基片集成波导技术的研究

基片集成波导技术的研究作者：郝张成学位授予单位：东南大学相似文献(9条)1.学位论文张小川高性能小型化射频及微波滤波器的研究2009滤波器在射频、微波电路中发挥着重要作用。不断出现的无线通讯系统应用对滤波器设计提出了前所未有的挑战：更高的性能指标、更小的尺寸重量、更低的成本已成为新型滤波器必须满足的基本要求。本论文基于交叉耦合谐振器滤波器综合理论，提出了一系列体积小、结构紧凑的滤波器设计，其具有带内插损低、带外抑制指标高、选择性好、在指定频率位置具有传输零点以及寄生通带远离中心通带等特性，具有良好的工程应用前景。第一章，介绍了射频、微波滤波器的研究背景和最新进展。第二章，系统的介绍了广义切比雪夫滤波器理论。基于一种全耦合的等效电路模型，用提取物理上可实现的耦合矩阵来应用于器件设计。讨论了滤波器可实现的通用拓扑结构，提出一种优化算法用于提取源与负载直接耦合和源与负载不直接耦合的带通滤波器的耦合矩阵，同时还提出了提取传输零点位于带内和带外的多频带带通滤波器耦合矩阵的方法。第三章，研究了双模和三模谐振器及带通滤波器。首先介绍了中心支节加载双模谐振器，基于奇、偶模等效电路模型，分析了其谐振特性，通过引入源/负载耦合，实现了一系列具有带外传输零点的双模滤波器，优化提取了这些滤波器的耦合矩阵。其次介绍了三模谐振器，根据场分布特点分析了谐振器的模式分离特性，优化提取了滤波器的耦合矩阵，这种滤波器结构紧凑，寄生通带远离中心频率，具有良好的选择性和带外抑制。第四章，研究了小型化谐振器，提出了一系列新颖的谐振器结构。首先提出了两种高低阻抗加载的小型化谐振器，并分别构建了两个四阶交叉耦合滤波器。其次介绍了基于共面波导结构的四分之一波长谐振器，研究了这种谐振器的最低谐振频率和杂散频率分布的特点，利用四边形阶梯阻抗谐振器构建了切比雪夫型滤波器，利用六角形阶梯阻抗谐振器构建了三阶交叉耦合滤波器。此类滤波器结构紧凑，寄生通带远离中心频率，具有良好的选择性和带外抑制。第五章，首先设计了CSRR加载的带通滤波器，它具有基片集成波导滤波器的共同特点：插入损耗小、受其它电路干扰小等等。其次是设计出了CMRC加载的基片集成波导宽带滤波器。最后通过耦合理论设计了一种销钉加载半模基片集成波导滤波器，该滤波器在保持基片集成波导优点的同时面积只有销钉加载基片集成波导滤波器的一半。第六章，对本论文进行了总结，并提出了应进一步的研究课题。2.学位论文陈飞基片集成波导带通滤波器的研究2009随着现代微波毫米波电路系统的高速发展，其功能越来越复杂、电性能指标越来越高，同时其体积越来越小、重量越来越轻；整个系统迅速向小型化、轻量化、高可靠性、多功能性和低成本方向发展。低成本、高性能、高成品率的微波毫米波技术对于开发商业化的低成本微波毫米波宽带系统非常关键。因此，迫切需要发展新的微波毫米波集成技术。基片集成波导(SubstrateIntegratedWaveguide，简称SIW)是一种近年内出现的新型微波传输结构，可以广泛地应用于微波及毫米波电路中。它综合了矩形波导和微带线的一系列优点：和传统的矩形波导一样，SIW具有较高的品质因数和很小的辐射损耗；而它又和微带线一样具有体积小、重量轻、容易加工和集成等优点。基片集成波导的基本结构是利用基片的上下金属板和两排间隔一定距离的金属孔构成波导的金属壁，由于每排金属孔孔间距远小于波长，因此由缝隙泄漏的能量很小，这相当于内部填充了介质的矩形波导，所以能够用矩形普通波导实现的结构也都可以用SIW来实现，比如功分器、滤波器、天线、耦合器、振荡器等。本论文首先对基片集成波导-微带电路转换器的设计方法进行了研究，然后把传统的腔体滤波器设计方法用于基片集成波导结构，设计出性能优良的滤波器，最后，根据一些新原理或者把新结构应用与基片集成波导设计出新型滤波器。其中包括半模基片集成波导滤波器和紧凑的微带谐振器(CMRC)加载基片集成波导滤波器等。