新型基片集成导波结构的原理及应用研究

摘要

为适应电子与通信技术飞速发展的局面，微波毫米波集成电路及系统正在向高性能、低成本、高集成度和小型化方面快速发展。得益于微电子技术的进步，微波毫米波有源电路，如混频器、振荡器、放大器，甚至收发信机等，已逐步从立体电路、混合集成电路，发展到今天的单片集成电路。因此，无源电路，如滤波器、双工器、功率分配器/合成器、定向耦合器等，成为影响微波毫米波系统整体集成度的关键因素。基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide：SIW)作为一种新型的导波结构兼具了普通金属波导高品质因数、大功率容量等优点和微带电路易于加工、造价低和平面集成等优点，因而近年来得到广泛的研究和应用。SIW结构完全由介质基片和其上的金属化通孔阵列构成，可以采用标准的印刷电路板(PCB)工艺、低温共烧陶瓷(LTCC)工艺以及薄膜(Thin-Film)工艺来进行加工。在加工成本方面，这几类工艺与传统波导形式的微波毫米波器件相比具有明显的优势。
　　 为了进一步减小尺寸，又陆续出现了半模基片集成波导(Half Mode SIW：HMSIW)和折叠基片集成波导(Folded Substrate Integrated Waveguide：FSIW)等新型导波结构。HMSIW继承了SIW的优点，同时在尺寸上较SIW减小约50％。FSIW采用双层PCB结构对SIW进行折叠，在尺寸上也减小了约50％。
　　 最近，又进一步提出了折叠半模基片集成波导(FoldedHMSIW：FHMSIW)导波结构，其横向尺寸只有HMSIW的约一半和SIW的四分之一。从而为实现高集成度、小体积、低损耗的微波毫米波系统提供了一种有效的途径。
　　 FHMSIW技术目前处于刚刚兴起的阶段，因此有许多理论问题需要研究，有很多应用领域亟待开拓。本文重点对FHMSIW的传输特性、高性能FHMSIW器件进行研究，此外还研究了SIW和HMSIW馈电的印刷宽带八木天线和对数周期偶极子阵列天线。论文的主要研究工作包括：
　　 第一章介绍了FHMSIW的工作原理，分析了其由SIW、HMSIW和FSIW演变而来的过程；对FHMSIW与微带线之间的转换器进行了分析设计，并给出了测试结果；最后分析了FHMSIW的传输特性。
　　 第二章研究了FHMSIW定向耦合器并与FSIW定向耦合器进行了比较。提出并设计了下列器件：FHMSIW定向耦合器、FHMSIW双缝定向耦合器、FSIW定向耦合器和FSIW双缝定向耦合器。所有设计与仿真结果都进行了实验验证，实验数据与仿真结果的一致验证了设计的正确性。相关研究结果在IEEEMicrowave and Wireless Components Letters(SCI：000258373400006：EI：20083411465772)和ICMMT'2008(EI：20083711539557)国际会议上发表，并提交了发明专利申请。
　　 第三章研究了FHMSIW滤波器。利用耦合矩阵理论和电磁仿真相结合的方法，提出并设计了FHMSIW中间金属层槽缝式和上层金属槽缝式两种滤波器，与相同工作频率的HMSIW槽缝式滤波器相比，除了保持宽带、功率容量大和容易平面集成等优点外，面积进一步缩小。研究结果将在“电子学报”上发表并提交了发明专利申请。
　　 第四章研究了HMSIW和SIW馈电的基片集成八木天线。利用HMSIW和SIW结构的平衡性实现Balun功能为平面印刷八木天线馈电。首先设计了SIW馈电的八木天线，为了进一步减小馈电系统的体积并扩展带宽，又设计了HMSIW馈电的八木天线。其中，HMSIW馈电的八木天线相对带宽约为30％(VSWR＜2)，增益可达10dB，实现了宽带、高增益、低剖面的印刷八木天线。研究结果在APMC'2008国际会议上发表并提交了发明专利申请。
　　 第五章研究了HMSIW和SIW馈电的基片集成对数周期偶极子天线及阵列。设计并实现了Ka波段SIW馈电的印刷对数周期天线及IX4阵列天线。为了进一步减小馈电系统的体积和扩展带宽，设计并实现了工作频率范围为15GHz～40GHz的HMSIW馈电的印刷对数周期天线。该天线带宽大约为1.7个倍频程(VSWR＜2)，同时其最大增益出现在Theta=00，显示了其良好的端射天线性能。实现了宽带、低剖面、低成本的平面印刷LPDA天线。相关研究结果发表在“微波学报”并提交了发明专利申请。

目录

文摘

英文文摘

声明

绪论

1.相关领域研究的背景与现状

2.基片集成波导的研究现状

3.论文的研究目标和主要内容

【参考文献】

第一章折叠半模基片集成波导

1.1 SIW基本结构

1.2 SIW与平面微带结构之间的转接器设计

1.3 HMSIW基本结构

1.4 FSIW基本结构

1.5 FHMSIW基本结构及设计方法

1.6 FHMSIW的传播特性

1.7小结

【参考文献】

第二章折叠半模基片集成波导定向耦合器

2.1研究基础

2.2 SIW定向耦合器

2.3 HMSIW定向耦合器

2.4 FSIW定向耦合器

2.5 FSIW双缝定向耦合器

2.6 FHMSIW定向耦合器

2.7 FHMSIW双缝定向耦合器

2.8 小结

【参考文献】

第三章折叠半模基片集成波导滤波器

3.1滤波器设计基础

3.2 FHMSIW金属槽缝式滤波器结构

3.3 FHMSIW金属槽缝式滤波器的实现步骤

3.4 FHMSIW中间金属层槽缝式滤波器实例

3.5 FHMSIW上层金属层槽缝式滤波器实例

3.6 FSIW波导耦合谐振腔滤波器的设计

3.7 小结

【参考文献】

第四章基片集成宽带八木天线设计

4.1研究背景

4.2 SIW馈电的八木天线

4.3 HMSIW馈电的八木天线

4.4 HMSIW馈电多引向器八木天线

4.5 小结

【参考文献】

第五章基片集成宽带对数周期偶极子阵列天线

5.1 LPDA天线

5.2 SIW馈电的PLPDA天线

5.3 SIW功分器的设计

5.4 1X4 SIW馈电的宽带PLPDA天线阵列

5.5 HMSIW馈电的宽带PLPDA天线

5.6小结

【参考文献】

结论与展望

1 总结

2展望

作者简介

致谢