（通信与信息系统专业论文）低耗小型化集成平面传输线的理论分析与应用.pdf

硕十论文低耗小型化集成甲面传输线的理论分析与应用 摘要 随着现代科技的不断发展，对通信技术提出了更高的要求，促使微波设备向着平面 化、宽频带、高可靠性、小型化、集成化等方向发展。本文以折叠基片集成波导( f o l d e d s u b s t r a t ei n t e g r a t ew a v e g u i d e ，简称f s i w ) 幂i 倒置微带线( i n v e r t e dm i c r o s t r i p ，简称i m s ) 为研究对象，研究其传输特性及基于f s i w 的新型电路设计。折叠基片集成波导是在s i w 的基础上提出的一种更为紧凑和小型化的平面波导结构。 倒置微带线主要的优点是介质损耗小，特别是在毫米波波段性能更为优越。同时， 具有结构简单，加工容易，与其他微波器件连接方便等优点。本文推导了倒置微带线的 特性阻抗公式和介质损耗公式，对不同结构的倒置微带线进行计算和软件仿真，计算结 果和仿真结果吻合很好，证明了所推导公式的准确性。 基于对常规f s i w 传输特性的理论分析，我们对上下层具有不同介电常数的f s i w 结构的传输特性进行了分析。同时，对一些参数变化对截止频率和传输常数的影响，截 止频率随空隙g a p 的变化情况，及上下层选取不同高度时对截止频率的影响等进行了较 为深入的分析。同时，还研究了这种上下层介电常数不同的f s i w 到倒置微带线( i m s ) 的转换设计，讨论了三种转换结构，分别为直角梯形过渡、锥形过渡和凹槽过渡。 最后，设计了几种基于f s i w 的微波带通滤波器，包括在中间金属层上加隔板的带 通滤波器结构、开槽缝的滤波器结构和二者相结合的四分之一波长谐振滤波器结构，进 一步证明了f s i w 结构应用的可行性。 关键词：基片集成波导( s l w ) 、倒置微带线( i m s ) 、介质损耗、折叠基片集成波导( f s l w ) 、 带通滤波器 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , s o m er e q u i r e m e n t so nt h e m i c r o w a v ed e v i c e sa r ec r i t i c a l l yr e q u i r e d ，s u c ha sl o wp r o f i l e ，w i d eb a n d ，h i g hr e l i a b i l i t y , m i n i a t u r i z a t i o na n dh i g hi n t e g r a t i o ne t c t h em a i nr e s e a r c h e so ft h i sw o r ka r ea b o u tt h e f o l d e ds u b s t r a t ei n t e g r a t ew a v e g u i d e ( f s i w ) a n dt h ei n v e r t e dm i c r o s t r i p ( i m s ) a c t u a l l y , f s i wi sa ni m p r o v e d p l a n a rw a v e g u i d es t r u c t u r ew i t hm o r ec o m p a c ts i z ea n dh i g h e r i n t e g r a t i o nt h a ns i w t h em a i na d v a n t a g eo ft h i ss t r u c t u r ei sl o w e rd i e l e c t r i cl o s se s p e c i a l l yi nm i l l i m e t e r w a v e ；m e a n w h i l ei tt a k e st h ef e a t u r e so fs i m p l es t r u c t u r e ，e a s yi nf a b r i c a t i o na n dc o n v e n i e n c e i nc o n n e c t i o nw i t hs o l i dm i c r o w a v ed e v i c e s t h ed i e l e c t r i cl o s sc h a r a c t e r i s t i co fi n v e r t e d m i c r o s t r i ph a sb e e ni n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r as i m p l ef o r m u l ao ft h ed i e l e c t r i cl o s sf o r i n v e r t e dm i c r o s t r i ph a sb e e nd e r i