几种新型微波无源器件及太赫兹滤波器的研究

摘要

滤波器和功率分配/合成器是微波通信系统中的关键无源器件,应用十分广泛,其体积和性能直接影响整个通信系统的体积和性能。微波通信系统向着小尺寸、高性能、高频率的方向发展,研究各类小型化和高性能的无源器件可减小系统体积,提高系统的性能,具有非常重要的价值。最近逐渐成为热门的太赫兹技术由于其带宽极宽能够携带大量的信息且在医疗成像、太空等领域极具应用价值而引起人们浓厚的兴趣。对太赫兹电路中的无源器件的研究具有重要的意义。
　　本文通过采用采用缺陷地、基片集成波导、光刻微加工技术等新型结构和加工技术,对几种新型高性能的滤波器和功分器等无源器件及一种太赫兹频段的滤波器进行研究,以改善微波通信系统的性能。主要内容概括如下:
　　第一,本文研究了一种新型基于缺陷地的谐振结构。首次提出一种具有两个传输零点的缺陷地结构。相对于只产生一个传输零点的传统缺陷地结构,该新型结构具有好得多的传输特性。可在提高滤波器的通带边缘选择性的同时减小电路尺寸。在占用相同尺寸的情况下,新型缺陷地结构所产生的两个传输零点的频率比传统哑铃状缺陷地结构产生的单个传输零点的频率高。作者提出一种等效电路模型来描述该新型缺陷地结构的电磁特性。作者采用该结构设计一种低通滤波器。该滤波器由基片上层的梯形微带和基片下层金属“地”蚀刻的新型缺陷地结构组成。该滤波器采用印制电路板加工工艺制造,具有加工简单,造价低廉的优点。滤波器的实测数据与电磁软件的仿真数据很好地吻合。该滤波器具有极好的选择性和宽阻带抑制。与采用传统哑铃状缺陷地的同类滤波器相比较,其通带边缘选择性大幅提高,且具有更低的带内插损,同时改善了阻带性能。这证明了作者所提出的缺陷地谐振器结构的有效性。
　　第二,研制了一种基于新型缺陷地结构的带通滤波器。该带通滤波器由一个新型微带高通滤波单元和一个低通滤波单元级联而成。作者采用缺陷地和微带交指电容构建高通带元,采用梯形微带和缺陷地结构构建低通单元。该滤波器具有可分别调整中心频率和相对带宽的优点。本文推导了所采用的缺陷地结构的两个传输零点的位置的数学表达式,并提出了高通滤波单元的等效电路。该滤波器具有高的选择性和好的阻带特性,且具有造价低,加工简单的优点,可用于微波前端等通信系统中。
　　第三,本文提出一种新型基片集成波导双层耦合结构,基于这种新型结构研究了一种基于基片集成波导的多层功分器。作者采用基于基片集成波导的双层结构设计了一种一分二功分器。该功分器由两层基片构成,功率从上层的基片输入,通过两层基片之间的金属层缝隙耦合到下层基片。位于下层基片的输出信号沿相反方向输出,两路输出之间具有180度的相位差。该功分器在较宽的带宽内具有较小的插损和优良的输出平衡度,且具有易于加工、造价便宜、便于和平面电路集成等优点。
　　第四,本文研制了一种基于新型耦合结构的一分四的双层基片集成波导功分器。该功分器由两层基片构成,功率从上层基片输入,耦合到下层后分为四路输出。输入信号和输出信号之间通过两层基片之间的金属层缝隙进行耦合。该功分器结构新颖,体积小,可一次性将输入功率分为等幅反相的四路输出。由于其采用印制板技术加工,因此具有造价低、加工简单的优点,且易于和微带电路等平面电路集成。由于该功分器采用基片集成波导设计,电磁波在基片集成波导的封闭金属波导中传播,因此它还可用于低温共烧陶瓷等多层结构中。
　　第五,本文研制了一种基于SU-8光刻胶的波导腔体谐振器的WR-3(220–325GHz)太赫兹滤波器。该太赫兹滤波器采用单层SU-8光刻微加工工艺进行加工。该切比雪夫滤波器的中心频率为300GHz,相对带宽为3.3％,带内回波损耗为20dB,由三个工作在TE101模的波导谐振腔构成。该太赫兹滤波器具有适合太赫兹加工工艺的结构、在通带内具有小的插损。考虑到加工误差的情况下,该滤波器的测量数据与仿真数据极好地符合。该滤波器由于具有简单的结构,具有易于加工、适合批量生产等优点,可用于较高频率的太赫兹通信系统中。
　　最后,作者对本论文的研究工作进行总结,并展望下一步的研究工作。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 微波无源器件及太赫兹发展简介与现状

1.3 本文主要的研究内容和论文框架

第二章 滤波器和功分器设计的基本概念与理论

2.1 滤波器设计的基本概念与理论

2.2 功率分配/合成器设计的基本概念与理论

2.3 本章总结

第三章 缺陷地结构研究

3.1 缺陷地研究概述

3.2 DGS低通滤波器的设计、加工与测试

3.3 DGS带通滤波器的设计、加工与测试

3.4 本章总结

第四章 基片集成波导功率分配/合成器研究

4.1基片集成波导研究概述

4.2 两路功率分配器的设计与仿真

4.3 四路功率分配器的设计、加工与测试

4.4 本章总结

第五章 太赫兹滤波器研究

5.1 太赫兹应用及太赫兹波导器件发展概述

5.2 太赫兹滤波器的设计

5.3 太赫兹滤波器的加工和测试

5.4 本章总结

第六章 总结与展望

6.1 本文的创新性工作及贡献

6.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果