微波毫米波基片参数提取与平面无源元件的设计与实现

发布时间：2017-10-05 00:10

  本文关键词：微波毫米波基片参数提取与平面无源元件的设计与实现

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【摘要】：近年来,随着无线通信的飞速发展,微波低频段频谱资源日趋枯竭,开发微波高频段乃至毫米波亚毫米波频段的频谱资源已成为当前的研究热点。获取介质基片特性是设计与实现微波毫米波电路与系统的前提,厂家通常会给出介质基片在微波低频段如10GHz频率处的特性参数。然而对于微波高频段特别是毫米波亚毫米波频段,则需要设计者自己准确地提取基片的特性参数,否则设计的元部件性能可能和预期有较大的偏差。本文主要针对微波高频段以及毫米波亚毫米波频段开展基片参数的提取和一些关键无源元件的研究,提出了一种基片参数的提取方法和一种传输线传输特性的提取方法、以及几种适用于微波毫米波频段乃至亚毫米波频段的新型谐振结构,并在此基础上开展了对无源元件设计与实现的研究。论文的主要工作如下：第一章首先对基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)腔体的损耗进行了研究,提出了一种提取基片介质材料和粗糙金属层相应参数的SIW谐振腔差分法。通过分析不同基片厚度及不同宽度的SIW腔体的无载品质因数(Unloaded Q-factor),分别获得了基片材料的介质损耗、粗糙金属层的等效导电率以及金属化通孔的金属损耗。同时,基于Newton-Raphson优化算法由SIW腔体的谐振频率得出基片材料的介电常数实部。通过对10-30GHz频率范围内Rogers5880基片复介电常数的测量与分析,验证了该方法的有效性和正确性,并讨论了粗糙金属层对基片的介电系数提取的影响。此外,利用SIW结构中电场分布只有垂直分量的特点,还可分析基片材料的各向异性特性。通过分析SIW传输线的衰减常数与SIW腔体的无载品质因数之间的关系,进而提出了利用SIW谐振腔提取SIW传输线衰减常数的新方法,其误差远小于Thru-Line等传统方法。上述研究结果已经或即将发表于IEEE APMC2012, IEEE MWCL, vol.23, no.12,2103、 IEEE Trans. on MTT, vol.63, no.1,2015。第二章提出了一种新型的三模SIW谐振腔结构,并对其进行了深入研究。该结构是在圆形或正方形SIW谐振腔的中心加载一金属通孔。受金属通孔的影响,主模谐振频率上升至二次模谐振频率附近,而腔体的二次模谐振频率基本保持不变。在尺寸上,该结构和双模SIW谐振腔基本一致。同时腔体的上下表而保持全封闭结构,因而该腔体结构具有较高的品质因数。基于该三模SIW谐振腔结构,设计了一组三模SIW滤波器。同时,将测量结果与基于第一章中SIW谐振腔差分法所得参数和厂家所提供参数的仿真结果分别进行了分析和对比,结果表明第一章的SIW谐振腔差分法能在设计中有效地缩小了仿真结果和实测结果间的偏差。与双模SIW滤波器相比,三模SIW滤波器的相对带宽和下边带频率选择特性均有一定的提升。研究结果已发表于IEEE MWCL, vol.23,no.5,2103。第三章主要研究了具有极化扭转功能的频率选择表面。在透射式极化扭转频率选择表面(Frequency Selective Surfaces, FSSs)的设计中应用了第二章提出的三模SIW谐振腔,该FSS能同时实现入射波和透射波极化隔离以及滤除带外信号的功能。相比于现有报道中基于双模SIW谐振腔的FSS,该FSS相对带宽增加了约57%,并在下边带引入了一个传输零点,因此FSS的频率选择特性得到了显著的改善。为了确保FSS在更宽的入射角范围内性能保持稳定,根据Antenna-Filter-Antenna Array (AFA Array)理论设计了一种小型化的SIW FSS,并对其进行了详细的原理分析。最后,设计并实现了。一种基于SIW技术的反射式FSS。在本章的频率选择表面设计中,均采用了第一章中由SIW谐振腔差分法所提取的基片参数。部分研究结果已发表在IEEE AWPL,vol.12,2013 和 IEEE Trans. on AP, vol.62, no.2,2014。第四章主要开展了基于CMOS工艺和MEMS工艺的毫米波亚毫米波传输线和无源元件的研究。首先分析了CMOS微带传输线的传输特性,给出了其100-325GHz的传播常数,测量结果和仿真结果基本一致。通过全波仿真研究了谐振腔法提取MEMS空气填充波导传输特性的可行性。同时,对比分析了空气填充的主模和高次模波导腔的特性,并基于高次模波导腔设计了一组滤波器。此外,对毫米波亚毫米波频段的频率选择表面也开展了研究。提出了一种新型“波导谐振器”结构,该结构具有优良的物理机械强度,且结构简单、易于加上。