v e du s i n gf u z z ye mm e t h o d ；n u m e r i c a lv e r i f i c a t i o n sb y h f s sa n di e 3dh a v eb e e nc a r r i e do u t ，d e m o n s t r a t i n gt h ea c c u r a c yo ft h ed e r i v e df o r m u l a b a s e do nt h et h e o r yo fo r d i n a r yf s i w , as p e c i a ls t r u c t u r eo ff s i ww i t hd i f f e r e n t d i e l e c t r i cc o n s t a n t sf o ru p p e ra n dl o w e rs u b s t r a t el a y e r sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t so f s o m ep a r a m e t e r so nt h ec u t o f ff r e q u e n c ya n dt h et r a n s m i s s i o nc o n s t a n ta r ea d d r e s s e da n d d i s c u s s e d ，s u c ha st h et e n d e n c yo fc u t - o f ff r e q u e n c yw i t ht h eg a p ，t h ec h a n g eo ft h ec u to f f f r e q u e n c y 、晡t hd i f f e r e n td i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dd i f f e r e n th e i g h te t c i na d d i t i o n t h r e ek i n d so ft r a n s i t i o n sf r o mt 1 1 i ss p e c i a lf s i wt oi n v e r t e dm i c r o s t r i ph a v e b e e nd e s i g n e da n di n v e s t i g a t e d ，s u c ha st h eo r t h o g o n a lt r a p e z o i dt r a n s i t i o n ，t a p e rt r a n s i t i o n a n dc o n e - s h a p e dt r a n s i t i o n f i n a l l y , t h r e ek i n d so fb a n a s sf i l t e r sb a s e do nf s i wa r ed e s i g n e da n dd i s c u s s e d o n e t y p ef i l t e ri sr e a l i z e db yi n t r o d u c i n gp l a n es e p t ai nt h em i d d l em e t a ll a y e ra sak i n v e r t e r a n o t h e ro n ei sr e a l i z e db yi n s e r t i n gs l o ti nm e t a lv a n ea sj - i n v e r t e r t h el a s to n eu t i l i z e st h e c o m b i n a t i o n so fa b o v et w od i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n dd e m o n s t r a t e sg o o dp e r f o r m a n c e s k e yw o r d s ：s u b s t r a t ei n t e g r a t ew a v e g u i d e ( s i w ) ，i n v e r t e dm i c r o s t r i p ( i m s ) ，d i e l e c t r i cl o s s ， f s i w , b a n a s sf i l t e r s l j 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：邀垒熊扫如年占月z 占日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 2 0 0 年6 月z6 日 硕上论文 低耗小型化集成平面传输线的理论分析与应用 1 绪论 1 1 研究背景及现状 十九世纪六十年代，m a x w e l l ( 1 8 3 1 1 8 7 9 ) 在安培、奥斯特和法拉第等自订人理论和实 验的基础上，建立了著名的m a x w e l l 方程组，奠定了电磁学的基础。