趣，而且進行了各方面的研究。文獻[7]對共面波導(dǎo)進行了全波分析，并討論了特性阻抗的計算方法，文獻[8][9]取時域有限差分法（FDTD）對對稱結(jié)構(gòu)的CPW進行了全波分析，并給出了特性阻抗的曲線。文獻[1][2]于1981年首先提出了ACPW的概念并研究了介質(zhì)基片為有限厚度和無限厚度兩種ACPW；文獻[3]采用變分法研究了ACPW；1993年文獻[4]發(fā)表了非對稱共面線和ACPW的研究結(jié)果；文獻[5]采用保角變換的方法對帶底板的ACPW進行了詳細的研究。而利用FD

4、TD方法對ACPW的色散特性進行分析研究至今還未見報導(dǎo)。本文利用FDTD方法，構(gòu)造一個用于計算ACPW的FDTD計算模型，選擇合適的Mur1基金項目：國家留學(xué)基金資助項目（2004527）//.paper.edu二階吸收邊界條件[7><10]，通過高斯脈沖的激勵，一次計算可以得到時域中整個計算空間的電場和磁場的值，并通過快速傅立葉變換（FFT），計算出ACPW的Z0（ω），并對其色散特性進行了分析與討論。2ACPW結(jié)構(gòu)及色散特性2.1ACPW結(jié)構(gòu)文獻[8]給出的對稱CPW的橫截面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，本文給出了ACPW

5、的橫截面結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，w是中心導(dǎo)帶，s1和s2分別是左右槽的寬度，寬度是不相等的，金屬帶的長度視作無限長，底板w’為無限寬,厚度視作0。在這里給出了6種不同結(jié)構(gòu)的ACPW（結(jié)構(gòu)1為對稱CPW），結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。2.2色散特性數(shù)值計算CPW的結(jié)構(gòu)及邊界條件決定了它所傳輸?shù)哪闇蔜EM模，眾所周知，對于非TEM模傳輸系統(tǒng)而言，特性阻抗不是唯一的，它隨著頻率發(fā)生變化，也就是說CPW是具有色散特性的。特性阻抗Z0與系統(tǒng)中的電磁場分布緊密相連，它與電壓和電流的定義有關(guān)。因此只要知道系統(tǒng)某個橫截面上的電場和磁場的分布，就可

6、以根據(jù)定義計算出與電場分布有關(guān)的電壓V(t,z)和與磁場分布有關(guān)的電流I(t,z)。一般采用定義(,)(,,,)LVtzExyztdL=∫??（1）dLtzyxHztIC??=∫),,,(),(（2）其中L和需根據(jù)具體系統(tǒng)按定義選定。其進行FFT可得，C[]),(),(ztVFzV=ω（3）[]),(),(ztIFzI=ω（4）特性阻抗可由（3）（4）式表示為，),(),(),(0zIzVzZωωω=（5）3FDTD計算與分析3.1ACPW的FDTD計算模型首先參考文獻[8]的對稱CPW的FDTD計算的模型如圖3，

7、構(gòu)建用于計算ACPW的FDTD計算模型如圖4所示。w’swsw’hεr圖1對稱CPW的橫截面圖w’s1ws2w’εrh圖2ACPW的橫截面圖表1ACPW的結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)3結(jié)構(gòu)4結(jié)構(gòu)5結(jié)構(gòu)6w(mm)0.40.40.40.40.40.4s1(mm)0.50.60.60.60.60.6s2(mm)0.50.40.30.40.40.4h(mm)11111.52εr202020122020μr111111w’∞∞∞∞∞∞2//.paper.eduxyzεrw2sw’h金屬吸收邊界圖3對稱CPW的FDTD計算模

8、型表2FDTD計算參數(shù)對稱CPWACPWX方向的空間步長3.2FDTD計算步驟根據(jù)含時間變量的Mexwell旋度方程如式（6）和式（7），HtHEmσμ????????=×??（6）EtEHeσε+????=×??(7)利用Yee氏算法的網(wǎng)格劃分方法[11]，將上式演繹成Yee氏迭代公式，即FDTD的基本方程，取Mur二階吸收邊界條件，如圖3，4虛線所示，以