（电磁场与微波技术专业论文）基片集成波导微波毫米波无源器件研究.pdf

摘要 摘要 基片集成波导技术是近几年提出的一种新型导波结构。本文利用矩形波导与 基片集成波导在传播特性上的相似性，采用了矩形波导无源器件的设计方法，对 基片集成波导无源器件的设计方法进行了基础性的研究，主要得到了如下结果： 1 设计出了k a 波段基片集成波导带通滤波器。该滤波器采用的是切比雪夫 并联电感耦合波导滤波器结构，中心频率高，制作出了实物并用矢量网络分析仪 进行了测试。由实测结果可知，k a 波段基片集成波导滤波器的中心频率是3 4 7 g h z ， 带宽是2 8 g h z ，通带内插入损耗是3 5 d b ，回波损耗小于1 4 8 d b 。 2 设计出了k a 波段的基片集成波导y 型功率分配器。该结构中，采用了三 个金属化调谐通孔改善了输入端的反射系数，避免在频率为3 5 g h z 的地方出现较 大的回波损耗，制作出了实物并用矢量网络分析仪进行了测试。由实测结果可知， 在k a 波段全频段，输入端的回波损耗小于一1 0 d b ：两输出端支路的插入损耗分别是 2 4 d b 和3 3 9 d b ，波动幅度分别达到1 8 d b 和2 7 d b ，两输出端之间的隔离度大于 5 d b ，相位差在9 。到1 3 5 0 之间波动。 3 设计出了3 1 g h z 到3 9 g h z 十字型基片集成波导定向耦合器，该结构的定向 耦合器尺寸小( 2 1x 2 1 舳2 ) ，工作频率高，并且能够在较宽频段上拥有较好的性 能，制作出了实物并用矢量网络分析仪进行了测试。由实测结果可知，输入端的 回波损耗小于- 1 2 5 d b ，直传系数在3 2 d b 到4 2 d b 之间波动，隔离度大于2 4 8 d b ， 耦合度在3 6 d b 到8 d b 之间波动。输出端与耦合端之间的相位差在9 7o 到1 3 0 0 之 间波动。 本文研究的工作涉及了基片集成波导滤波器，功率分配器，定向耦合器等无 源器件的设计技术，并对其中一些部分做了理论分析和实验结果的研究，并总结 了相关的经验，为基片集成波导无源器件的设计提供了一定的技术借鉴。 关键词：基片集成波导，滤波器，功率分配器，定向耦合器 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 ei san o v e lg u i d e d w a v es t r u c t u r ed e v e l o p e di n r e c e n ty e a r s i nt h i st h e s i s ，t h em e t h o d so fd e s i g n i n gs 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 p a s s i v ec o m p o n e n t so fm i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e r - w a v eh a v eb e e na n a l y z e d ，w i t ht h e e q u i v a l e n c eo ft h ep r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h es u b s t r a t e i n t e g r a t e d w a v e g u i d ea n dt h er e c t a n g u l a rw a v e g u i d ea n dt h em e t h o d so fa n a l y z i n gt h er e c t a n g u l a r w a v e g u i d e t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 k a - b a n ds u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d eb a n d p a s sf i l t e rh a sb e e nd e s i g n e d t h e s t r u c t u r eo ff i l t e ri sc h e b y s h e vs h u n ti n d u c t a n c ec o u p l e dw a v e g u i d ef i l t e r t