在以后的一百多年 里，电磁学理论日趋完善，从而使得电磁技术和微波技术在工程中得到了广泛的应用。 二次世界大战中，微波技术被广泛应用于军事领域，这极大地促进了微波电路向实用化 发展，其中金属波导和微波同轴线得到很大的关注和研究，因为此类金属波导元部件如 滤波器、定向耦合器、匹配器、魔t 、吸收负载和谐振腔体等具有很高的品质因数，极 低的损耗，较好的温度特性，牢固的机械结构和高功率容量等显著优点。但是金属波导 元部件也有不少缺点，体积大，加工工艺和调试过程复杂，从而导致了应用系统造价昂 贵，维护困难，所以为了减小通信系统的体积，降低系统成本，人们不得不寻找另外的 技术去替代1 1 。 微带电路技术和集成电路技术的出现是现代微波技术发展的一个罩程碑。微带电路 可以完全在平面上实现，结构十分紧凑，体积小，重量轻，造价低，同时系统的连接和 安装在微波有源器件中十分方便。作为微带电路的发展，共面波导、鳍线、悬置微带线 等技术极大地丰富了平面电路的内容，使得设计工程师在设计应用电路时有更多的选 择，增加了电路的多样性。集成电路的出现使得大量有源器件可以集成于一体，大大减 小了器件的体积，提高了电路的功能和加工的可靠性，降低了器件的加工成本。由于加 工成本下降，使得微波无线通信市场化、民用化和普及化成为了可能。但是，随着人们 生活水平的提高，对通信系统的要求越来越高，并且全球通信业务迅猛增加，低频段的 通信业务已经远远不能满足人们的需求，因此高频段的微波无线通信技术的开发及应用 是人们研究的重点。目前，微波技术正在向毫米波和亚毫米波波段迅速发展，并已获得 了大量实际的应用。它所涉及的应用领域有无线电广播，电视、卫星通信、移动通信、 微波中继通信、医疗检查和治疗等多方面【2 j 。 微波技术有着如此广泛的应用，微波器件的研究、制造及其应用便成为微波领域所 关心的问题。而传输线不仅可以作为传输微波的装置，还可以用来构成微波电路元件， 是微波系统中最基本的结构之一。因此，从某种意义上来讲，传输线的发展直接影响微 波技术的发展。传输线一般又分为两大类，即平面结构和非平面结构。平面结构的电路 包括微带线、带状线、共面波导、槽线等等，非平面结构包括矩形波导、圆波导、同轴 线、介质波导等。传统的波导有功率容量大、损耗小、传输效率高等优点，但体积较大， 1 绪论硕士论文 不易与平面电路连接。而随后出现的带状线、微带线、共面波导等微波印制传输线迎合 了当时微波电路平面化的发展趋势，具有体积小、重量轻、价格低廉、可靠性较高及性 能优越等优点，一直以来倍受青睐，被广泛应用于现代小型化平面电路中，比如r f i c 、 m m i c 等。但是，由于导体损耗、辐射损耗和介质损耗的存在，使得这种平面电路结构 不适合工作在毫米波波段，也无法构成高q 值的部件p j 。目前航天事业的迅猛发展对平 面小型化电路提出了更高的要求，微带电路功率小的缺点在某些方面已经表露出来。 标准微带线已被广泛应用在微小集成电路中，它具有体积小、重量轻、稳定性好、 便于与其他微波元器件连接成一体等优点。然而当工作频率提高以后，这种微带线除了 介质损耗增加以外，辐射损耗也增加，加工制造更加困难。随着毫米波技术的迅速发展， 人们就开始注意研究其它结构形式的传输线。倒置微带线是在毫米波集成电路中很有应 用前途的种结构形式。在毫米波波段倒置微带线远比标准微带线优越，它具有损耗小， 带线宽，加工制造精度要求较低等优点，因此是一种很有用的毫米波集成传输线。本文 将对倒置微带线的介质损耗进行理论分析并给出一些相应特性的计算公式。 为了更好地提高系统的整体性能，实现系统优化，有必要将多种导波结构结合在一 起，取长补短。另一方面，随着现代微波毫米波电路系统的高速发展，其功能越来越复 杂、电性能指标要求也越来越高，同时要求其体积越来越小、重量越来越轻；整个系统 迅速向小型化、重量轻、高可靠性、多功能性和低成本方向发展。近年来，微波领域学 者提出了另一种平面传输线类似于传统矩形波导特性的结构一。基片集成波导( s u b s t r a t e i n t e g r a t e dw a v e g u i d e ，s i w ) ，它是一种可以集成于介质基片中的具有低剖面、低辐射等 特性的新的导波结构，它是通过在上下底面为金属层的低损耗介质基片上，利用金属化 通孔阵列而实现的人工合成波导结构，兼具传统矩形波导和微带线的优点1 4 1 - 【引。 基片集成波导( s i w ) 结构可有效地实现无源和有源集成，使毫米波系统小型化，甚 至可把整个毫米波系统制作在一个封装内，极大地降低了成本；而且它的传播特性与矩 形金属波导类似，所以由其构成的毫米波和亚毫米波部件及子系统具有高q 值、高功率 容量、易集成等优点，同时由于整个结构完全为介质基片上的金属化通孔阵列所构成， 所以这种结构可以利用p c b 或l t c c i 艺来实现，并可与微带电路实现完全的集成。与 传统波导形式的微波毫米波器件的加工成本相比，基片集成波导微波毫米波器件的加工 成本十分低廉，不需繁复的调试工作，非常适合微波毫米波集成电路的设计和大批量生 产。 