局部基片集成人工介質(zhì)特性分析及應(yīng)用研究.pdf

1、微波器件和微帶電路在無(wú)線通信領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、遙感和導(dǎo)航等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，如何利用新材料、新結(jié)構(gòu)及新工藝實(shí)現(xiàn)微帶電路的小型化、多功能化及低成本化一直是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。2007年，科研人員提出了一種新型人工介質(zhì)，即基片集成人工介質(zhì)(SIAD)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)在傳統(tǒng)介質(zhì)基片中人為地嵌入接地金屬柱來(lái)提高原有介質(zhì)的有效介電常數(shù)，進(jìn)而減小微帶電路尺寸，實(shí)現(xiàn)微波器件的小型化。本文在此工作的基礎(chǔ)上，對(duì)基片集成人工介質(zhì)(SIAD)進(jìn)行了深入

2、的理論分析及應(yīng)用研究，主要工作如下:
　　 1、深入分析了SIAD結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微帶電路小型化的原因。通過(guò)比較SIAD結(jié)構(gòu)與普通結(jié)構(gòu)微帶線的特性阻抗Z(0)以及散射參量S21的相位，證明了SIAD結(jié)構(gòu)能夠增加微帶電路的分布電容而不改進(jìn)電路的分布電感，進(jìn)而可以提高介質(zhì)的有效介電常數(shù)，減小微帶電路的尺寸。
　　 2、提出了局部基片集成人工介質(zhì)(L-SIAD)結(jié)構(gòu)，以克服SIAD結(jié)構(gòu)過(guò)多的金屬柱造成仿真時(shí)間長(zhǎng)、加工成本高等弊端。通過(guò)

3、實(shí)例分析比較，證明了只保留微帶線正下方金屬柱的L-SIAD結(jié)構(gòu)，同樣能夠有效的減小微帶電路的尺寸。并深入研究了L-SIAD結(jié)構(gòu)微帶線的特性阻抗Z(0)、傳播常數(shù)β和衰減常數(shù)α等參量與金屬柱幾何參數(shù)（金屬柱直徑、高度及周期）的關(guān)系，為L(zhǎng)-SIAD結(jié)構(gòu)在微波工程中的應(yīng)用提供了可靠的理論和實(shí)踐依據(jù)。
　　 3、提出了L-SIAD結(jié)構(gòu)微帶線的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)公式。為方便L-SIAD結(jié)構(gòu)在微帶電路中的應(yīng)用，本文利用“合成漸近”技術(shù)

4、推導(dǎo)得出了L-SIAD結(jié)構(gòu)微帶線的特性阻抗Z(0)、傳播常數(shù)β、有效介電常數(shù)εeff等的CAD公式，并通過(guò)仿真和測(cè)試實(shí)例證明了公式的準(zhǔn)確性和實(shí)際應(yīng)用性。
　　 4、設(shè)計(jì)并加工測(cè)試了基于L-SIAD結(jié)構(gòu)的小型化微帶阻抗變換器、微帶功率分配器、微帶耦合器，并分析了這些器件的仿真和測(cè)試結(jié)果。通過(guò)和普通介質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的比較得出:L-SIAD結(jié)構(gòu)的微帶阻抗變換器，在長(zhǎng)度和寬度上分別減少了約55％和30％;L-SIAD結(jié)構(gòu)的T型結(jié)微帶功率分配

5、器、Wilkinson功分器、雙頻微帶Wilkinson功分器電路面積減少50％左右;L-SIAD結(jié)構(gòu)的微帶分支線耦合器電路面積也減少了50％。
　　 5、提出了一種基于L-SIAD結(jié)構(gòu)的新型階梯阻抗諧振器(SIR)。利用L-SIAD能夠不改變微帶線寬度，而通過(guò)改變金屬柱參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同微帶線段阻抗變換的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了新型階梯阻抗諧振器(SIR)。討論并分析了不同的金屬柱直徑、金屬柱高度和金屬柱周期對(duì)諧振器諧振頻率的影響，同時(shí)探討

6、了金屬柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)該SIR的電磁帶隙(EBG)特性以及該特性對(duì)諧振器諧振頻率的影響。提出了基于L-SIAD結(jié)構(gòu)SIR的3.1-10.6GHz的超寬帶(UWB)帶通濾波器。仿真和測(cè)量結(jié)果表明，該濾波器具有良好的帶通特性及很寬的高頻阻帶(11.5-28.5GHz)，與相關(guān)文獻(xiàn)中的實(shí)例相比，該濾波器的整體電路面積降低了47.1％，實(shí)現(xiàn)了電路的小型化。
　　 6、研究了基于L-SIAD結(jié)構(gòu)的蘑菇型諧振單元。分析了該諧振單元的等效電路模

7、型及L-SIAD結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)諧振頻率的影響。利用該諧振單元設(shè)計(jì)并加工測(cè)試了一個(gè)橢圓函數(shù)低通濾波器，仿真和測(cè)試結(jié)果說(shuō)明濾波器的通帶性能優(yōu)良并且擁有較寬的高頻阻帶。與相關(guān)文獻(xiàn)中的實(shí)例相比，該濾波器在長(zhǎng)度和寬度方向分別減少了22.3％和59.2％。
　　 7、提出了基于L-SIAD結(jié)構(gòu)的復(fù)合左/右手傳輸線的簡(jiǎn)化對(duì)偶模型。分析了四種復(fù)合左/右手傳輸線簡(jiǎn)化對(duì)偶結(jié)構(gòu)的等效電路模型及其電路響應(yīng)特性。利用L-SIAD結(jié)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)了這四種模型的微帶