局部基片集成人工介質特性分析及應用研究.pdf

1、微波器件和微帶電路在無線通信領域、航空航天領域、遙感和導航等領域發(fā)揮著不可替代的作用，如何利用新材料、新結構及新工藝實現(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注的焦點。2007年，科研人員提出了一種新型人工介質，即基片集成人工介質(SIAD)。該結構通過在傳統(tǒng)介質基片中人為地嵌入接地金屬柱來提高原有介質的有效介電常數(shù)，進而減小微帶電路尺寸，實現(xiàn)微波器件的小型化。本文在此工作的基礎上，對基片集成人工介質(SIAD)進行了深入

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

3、實例分析比較，證明了只保留微帶線正下方金屬柱的L-SIAD結構，同樣能夠有效的減小微帶電路的尺寸。并深入研究了L-SIAD結構微帶線的特性阻抗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）的關系，為L-SIAD結構在微波工程中的應用提供了可靠的理論和實踐依據(jù)。
　　 3、提出了L-SIAD結構微帶線的計算機輔助設計(CAD)公式。為方便L-SIAD結構在微帶電路中的應用，本文利用“合成漸近”技術

4、推導得出了L-SIAD結構微帶線的特性阻抗Z(0)、傳播常數(shù)β、有效介電常數(shù)εeff等的CAD公式，并通過仿真和測試實例證明了公式的準確性和實際應用性。
　　 4、設計并加工測試了基于L-SIAD結構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試結果。通過和普通介質結構器件的比較得出:L-SIAD結構的微帶阻抗變換器，在長度和寬度上分別減少了約55％和30％;L-SIAD結構的T型結微帶功率分配

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結構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結構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，而通過改變金屬柱參數(shù)實現(xiàn)不同微帶線段阻抗變換的特點，設計實現(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諧振器諧振頻率的影響，同時探討

6、了金屬柱的結構參數(shù)對該SIR的電磁帶隙(EBG)特性以及該特性對諧振器諧振頻率的影響。提出了基于L-SIAD結構SIR的3.1-10.6GHz的超寬帶(UWB)帶通濾波器。仿真和測量結果表明，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)，與相關文獻中的實例相比，該濾波器的整體電路面積降低了47.1％，實現(xiàn)了電路的小型化。
　　 6、研究了基于L-SIAD結構的蘑菇型諧振單元。分析了該諧振單元的等效電路模

7、型及L-SIAD結構參數(shù)對諧振頻率的影響。利用該諧振單元設計并加工測試了一個橢圓函數(shù)低通濾波器，仿真和測試結果說明濾波器的通帶性能優(yōu)良并且擁有較寬的高頻阻帶。與相關文獻中的實例相比，該濾波器在長度和寬度方向分別減少了22.3％和59.2％。
　　 7、提出了基于L-SIAD結構的復合左/右手傳輸線的簡化對偶模型。分析了四種復合左/右手傳輸線簡化對偶結構的等效電路模型及其電路響應特性。利用L-SIAD結構分別實現(xiàn)了這四種模型的微帶