基片集成波导技术是以加拿大蒙特利尔大学吴柯教授的课题组和东南大学毫米波 国家重点实验室洪伟教授的课题组为主所倡导的一种新技术。近几年，在对基片集成波 导结构传输特性充分研究的基础上，实现了高性能的滤波器、双工器、定向耦合器、功 率分配器、天线阵列等以及多种有源器件，极大地推进了基片集成波导技术的发展。近 来，基片集成波导技术在中国台湾地区、美国、欧洲、韩国、r 本等亦受到了关注，最 2 硕士论文低耗小型化集成乎面传输线的理论分析与应用 近国外利用先进的加工工艺，已将基片集成波导技术应用于1 0 0 g h z 甚至是2 0 0 g h z 左右 频段的毫米波电路的设计。这些发展说明了基片集成波导技术提供了一种高品质的微波 毫米波电路集成新技术，目前它己逐渐为国际微波界所认识，并受到国际学术界与工业 界的重视。 南京理工大学在s i w 技术方面也开展了一定的工作，掌握了常规s i w 器件的设计原 则和方法，取得了一些理论及工程成果。目翦，s 1 w 的理论技术已经逐渐完善和成熟， 以s i w 为平台的设计也越来越多。而在某些应用场合，例如在微波的低频段，s i w 的尺 寸相对还是比较大。为了进一步减小s 1 w 的尺寸，2 0 0 5 年n i k o l a o sg r i g o r o p o u l o s 和 b e n i n t os a n z i z q u i e r d o 等人【7 j 提出了折叠基片集成波导( v s l w ) ，该结构在保持s i w 的传 输特性的同时，其横向尺寸约为s i w 的1 2 ，结构更为紧凑，集成度更高。南京理工大学 车文荃教授等人【9 】【1 0 j 在此基础上首次推导了折叠基片集成波导的理论公式，并以此为平 台设计了带通滤波器，定向耦合器及功率分配网络等微波电路。 1 2 本文主要研究内容 f s i w 作为s i w 结构的一种变形，不仅横向尺寸减小一半，同时还保留着原有s i w 的传输特性，是一种新型传输线和良好的开发平台，融合了矩形波导和微带线的双重优 点，同时又有小型化、集成度高的优点。本论文以此结构为平台，设计f s i w 滤波器。 倒置微带线( i m s ) 具有一些比微带线优越的特性，奇偶模相速的不一致性有所减小， q 值也有所提高，有利于用来设计滤波器、谐振艟等屯路元件。本文主要对t m s 的损耗 进行研究，推导出i m s 的特性阻抗公式及介质损耗公式。 本学位论文主要包括以下几个方面的内容： 第一章为绪论部分，介绍了课题的研究背景和国内外的发展状况。 第二章是集成平面传输线的理论分析，主要介绍了基片集成波导( s i 、和折叠基片 集成波导( f s i w ) 以及传统微带线的基本理论以及特性。 第三章是对倒置微带线( i m s ) 的理论进行分析，并对倒置微带线的特性阻抗公式和 介质损耗的理论公式进行推导及验证。 第四章对一种特殊的f s i w 传输线( 上下层填充不同介质的f s l w ) 进行理论分析， 分析了一些参数变化对其特性的影响，并且介绍了这种f s i w 结构到i m s 的几种过渡方 式。 第五章是基于f s i w 的带通滤波器的设计分析。给出了三种不同结构的滤波器，较 为深入地研究其设计思路，对其滤波特性进行了比较分析，并用实验结果进行了验证。 2 集成下面f 0 输线的瓤奉理论h 析碰i 地女 2 集成平面传输线的基本理论分析 基片集成波导( s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ，s i w ) 的概念最初始于基片集成电路 ( s i c ) i s i ，基片集成波导具有和传统矩形金属波导相类似的传输特性，它可以用来构成多 种形式的波导器件。同时，由于基片集成波导具有加工成1 f | 5 = 低、加工精度较高、体积小、 重量轻、较低的辐剿损耗、较强的抗干扰性以及较高的集成度等特点，它叫以用柬设计 高集成度的微波毫米波系统。为了进步减小s i w 的横向尺寸使它应用于更小的系统 结构中，车等人提出了种新型的折叠基片集成波导( f o l d e ds u b s t r a t ei n t e g r a t e d w a v e g u i d e f s l w l 结构吼这种结构保留了s i w 几乎所有的特性【l “，但其横向尺寸减小 了半，结构更为紧凑，因此可望有较好的应片j 前景。我们首先对s i w 传输特性加以 概述，然后介绍f s l w 的传输特性咀及理论公式。 微带线是一种适合制作微波集成电路的平面结构传输线。与金属波导相比，其体 积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等；但损耗稍大，功率容量 小川。6 0 年代前期，由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展，形成了 微波集成电路，使微带线得到广泛应用。但是，当 一作频率提高以后，这种微带线 除了介质损耗增加以外，辐射损耗也增加，加工制造更加网难。