（电磁场与微波技术专业论文）插入介质波导的传输特性及其应用研究.pdf

摘要 伴随着微波技术的发展，微波工程正向着毫米波亚毫米波波段高速延伸。由 于工作频率的提高，金属导电性能降低，加之表面加工粗糙，使传输线中的损耗 大到不能容忍的程度，同时色散和高次模等问题变得十分突出。金属波导的导体 损耗急剧增加，而鳍线和微带线等传输线则对加工工艺要求过高，不利于大规模 应用。为了克服这些波导中的致命弱点，人们广泛采用介质波导用于毫米波亚 毫米波的传输。插入介质波导具有损耗低、横向尺寸较大、对加工工艺要求较低 等优点，非常适合毫米波亚毫米波的传输。 众所周知，随着现代微波毫米波电路系统的高速发展，整个系统迅速向小型 化、高可靠性、多功能性和低成本的方向发展。低成本、高性能、高成品率的微 波毫米波技术对于开发商业化的低成本微波毫米波宽带系统非常关键。集成电路 的出现使得大量的功能器件可以集成于一个模块之中，大大减小了系统的体积， 提高了系统的功能和加工的可靠性，也降低了系统的成本。由于巨大的市场需求， 基片集成技术已成为当前微波毫米波系统研究的一个热点。 本文紧密围绕插入介质波导的传输特性以及集成应用情况，具体展开了如下 几方面的工作： 1 采用一种基于等效电路的方法，系统地分析了插入介质波导中两种主 模式( l s e ，l s m ) 的色散特性以及衰减特性。将插入介质波导与其他几 种波导进行了比较，结果说明了工作于l s m 模式的插入介质波导具有 传输损耗低、横向尺寸大、对加工工艺要求低等优点，尤其适合高频 电磁波的传输： 2 提出了一种基于人工神经网络模型、结合电磁场数值算法的波导内不 连续结构的等效集总参数的提取方法，该方法避免了繁琐的场分析， 具有极强的通用性，对器件的设计具有重要的实用价值： 3 提出了适用于低频的微带线- - l s e 模式插入介质波导馈电结构，以及适 用于高频的矩形波导一l s m 模式插入介质波导馈电结构，分别优化设 计了该两种馈电结构，并加工了微带一插入介质波导接头的测试样品j 4 提出将传统的插入介质波导在结构上进行改进，抑制了辐射损耗，设 t t m 作于l s e 和l s m 模式的插入介质波导带通滤波器，并加工t l s e 模式的测试样品； 5 采用奇偶模方法分析了l s e 和l s m 模式耦合插入介质波导的传输特性， 并加工t l s e 模式插入介质波导耦合段的测试样品： 6 提出了运用基片集成技术将l s m 模式的插入介质波导设计成基片集成 插入介质波导，给出了基片集成插入介质波导的经验设计公式，并在 基片集成插入介质波导中实现了带通滤波器。 关键词：插入介质波导，带通滤波器，定向耦合器，基片集成技术，基片集成插 入介质波导 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o w a v et e c h n o l o g y , m i c r o w a v ee n g i n e e r i n gm o r e a n dm o r ef o c u s e so nt h em i l l i m e t e r s u b - m i l l i m e t e rw a v eb a n d a st h ew o r k i n g f r e q u e n c yi n c r e a s e s ，t h et r a n s m i s s i o nl o s sc a u s e db yt h es k i ne f f e c ta n dt h es u r f a c e r o u g h n e s sb e c o m e si n t o l e r a b l e m e a n w h i l e ，t h ep r o b l e m so fd i s p e r s i o na n dt h e h i g l l o r d e rm o d e sm u s th ec o n s i d e r e d i nv i e wo ft h ef a c tt h a tc o n d u c t o rl o s so ft h e r e c t a n g u l a rw a v e g u i d ei n c r e a s e sr a p i d l y , a n dt h em a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u ec a n tm e e t t h en e e d so ft h ef i nl i n ea n dt h em i c r o s t r i pl i n e ，t h ed i e l e c t r i cg u i d eh a sb e e nw i d e l y u s e dt oo v e r c o m et h e s ef a t a ld e f e c t s i np a r t i c u l a r , 、撕t l im e r i t sl o wl o s s 1 a r g ec r o s s s e c t i o n ，a n de a s yi n t e g r a t i o n ，t h ei n s e td i e l e c t r i cg u i d e ( i d g ) i sv e r ys u i t a b l ef o r t r a n s m i t t i n gm i l l i m e t e r s u b m i l l i m e t e rw a v e i t i sw e l lk n o w nt h a tt h er a p i d d e v e l o p m e n to fm o d e mm i c r o w a v ea n d m i l l i m e t e r - w a v ec i r c u i t sr e q u i r e ss m a l l s i z e ，r e l i a b l e ，m u l t i f u n c t i o n a la