基于基片集成波导的小型化微波无源器件技术研究

摘要

基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW）同时集成了金属矩形波导和微带线的特性，具有平面化、低损耗、易集成等优点。但与微带线和共面波导等平面导波结构相比，SIW的物理尺寸过大，限制了其在微波电路与系统，尤其是无线通信终端设备、数字微波通信室外单元等对系统集成度要求高的场景中的应用。因此，开展SIW小型化技术研究，探索新型SIW小型化无源器件设计方法和实现技术，具有长远的科学意义和重要的应用价值。 本文针对SIW微波无源器件和导波结构的小型化需求，采用理论分析、数值仿真、实验验证三位一体的研究方法，在加载型SIW小型化技术方面开展了深入研究，探讨了基于电磁结构局部加载和全局加载的小型化SIW电路单元设计的基础理论与关键技术，并实现了尺寸紧凑的滤波器和移相器，最后，对材料加载型SIW功率合成/分配器设计技术进行了探索性研究。本文主要研究内容及贡献如下： 1.提出了一种小型化半模基片集成波导（Half-Mode Substrate Integrated Waveguide,HMSIW）谐振腔的设计方法。针对SIW谐振腔和腔体滤波器尺寸过大、应用不便，以及现有加载型小型化技术实现SIW谐振腔尺寸缩减效果有限等诸多问题，提出将阶梯阻抗结构引入互补开环谐振器的设想，实现了阶梯阻抗互补开环谐振器（Stepped-Impedance Complementary Split-Ring Resonator,SICSRR）并加载到HMSIW谐振腔中，构成小型化HMSIW-SICSRR谐振腔。阶梯阻抗结构的引入可有效增强互补开环谐振器的尺寸调谐自由度，便于实现物理尺寸小型化。SICSRR与HMSIW腔体相结合，也能实现谐振腔物理尺寸小型化。在此基础上，基于HMSIW-SICSRR谐振腔实现了小型化带通滤波器件，其相对电尺寸比传统HMSIW腔体滤波器电尺寸减小90%。最后，基于SICSRR双面加载HMSIW的方式实现了小型化双频谐振腔，并成功应用于紧凑型双通带滤波器的设计，其电尺寸比传统HMSIW双通带滤波器的电尺寸减小85%。 2.提出了一种小型化SIW移相器与传输线的设计方法。针对传统SIW传输线和移相器尺寸过大的问题，提出了一种基于慢波半模基片集成波导（Slow-Wave Half-Mode Substrate Integrated Waveguide,SW-HMSIW）结构的宽带小型化移相器与传输线设计方法。首先，基于传输线等效媒质理论研究了均匀微带多段线单元的媒质特性，并利用导波场理论研究了均匀微带多段线加载型SW-HMSIW的导波特性和慢波效应，分析了多段线尺寸对导波特性和慢波效应的影响。在此基础上，通过调整多段线尺寸产生不同相移量，实现了宽带小型化等宽等长SW-HMSIW移相器，其尺寸比传统SIW移相器尺寸减小60%以上。然后，提出了一种非均匀微带多段线单元，并构建了非均匀微带多段线双面加载型SW-HMSIW结构，利用等效媒质理论和导波场理论研究其媒质特性、导波特性和慢波效应，并实现了尺寸紧凑的双面加载型SW-HMSIW传输线，其横向尺寸比主模截止频率相同的传统SIW和HMSIW传输线的横向尺寸分别减小66%和32%。 3.提出了一种隔离度增强型宽带SIW功率合成/分配电路的设计技术。针对传统SIW功分器隔离度增强与带宽扩展不易兼顾的问题，提出了一种基于耦合网络匹配以提升隔离度的宽带SIW功率合成/分配电路设计技术。基于多端口Riblet耦合网络的端口隔离原理，提出了SIW五端口功率合成/分配电路结构。然后，基于小反射理论，提出了“V”型吸波材料加载型SIW吸波负载，并与SIW五端口单元集成，实现了吸波材料加载型SIW宽带功率合成/分配器，其电尺寸比同类型传统SIW功分器的电尺寸减小10%以上，同时，其隔离度优于16dB且带内幅度平衡度低于±0.5dB的相对带宽达36%。

目录

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缩略词表

第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 基片集成波导微波无源器件小型化技术研究现状和发展趋势

1.3 本文的学术贡献与主要工作

1.4 本章小结

第二章 DGS加载型基片集成波导传输线单元及其小型化滤波器研究

2.1 引言

2.2 DGS加载型SIW传输线单元

2.3 基于DGS加载型SIW传输线单元的小型化宽带滤波器

2.4 DGS加载型HMSIW传输线单元及其小型化宽带滤波器

2.5 改进型HMSIW-DGS小型化宽带滤波器

2.6 本章小结

第三章 DGS与SICSRR加载型小型化基片集成波导谐振腔及其滤波器研究

3.1 引言

3.2 谐振耦合型带通滤波器的设计方法及理论

3.3 DGS加载型QMSIW腔体滤波器

3.4 SICSRR加载型单通带HMSIW腔体滤波器

3.5 SICSRR双面加载型双通带HMSIW腔体滤波器

3.6 本章小结

第四章 小型化慢波半模基片集成波导及其移相器研究

4.1 引言

4.2 均匀微带多段线加载型SW-HMSIW

4.3 SW-HMSIW宽带移相器

4.4 非均匀微带多段线单元双面加载型SW-HMSIW

4.5 本章小结

第五章 加载型基片集成波导宽带功率合成/分配器研究

5.1 引言

5.2 基于Riblet耦合结构的SIW五端口功率合成/分配单元基本理论

5.3 同轴负载与集总电阻加载型SIW宽带功率合成/分配器

5.4 吸波材料加载型SIW宽带功率合成/分配器

5.5 本章小结

第六章 结束语

6.1 本文主要研究工作及成果

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果