随着毫米波技术的迅速 发展，人们开始研究其它结构形式的传输线。倒霄微带线是在毫米波集成电路中很有应 用前选的一种结构形式。在毫米波波段倒置微带线远比标准微带线优越。在此我们先 对传统微带线的特性进行了介绍，然后分析比较传统微带线和倒胃微带线的优缺 点。 2 1 基片集成波导( s i w ) 简介 ll f | 吣，e ?、 鞠kl 力i ! ；f ai v 硕士论文低耗小型化集成甲面传输线的理论分析与应用 间形成了一个类矩形波导的结构，称作基片集成波导( s i w ) 。每个金属柱的半径为r ， 相邻金属柱问距为形。左右两排金属柱相当于矩形波导的侧壁，而p c b 的上下金属面 则代替了矩形波导的宽壁。s i w 的主模场结构与矩形波导类似，不过由于通孑l 缝隙的存 在，会对磁场产生一些微扰，可能会存在微波泄漏的影响。 此外，利用多层印刷电路板( p c b ) 技术和低温共烧陶瓷技术( l t c c ) 也可以形成多层 基片集成波导结构。这些结构和传统矩形金属波导结构比较类似。 2 1 1s i w 与矩形波导的比较 与矩形波导不同，s i w 两边的窄壁由周期性的金属化通孔构成，但这类结构又有与 以往研究的周期性结构不同的地方。首先，这是一种开放式的结构，传播常数在谱域内 对应着连续谱；其次，相邻金属孔之间的间距要远远小于工作波长，可以使得传输波所 携带的能量被限制在有限的区域内。由于s i w 的周期性金属化通孔的两侧是同一媒质， 这使得既不可能由于电壁的存在而在横向产生驻波，也不会因媒质交界面发生反射使得 能量限制在介质内部。当缝隙之间的距离远小于工作波长时，由金属化孔构成的条带可 以近似为电壁。 矩形波导中某导模无衰减的传播的最大波长为该导模的截止波长九，导模在波导中 能够传输的条件是该导模的截止波长大于工作波长( 九 九) ，或是截止频率小于工作频 率( z 厂) 。矩形波导中存在多种传输模式如t e m 。和删。，而在s i w 结构由于窄壁由 不连续的金属柱构成，破坏了形成肼。的窄壁电流，因而在s i w 中只能存在t e m 。模， 主模同样是碣。模i l 。 文献1 11 】中通过对数据曲线的最小均方逼近拟合得到s i w 结构的碣。模和磁。的截 止频率分别是： 氏= 丽c o 一淼) - l z 一_ 万c o 一篙一嘉) 1 其中c o 是真空中的光速，a 是s i w 结构中两排金属柱中心间距， 矩形波导导模的截止频率如下： z 2 z 2 丽1 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 即s i w 的宽度。 ( 2 1 3 ) 比较s i w 和矩形波导截止频率公式可以发现，矩形波导模式的截止频率主要受其 宽度口和高度b 影响。主模碣。的截止频率只与波导宽度有关。而s i w 结构的截止频率 不同，除了受s i w 的宽度a 的影响，还与金属柱半径尺和金属柱的间距形有关。 2 攘成甲面传输线的摹年理论仆析 顶论立 2 1 2s i w 与矩形波导的等效 文献【1 1 】通过实验曲线拟台出了s i w 的宽度o 。与等教矩形波导宽度a 的等效关系， 如下所示： ，- 豢 ， 为了实现s i w 与矩形波导r w 之间特性的等效，s i w 的尺寸参数需满足以下的关 系式2 i ： r ( 0 1 ，w 4 r ，r w 4 时，以式( 216 ) 计算出等效矩形波导的宽度 a 小于s i w 的宽度日，此情形下可以保证s i w 中，e 。模的场分布与波导中的场分布毫 无致。等效宽度之间的差值是： = d 一“ ( 217 ) 存满足式( 215 ) 的前提f ，以罔211 结构所示，举一个设计实例。基片介电常数 s ，= 23 3 衬底高度h = 05 0 8 r a m ，r ；o3 r a m ，w = l m m 损耗角诈切t a n 6 = 0 0 0 0 9 。 由式( 2 1 6 ) 得到等效的矩形波导的宽度口= 1 59 1 r a m 。i i f s s 仿真的s i w 和等效的r w 之 叫s 参数如圈2 13 所不。 硕上论文低耗小型化集成甲匝传输线的理论分析与应用 o 一1 0 - 2 0 3 0 4 0 刁 一5 0 击0 7 0 8 0 4567891 01 1 1 2 ，3 f r e q ( g h z ) 图2 1 3s i w 与等效的r w 传输特性的比较( s 参数) s i w 和r w 仿真的s 参数如图2 1 3 所示，当宽度满足式( 2 1 6 ) 时，两者结构的特 性能够很好地保持一致，截止频率的误差几乎不到5 0 m h z 。在低于6 2 g h z 时，电磁波 几乎在s i w 和r w 中没有传输，高于截止频率时，插入损耗都非常的小。s i w 的高通 特性与矩形波导完全相同，但矩形波导内的反射要远远低于s i w 。 s i w 结构不仅具有与金属矩形波导类似的传输特性，而且具有矩形波导所没有的许 多优点。s i w 结构重量比较轻、低损耗且比较易于集成，而且与工作在毫米波波段的微 带线相比，它的q 值又比较高，因而具有矩形波导和微带线的双重优点。