利用电磁场仿真工具对所有设计的器件进行了数值模拟和结构优化，从而使器件达到最优的滤波品质。研究结果对基片集成波导器件的开发具有潜在的应用价值。3.学位论文王元庆新型传输线及高速数字电路中信号完整性的研究2006随着现代微波毫米波电路与系统的高速发展，其功能越来越复杂、电性能指标越来越高，同时其体积越来越小、重量越来越轻；整个系统迅速向小型化、轻量化、高可靠性、多功能性和低成本方向发展。低成本、高性能、高成品率的微波毫米波技术对于开发商业化的低成本微波毫米波宽带系统非常关键。同时由于集成电路技术的发展和应用的推动，高速电路中数字脉冲信号的速度越来越高，其波效应越来越明显，频谱高端则趋向更高的微波毫米波频率范围，可达几十GHz，而常用的微带线在高频的损耗较大。因此，迫切需要发展新的微波毫米波集成技术。半模基片集成波导(HMSIW)技术是基于基片集成波导(SIW)提出的一种可以集成于介质基片中的具有低插损、低辐射、高功率容量等特性的新的导波结构。它继承了基片集成波导的优点：可以有效地实现无源和有源电路的集成，使微波毫米波系统小型化，甚至可以把整个微波毫米波系统制作在一个封装内；传播特性与矩形金属波导类似，所以由其构成的微波毫米波甚至亚毫米波部件及子系统具有高Q值、高功率容量、易与其它平面电路和芯片集成等优点，同时由于整个结构完全为介质基片上的金属化通孔阵列所构成，所以这种结构可以利用普通PCB工艺、LTCC工艺、甚至薄膜电路工艺精确实现。和基片集成波导相比，半模基片集成波导节省了约一半的尺寸，因此可以使微波毫米波系统进一步地小型化。除此之外，由于结构的原因，基片集成波导抑制了普通金属波导中的TM模，而半模基片集成波导又抑制了基片集成波导中的偶次TE模，因此它进一步有效地扩展了主模的工作带宽。于是，在高速数字电路这样的宽带电路中，半模基片集成波导可以作为低损耗互连线。此外，基于半模基片集成波导也可实现一些高性能的无源元件。半模基片集成波导技术目前处于刚刚兴起的阶段，因此有许多理论问题需要研究，有很多应用领域亟待开拓。本文对半模基片集成波导的传输特性、高性能半模基片集成波导器件、半模基片集成波导在高速数字电路中的应用以及高速数字电路中信号完整性问题等进行了研究。第一章研究了半模基片集成波导的传输常数、等效波导宽度的计算和测试方法，对基片集成波导、半模基片集成波导和微带线的衰减常数进行了测试和对比；研究了半模基片集成波导一微带转换器的结构和设计方法，实验测试结果和全波仿真结果的良好吻合验证了方法的正确性和有效性。第二章分析了半模基片集成波导谐振器，并基于半模基片集成波导技术，设计和实现了多种新颖的集成高性能滤波和功率分配器件：半模基片集成波导感性窗滤波器、半模基片集成波导槽缝式滤波器、半模基片集成波导、共面波导滤波器、半模基片集成波导3dB定向耦合器，并以它们为基础设计和实现了半模基片集成波导单平衡混频器、基片集成波导平衡滤波器和半模。第三章中，对高速数字电路中传输线的非理想特性引起的信号完整性问题进行分析，介绍了利用混合模S参数对差分电路的分析方法，然后介绍了用于估计单端传输线之间串扰的计算公式，并在此基础上提出了单端传输线与差分传输线之间串扰的简化计算公式，计算结果和电路仿真结果吻合良好验证了公式得正确性。对半模基片集成波导和耦合半模基片集成波导在高速数字电路中的应用进行了仿真和测试。第四章将广义传输线方程推广到耦合微带结构的分析中，利用特征模分析的方法用两个一维广义传输线方程实现了二维广义传输线方程。由于在信号完整性分析中损耗是必须要考虑的因素，因此我们首次把Pade逼近与广义传输线方程结合起来将广义传输线方程推广到有耗传输线的分析，最后结合Pade逼近与广义传输线方程分析了破损地和分割地参考面的影响，计算结果与用IE3D软件得到的仿真结果一致。最后一章设计和实现了一个3Gbps高速数字电路实验验证系统，它提供了一个研究信号完整性问题的实验平台。本章首先介绍了高速数字电路实验验证系统的硬件设计，并介绍了如何在硬件基础上实现误码率测试功能。