n dl o w - c o s t s y s t e m i no t h e rw o r d ，l o w - c o s t ，h i g h p e r f o r m a n c ea n dh i g h - y i e l dm i c r o w a v ea n d m i l l i m e t e r - w a v et e c h n o l o g i e sa r ec r u c i a lf o rs u c c e s s f u l l yd e v e l o p i n gt h ec o m m e r c i a l b r o a d b a n dm i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e r - w a v es y s t e m sa tl o wp r i c e a st h ei n t e g r a t e d c i r c u i ta p p e a r e d ，t h ew h o l es y s t e mc a nb ef a b r i c a t e di nt h es a m ep a c k a g e ，w h i c h r e d u c e st h ev o l u m e ，l o w e r st h ec o s t ，i n c r e a s e st h ef u n c t i o no fs y s t e m ，a n di m p r o v e s t h er e l i a b i l i t yo fm a n u f a c t u r e b e c a u s eo fm a r k e td e m a n d ，t h es u b s t r a t ei n t e g r a t e d t e c h n i q u e i st h eh o t s p o ti nn o w a d a y si n t e r n a t i o n a ls o c i e t yo fm i c r o w a v e a n d m i l l i m e t e r - w a v e t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n di n t e g r a t i o n a p p l i c a t i o n so f t h ei d gt h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r eg i v e na sf o l l o w s ： 1 b a s e do ne q u i v a l e n tc i r c u i ta p p r o a c h ，t h et r a n s m i s s i o na n da t t e n u a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h et w od o m i n a n tm o d e so fi d ga r es c h e m a t i c a l l ya n a l y z e d c o m p a r e dw i t hs o m et r a d i t i o n a l t r a n s m i s s i o nl i n e s ，t h el s mm o d ei d gh a s m e r i t sl o w - l o s s ，l a r g ec r o s s s e c t i o n ，e a s yi n t e g r a t i o n ，a n di sv e r ys u i t a b l ef o r t r a n s m i t t i n gh i g h - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cw a v e 2 b a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki nc o n j u g a t i o nw i t hn u m e r i c a la n a l y s i s a m e t h o df o re x t r a c t i n gt h ee q u i v a l e n tl u m p e dp a r a m e t e r so fd i s c o n t i n u i t i e so f w a v e g u i d ew a sp r o p o s e d ，w h i c hn e e d sn o tt oa n a l y z ef i e l dd i s t r i b u t i o na n dc a nb e w i d e l yu s e d f u r t h e r m o r e ，t h ep r o p o s e dm e t h o di so fm u c hp r a c t i c a lv a l u ef o r d e s i g n i n gd e v i c e s 3 w ef e dt h el s ea n dl s mm o d ei d g sb yu s i n gm i c r o s t r i pl i n ea n dr e c t a n g u l a r w a v e g u i d e ，w h i c ho p e r a t ea tl o w f r e q u e n c yb a n da n dh i g h - 厅e q u e n c yb a n d ， r e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n , w em a n u f a c t u r e da n dm e a s u r e dm i c r o s t r i p i d g t r a