h ef i l t e r w h i c hh a sh i 曲w o r k i n gf r e q u e n c yi sf a b r i c a t e da n dm e a s u r e d f r o mt h em e a s u r e d r e s u l t s ，k a - b a n df i l t e rw o r k s a t3 4 7 g h z ，w i t hb a n d w i d t ho f2 8 g h z ，i n s e r t1 0 s so f3 5 d ba n dm a x i m a lr e t u r nl o s so f 14 4d bi nt h ep a s s b a n d 2 k a - b a n dy - j u n c t i o ns u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d ep o w e rd i v i d e rh a sb e e n d e s i g n e d i nt h i ss t r u c t u r e ，t h r e em e t a l l i cv i a sh a v eb e e ni n t r o d u c e dt or e d u c et h e r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ei n p u tp o r ta n dt oa v o i dl a r g er e f l e c t i o na t3 5 g h z t h e p o w e rd i v i d e rh a sb e e nf a b r i c a t e da n dm e a s u r e d f r o mt h em e a s u r e dr e s u l t s ，t h ep o w e r d i v i d e ri sw o r k i n gf r o m2 6 g h zt o4 0 g h z ，w i t hm a x i m a lr e t u r nl o s so f - 10d b ，i n s e r t l o s so f t w ob r a n c h e so f 2 4d ba n d3 3 9d b ，r i p p l eo f1 8d ba n d2 7d b 。t h ei s o l a t i o n b e t w e e nt w oo u t p u tp o r t si sb i g g e rt h a n5d b t h ed i f f e r e n c eo ft h ep h a s eb e t w e e nt w o o u t p u tp o r t sf l u c t u a t e sf r o m 一9 0t o13 5 0 3 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 ec r u c i f o r md i r e c t i o n a lc o u p l e rw h i c hw o r k sf r o m 31g h zt o3 9 g h zh a v eb e e nd e s i g n e d t h i sk i n do fd i r e c t i o n a lc o u p l e rh a sh i 曲 w o r k i n gf r e q u e n c y , c o m p a c ts i z e ( 21m r n 木21r a m ) a n dw i d eb a n d w i d t h t h ed i r e c t i o n a l c o u p l e ri sd e s i g n e d ，f a b r i c a t e da n dm e a s u r e d f r o mt h em e a s u r e dr e s u l t s ，t h ed i r e c t i o n a l c o u p l e rh a st h em a x i m a lr e t u r nl o s so f - 1 2 5d b ，d i r e c tt r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n tv a r y i n g f