随着多层p c b 和l t c c 技术的成熟，这种s i w 结构大大减小了原有波导器件的尺寸、重量和价格， 并增强了制造过程中可重复性和可靠性。未来，相信更多的微波有源电路或无源电路都 能集成在同一介质基片上。 2 2 折叠基片集成波导( f s i w ) 简介 s i w 结构虽然能够替代金属矩形波导应用于许多微波无源和有源电路中，然而，对 于一些微波低频段的器件( 如到s 、c 波段) 而言，s i w 的横向尺寸显得有点过大，无 法与当今系统的小型化、集成化的趋势吻合。因此j 希望有能够代替尺寸略大的s i w 结 构，而又能保留原s i w 特性的小型化的结构，这便提出了折叠基片集成波导( f s i w ) 。 最近两年来，以这种f s i w 结构为平台设计出了多种微波器件，它的其它应用还需进一 步的研究分析。 2 2 1f s l w 的传输特性 f s i w 经由s i w 结构中间横向折叠而来，折叠后宽度为原s i w 的一半左右，高度 变为原s i w 高度的两倍，原先s i w 的上表面折叠后经层压在中间形成金属面，并与右 边的壁留出了间隔，问隔的大小就是原s i w 的高度h 。s i w 到f s i w 的变换过程如图 7 2 ! 堕1 迥竺塑堡塑兰圭型笙坌堑 顺l 论女 221 所示。仔细观察折叠的过程，由( ”到( c ) 的过程反映了为了保证结构的对称性，右 边的金属壁由同样尺寸的一排金属柱来替代，这样必然要考虑等效宽度所带来的影响， 因而实际f s i w 的宽度并不仪仅足原s i w 宽度的一半，这将在下面给出解释1 1 3 。 曲s i w 结构0 ) 折j 亟方式( c ) f s i w 结构 图2 2 】s i w 结构到f s i w 的变换过程 圈2 2 2f s i w 结构的场分柑 凹2 23f s i w 横截面的场分布情况 f s i w 作为一种双层结构，其腔体内及横截面的场分布情况如图2 22 和2 23 所示。 由图可见，f s i w 的电场能量基本集中存州隔附近，与问隔相背的方向能量越来越少。 从其横截血的场分布来看，与矩形波导和s i w 的电场矢量力向平行丁金属柱不同，f s l w 电场矢量在间隔附近不仅有平行于余属柱方向的，也有少量与会属柱方向垂直及有一定 夹角的，虽然这样会切割磁感应线产生微波泄漏，不过由于数量较少，所以漏波能量对 整个的f s i w 结构的传输影响并不大，整个导波依然被限制在两排会属杜之间向自u 传输。 在图224 中，我们给出了s i w 与f s i w 两种结构的传输特性的比较。图中选用的 各参数值为：s i w 的宽度= 1 6 r a m ，高度h = o8 r a m ：f s i w 的宽度n ，= 8 r a m ，高度为 2 h = i 6 r a m ，村底介电常数e = 26 5 ：相邻两盒属柱之问的l f | j 距为= 12 m m ，金属柱 的半径为r = 04 5 r a m ：中阳j 层金属而与右边孔中心的日j 隔g = 06 m m 。由h f s s 仿真的 散射参数可以看出，s l w 和f s l w 的特性相似，s i w 和f s i w 具有比较接近的截止频率， 缪 _ 薹 i 站立低耗小掣化成1 f 7 血 输线的口论舟析0 m 用 。耆-10甄x-siw-一s21 彰i ：缪 _ ：皇譬| 一+ | 委理e 孑豇：。翟篚二匀： 2 集成平面传输线的基本理论分析 硕 ：论文 与f r w g 宽度之间的等效关系也满足关系( 2 2 1 ) 。车等人【1 5 1 【1 6 1 以理论分析的方法先推导 出折叠矩形波导( f r w g ) 的传播常数公式，而后推出了这种折叠基片集成波导的传播常 数和主模碣。下的截止频率公式。 折叠矩形波导( f r w g ) i 拘传播常数p 胀腑的公式为： p 职粥= 一p ； ( 2 2 2 ) 横向传播常数的表达式【6 】： p ，= i 2 co t ( 意鲁1 1 厄l n 【口尢s l廿 其中s i l l o ：三丝 p 办( 1 一堕) 口 对式( 2 2 3 ) + 1 3 删孵：0 ，此时o = 要，得主模码。的截止频率z 的表达式为： 兀六厄：丢a r cc o t ( 4 f ，h 石m h o _ 产2 9 ) 】) ( 2 2 4 ) ncf g 由折叠矩形波导公式转化求f s i w 特性公式时，也要考虑s i w 和r w 之间的宽度等 效关系，即由公式( 2 2 4 ) 可以得到 + 了w 加丢 ( 2 2 5 ) 24 r 。 则s i w 与r w 等效宽度之间的差为： a = a 一口 ( 2 2 6 ) 另外，由推导出的f r w g 的公式转化为f s i w 的公式时，还需要考虑等效后差值 ( 2 2 6 ) 的影响。最后整理得到的f s i w 的传播常数为： p f s i w f2 妒【吾o t ( 警c ) 】2 ( 2 2 7 ) 对式( 2 2 7 ) 令p 掰矿= o ，其传输主模为玛。