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基于复合左右手传输线和基片集成波导的无源器件研究

张巧利  
【摘要】:近年来随着无线通信技术和集成电路的飞速发展,现代微波毫米波系统正在朝着小型化、高度集成化、多功能、高可靠性和低成本的方向发展。对作为微波毫米波系统重要组成部分的滤波器、耦合器等无源器件也提出了越来越高的要求。本论文重点对复合左右手(Composite Right/Left-Handed, CRLH)介质和改进型基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)技术在微波无源器件设计方面的应用进行了系统的研究,设计并实现了一系列高性能、小型化的带通滤波器和耦合器等微波无源器件。 首先,本论文系统地阐述了左手材料(Left-Handed Material, LHM)的基本原理、构造方法以及CRLH传输线的相关理论,简单介绍了基于网络理论和全波仿真的人工电磁材料的设计方法,在此基础上设计了一系列新型的CRLH传输线。基于传统宽边耦合共面波导(Coplanar Waveguide, CPW)耦合器的工作原理,我们将CRLH结构应用于定向耦合器的设计中,提出了两种基于CRLH结构的小型化宽边耦合CPW定向耦合器的设计方法,并且利用奇/偶模传输线理论对这种新型耦合器的等效电路模型进行了详细分析。仿真和测试结果表明这种设计方法不仅能够在大带宽范围内实现任意耦合度,而且由于采用了CRLH结构,耦合度不受耦合线间距的工艺限制,并且与奇/偶模传输线电长度无关,有效地减小了器件占用面积,与传统耦合线耦合器相比具有明显优势。 接着,本论文研究了电磁带隙(Electromagnetic Bandgap, EBG)结构加载的半模基片集成波导(Half-Mode Substrate Integrated Waveguide, HMSIW)和CRLH HMSIW的模式色散特性,提出了基于这两种改进型HMSIW的滤波器和环形耦合器的设计方法。通过在CRLH HMSIW的交指电容两侧加载EBG结构并采用槽线来减弱耦合实现了一种小型化带通滤波器;采用三段相移为-90。的加载EBG结构的HMSIW和一段相移为+90。的CRLH HMSIW设计并实现了一种小型化CRLH环形耦合器。上述设计中,加载EBG结构的HMSIW和CRLH HMSIW都工作在HMSIW的TE10模截止频段,因此这两款新型器件不仅具有优良的性能,而且结构也更加紧凑。 接下来,本论文提出了一种结构紧凑、性能优良的四阶交叉耦合SIW滤波器的设计方案,在该方案中我们采用了将互补开口环谐振器(Complementary Split Ring Resonator, CSRR)刻蚀在SIW谐振腔的金属面上的方法来构成谐振于传统SIW谐振腔截止频段的新型SIW谐振腔。本论文还提出了一种在SIW上下层金属面同时加载CSRR实现消逝模基片集成波导的方法,并且设计了一种具有优良带外抑制特性的基于CSRR的消逝模SIW滤波器,测试结果表明该滤波器能将三阶滤波器的面积减小约40%。 最后,本论文对采用双传输路径实现的双通带滤波器耦合拓扑结构进行了简单的分析。分别采用基于PCB (Printed Circuit Board)技术的平面SIW谐振器和基于LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic)工艺的多层折叠SIW谐振器设计了两种双通带滤波器并且进行了加工测试;此外,利用简并模式的双模谐振腔理论,设计并加工了一种上下两个SIW谐振腔垂直布局的双模双通带SIW滤波器。这一系列双通带滤波器,其两个通带的中心频率和通带带宽都可以很方便的实现单独控制,并且具有小体积、高性能和易于集成等优点。


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