n s i t i o n 4w e i m p r o v e dt h es t r u c t u r eo ft r a d i t i o n a li d gd e c r e a s e dt h er a d i a t i o nl o s so fl d g , d e s i g n e dt h ei n s e td i e l e c t r i cg u i d eb a n d p a s sf i l t e r so p e r a t i n ga tt w od i f f e r e n t d o m i n a n tm o d e s ，a n dm a n u f a c t u r e dt h el s em o d ef i l t e r 5 t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fls ea n dl s mm o d ec o u p l e di d g sa l e a n a l y z e db yt h ee v e n o d d m o d em e t h o d t ot e s t i f yt h ev a l i d i t yo ft h em e t h o d ， w em a n u f a c t u r e da n dm e a s u r e dl s em o d ei d gc o u p l e r w ep r o p o s e ds u b s t r a t ei n t e g r a t e di n s e td i e l e c t r i cg u i d e ( s i i d o ) , b yu s i n gt h e s u b s t r a t ei n t e g r a t e dt e c h n i q u e m o r e o v e r ，w ep r o p o s e dt h ee x p e r i e n t i a le q u a t i o n f o rs i i d ga n dc o n s t r u c t e dt h es i - i d gb a n a s sf i l t e l k e yw o r d s ：i n s e t d i e l e c t r i cg u i d e ，b a n d p a s sf i l t e r , d i r e c t i o n a lc o u p l e r , s u b s t r a t e i n t e g r a t e dt e c h n i q u e ，s u b s t r a t ei n t e g r a t e di n s e td i e l e c t r i cg u i d e 插图列表 图1 1 插入介质波导的演变过程2 f i g 1 ih i s t o r yo f t h ei n s e td i e l e c t r i cg u i d e 2 图1 2 基于插入介质波导的二维天线阵列4 f i g 1 2g e o m e t r yo f at w o - d i m e n s i o n a la r r a y 4 图l3 部分屏蔽插入介质波导4 f i g 1 3 g e o m e t r y o f i n s e t d i e l e c t r i c g u i d e w i t h ac o n d u c t o r c o v e r p l a n e 4 图1 ，4 完全屏蔽插入介质波导5 f i g 1 4g e o m e t r yo f i n s e td i e l e c t r i cg u i d ew i t hac o n d u c t o rc o v e rb o x 5 图2 1 插入介质波导及其近似等效模型1 4 f i g 2 1i n s e td i e l e c t r i cg u i d ea n di t se q u i v a l e n tm o d e l 1 4 图2 2 插入介质波导的色散特性1 5 f i g 2 2d i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi n s e t d i e l e c t r i cg u i d e ，15 图2 3 插入介质波导1 6 f i g 2 3i n s e td i e l e c t r i cg u i d e ，1 6 图2 4 插入介质波导的横向等效电路2 0 f i g 2 4t r a n s v e r s ee q u i v a l e n tc i r c u i tr e p r e s e n t a t i o nf o ri n s e td i e l e c t r i cg u i d e 2 0 图2 5 插入介质波导的色散特性( l s e 模式) 2 3 f i g 2 5c o m p a r i s o no f al s e - m o d ep r o p a g a t i o nc o n s t a n to f l d g 2 3 图2 6 插入介质波导的色散特性( l s m 模式) 2 3 f i g 2 6c o m p a r i s o no f al s m m o d ep r o p a g a t i o nc o n s t a n to f i d g 2 3 图2 ，7 镜像线与矩形波导的横截面图2 5 f i g 2 7c r o s ss e c t i o n so f t h ei m a g el i n ea n dt h er e c t a n g u l a rw a v e g u i d e 2 5 图2 8 几种典型传输线低频导体损耗的比较2 6 f i g 2 8c o n d u c t o rl o s so f s o m eu a n s m i s s i o nl i n e sa tl o wf r e q u e n c y + 2 6 图2 9 几种典型传输线低频总损耗的比较。