模的截止频率为： 兀z 厄= l 口a r c c o t ( 4 z 办4 - f f i n 寺( 吉一扣 ( 2 2 8 ) ncfgn 考虑到折叠过程中以金属柱代替金属壁时引起的等效宽度误差，得出与s i w 特性 一致的f s i w 的实际间隔g 为： 7 咐i a2 磊a h g牟 (222h9)ae 2 a h2 a 。2 9 + 了2 石f i + 了 2 9 ) + c ， 硕上论文低耗小型化集成平面传输线的理论分析与应用 f s i w 由s i w 折叠而来，右边的金属壁以一排金属柱来替代，因此由s i w 折叠而 来的f s i w 的宽度并不简单为s i w 宽度的一半，在考虑到等效宽度的差值后，得到f s i w 的宽度公式为： 一， a，i ，= 一, + 一2 1 = 一兰(22a a 1 u “) ，= 一十一= 一一i z 1 22 2 。 文献【1 4 还同时推导了与s i w 特性一致时f s i w 的宽度和中间层面间隔的公式， 并对理论公式进行了数值和实验验证，而实验结果与理论计算吻合得很好，表明了理 论分析的有效性。这些理论公式对后面以f s i w 结构为平台设计一些新颖的微波无源 器件提供了很大的帮助。车等人对f s i w 在工程中的应用也进行了深入的探讨研究， 首先探讨了在工程中f s i w 谐振腔的馈电方式，分析了带状线到f s i w 过渡的可行性， 进行了相应的仿真验证，并对谐振腔中两个重要参数：谐振频率和q 值进行了公式推 导，并分别进行了数值验证。文献【1 7 】采用f s i w 结构，结合折叠基片集成波导谐振 器的理论分析，设计了一个工作在c 波段的谐振器带通滤波器。在下面章节中我们会 介绍基于f s i w 的其它类型的带通滤波器设计。 2 3 微带传输线简介1 1 8 i 叱i5 i 2 3 1 引言 微带传输线是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一类微波传输线，具有小型、重量轻、频 段宽、可集成等优点，而且微带线可以用照相印制工艺来加工，且容易与其它无源微波 电路和有源微波器件集成，因此是混合微波集成电路和单片集成电路中使用最多的一种 平面型传输线，可以实现微波部件和系统的集成化。随着科技的发展，微带线的工作频 率已经提高到1 1 0 g h z ，微带线在很多地方已经逐步取代波导，或者与波导、同轴线等 传统的毫米波传输线相结合来制作体积小，重量轻，性能更为可靠的电路与系统。 微带传输线由蚀刻在p c b 上表面的中心导带和下层的接地板构成，其主要的优点有： ( 1 ) 可设计结构十分紧凑的平面电路； ( 2 ) 可采用高介电常数的介质基片缩短传输的电磁波的波长，从而使微带电路尺寸大为 缩减； ( 3 ) 微带线是半开放式结构，与微波有源元件的连接较为方便。 正由于微带线的这些特点，可以和其他结构的器件一起组成集成电路，解决了微波 电路小型化和集成化中的主要矛盾，促进了通信、航天等领域的迅速发展。 2 3 2 微带传输线的基本结构 微带线作为传输线的一种，可以看成是由平行传输线演变而来。如图2 3 1 a ) 所示， 在平行双导线对称面上放一块导体板，并不影响原来的场分布，使导体平板和所有电力 2 攘成平面传输线的摹奉理论分析预十论丈 盖。黪_ 一号门 锄j 。，山从 4 r 姚 蚓2 3i 微带线的演变示意图 图2 31a ) 和b ) 是标准微带线的结构及其主模的横向电磁场分布图。从微带中的场分 稚可以看出，其中的场除存在于介质基片中外，还有一部分处在空气介质中。因而微带 中的介质是由空气和介质基片组成的混合介质，所以其中的电磁波是在两种介质中传播 的，仍然存在纵向的电场和磁场分量，因此微带中传输的是准t e m 模。微带线在低频 阶段也近似认为是t e m 模传输线。 a ) 微带线结构b ) 主模的横向电磁场分布 图2 32 微带线及其场结构 人们对微带线做过很多的分析和数值求解。分析方法很多，主要有三种：准静态法、 色故模型法和全波分析法。其中比较简单实用的是准静态分析法。在准静态分析法中， 微带传输模与准t e m 模相差很小，其传输特性可以通过静态电容来计算。事实证明， 在微带的宽度和介质板厚度远小于介质中的波长时，这种方法所得的结果已经能满足电 路的精度。而由于全波分析方法考虑了微带线的混合传输模，其传输特性可以通过确定 传输常数来计算。 盏够 i! 硕士论文低耗小型化集成甲面传输线的理论分析与应用 2 3 3 微带线的特性阻抗和相速 特性阻抗和相速是所有微波传输线最主要的两个参量。特性阻抗与阻抗匹配有关， 传输线的电长度和几何长度决定相速。一般要研究微带线的各种特性，都必须从这两个 参量着手。但必须指出，传输线的特性阻抗和相速，均是对一定的波型( 模式) 而言，同 一种传输线不同波型的阻抗和相速是不一样的。如同轴线，只存在唯一的t e m 模式， 因此具有确定的特性阻抗和相速。在矩形波导中，有t e 和t m 模式，分别对应不同的 波阻抗。其主模为t e 。模，其他的波型称为高次模，应设法加以抑制，基本上都是处于 单模传输状态。但是微带线传输的电磁波不是纯粹的横电磁波，一般不可能做到单模传 输，是一个t e 模和t m 模的混合模式。