r o m3 2t o4 2d b ，t h ei s o l a t i o no f2 4 8d b ，c o u p l e dc o e f f i c i e n tv a r y i n gf r o m3 6t o8 d b ，t h ed i f f e r e n c eo ft h ep h a s eb e t w e e nt h eo u t p u tp o r ta n dt h ec o u p l ep o r tv a r y i n gf r o m 9 7 0t o13 0 0 i naw o r d ，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 ef i l t e r , p o w e r d i v i d e ra n dd i r e c t i o n a l c o u p l e rh a v eb e e ns t u d i e di n t h i st h e s i s t h e s et e c h n o l o g i e sa r es t u d i e di nd e t a i l a n d s u c c e s s f u l l ya p p l i e d ，w h i c hm i g h tb eh e l p f u l t of u r t h e ra p p l i c a t i o no fs 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 ep a s s i v ec o m p o n e n t sd e s i g n k e y w o r d s ：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 ，f i l t e r , p o w e rd i v i d e r , d i r e c t i o n a lc o u p l e r i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：粗锲 醐：1 耵驯日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：二邀站 导师签名： 醐：1 椭帅 第一章绪论 第一章绪论 1 1 基片集成波导技术研究背景 规则金属波导【l 】是指各种截面形状的无限长笔直的空心金属管，其截面形状和 尺寸、管壁的结构材料及管内介质填充情况沿其管轴方向均不改变。它将被引导 的电磁波完全限制在金属管内沿其轴向传播。矩形波导【2 】是截面形状为矩形的金属 波导管。 普通规则金属波导具有传输损耗小、功率容量大等优点，但不易与其它微波、 毫米波无源与有源电路集成，而且制作难度和成本都比较高。被广泛应用于高集 成度微波、毫米波电路的设计的微带线，但由于其传输损耗大、辐射引起的交扰 强等因素，限制了电路的性能。此外，由于品质因数低，采用微带电路设计制作 的谐振器、滤波器、双工器等微波、毫米波器件【3 】，其性能无法与波导器件的性能 相比。于是，在要求比较高的现代移动通信系统的基站等设备中，仍然采用金属 腔体滤波器。 1 9 9 8 年，h u c h i m u r a 4 】等人提出了一种通过金属化通孔阵列形成金属波导壁， 用两排金属通孔和上下导体平面近似出一个由介质填充的矩形金属波导，从而把 波限制在一定的范围内向前传输，其制作工艺类似于微带类平面集成传输线，但 传输模式与金属波导几乎相同，因而兼具了金属波导传输损耗小、q 值高等优点 和微带类传输线的平面集成特性。此外，由于基片集成波导是一种类似于普通金 属波导的准封闭平面导波结构，它除了具有类似于微带类传输线的平面集成特性 外，几乎严格消除了由辐射和基片中的导波模引起的电路中不同部分的相互干扰。 1 2 基片集成波导技术研究现状 基片集成波导【5 1 就是将波导集成在介质基片中，或在介质基片中形成类波导结 构。基片集成波导的基本结构如图1 1 所示： 屯子科技人学硕十学佛论文 hi - l 基片集成波导基本结构 由图1 1 可知，两排金属化通孔的中, b l u j 距为a ，金属化通孔的直径和间距分别为 d 和p ，介质基片的厚度和介电常数分别为h 和，电磁波在介质基片的上下金属 面和两排会属化通孔所围成的矩形区域内以类似于介质填充矩形波导中的场模式 传输。基片集成波导的导波特性可采用有限差分法、直线法等确定。