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《电子科技大学》 2015年
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基于互补开环谐振器和向列型液晶微波关键器件研究

蒋迪  
【摘要】:随着电子技术的快速发展,现代电子信息系统除了具备高性能而且向着成本低、重量轻、体积小、可靠性高和功能性强等目标迅猛发展,高性能且小型化的微波无源器件作为系统中的关键组成部分,对微波子系统实现小型化起到了重要作用,目前成为了微波系统研究的重点、难点和热点。针对微波无源器件小型化,本文从小型化谐振器、电磁超介质加载、新材料应用三个方面,分别研究了具有陷波可控特性的小型化超宽带天线、基片集成波导/半模基片集成波导小型化滤波器以及小型化高移相量向列型液晶移相器。本文的主要内容包括:1.首先分析了单极子天线辐射振子和地板对辐射特性的贡献,提出了梯形地板燕尾型辐射振子的设计方法,该方法不仅可以明显改善印刷超宽带天线的阻抗带宽而且增加了方向图的稳定性。然后基于小型化超宽带天线表面电流分布状态,利用同向互补开环谐振器加载超宽带天线实现陷波功能,通过在天线辐射振子上加载单个、两个以及多个具有相似结构的同向互补开口谐振器,实现了单陷波/双陷波/多陷波而且陷波中心频率可控的小型化超宽带陷波天线。并通过分析超宽带陷波天线的等效电路模型,再结合天线表面陷波电流分布状态分析,阐述了陷波产生的原理,理论上证明了该陷波超天线设计方法的正确性。实测结果表明,基于梯形地板的多陷波超宽带天线尺寸仅有25 mm×27.9mm,阻抗带宽为2-15GHz,三陷波频段可覆盖3.7-4.25GHz、5.12-5.48GHz、5.66-5.98GHz,陷波频段最低辐射效率仅有3%,陷波频段增益相比通频段内增益下降12dB且在2-12GHz频段内远场辐射方向图全向性较好。2.基于基片集成波导(SIW)/半模基片集成波导(HMSIW)工作原理和传输特性,首先通过SIW上层金属面加载互补开环谐振器(CSRR)单元,设计并验证了CSRR加载平面集成传输线结构可对消逝模进行放大从而实现滤波特性的方法。从仿真散射参数中提取了等效磁导率和等效介电常数,阐述了该滤波器通带和阻带产生的机理。进一步利用变形双开口CSRR单元加载于HMSIW导波结构,提出了基于CSRR放大消逝模的HMSIW滤波器,该滤波器在明显减小体积的同时,实现了良好的带外抑制特性。结合传输线理论、等效电路原理对该新型加载结构进行了准确的建模分析。测试结果表明设计的HMSIW滤波器,中心频率位于5.017GHz,3dB带宽为944MHz(4.52GHz-5.464GHz),通带带宽达19%,在5.06GHz到5.29GHz的通带范围内回波损耗大于15dB,整体尺寸仅有20mm×9mm,表明该消逝模滤波器在保证性能的同时,相对于传统波导滤波器体积明显减小。3.通过理论推导,分析了向列型液晶指向矢计算原理,研究了向列型液晶指向矢与折射率之间的关系,提出了基于倒置微带线结构向列型液晶移相器。进而分析了倒置微带线结构和向列型液晶材料的关键参数(基片厚度、液晶厚度等)对移相器性能的影响,得到了制备液晶移相器时选用材料的基本原则,优化器件结构并制作了以金属铜为地板、尺寸为125mm×20mm的液晶移相器,该移相器调谐电压为0-10V,在10MHz-6GHz频率可实现0-150度相对相移量,重量56克。为了进一步实现移相器的小型化和轻量化,提出了金属铝地板结合倒置微带蛇形线结构向列型液晶移相器,该移相器在体积和重量明显减小的同时,移相量明显提高。测试结果表明该向列型微波移相器尺寸仅有30mm×35mm,在10MHz-6GHz频率范围内通过调谐电压0-10V,可实现0-200度相对移向量,实际重量仅有26克,有效地实现了微波频段移相器小型化、工作电压较低、移相量大的目标。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN629.1;TN61

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