【关键词】：微波毫米波 介电常数 传播常数 三模谐振腔 滤波器 频率选择表面 极化扭转器
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN61
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 绪论11-23
• §1 研究背景11
• §2 研究现状11-13
• §3 论文的研究目标和主要工作13-16
• [参考文献]16-23
• 第一章 微波毫米波基片参数的提取23-51
• §1.1 研究背景23-24
• §1.2 SIW谐振腔差分法24-37
• §1.2.1 SIW谐振腔差分法的原理24-27
• §1.2.2 SIW谐振腔Q_u的提取27-29
• §1.2.3 实验验证及测量结果的讨论29-37
• §1.3 平面集成电路方法测量基片材料特性的比较37-42
• §1.3.1 基片材料各向异性提取方法的讨论37-40
• §1.3.2 测量灵敏度的对比40-42
• §1.4 SIW传输线衰减常数提取的谐振法42-47
• §1.4.1 谐振法的基本原理42-45
• §1.4.2 实验验证及讨论45-47
• §1.5 本章小结47-48
• [参考文献]48-51
• 第二章 一种新型三模SIW谐振腔51-67
• §2.1 研究背景及现状51-52
• §2.2 三模SIW谐振腔52-58
• §2.2.1 三模SIW谐振腔的基本原理52-54
• §2.2.2 三模SIW谐振腔的等效电路模型54-58
• §2.3 基于三模SIW谐振腔的滤波器设计58-61
• §2.4 滤波器的测量结果及相关讨论61-64
• §2.5 本章小结64-65
• [参考文献]65-67
• 第三章 基片集成频率选择表面的研究67-97
• §3.1 研究现状67-69
• §3.2 频率选择表面的基本特性69-71
• §3.2.1 Floquet定理69-70
• §3.2.2 栅瓣现象70
• §3.2.3 表面波现象70-71
• §3.3 极化扭转基片集成频率选择表面的设计71-80
• §3.3.1 基于三模SIW腔的频率选择表面71-75
• §3.3.2 基片集成频率选择表面各参数的影响75-77
• §3.3.3 实验验证77-80
• §3.4 极化扭转基片集成频率选择表面的小型化设计80-86
• §3.4.1 基本原理与设计过程80-84
• §3.4.2 实验验证84-86
• §3.5 反射式极化扭转基片集成频率选择表面86-92
• §3.5.1 基本原理与设计过程86-89
• §3.5.2 实验验证89-92
• §3.6 本章小结92
• [参考文献]92-97
• 第四章 毫米波亚毫米波无源元件的参数提取与设计97-131
• §4.1 研究背景及现状97-100
• §4.2 基于CMOS工艺的毫米波亚毫米波传输线的特性研究100-108
• §4.2.1 校准方法的选择及考虑100-101
• §4.2.2 微带线传输特性的提取方法101-102
• §4.2.3 110GHz～325GHz CMOS微带线的传输特性提取102-108
• §4.3 空气填充波导的传输特性提取方法的研究108-112
• §4.3.1 谐振腔法提取波导传输特性的基本原理108-110
• §4.3.2 仿真验证及讨论110-112
• §4.4 基于MEMS工艺的波导元件设计112-121
• §4.4.1 波导谐振腔的高次模112-113
• §4.4.2 基于高次模波导腔体的滤波器113-121
• §4.5 基于MEMS工艺的频率选择表面设计121-126
• §4.6 本章小结126
• [参考文献]126-131
• 结论与展望131-135
• 作者简介135-137
• 致谢137

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