微波毫米波基片參數提取與平面無源元件的設計與實現.pdf

1、近年來，隨著無線通信的飛速發(fā)展，微波低頻段頻譜資源日趨枯竭，開發(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前的研究熱點。獲取介質基片特性是設計與實現微波毫米波電路與系統(tǒng)的前提，廠家通常會給出介質基片在微波低頻段如10GHz頻率處的特性參數。然而對于微波高頻段特別是毫米波亞毫米波頻段，則需要設計者自己準確地提取基片的特性參數，否則設計的元部件性能可能和預期有較大的偏差。本文主要針對微波高頻段以及毫米波亞毫米波頻段開展基片參數的提取

2、和一些關鍵無源元件的研究，提出了一種基片參數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構，并在此基礎上開展了對無源元件設計與實現的研究。論文的主要工作如下:
　　第一章首先對基片集成波導(Substrate Integrated Waveguide，SIW)腔體的損耗進行了研究，提出了一種提取基片介質材料和粗糙金屬層相應參數的SIW諧振腔差分法。通過分析不同基片厚度及不同寬度

3、的SIW腔體的無載品質因數（Unloaded Q-factor），分別獲得了基片材料的介質損耗、粗糙金屬層的等效導電率以及金屬化通孔的金屬損耗。同時，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實部。通過對10～30GHz頻率范圍內Rogers5880基片復介電常數的測量與分析，驗證了該方法的有效性和正確性，并討論了粗糙金屬層對基片的介電系數提取的影響。此外，利用SIW結構中電場分布只有垂直分量的

4、特點，還可分析基片材料的各向異性特性。通過分析SIW傳輸線的衰減常數與SIW腔體的無載品質因數之間的關系，進而提出了利用SIW諧振腔提取SIW傳輸線衰減常數的新方法，其誤差遠小于Thru-Line等傳統(tǒng)方法。上述研究結果已經或即將發(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、腔結構，并對其進行了深入研究。該結構是在圓形或正方形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，該結構和雙模SIW諧振腔基本一致。同時腔體的上下表面保持全封閉結構，因而該腔體結構具有較高的品質因數。基于該三模SIW諧振腔結構，設計了一組三模SIW濾波器。同時，將測量結果與基于第一章中SIW諧振腔差分法所得參數和廠家所提供參數的仿真結果分別進行了分

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

7、IW諧振腔，該FSS能同時實現入射波和透射波極化隔離以及濾除帶外信號的功能。相比于現有報道中基于雙模SIW諧振腔的FSS，該FSS相對帶寬增加了約57％，并在下邊帶引入了一個傳輸零點，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性能保持穩(wěn)定，根據Antenna-Filter-Antenna Array(AFA Array)理論設計了一種小型化的SIW FSS，并對其進行了詳細的原理分析。最后，設計并實現了

8、一種基于SIW技術的反射式FSS。在本章的頻率選擇表面設計中，均采用了第一章中由SIW諧振腔差分法所提取的基片參數。部分研究結果已發(fā)表在IEEE AWPL, vol.12，2013和IEEE Trans.on AP,vol.62,no.2,2014。
　　第四章主要開展了基于CMOS工藝和MEMS工藝的毫米波亞毫米波傳輸線和無源元件的研究。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，測量結果和仿