如果尽量缩小微带线横截面尺寸，使导带的宽 度w 和基片高度h 均远小于九1 ( 2 4 i 1 , ) ( 其中九为工作波长，为介质基片的相对介电常 数) ，则杂波型极小，在低频时可以看作准t e m 波。 对于t e m 模，根据长线方程，特性阻抗z 。和相速0 。分别为： 斤一 z n ：f 鱼( 2 3 1 ) 。、c o 2 丽1 ( 2 3 2 ) z 。的大小完全由长线本身的分布参数决定，即取决于给定长线的横向尺寸和周围所 填介质的特性，而与信号源及负载无关，因此长线的特性阻抗是表征长线固有特性的一 个重要参量。其中厶和c o 分别为传输线的分布电感和分布电容。特性阻抗为传输线上 行波电压和行波电流，或入射波电压对入射波电流之比。相速是指波的等相面移动的速 度。当已知传输线的分布电感和分布电容，即可求出特性阻抗z 。和相速。 微带是混合介质系统，特性阻抗的计算过程很复杂，若将微带全填充空气介质，则 其中的t e m 模的特性阻抗和相速将与自由空间中的一样，为： z o2 慨2 去，鄙 q 3 3 ， 其中c o 。为空气填充微带线的分布电容，c 为光速，即c = 3 1 0 8 米秒。 若微带线周围全部填充与基片材料同样的介质，即全填充介电常数为，的介质，则 t e m 模的特性阻抗和相速为： z o = 丽1 。赤 ( 2 3 4 ) 微带线的实际结构是部分电场在介质中部分在空气中，空气和介质对其相速都有影 响。不难理解，部分填充介质的实际微带线中准t e m 波的特性阻抗和相速在下述范围 内： 2 集成平面传输线的皋奉理论分析硕士论文 赤 z oj c c o ,可i “一 c 万 幻 ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 为此，假定实际微带的尺寸和单位长度的电容不变，将原来的混合介质变成有效相 对介电常数。，则实际微带的特性阻抗和相速为： 孕惫2 赤 ( 2 3 7 ) 其中z 。为填充空气时的同一尺寸微带线的特性阻抗。的值介于1 ，之问，和介 质填充的几何形状与尺寸有关，常近似为： 铲掣+ 孚( 1 + 1 w 2 h m ( 2 3 8 ) 或 8 。= 1 + g ( s ，一1 ) ( 2 3 9 ) w 很大时，8 。- - - 争8 ，这是因为导带很宽，可认为全部电力线在介质内。当w h 很 小时，8 。寸( ，+ 1 ) 2 相当于空气和介质的平均值。故。在此两个极端的范围之内。其 中g 称为有效填充因子，是表征导带周围所填空气与所填介质相对空间大小的参数。当 介质全都填充时，q = l ，则。= ，表示导带周围全填充相对介电常数为s ，介质。通 常0 q 1 ，q 主要由形状比w h 决定，而和介电常数，的关系较小。当，产生微小变 化时，g 值基本上不变。有公式： g = 批，+ 肯l 亿3 如， 因此，求微带线的特性阻抗时，可先求同尺寸的空气微带线的特性阻抗，再求有效 介电常数s 。，然后按式( 2 3 7 ) 来计算。 根据上述公式，也可以利用计算机算出各种不同介电常数，以及各种不同的w h 时 的微带线有效介电常数耻和特性阻抗磊。如果有效介电常数。已知，则相速v p 也可求 出来。 2 3 4 微带线的损耗 损耗是微波传输线中必须要考虑的参量之一，在电路设计中总是希望尽可能地减小 损耗。微带线的损耗要比波导、同轴线的大，通常在设计微带电路元件时，损耗更是一 个不容忽视的参量，它会影响所设计电路的性能的优劣。微带线的损耗主要分成三部分： ( 1 ) 辐射损耗：由导带两侧半开放性引起的，其相应的辐射衰减常数为仪，。辐射损 1 4 硕士论文低耗小型化集成甲面传输线的理论分析与应用 耗的降低可以通过减小微带线的横截面来实现，但是这种方法也只有在线的不均匀点才 比较明显，其理论分析往往比较复杂。在工程应用上，为避免辐射和减小衰减，以及防 止对其他电路的影响，常常将微带电路封装在金属屏蔽盒中。 ( 2 ) 介质损耗：实际介质在交变场作用下，介质分子交替极化和晶格来回碰撞而产 生的介质热损耗，其对应的介质衰减常数用d 表示。在毫米波段内，这部分损耗将加 剧。 ( 3 ) 导体损耗：高频趋肤效应引起的导带和接地板上非理想导体的欧姆损耗，由于 微带线横截面尺寸远小于波导和同轴线，导体损耗也较大，是微带线损耗的主要组成部 分。 当微带基片的相对介电常数，较大，以及横截面尺寸w h 比值较大时，辐射损耗可 以忽略不计，将微带的总衰减表示为： 仅去鲁2 瓦p = 瓦1 ( 只+ 岛) 屯坞( 2 3 1 1 ) 上式中，昂为行波传输时微带线的传输功率；p 。为单位长度介质损耗功率；p d 为 单位长度导体损耗功率。 - ( 1 ) 导体损耗0 【。 微带线行波状态下的传输功率定义为： e o = 丢：丢，2 z o ( 2 3 1 2 ) 单位长度的导体损耗功率定义为： 只= l 1 2 r ( 2 3 1 3 ) 式中的r 是微带线单位长度导体的等效欧姆电阻，因此 仪。：鲁：粤 ( 2 3 1 4 )。 2 忍2 z o 、 这个结论与长线理论的结果相致。由于微带线中高频电流沿导体横截面周界并不 是均匀分布的，所以，从理论上计算等效分布电阻r 值是极为复杂