在实现的实验平台上进行测试，结果表明，达到了高速数字电路实验验证系统的研究目标，也就是实现了子板问3Gbps的高速数据传输，各项性能测试结果表明达到了预定的设计要求。采用全波电磁、广义传输线方程和电路系统仿真的分析方法对高速数字系统进行了系统级的信号完整性分析。时域的仿真和测量结果吻合，验证了仿真方法的正确性。4.学位论文张玉林基片集成波导传播特性及滤波器的理论与实验研究2005为适应电子与通信技术飞速发展的局面，微波毫米波集成电路及系统正在向高性能、低成本、高集成度和小型化方面快速发展。但是，将微波毫米波系统单片化技术的一个突出的困难是系统中需要的高品质因数的无源元件，如滤波器、谐振器和双工器等元件在半导体芯片内难以实现。新兴的基片集成波导(SIW：SubstrateIntegratedWaveguide)技术具有高品质因数、大功率容量、易于加工、造价低和容易集成等优点，从而使微波毫米波系统的封装级单片化成为可能。基片集成波导技术目前处于刚刚兴起的阶段，因此有许多理论问题需要研究，有很多应用领域亟待开拓。本文重点研究了基片集成波导结构的传播特性并设计和实现了多种新型高性能的基片集成波导滤波器。首次利用频域有限差分法结合Floquet定理并采用理想匹配层(PML)作为吸收边界条件对基片集成波导的传播特性进行了研究，得到了基片集成波导传播问题的复数本征解，在毫米波频段的实验测试结果和数值计算结果的良好吻合验证了方法的正确性和有效性。应用频域有限差分法结合理想匹配层对二维开放型基片集成波导结构形成的谐振腔的本征值问题进行了分析，从理论上证明了基片集成波导谐振腔的能量泄漏远小于介质损耗，可以获得很高的品质因数。设计和实现了多种基片集成波导滤波器：共面波导耦合级联基片集成波导腔体滤波器、直接耦合级联基片集成波导腔体滤波器、底面耦合层叠式基片集成波导腔体滤波器、周期性十字形破损性地结构-基片集成波导腔体滤波器、微带损性地结构-基片集成波导腔体级联滤波器和低阻-高阻短微带线基片集成腔体滤波器等。这些滤波器在低损耗微波介质基片上用印刷电路板的工艺实现，并给出了仿真结果和测试结果。它们具有良好的滤波特性，并具有高品质因数、大功率容量、易于加工、成本低和容易集成等优点，其中六种滤波器已提交了发明专利申请。用基片集成波导设计和实现了H面环形电桥，具有体积小、重量轻、高品质因数、低损耗、低成本、易于集成的优点，可以简单方便的与SIW天线等SIW器件连接，不会因为不连续性与转接而产生辐射、电磁干扰和明显降低系统的性能。5.学位论文吴边无线通信中微波滤波器的比较设计法与应用研究2008随着信息产业的飞速发展，无线通信已经成为21世纪最为热门的技术之一。而各种新型无线通信系统的不断涌现，例如GPS、3G、WLAN、UWB等，极大地刺激了微波有源和无源器件尤其是滤波器技术的快速发展，也对滤波器的性能提出了更高的要求。本文的内容主要围绕无线通信中微波滤波器的若干新结构及其比较设计的方法展开。针对同轴管状慢波结构、基片集成波导结构和缺陷开口谐振环结构等新型微波结构，在比较设计思想方面提炼出四种主要的研究方法，分别是曲线拟合比较法、结构映射比较法、互补单元比较法和电路映射比较法，并分别运用到相关结构的滤波器设计中。本文工作的主要贡献体现在：(1)提出并详细推导了端接电感、端接电容和带传输零点等三种形式管状滤波器的综合理论，采用电路与结构的曲线拟合比较法得到管状滤波器单元结构与目标电路之间的映射关系，提出了节电路思想进一步简化同轴管状滤波器的设计流程，采用特定长度同轴传输线的阻抗匹配作用解决了非邻频宽带管状滤波器的双工器设计问题；(2)运用结构映射比较法建立了矩形金属波导滤波器与基片集成波导滤波器之间的单元尺寸映射关系；提出一种基于已有金属波导滤波器尺寸，直接采用结构映射和目标逼近得到相应的基片集成波导滤波器尺寸的设计方法；运用该方法设计C波段感性窗口、K波段感性金属化通孔和X波段E面金属带等三种典型的基片集成