微波宽带无源器件及人工表面等离激元的研究

发布时间：2020-03-23 15:24

【摘要】：近年来,无线通信技术迅猛发展,通信容量需求日益增大,对电磁器件的研制和设计提出了更高的要求。在此背景下,宽带滤波器,功分器和天线等微波无源器件以及基于人工表面等离激元的宽带微波器件成为了电磁领域的研究热点。本论文结合实际工程背景和研究课题,提出了一批新颖的宽带无源器件,包括超宽带(Ultra Wideband,UWB)陷波功分器,宽带陷波滤波器和天线等等。与此同时,利用人工表面等离激元的概念,首次提出了差分结构的人工表面等离激元波导设计和基于共面双线的人工表面等离激元结构。此外还提出了新颖的鱼翅型人工表面等离激元波导结构。本论文的主要研究工作包括以下几方面:首先,第二章提出了一种具有可调陷波特性UWB Wilkinson功分器。通过奇偶模模式分析法,分析了一种三枝节加载陷波谐振器。并将该谐振器加载到UWB功分器中,由此实现了宽带功分器的陷波特性。该陷波的中心频率可以通过结构尺寸参数的大小来调节。测试结果表明,该功分器带内回波损耗优于10 d B,0.1GHz-8 GHz范围内除陷波频带以外,隔离度均优于18 d B。其次,第三章提出了一种新颖的基于平面微带馈线的单极子UWB天线。为了有效抑制UWB频谱内其他干扰信号,该天线拥有两个具有高频率选择性的陷波频带。该设计中的每个陷波频带都包含两个谐振模式,所以,与传统的单谐振模式陷波相比,该设计的陷波带宽更宽,更适合抑制宽带干扰信号。该陷波通过放置在天线微带馈线旁的双陷波谐振结构实现。该陷波结构是在一种简单的双模谐振器上加载两个对称高阻线并连接微带馈线。文中对该UWB陷波天线进行了物理参数扫描研究,分析并验证了高频率选择性双陷波的工作机制。最终,通过测试天线的回波损耗,辐射方向图,峰值增益等性能参数,验证了该天线拥有良好的阻抗匹配特性和辐射特性。此外,第三章还提出了一种多状态多功能UWB天线。基本的UWB天线,通过在微带馈线旁对称加载两个双模谐振器和并联枝节,实现了除UWB频率响应以外的两个工作状态:窄带带通滤波天线(通带:5.5-5.95 GHz),UWB陷波天线(通带3.1-11.5 GHz内含陷波5.15-5.8 GHz)。陷波具有较高的频率选择性。此外,本文还研究了用0?电阻代替并联加载枝节后对该天线工作状态切换的影响研究。最终,文中加工并测试了四个天线实例,验证了该多功能UWB天线的概念。第四章提出了一种新颖的微带UWB滤波器,其具有双陷波特性。这里的双陷波特性通过采用第三章提出的双陷波谐振结构来产生。所以该滤波器的每一个陷波也具有双谐振模式,高频率选择性的特点。此外,这一章在上一章的基础上,进一步更加详细的仿真分析了该陷波谐振结构的频率特性,并提出了另外一种等效电路,这为未来其他应用场景下双陷波谐振结构的设计提供了指导。为了实现了更宽频的带外抑制,缺陷地技术被应用到该设计中。第五章提出了一种工作在微波频段的新颖的鱼翅型人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons(SSPP),designer surface plasmon polaritons)波导结构。相比传统结构,该提出结构可以实现更低的色散特性,这也暗示了对表面等离激元的传播有更强的约束能力。仿真研究和测试结果表明,该结构实现了2.1-8 GHz的宽带带通频率响应。这是因为色散曲线的截止频率特性实现了高频阻带,而低频阻带则由该结构中的微带到槽线的过渡结构产生。为了进一步验证该结构的色散特性,电场分布,面电流分布,能量流分布被分别计算仿真,并展示出来。此外,现有的人工表面等离激元结构主要都是基于微带线或者槽线技术发展而来,基于此背景,该章也首次提出了基于共面双线(Coplanar Stripline,CPS)的工作在THz频段的人工表面等离激元波导结构,并通过仿真和测试实验验证了该模型的正确性。该章也首次提出了具有高共模抑制度的差分人工表面等离激元设计。最后,对整篇论文的研究工作进行总结,并对未来进行了展望。
【图文】：

谐振器,双环,频率响应,谐振结构

导通高频信号的特性。LC 集总参数电路具有体积紧凑的优势，但是构 Q 值较低，所以由该谐振结构构成的滤波器性能相对较差。另外于电感 L 和电容 C 都不是理想器件，具有寄生效应。当工作频率高之后，L 和 C 都将不会呈现其理想特性，所以该谐振结构的频率使制的。这一限制局限了 LC 集总参数谐振电路的应用场景。外一种微波滤波器的谐振结构是基于分布参数拓扑结构发展而来。元件的谐振结构可以通过各种传输线结构，诸如波导，同轴线，微出来。一般情况下，大多数微波和射频滤波器都由一个或者多个耦谐振器组成，因此设计谐振器的技术也可以用于设计滤波器。1962 G. L. Matthaei 等人提出了基于谐振器耦合的滤波器设计方法，为基振器的滤波器设计提供了理论指导[9]。年来，非常多的分布参数谐振结构被发展出来。2000 年，研究人员等人提出双环开路谐振器，这种谐振器可以实现负的介电常数和负的图 1-1 所示）。如图 1-2 所示，文献[11]提出了四分之一波长谐振器加

枝节,带通滤波器,加载,超宽带

图 1-2 四分之一波长谐振器加载开路枝节构成带通滤波器[11]时近年来，新颖的加工科技和材料技术的发展，包括微波集成电路(M系统（MEMS），微加工（Micromachining），高温超导技术（HTS瓷（LTCC）技术，激励着传输线和滤波器技术的进一步发展。同计工具诸如全波电磁场仿真器的发展，已经使得滤波器设计发生了。许多新颖的具有高性能滤波特性的滤波器设计被发展和报道出来宽带滤波器作为超宽带系统的重要组成部分，在穿墙雷达，医学成，，室内超宽带系统等诸多领域具有非常重大的影响力。2002 年，同意授权超宽带设备在不经过官方认证的情况下使用，但是超宽带谱必须严格的限定在 3.1-10.6 GHz 范围内。为了满足该要求，超发展成为了微波滤波器学术界的热点。众多超宽带滤波器被开发和，这些 UWB 滤波器的中心频点是 6.85 GHz，相对带宽为 109.5%。文献[15]和[16]分别利用交指耦合线技术和电磁带隙结构改善了超带外抑制能力。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN713

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