基于左手传输线结构的延迟线的分析

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1、中国科学技术人学硕I“{卅究生毕业论立1．1微波延迟线介绍第一章引言时间延迟线是微波技术领域中的常见器件，在多种场合具有广泛的应用，如信号处理系统。雷达系统，电子对抗系统和相控天线阵列等。作为一种微波无源两端口器件，微波延迟线使信号在两个端口问传输时延迟一段恒定的时间。目前传统的时间延迟线主要种类有声表面波时问延迟线[1，2，3]、静磁波时问延迟线[4，5，6]、光纤时间延迟线[7，8]，传输线时间延迟线和高温超导延迟线[9，10，11]等。由于前三种延迟线都需要实现微波和相应波之『自J的相互转换，增加了延迟线器件的复杂度，因而存在损耗大、使用频率低等缺陷；而利用

2、传统传输线当作延迟线使用时，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迟效率特性造成它效率低、体积大、插入损耗大，难以实际应用。1．1．1声表面波(SAgO延迟线声表面波延迟线[1，2，3]是SAW器件中最基本的一类器件，它己广泛地应用于扩频通信系统的相关解调器、雷达动目标显示器、雷达距离回波信号模拟器、延迟路径长度均衡器、电子对抗系统的回答式干扰机和多相调制器系统中，是该类系统中的关键器件。声表面波延迟线将电磁波信号转换为声表面波信号，利用声表面波传播速度远小于电磁波的传播速度(低4～5个数量级)的特点，来实现时『自J延迟。其优点：体积小、重量轻：其缺

3、点：需要实现电磁波和声波问的相互转换，损耗大、使用频率低等。声表面波延迟线由两个换能器，一段声表面波传输线组成。如图1所示，声表面波延迟线一般采用的是叉指型的换能器。它的基本结构由基片和在其中设置的输入、输出换能器组成。基片左端的叉指换能器将输入信号转变成声信号，此声信号在两个换能器之间的声媒质表面上传播，然后由基片右端的叉指换能器将声信号还原成电信号输出。延迟时问的大小取决于基片媒质的声表面波速度和两换能器之间的距离。因为声表面波在固体中的传播速度比电磁波慢五个数量级，所以用声表面波来实现信号的延迟可以大大缩小器件尺寸。中国科学技术大学硪_}研究生毕业论文豫卜一

4、，—一／b⋯lIlI{／，负载图1声表面波延迟线结构示意囤输入输出换能器分别实现电磁波向声表面波、声表面波向电磁波的转变。声表面波材料传输线通过传导声表面波的压电介质材料来获得时间延迟。由于声表面波传播速度远小于电磁波的传播速度即光速，所以声表面波延迟线可以在较小的一段长度内实现较大延迟，具有很高的延迟效率。其缺点主要由它的两个换能器引起。换能器需要特别设计，它们的存在也带来了额外的损耗，由于换能器工作在声表面波条件下，很小的波速导致换能器尺寸很小，对加工精度要求更高，增加成本，也限制了其高频率的应用。换能器的设计还带来了带宽方面的限制。1．1．2静磁波(MSW)

5、延迟线静磁波[6]是在微波频率下，在被偏置场磁化的铁氧体材料中传播的磁控电磁波。事实上它是自旋波的长波部分。由于热运动或其他因素的影响，在磁有序体(铁磁体、亚铁磁体)某处对磁性有贡献的自旋偏离了原来的有序排列方向，这个局部偏离的自旋便产生进动。由于物质内部相邻原予的电子之『自J的交换作用及磁偶极矩等相互作用，这种自旋进动状态的传播就是自旋波，它是磁有序体中自旋的集体运动模式。自旋波长范围为10一一lO-6cm，受微波频率和外加偏磁场的控制。自旋波按其波长短可分为静磁波、偶极矩一交换波和交换波三类。自旋波波长为10一一lO'4cm时称为静磁波。此时磁性体线度接近磁性

6、体内静磁波波长，因而可略去交换作用，只需考虑偶极矩的相互作用。声表面波也具有很好的慢波特性，但在微波频率下损耗太大且换能器结构十分复杂。静磁波技术是一种良好的能在微波频率下直接作模拟信号处理的新兴技术。静磁波特性概括为：●微瓦或毫瓦功率水平；中国科学技术人学倾卜研究生毕业论文能在0．5一lOOG位频率范围内工作：具有可变的传播速度(106～108c埘／s)；具有高的耦合效率，耦合损耗<2dB：传播损耗一般<0．03dB／ns；具有宽的通频带(>IGHz)；延迟时间为10～1000ns。输入围2静磁波延迟线结构示意图输入的微波信号经换能器变换为MSW。因为器件的结构

7、满足激励MSW的条件，所以在Y1G单晶薄膜中传播的是MSW，根据MSW的慢波特性，经过一段距离传播后，然后有输出换能器转换成的电磁波和输入电磁波相比延迟了一定时间。YIG单晶薄膜材料是MSW延迟线的核心，材料的铁磁共振线宽直接决定MSW的传播损耗。目前用液相外延法生长的YIG薄膜单晶材料的铁磁共振线宽的最好水平为0．150e同时在器件设计中，还要根据使用的频率范围，对材料的饱和磁化强度进行设计。换能器是在玻璃或陶瓷基片上用光刻的方法制成的。换能器的有关尺寸对换能器的效率也很大影响。静磁波延迟线[4，5，6]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

8、迟。其优点