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非对称共面波导的特性及其场结构图的研究

房少军  
【摘要】: 共面波导是由微带传输线发展起来的一种重要的微波平面传输线。随着微波和毫米波集成电路特别是单片微波集成电路技术的飞速发展,共面波导这种新型集成介质传输系统受到了人们的广泛关注,对共面波导的传输特性的分析在近几年也愈来愈受到国内外学者的重视。与常规的微带传输线相比,共面波导具有容易制作,容易实现无源、有源器件在微波电路中的串联和并联(不需要在基片上穿孔),容易提高电路密度等优点,因此共面波导被广泛应用于微波、毫米波、光学和高温超导等集成电路中。 目前研究分析共面波导的文献较多,而对于非对称共面波导的研究成果较少,公开发表的共面波导场结构的研究成果则更少。与对称共面波导相比,非对称共面波导与两端器件相联时,具有更大的灵活性。非对称共面波导更具有一般性,对称共面波导可看作是非对称共面波导的特例。实际上,由于制作加工不可能达到理想化,生产出来的共面波导都是非对称的,因此研究非对称共面波导更有实际意义。 共面波导的场结构对于理解共面波导的工作原理,其中的电磁场分布,耦合情况和功耗分析都是非常重要的。因此场结构有助于器件的设计,特别是对于共面波导定向耦合器的设计。 综上所述,深入地研究共面波导,特别是研究各种结构的非对称共面波导的特性和它们的场结构有着重要的理论意义和实用价值。本论文参考了国内外学者对共面波导的研究成果,在前人研究的基础上,深入研究了多种结构的非对称共面波导的特性,并对非对称共面波导中场结构的计算和绘制进行了研究。 为了使本论文的研究成果便于应用于共面波导的计算机优化设计中,最好方法是得到封闭的解析表达式,所以本论文采用了保角变换理论宋分析非对称共面波导,并且应用了优化计算方法、保角变换反演技术和数值预测纠正算法对各种非对称共面波导的特性以及场结构进行求解。严格地说,采用保角变换理论导出的所有公式只适用于TEM波。由于共面波导中的介质是由空气和介质基片组成的混合介质系统,因此其中的电磁场存在纵向分量。但是在一定条件下(主要是减小导带宽度),场的纵向分量很小,共面波导中的电磁场可近似看 大连海事大学博士学位论文 成是TEM波。 本论文不但在理论上对多种非对称共面波导进行了研究,而且制作了国内 第一个具有金属底板支撑的(相对介电常数为9.9)非对称共面波导基片,并对 该基片进行了实验测试。 本论文通过对各种结构的非对称共面波导的特性以及场结构图计算和绘制 方法进行深入的研究,并进行了复杂和大量的数值计算,取得了一定的研究成 果,主要有: 门)首次提出了具有背敷金属化层的非对称共面波导、全屏蔽非对称共面 波导、具有有限宽度接地板有限介质基片厚度非对称共面波导等三种新结构以 及它们的分析方法。采用保角变换理论推出了这三种非对称共面波导的单位长 度电容、特性阻抗和有效介电常数的封闭解析表达式,并用复变函数法给出了 具有背敷金属化层的非对称共面波导的电场解析表达式,计算了以上各种参数 与非对称共面波导结构尺寸之间的关系,并给出了这些特性参数随结构尺寸变 化的曲线。 (2)本论文研究的目的是为多种共面波导的计算机优化设计软件包提供数 学模型,本论文第一次提出了一个具有上屏蔽接地扳背敷金属化层的多层介质 非对称结构的共面波导模型。该模型是多种结构共面波导的概括,它包含了许 多种变型结构的共面波导,通过改变该模型的结构参数(包括尺寸和介质层的 数目),可以演变出几十种对称结构或非对称结构的共面波导。本论文给出了分 析该模型的保角变换方法,归纳了该模型所能演变出的共面波导种类,推导出 了该模型特性参数面向CAD的封闭解析表达式。根据本文所提出的模型,推导 出了三种结构参数的具体特例,并给出了这些特例的特性阻抗、有效介电常数 解析表达式。 门)给出了分析有限介质基片厚度非对称共面波导导体损耗的方法,并推 导出其解析表达式。与对称共面波导的导体损耗进行了比较,给出了相应的比 较曲线。 (4)提出具有背敷金属化层的非对称共面波导场结构的计算和绘图的方 法,采用Schwartz< 变换、优化方法和数值反演技术计算并绘制出 具有背敷金属化层的非对称共面波导的场结构图;为了提高计算机计算绘制场 结构图的速度,节省计算机内存,将数值预测纠正算法应用到场结构图的计算 中。采用本文提出的计算非对称共面波导场结构图的方法重新计算并绘制了文 互二 摘要 献〔77」中的对称共面波导的场结构图,纠正了该文献中的错误。这说明了本文 关于共面波导场结构的计算和绘图方法同样适用于对称结构的共面波导,因而 具有一般性。 (5)对具有上金属屏蔽板背敷金属化层的多层介质非对称共面波导模型


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