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基片集成波导与缺陷地结构及在滤波器设计中的应用研究

吴林晟  
【摘要】: 随着电子信息系统向多功能、小型化、低成本方向快速发展,人们对系统级封装(System on Package,SoP)中各类高性能小型化微波无源元件尤其是滤波器的需求越来越强烈。因而,从实现工艺、结构布局和设计方法等方面寻找适应SoP中高集成度和兼容性要求,又具有低插损、高功率容量等优点的新型微波无源元件集成技术变得很有必要。为此,本文对改进型基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术和缺陷地结构(Defected Ground Structure,DGS)技术开展了系统的研究,分析了它们的理论模型,并实现了多款性能优良的紧凑型滤波器和移相器等无源元件。 本文的主要研究工作和创新点可归纳为: (1)从窄带滤波器的耦合谐振器理论、微带线温升模型和热传输线理论出发,建立了一套准确、快速、有效的半波长、四分之一波长阶梯阻抗微带滤波器平均功率容量预测方法,可直接用于微带滤波器的实时设计与优化。 (2)实现了基于四分之一折叠SIW腔体的带通滤波器,其面积仅为传统SIW腔体滤波器的1/8;并分析其平均功率容量,发现它的内部无明显热点,功率承载能力优于其它平面元件。 (3)提出了一类由折叠SIW和消逝模耦合区段构成的多层部分H面波导滤波器,元件性能对加工容差不敏感。并且系统研究了一类全新的消逝模SIW滤波器,其面积不到传统SIW腔体滤波器的1/10,具有突出的寄生抑制特性,并可引入交叉耦合进一步改善其频率特性。为实现较大的相对宽带,还提出了一种工作在波导截止频率上的SIW滤波器。 (4)对一种在PCB上实现的介质加载SIW腔体滤波器进行了工艺尝试,从理论和实验两方面证明了这类元件的尺寸比传统SIW元件大幅减小,而插损和寄生响应性能均明显改善。 (5)从理论和实验两方面系统研究了各类周期加载半模SIW结构的模式色散特性,在此基础上设计了基于变容二极管加载的电可调移相器和基于电磁带隙结构加载的带通滤波器。并将半模概念移植到T隔板SIW中,首次实现了基于SIW技术的超宽带滤波器。 (6)提出了一种针对DGS单元的耦合谐振器模型及用于DGS单元精确建模的辗转矢量匹配方法。并且提出一种具有双带隙特性的双平面紧凑型DGS电路,实现了一款边带十分陡峭的低通滤波器。利用互补型开环谐振器实现了一款双模零阶环形滤波器,元件面积大幅缩小,寄生响应也有所改善。 (7)将互补型开环谐振器刻蚀在SIW腔体顶层金属面上,提出了一种结构紧凑、工艺简单、性能优良的扩展二项式带通滤波器。这充分利用了DGS和SIW在结构与性能上的互补性,是将SIW和DGS技术结合实现SoP中高性能小型化微波无源元件的成功案例。 在以上研究中,均采用单层、多层PCB和低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fire Ceramic,LTCC)工艺制作了系列样品,测试、仿真与理论分析结果均较吻合,从而验证了研究工作的正确性和有效性。


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