基片集成波导不连续性问题的研究

【摘要】： 微波传输线是微波技术的一个基本组成部分，从历史上来看，任何一种新型导波结构的出现和发展都有赖于当时技术工业的需求，波导和微带线就是很好的例证。目前信息技术对系统的集成度、损耗等指标的要求日益提高，平面电路结构适于系统的混合集成，各种有源器件可以方便地与微带线或共面波导互连，但这种结构也存在一定缺陷，由于导体损耗、辐射损耗和介质损耗的存在，使得平面电路结构不适于工作在毫米波波段，也无法构成高Q值的部件。介质波导和矩形波导等非平面导波结构虽然可以构成性能很高的部件，但是由于体积过大以及集成加工上的难度，很难广泛地应用到高集成度系统中。基片集成波导(SIW)在结构上综合了上述两类导波结构的优点，使得其在提高性能的基础上，能够更容易地与各类元器件集成在一起。SIW的基本概念是利用微波板的上下金属板和两排间隔一定距离的金属通孔构成波导的金属壁，由于每排金属通孔孔间距远远小于波长，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。这样就避免了笨重的金属结构，更加适合于系统集成。 本文主要研究基片集成波导的传输特性及其各种不连续性问题。在分析方法上主要采用差分法(时域差分法和频域差分法)、矩量法和模式匹配法，同时也利用了商业软件进行了仿真，对绝大多数结构都进行了实验测试。 在SIW传输线传输特性研究中我们分别使用解析近似方法和频域有限差分法计算了基片集成波导的传播参数，给出了构成基片集成波导的通孔的直径、间距等几何尺寸与传播常数和损耗因子的关系。另外通过实验手段对微带线和SIW的损耗特性进行了比较研究，讨论了SIW的特点和实用性。鉴于微带线在微波集成电路中的广泛应用，本文对单层及多层结构中微带线与基片集成波导的转接问题进行了充分研究，从 理论和实验两方面分析了这两种传输线的阻抗匹配问题。在此基础上，本文提出了两种基于SIW的定向耦合器，即窄边和宽边耦合器，并进行了实验验证。本文所研究的其它不连续性结构还包括：同轴波导与SIW的转换接头；不同层间SIW的转换；基于SIW的分支定向耦合器；基片集成波导中的感性金属杆；基片集成波导的H面不连续性结构；各类拐角结构；波导交叉结构；波导’Y’分支结构。在大量实验研究的基础上，总结出了各种SIW不连续性结构的特性和设计准则，为基于SIW的集成电路的设计提供了基础。