类似于普通 矩形波导，基片集成波导的截止频率主要由两排金属化通孔的间距a 确定，导波 能量的泄露由金属化通孔之间的缝隙确定，这种能量泄露会增大传输衰减。容易 发现，似乎金属化通i l 之旧j 的缝隙越小越好，当缝隙等于零，也即通孔无缝隙连 成一排时能量泄露为零，但这时会破坏基片结构。实际上，对于印刷电路板( p c b ) 工艺或低温共烧结陶瓷( l t c c ) 工艺等，对盒属化通孔的最d q l 径和间距有严格 限制。因此设计基片集成波导时，必须在满足工艺规范的条件下，通过优化使得 能量泄露限制在可以忽略不计的程度。 2 0 0 6 年，w dh o n g 等a 6 】提出了半模基片集成波导的结构，半模基片集成波导 的结构是一种新型的基片集成波导结构。半模基片集成波导的基本结构如下图所 示： 幽1 0 半栏基片集成波导基本结构 假设半模基片集成波导中仅传播主模t e - o 模，那么沿着传输方向的对称面等效为 个磁壁。如果纵截而是磁壁，那么一半的基片集成波导将保持一半的场分却不变 半模基片集成波导在基片集成波导的宽度远大于基片的高度的条件下，其开放边 第一章绪论 也可以近似成为一个磁壁。 由于基片集成波导的高q 值特性，近年来已经能用性能接近于用普通金属波 导的基片集成波导设计出各种微波、毫米波无源器件，如天线【7 h 钔、滤波器【l o 】1 h 】、 谐振腔【1 5 h 17 1 、定向耦合器【18 h 2 0 1 、功率分配器【2 1 h 2 3 1 等。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已经对基片 集成波导技术进行过深入的研究。国外由于拥有先进的加工工艺，已经可以将基 片集成波导技术运用于i o o g h z 以上的毫米波电路的设计1 2 4 j 。 1 3 本论文研究内容 本文主要介绍了基片集成波导的结构、传播特性和基于基片集成波导技术的 微波毫米波无源器件的设计方法。各章节的主要内容如下： 第一章是引言。本章将首先介绍基片集成波导技术的研究背景，随后简要介 绍基片集成波导的结构、半模基片集成波导的结构和基片集成波导技术的研究现 状，最后介绍本论文的总体结构和展开的工作。 第二章是基片集成波导的传播特性。本章将首先介绍矩形波导与基片集成波 导的相似性，接着介绍基片集成波导的传播特性。 第三章是基片集成波导无源器件的设计。本章主要研究基片集成波导技术在 微波毫米波无源器件中的应用，分别研究了微带线与基片集成波导的过渡、滤波 器、功率分配器、定向耦合器等微波毫米波无源器件的设计方法，运用仿真软件 h f s s i o 进行了仿真和调试，并用矢量网络分析仪对实物进行了测试，得到了一些 有用的结果。 第四章是结论和展望。本章主要总结了本文的贡献并归纳了本文存在的一些 不足，并展望了基片集成波导技术的发展前景。 电子科技人学硕十学何论文 第二章基片集成波导传播特性 2 1基片集成波导与矩形波导相似性 矩形波导能够支持t m 模( 横磁模) 和t e 模( 横电模) 。对于每种工作模式， 矩形波导都存在截止频率，并且由矩形波导的尺寸决定。t m 砌或t e m n 模式的截 止频率是 z 2 z 删。2 丽k c m n2 丽1 ( 2 1 ) 式中a 是矩形波导沿x 方向的尺寸，b 是矩形波导沿y 方向的尺寸。为了能使信号 沿波导长度方向传送，信号频率应该大于截止频率，否则信号将不能沿波导长度 方向传输。当信号的工作频率低于最低次模的截止频率时，电磁波的衰减很大， 传播一小段距离后就会消失。反之，工作频率高于截止频率的那些模式均可同时 存在于波导中。为了使波导中仅存在单一的模式，应该使波导的工作频率在最低 次模的截止频率和次最低次模的截止频率之间，这样波导中仅有最低次模能够传 播，而所有其它的模式都是衰减的。 在导波系统中截止波长九最长的模式称为主模。矩形波导的主模是t e l o 模， 该模式具有场结构简单、稳定、频带宽和损耗小等特点，实用中的矩形波导几乎 都工作在t e l o 模式。 t e l o 模的截止波数为： t = 竺( 2 - 2 ) 口 于是截止波长为： 五喝。：孚：2 2 a ( 2 3 ) 以碣。2 i 2 u j j 而相移常数为： 4 第二章基片集成波导传播特性 波导波长为： 波阻抗为： 相速v p 和群速v g 分别为： ：2 z ， l 2 n 无 以2 万2 4 1 - ( 2 2 a ) 2 2 丽1 2 0 n 彩1 ， 圹万2 丽 k ：亮：v 乒万万 k 2 历刮、卜【允7 2 口j 式中，v 为自由空间光速。 