局部基片集成人工介质特性分析及应用研究

摘要

微波器件和微带电路在无线通信领域、航空航天领域、遥感和导航等领域发挥着不可替代的作用，如何利用新材料、新结构及新工艺实现微带电路的小型化、多功能化及低成本化一直是研究人员关注的焦点。2007年，科研人员提出了一种新型人工介质，即基片集成人工介质(SIAD)。该结构通过在传统介质基片中人为地嵌入接地金属柱来提高原有介质的有效介电常数，进而减小微带电路尺寸，实现微波器件的小型化。本文在此工作的基础上，对基片集成人工介质(SIAD)进行了深入的理论分析及应用研究，主要工作如下:
　　 1、深入分析了SIAD结构实现微带电路小型化的原因。通过比较SIAD结构与普通结构微带线的特性阻抗Z(0)以及散射参量S21的相位，证明了SIAD结构能够增加微带电路的分布电容而不改进电路的分布电感，进而可以提高介质的有效介电常数，减小微带电路的尺寸。
　　 2、提出了局部基片集成人工介质(L-SIAD)结构，以克服SIAD结构过多的金属柱造成仿真时间长、加工成本高等弊端。通过实例分析比较，证明了只保留微带线正下方金属柱的L-SIAD结构，同样能够有效的减小微带电路的尺寸。并深入研究了L-SIAD结构微带线的特性阻抗Z(0)、传播常数β和衰减常数α等参量与金属柱几何参数（金属柱直径、高度及周期）的关系，为L-SIAD结构在微波工程中的应用提供了可靠的理论和实践依据。
　　 3、提出了L-SIAD结构微带线的计算机辅助设计(CAD)公式。为方便L-SIAD结构在微带电路中的应用，本文利用“合成渐近”技术推导得出了L-SIAD结构微带线的特性阻抗Z(0)、传播常数β、有效介电常数εeff等的CAD公式，并通过仿真和测试实例证明了公式的准确性和实际应用性。
　　 4、设计并加工测试了基于L-SIAD结构的小型化微带阻抗变换器、微带功率分配器、微带耦合器，并分析了这些器件的仿真和测试结果。通过和普通介质结构器件的比较得出:L-SIAD结构的微带阻抗变换器，在长度和宽度上分别减少了约55％和30％;L-SIAD结构的T型结微带功率分配器、Wilkinson功分器、双频微带Wilkinson功分器电路面积减少50％左右;L-SIAD结构的微带分支线耦合器电路面积也减少了50％。
　　 5、提出了一种基于L-SIAD结构的新型阶梯阻抗谐振器(SIR)。利用L-SIAD能够不改变微带线宽度，而通过改变金属柱参数实现不同微带线段阻抗变换的特点，设计实现了新型阶梯阻抗谐振器(SIR)。讨论并分析了不同的金属柱直径、金属柱高度和金属柱周期对谐振器谐振频率的影响，同时探讨了金属柱的结构参数对该SIR的电磁带隙(EBG)特性以及该特性对谐振器谐振频率的影响。提出了基于L-SIAD结构SIR的3.1-10.6GHz的超宽带(UWB)带通滤波器。仿真和测量结果表明，该滤波器具有良好的带通特性及很宽的高频阻带(11.5-28.5GHz)，与相关文献中的实例相比，该滤波器的整体电路面积降低了47.1％，实现了电路的小型化。
　　 6、研究了基于L-SIAD结构的蘑菇型谐振单元。分析了该谐振单元的等效电路模型及L-SIAD结构参数对谐振频率的影响。利用该谐振单元设计并加工测试了一个椭圆函数低通滤波器，仿真和测试结果说明滤波器的通带性能优良并且拥有较宽的高频阻带。与相关文献中的实例相比，该滤波器在长度和宽度方向分别减少了22.3％和59.2％。
　　 7、提出了基于L-SIAD结构的复合左/右手传输线的简化对偶模型。分析了四种复合左/右手传输线简化对偶结构的等效电路模型及其电路响应特性。利用L-SIAD结构分别实现了这四种模型的微带电路，并以低通滤波器和带通滤波器的设计为例，探讨了这四种微带电路在微带滤波器中的应用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源及研究背景

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究背景

1．1．3 人工介质发展简介

1．1．4 基片集成人工介质(SIAD)简介

1．2 国内外人工介质结构研究现状

1．2．1 异向介质研究现状

1．2．2 基片集成人工介质(SIAD)研究现状

1．3 基片集成人工介质(SIAD)目前存在的问题

1．4 本文的主要工作及章节安排

1．4．1 本文的主要工作及创新点

1．4．2 本文的章节安排

2 基片集成人工介质(SIAD)特性研究

2．1 引言

2．2 SIAD基本结构及特性分析

2．2．1 SIAD基本结构

2．2．2 SIAD特性分析

2．3 局部基片集成人工介质(L-SIAD)

2．3．1 L-SIAD基本结构

2．3．2 L-SIAD与SIAD对比分析

2．4 L-SIAD微带线的传输特性

2．4．1 传输特性分析方法

2．4．2 传输特性分析与讨论

2．5 L-SIAD微带线传输特性实验验证

2．5．1 测量原理分析

2．5．2 测量结果和讨论

2．6 本章小结

3 局部基片集成人工介质(L-SIAD))微带线CAD公式

3．1 引言

3．2 合成渐近技术介绍

3．3 CAD公式的推导

3．4 CAD公式的验证

3．5 本章小结

4 局部基片集成人工介质(L-SIAD))在微波器件中的应用

4．1 引言

4．2 L-SIAD结构微带阻抗变换器

4．2．1 双频阻抗变换器理论分析

4．2．2 25Ω到50Ω的微带阻抗变换器

4．2．3 100Ω到50Ω的阻抗变换器

4．2．4 K-渐变阻抗变换器

4．3 L-SIAD结构微带功率分配器

4．3．1 微带功分器原理

4．3．2 T型结微带功分器

4．3．3 Wilkinson微带功分器

4．3．4 双频Wilkinson微带功分器

4．4 L-SIAD结构微带分支线耦合器

4 ．4．1 分支线耦合器基本理论

4．4．2 分支线耦合器

4．4．3 双频分支线耦合器

4．5 本章小结

5 局部基片集成人工介质(L-SIAD))结构阶梯阻抗谐振器(SIR)

5．1 引言

5．2 阶梯阻抗谐振器(SIR)理论分析

5．2．1 SIR基本结构及谐振频率分析

5．2．2 多节SIR的分析方法

5．3 L-SIAD结构阶梯阻抗谐振器(SIR)

5．3．1 SIR基本结构

5．3．2 SIR谐振特性分析

5．4 L-SIAD结构SIR在超宽带带通滤波器中的应用

5．4．1 3.1-10.6GHz带通滤波器设计

5．4．2 3.1-10.6GHz带通滤波器结果与讨论

5．4．3 通带内引入细小阻带的带通滤波器

5．5 本章小结

6 局部基片集成人工介质(L-SIAD)其他特性的研究

6．1 引言

6．2 L-SIAD结构谐振特性

6．2．1 谐振单元基本结构

6．2．2 谐振特性分析

6．2．3 谐振单元应用

6．3 L-SIAD在复合左／右手传输线简化对偶模型中的应用研究

6．3．1 简化对偶模型等效电路分析

6．3．2 简化对偶模型微带电路实现

6．3．3 实际应用

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 本文的主要工作

7．2 后续工作与展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参与申请的专利

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间获奖情况