基于基片集成波导的宽带带通滤波器和Fabry-Perot谐振天线研究

发布时间：2018-04-11 02:02

本文选题：超宽带带通滤波器 + Fabry-Perot谐振天线　；参考：《中国科学技术大学》2014年博士论文

【摘要】：随着基片集成波导(SIW)结构基础理论研究的不断发展完善,各种基于SIW的有源及无源器件研究工作进展迅速。滤波器(尤其是带通滤波器)和天线是其中两个重要的研究内容,也是无线通信系统中必不可少的两个重要元件：天线氮责发射和接受信号；滤波器需要滤除镜频一类的干扰信号,抑制杂散信号,以保证所需的频段上信息的完整性和正确性。超宽带(UWB)系统因其高速率数据传输、低能量密度和低传输能量的特点得到广泛应用,而UWB带通滤波器是其中的一个关键元件,高选择性的宽带带通滤波器可用来抑制不需要的信号,并改善UWB系统的性能。在高速的WLAN、卫星信号接收以及各种点对点无线连接应用中,都需要低成本的高增益平面天线。传统的通过天线阵列实现高增益的方法,要求复杂的馈电网络,并且影响天线效率,而Fabry-Perot(FP)谐振天线只需单个馈源即可实现高增益,因此受到广泛的关注。本文将基于基片集成波导结构,研究和分析高选择性的UWB带通滤波器和低剖面的基板集成Fabry-Perot谐振天线。首先综述了基片集成波导结构在滤波器设计中的应用和发展、Fabry-Perot谐振天线的发展历史和趋势。论文的第四章介绍了Fabry-Perot谐振天线的基本理论和工作原理,推导了双侧部分反射板组成的和单侧部分反射板的两种形式的Fabry-Perot皆振天线的基本特征参数,并对其实现低剖面化的机理进行了分类分析。论文的第二、三、五章分别针对IADGS级联HMSIW的高选择性超宽带滤波器、SIW/HMSIW加载ADGS的高选择性宽带滤波器和SIW槽馈电的基板集成亚波长Fabry-Perot皆振天线进行了分析和研究。级联高通/低通滤波器法是设计UWB带通滤波器的一种最直观的方法。论文首先介绍了具有准椭圆函数低通滤波特性的非对称缺陷地结构(ADGS),并对改进型的非对称缺陷地结构(IADGS)通带内回波损耗和带外抑制的改善,做出了合理的理论解释,进而给出了具有高截止频率的IADGS单元的设计步骤。接着,设计了多个IADGS单元组成的高选择性低通滤波器,并级联具有较宽纯主模工作频带的HMSIW高通结构,实现了通带约为5.8-10.6GHz的高选择性UWB带通滤波器。 ADGS结构单元可直接应用到SIW的顶层或底层的金属宽边的中心线上,也可蚀刻在HMSIW的开放边界对应的金属地附近,同样能在高频端表现出准椭圆函数的带阻特性。这样就在天然高通的导波结构中加载了低通结构单元,或者叫带隙结构单元,可用来实现宽带的带通滤波器,结构更加紧凑。通过HMSIW加载ADGS单元同样实现了通带约为5.8-10.6GHz的高选择性UWB带通滤波器,SIW上层金属宽边加载ADGS则实现了具有高选择性的30%分数带宽C波段带通滤波器。最后提出并研究了一种新型的SIW槽馈电的基板集成亚波长Fabry-Perot谱振天线。采用基片集成波导上才层金属宽边开纵槽的激励形式,结合部分反射人工磁导体以及介质基板镇充腔,有效地降低了天线高度以适应普通PCB电路系统的要求。为进一步降低天线高度,空气腔被介质基片填充,形成一种新型的结构稳定的全基片集成的FP谐振天线,便于与电路板集成。研究分析了基片集成波导纵槽馈电形式对天线增益宽带的影响,与传统的长微带激励的贴片馈源形式相比,基片集成波导双纵槽馈源使得FP谐振天线的主波方向保持在正方向上,并且随频率变化不敏感;欧姆损耗和介质损耗都有明显的减小,捉高了天线的辐射效率。仿真和实验结果都表明,该天线具有低剖面、高增益、高效率和稳定的正方向辐射等一系列优点。同时,易于与电路板系统集成和结构鲁棒性好的特点又使其便于大规模的低成本生产。
[Abstract]:With the continuous development of the basic theory of substrate integrated waveguide ( SIW ) structure , the research work of various active and passive devices based on SIW has progressed rapidly . The filters ( especially bandpass filters ) and antennas are two of the important research contents , and are necessary two important elements in the wireless communication system : the antenna nitrogen is responsible for transmitting and receiving signals ;
Ultra - wideband ( UWB ) systems are widely used because of their high rate data transmission , low energy density and low transmission energy .

The application and development of the integrated waveguide structure in filter design and the history and trend of Fabry - Perot resonant antenna are reviewed firstly . The basic theory and working principle of Fabry - Perot resonant antenna are introduced in chapter 4 . The basic characteristic parameters of Fabry - Perot resonator antenna are analyzed . The second , third and fifth chapters of this paper are respectively analyzed and studied for high - selectivity ultra - wideband filter of IADGS cascade HMSIW , SIW / HMSIW high - selectivity broadband filter and SIW slot - fed substrate integrated sub - wavelength Fabry - Perot resonator antenna .

In this paper , we introduce an asymmetric defect ground structure ( ADGS ) with quasi - elliptic function low - pass filtering characteristics , and provide a reasonable theoretical explanation for the improved asymmetric defect ground structure ( IADGS ) band . Then , a high - selectivity low - pass filter with high cut - off frequency is designed .

The ADGS unit can be directly applied to the center line of the metal broad side of SIW top layer or bottom layer , can also be etched near the metal ground corresponding to the open boundary of HMSIW , and can also show quasi - elliptic function band - resistance characteristic at high frequency end .

In order to further reduce the height of the antenna , the air cavity is filled with the dielectric substrate to form a novel structure - stabilized full - substrate integrated FP resonant antenna .

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN713;TN820

【参考文献】