功率容量为： 只：a b e ：o ：堕堕 4 z t p 4 8 0 n - ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 其中，e b ，为击穿电场幅值。 当电磁波沿传输方向传播时，波导金属壁的热损耗和波导内所填充介质的损 耗必然会引起能量的衰减。对于空气填充的波导，介质损耗可以忽略不计，而导 体损耗是不可忽略的。 设导行波沿z 方向传输时的衰减常数为0 c ，则沿线电场、磁场按e 一规律变化， 即 z 耳- i ( z z 荽 ( 2 - 1 0 ) ) = 饩e 一 、。 所以传输功率按以下规律变化： 5 电子科技人! 学硕十学何论文 p = 昂p 。2 ” 上式两边对z 求导： 竿：一2 口p o e 啦：也尸 出 因沿线功率减少率等于传输系统单位长度上的损耗功率p i ，即 p ：一鲨 比 比较式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 可得 口= 互2 p ( n p m ) 由此可求得衰减常数仅。 在计算损耗功率时，因不同的模式拥有不同的电流分布， 上述分析，可推导出矩形波导t e l o 模的衰减常数公式： 吒2 1 2 0 刀- b ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) 损耗也不同，根据 畔( 期，m ， 协嘲 ( 2 1 6 ) 式中，r s 是导体表面电阻，它取决于导体的磁导率队电导率。和工作频率f 。 由式( 2 1 5 ) 可以看出，衰减常数与波导的材料有关，因此要选取导电率高的 非铁磁材料，使r s 尽量小。增大波导高度b 能使衰减变小，但当b a 2 时单模工 作频带会变窄，故衰减常数与频带之间的关系应该综合考虑。衰减常数还与工作 频率有关，在给定矩形波导尺寸后，衰减常数随着频率的提高先是减小，出现极 小点，然后稳步上升。 2 0 0 8 年，w c h e 等人【2 5 】首次运用“解析矩量法”研究了矩形波导与基片集成 波导在传播特性和截止频率上的等效性。这种等效性并不是在数值上表现的，而 是通过矩量法哈林顿矩阵中的自相关项的物理意义在解析上表现的。这种方法称 为“解析矩量法”，首先在矩形波导的侧边纵向与基片集成波导侧边的表面阻抗 问建立关系，然后运用解析矩量法详细推导出基片集成波导侧边上单个圆柱的表 面阻抗，接下来推导出基片集成波导与矩形波导等效性的公式，最后通过将解析 矩量法得到的结果、h f s s 仿真得到的结果和实验得到实测结果进行了对比，发现 6 第二章基片集成波导传播特性 通过这三种方法得到的结果是一致的。本节将简要介绍由w c h e 等人提出的基于 解析矩量法对基片集成波导与矩形波导相似性进行的研究。 首先，由电磁场理论中理想金属面的反射方程推导出由一排半径为r ，周期性 排列金属圆柱的表面阻抗t 1 。的方程。图2 1 表示的是t e 波对一个金属导体壁的反 射。e i 表示入射波的电场，e 表示反射波的电场。于是有 e + e = 0 y l l 。 ( 2 1 7 ) 图2 i入射角为0 的t e 波对理想金属面反射 在矩量法中，理想金属壁被平均分为n 份( n o o ) ，每一份的宽度为w 。如图2 2 所示 得到矩量法矩阵 ：! ! 二 连续的导体壁 被均分成附 图2 2 理想金属壁被平均分为n 份，每一份宽度为w ( f ) = g o ( 厶) ( 2 1 8 ) 如果将每一段的宽度w 用金属圆柱的半径替换，r 。= w 4 ，矩量法矩阵将 会保持不变。这个替换是非常准确的，平均误差率仅有2 。 将式( 2 1 8 ) 展开得到： 匪 一兰丝 j 4 磁2 ( r ) 联2 ( 吒。) 磁2 ( ：) 磁2 ( r ) 联2 ( 。) 磁2 ( ) 硝2 ( r ) 厶 ： ； i n ( 2 1 9 ) 式中，h 孑是第二类零阶汉克尔函数。r 岫：| m w n wi ，是指第m 份和第n 份理想 7 电子科技大学硕+ 学何论文 金属壁之间的中心距( m n ) 。与( 2 1 9 ) 式中的e 。相似，也可用同样的矩阵形式 表示入射角为0 的入射波的电场分量e ：。 。 ： ； 爵 = = 一 w c o s o w h i c o s o 矿风咖日w h 7c o so f j 娜泓w rc o s o ：鱼 w c o s o 厶 ： in ( 2 2 0 ) 式中，t 1 。是指自由空间中的本征阻抗。 对一个理想的平坦盒属反射壁，所有的e 二都具有相同的幅度，只是两份相邻 的理想会属壁问存在相移一k o w s i n 0 ，这旱的0 是指入射平面波e 的入射角。