微波毫米波基片參數(shù)提取與平面無(wú)源元件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、近年來(lái)，隨著無(wú)線通信的飛速發(fā)展，微波低頻段頻譜資源日趨枯竭，開(kāi)發(fā)微波高頻段乃至毫米波亞毫米波頻段的頻譜資源已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。獲取介質(zhì)基片特性是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)微波毫米波電路與系統(tǒng)的前提，廠家通常會(huì)給出介質(zhì)基片在微波低頻段如10GHz頻率處的特性參數(shù)。然而對(duì)于微波高頻段特別是毫米波亞毫米波頻段，則需要設(shè)計(jì)者自己準(zhǔn)確地提取基片的特性參數(shù)，否則設(shè)計(jì)的元部件性能可能和預(yù)期有較大的偏差。本文主要針對(duì)微波高頻段以及毫米波亞毫米波頻段開(kāi)展基片參數(shù)的提取

2、和一些關(guān)鍵無(wú)源元件的研究，提出了一種基片參數(shù)的提取方法和一種傳輸線傳輸特性的提取方法、以及幾種適用于微波毫米波頻段乃至亞毫米波頻段的新型諧振結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了對(duì)無(wú)源元件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的研究。論文的主要工作如下:
　　第一章首先對(duì)基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide，SIW)腔體的損耗進(jìn)行了研究，提出了一種提取基片介質(zhì)材料和粗糙金屬層相應(yīng)參數(shù)的SIW諧振腔差分法。通過(guò)分析不同基片厚度及不同寬度

3、的SIW腔體的無(wú)載品質(zhì)因數(shù)（Unloaded Q-factor），分別獲得了基片材料的介質(zhì)損耗、粗糙金屬層的等效導(dǎo)電率以及金屬化通孔的金屬損耗。同時(shí)，基于Newton-Raphson優(yōu)化算法由SIW腔體的諧振頻率得出基片材料的介電常數(shù)實(shí)部。通過(guò)對(duì)10～30GHz頻率范圍內(nèi)Rogers5880基片復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量與分析，驗(yàn)證了該方法的有效性和正確性，并討論了粗糙金屬層對(duì)基片的介電系數(shù)提取的影響。此外，利用SIW結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)分布只有垂直分量的

4、特點(diǎn)，還可分析基片材料的各向異性特性。通過(guò)分析SIW傳輸線的衰減常數(shù)與SIW腔體的無(wú)載品質(zhì)因數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而提出了利用SIW諧振腔提取SIW傳輸線衰減常數(shù)的新方法，其誤差遠(yuǎn)小于Thru-Line等傳統(tǒng)方法。上述研究結(jié)果已經(jīng)或即將發(fā)表于IEEE APMC2012，IEEE MWCL，vol.23，no.12，2103、IEEE Trans.on MTT, vol.63,no.1,2015。
　　第二章提出了一種新型的三模SIW諧振

5、腔結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了深入研究。該結(jié)構(gòu)是在圓形或正方形SIW諧振腔的中心加載一金屬通孔。受金屬通孔的影響，主模諧振頻率上升至二次模諧振頻率附近，而腔體的二次模諧振頻率基本保持不變。在尺寸上，該結(jié)構(gòu)和雙模SIW諧振腔基本一致。同時(shí)腔體的上下表面保持全封閉結(jié)構(gòu)，因而該腔體結(jié)構(gòu)具有較高的品質(zhì)因數(shù)。基于該三模SIW諧振腔結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一組三模SIW濾波器。同時(shí)，將測(cè)量結(jié)果與基于第一章中SIW諧振腔差分法所得參數(shù)和廠家所提供參數(shù)的仿真結(jié)果分別進(jìn)行了分

6、析和對(duì)比，結(jié)果表明第一章的SIW諧振腔差分法能在設(shè)計(jì)中有效地縮小了仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果間的偏差。與雙模SIW濾波器相比，三模SIW濾波器的相對(duì)帶寬和下邊帶頻率選擇特性均有一定的提升。研究結(jié)果已發(fā)表于IEEE MWCL，vol.23，no.5，2103。
　　第三章主要研究了具有極化扭轉(zhuǎn)功能的頻率選擇表面。在透射式極化扭轉(zhuǎn)頻率選擇表面(Frequency Selective Surfaces，F(xiàn)SSs)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用了第二章提出的三模S

7、IW諧振腔，該FSS能同時(shí)實(shí)現(xiàn)入射波和透射波極化隔離以及濾除帶外信號(hào)的功能。相比于現(xiàn)有報(bào)道中基于雙模SIW諧振腔的FSS，該FSS相對(duì)帶寬增加了約57％，并在下邊帶引入了一個(gè)傳輸零點(diǎn)，因此FSS的頻率選擇特性得到了顯著的改善。為了確保FSS在更寬的入射角范圍內(nèi)性能保持穩(wěn)定，根據(jù)Antenna-Filter-Antenna Array(AFA Array)理論設(shè)計(jì)了一種小型化的SIW FSS，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的原理分析。最后，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了

8、一種基于SIW技術(shù)的反射式FSS。在本章的頻率選擇表面設(shè)計(jì)中，均采用了第一章中由SIW諧振腔差分法所提取的基片參數(shù)。部分研究結(jié)果已發(fā)表在IEEE AWPL, vol.12，2013和IEEE Trans.on AP,vol.62,no.2,2014。
　　第四章主要開(kāi)展了基于CMOS工藝和MEMS工藝的毫米波亞毫米波傳輸線和無(wú)源元件的研究。首先分析了CMOS微帶傳輸線的傳輸特性，給出了其100～325GHz的傳播常數(shù)，測(cè)量結(jié)果和仿