如果理 想金属壁趋于无限大的，那么对所有的i 。也将具有相同的幅度。由于e 二都具有相 同的幅度和常数的相移，式( 2 1 9 ) 的矩阵可以简化成表面阻抗z 。的方程： + f = z j 。， ( 2 2 1 ) 式中 乏。= 志+ 学印c 岛r ， + 等c 主聊c k o 肌叨矿肋眦牛+ 奎z o m ( 2 - 2 2 ， 上式中的第一项是正相关项z o o ，指的是最中间的那一份理想金属壁( 定义为零阶) ， 宽度为w ，其它项指的是与最中间的那一份理想金属壁左右相邻的m 份理想金属壁 ( 定义为m 阶) 。从理想金属壁反射的物理意义上看，理想金属反射壁的表面阻抗 是零。于是有 互。= o = z o o + z o 。 ( 2 - 2 3 ) 由此可以得到一排周期性排列金属圆柱的表面阻抗。如果将( 2 1 9 ) 式和( 2 2 2 ) 式中的宽度为w 的每一份理想金属壁替换成半径为r 。的金属圆柱，( 2 1 8 ) 式中的 场方程和( 2 2 3 ) 式表面阻抗将保持不变。如果将金属圆柱的半径变成一个不同的 r 值，那么( 2 - 2 3 ) 式中除了含有h 孑( k 。r ) 的自相关项z o o 变化外，其它项均保持不 变。假设粕和r 均远小于波长，可以对r 定义一个关于r 的渐近自相关项。 瓦= z o o + z 0 ( 2 2 4 ) 8 第二章基片集成波导传 罨特性 峨=等唧(删一础(koro)=了jcoh04l n ( 惫) ( 2 2 5 ) ，斗“ 式中，r 的值是限制在九2 0 之内的( 准静态条件) 。因此( 2 2 1 ) 式中的表面阻抗 随着半径r 的值的变化而变成： e = 乏o i ( 2 - 2 6 ) 式中 z 。= 等t i - i 0 2 ( k o r ) + a o 磁2 ( k o mw ) e - j k ( 一n w s i n 0 _ + 瓴+ 芝z o 。 ( 2 2 7 ) ，叶m = 8 将式( 2 2 3 ) 代入式( 2 2 7 ) 得到 乏o = a z o ( 2 - 2 8 ) 由( 2 2 1 ) 式可知，式( 2 2 6 ) 中的阻抗z 的单位是q n l 。 假设 j s=面1(2-29) 单位为h ，则表面阻抗”。( = w a 7 , 。) 可以简化成( e 。表示的是理想金属壁的表面 电场) ： 巨= 以仉o ( 2 - 3 0 ) 式中 驴学h ( 象( 2 - 3 1 ) 从上式可以看出，在准静态条件下，当r = w 4 ，金属圆柱壁的表面阻抗等于零， 与理想金属反射壁的情况一致；当r w 4 时，金属圆柱壁的表面阻抗是呈容性的。 对于传统的矩形波导( 如图2 3 所示) 而言，主模t e l o 模的e v 和h ：分量是： h ：a s i n 里p 一肚( 2 3 2 ) 9 电子科技火学硕十学位论文 e ：j c o , ua c o s 一7 xe - l a ： 刀口口 ( 2 - 3 3 ) 图2 3 传统矩形波导不葸图 在图2 3 中的y z 平面上，沿着波导的任意位置x 处( 可以延展n x a 2 ) ，其 纵向阻抗( 方向与波导的短壁平行) 是： ，7 。：曼：坐塑c o t 仁x ) ( 2 3 4 ) 仉2 芽2 茄2 ( _ 砷 旺洲 设基片集成波导的宽度是a 7 ，相对应的矩形波导的宽度是a 。( 2 3 1 ) 式中的基片集 成波导短壁的表面阻抗取决于在基片集成波导中传播的入射平面波的入射角0 。在 ( 2 3 4 ) 式中，矩形波导中的虚拟短壁的表面阻抗也取决于在矩形波导中传播的入射 平面波的入射角0 ，只是方式不同而已。令( 2 3 1 ) 式和( 2 3 4 ) 式相等，得到如 下方程： 学h ( 器c o t ( 型a2 ) ( 2 - 3 5 ) 4、4 r ( 万口) 、 解以上方程，得到基片集成波导的等效宽度a ： c t g ( 坐l n 里)( 2 3 6 )= i - l n l z 。j oj 万4 a4 r 。 式中，a 是指基片集成波导的宽度，w 是指两相邻金属圆柱间的距离，r 是指金属 圆柱的半径，a 是与基片集成波导等效的矩形波导的宽度。式( 2 3 6 ) 表示当金属 圆柱的半径r 小于相邻两金属圆柱间的距离w 的1 4 时，与基片集成波导等效的矩形 波导的宽度a l ：l 基片集成波导的宽度a 要大；相反，当金属圆柱半径r 大于两相邻 金属圆柱间的距离w 的1 4 时，与基片集成波导等效的矩形波导的宽度a 比基片集成 波导的宽度a 要小。这种等效关系意味着基片集成波导的传播常数1 3 和与其等效的 矩形波导的传播常数近似相同。 下面从物理的角度分析这种等效关系。矩形波导与基片集成波导中场分布的 1 0 第二章基片集成波导传播特性 俯视图( 如图2 4 所示，图( a ) 表示r w 4 的情况) 中 右侧的实线代表矩形波导的理想会属壁，十衍邻的虚线代表的足基片集成波导的金 属圆柱壁。小的实线圆圈代表h 面上的电场线，半椭圆实线代表h 面上的磁场线。 由传输线理论，矩形波导的理想金属短壁可以看成是一个短路负载，因为它 的表面阻抗为零，电磁波在两个理想金属短壁间来回地反射。由短路负载向源移 动，表面阻抗就会变得呈感性。如果将感性阻抗替换成感性的金属圆柱壁，然后 移去矩形波导的理想会属短壁，波导内的场分布是保持不变。当r w 4 时，如图2 4 b 所 示，为了保持基片集成波导中的t e l o 模不变，由金属圆柱壁构成的基片集成波导的 宽度a ：要大于与其等效的矩形波导的宽度a 。 准静态是指在低频c o 的情况下，波导结构的等效集总参数电路c o l 和c o c 是有 意义的( 例如k r 2 n 2 0 ，或1 8 度) ，相邻金属圆柱间的相差是可以忽略的。( 例 如k w 2 7 c 2 0 ，或1 8 度) 。准动态是指在频率比较高情况下，相位差必须要加以 考虑，( 例如2 7 c 2 0 k w 2 n 1 0 ) 。波导结构的等效集总参数电路c o l 和c o c 就失 去了意义，而( k r 2 n 2 0 ) 依然成立。而动态则指的是在高频的情况下。( 例如 k r k ) 更有用处。这说 屯子科技人学硕十学位论文 明在准静态条件下，会属圆柱问的距离w 可以远大于九。2 0 。 相邻问距为w 的金属网柱i n j 的相互耦合，包括近距离耦合和远距离耦合，并 不满足准静态条件，但接近于准动态条件。式( 2 3 6 ) 仍然可以在准动念条件下运 用，但是金属圆柱间的距离w 必须限制在一定的范围内( 2 x 2 0 4 0 d b 。 该滤波器采用9 阶切比雪夫并联电感耦合波导滤波器结构，介质基片选用高 介电常数基片c e r1 0 ，相对介电常数是9 5 ，厚度是0 6 3 m m ，其金属化通孔直径 是0 4 m m ，通孔中心间距是0 8 m m 。如图3 - 9 所示。选用此种高介电常数基片一 方面可以有效地减小基片集成波导滤波器的尺寸，另一方面由于此种高介电常数 基片的损耗正切相对较大，也会增加基片集成波导滤波器的插入损耗。 司 二j = 三i ：三二二 图3 - 9x 波段基片集成波导带通滤波器 x 波段基片集成波导滤波器尺寸如下： 基片集成波导的宽度：a = 8 1 m m 。 每对电感膜片间距：w 1 = 5 2 5 m m ，w 2 = 4 0 4 r a m ，w 3 = 3 6 5 m m ，w 4 = 3 4 6 m m ， w 5 = 3 3 6 m m 。 各谐振器长度：l 1 = 5 2 3 m m ，l 2 = 5 8 2 m m ，l 3 = 6 0 4 m m ，l 4 = 6 1 l m m ， 第三章基片集成波导无源器件设计 l 5 = 6 1 2 m m 。 运用h f s s1 0 仿真，结果如图3 1 0 所示。 0 - i - 2 - 3 岔_ 4 勺 = - 5 窃_ 6 o - 8 - 9 l o ，； f| 、 7 789i ol l1 2 频率( g h z ) 图3 1 0x 波段基片集成波导滤波器仿真结果 由仿真结果可知，该滤波器的中心频率是9 5 g h z ，带宽是1 g h z ，通带内插 入损耗是1 6 d b ，回波损耗小于2 0 d b 。在频率f 1 1 g h z 的阻带上衰减 5 0 d b 。 利用矢量网络分析仪h p 8 5 1 0 来测试该滤波器。测试框图如下图3 - 1 1 所示。 为了方便测量，通过g p i b 接口用计算机来控制网络分析仪的测量，并将测试结果 输出到计算机。 图3 1 lx 波段基片集成波导滤波器测试框图 4 1 电子科技人学硕十学1 7 ：论文 盆 勺 、- ， ：漆 弧 匾困)l=-e隔lob(s(2捆而困圃困,1)1=-5dec a l 21 8 ) ? - 5 。4 tl d b fb f 215 q6 12 ) | 3 杷里皇! ：! ! ! 三= 塑吲! b ( 旦型 频翠( ( ；l - l z ) 图3 1 2x 波段基片集成波导滤波器测试结果 实测结果如图3 1 2 所示，该滤波器的中心频率是9 5 8 g h z