2 6 f i g 2 9t o t a ll o s so fs o m et r a n s m i s s i o nl i n e sa tl o wf r e q u e n c y ，2 6 图2 1 0 几种典型传输线高频导体损耗的比较2 7 f i g 2 i oc o n d u c t o rl o s so f s o m et r a n s m i s s i o nl i n e sa th i 曲f r e q u e n c y 。2 7 图2 1 1 几种典型传输线高频总损耗的比较2 8 f i g 2 1 2t o t a ll o s so f s o m et r a n s m i s s i o nl i n e sa th i g hf r e q u e n c y 2 8 图3 1 人工神经元模型一3 2 f i g 3 1a r t i f i c i a ln e u r a lc e l lm o d e l 3 2 图3 2 活化函数3 4 f i g 3 2a c t i v ef u n c t i o n 。，。3 4 图3 3 两层| j i 传网络的矩阵模型3 5 f i g 3 3m a t r i xm o d e lo f t w o l a y e rn e u r a ln e t w o r k ，3 5 图3 4b p 算法原理3 7 f i g 3 4p r i n c i p l eo f b pa l g o r i t h m 3 7 图3 5 矩形波导内的并联销钉及其t 型等效电路3 8 f i g 3 5s h u n tp o s ti nr e c t a n g u l a rw a v e g u i d ea n de q u i v a l e n tc i r c u i t 3 8 图3 6 销钉的归一化集总参数4 0 f i g 3 6n o r m a l i z e dl u m p e dp a r a m e t e ro f s h u n tp o s ti nr e c t a n g u l a rw a v e g u i d e 4 0 图3 7 改进的插入介质波导结构4 l f i g 3 7i m p r o v e ds t r u c t u r eo fi n s e td i e l e c t r i cg u i d e ，4 1 图3 ，8 主模电场分量4 3 f i g 3 8d o m i n a n tm o d a le l e c t r i cf i e l dp r o f i l e s 4 3 图3 9 微带一i d g 接头的尺寸4 3 f i g 3 9t h et r a n s i t i o nb e t w e e nm i c r o s t r i pl i n ea n di d g ，4 3 图3 1 0 微带一i d g 接头的实物照片4 4 f i g 3 1 0p h o t o g r a p ho f t h e t r a n s i t i o no f m i c r o s t r i p - i d g 4 4 图3 ，i1 微带一i d g 接头的仿真与测试结果4 5 f i g 3 1 1m e a s u r e da n ds i m u l a t e dr e s u l t sf o rt h et r a n s i t i o no f m i c r o s t r i p i d g 4 5 图3 1 2 主模电场分量4 6 f i g 3 1 2d o m i n a n tm o d a l e l e c t r i cf i e l dp r o f i l e s 4 6 图3 1 3 矩形波导一i d g 接头4 7 f i g 3 1 3t r a n s i t i o nb e t w e e nr e c t a n g u l a rw a v e g u i d e a n di d g 4 7 图3 1 4 矩形波导- - i d g 接头传输性能的数值计算结果4 7 f i g 3 1 4s i m u l a t e d r e s u l t sf o rt h et r a n s i t i o nb e t w e e nr w ga n di d g 4 7 图3 1 5 不连续结构的等效集总参数4 8 f i g 3 15n o r m a l i z e dl u m p e dp a r a m e t e r 4 8 图3 1 6 带通滤波器的尺寸4 9 f i g 3 1 6b p f w i t hp a r a m e t e r so f s t r u c t u r e 4 9 图3 1 7b p f 的实物照片5 0 f i g 3 1 7p h o t o g r a p ho f t h em a n u f a c t u r e db p f 5 0 图3 1 8 带通滤波器的测试结果5 l f i g 3 1 8m e a s u r e dr e s u l to f b p f 一5 1 图3 1 9 不连续结构的等效集总参数5 2 f i g 3 1 9n o r m a l i z e dl u m p e dp a r a m e t e r 5 2 图3 2 0 带通滤波器的尺寸5 3 f i g 3 2 0b p fw i t hp a r a m e t e r so f s t r u c t u r e 5 3 图3 2 1 带通滤波器的仿真结果5 3 f i g 3 2 1s i m u l a t e dr e s u l to f b p f 5 3 图4 1 定向耦合器的类型5 8 f i g 4 1t y p e so f d i r e c t i o n a lc o u p l e r 。5 8 图4 2 定向耦合器的示意图一5 8 f i g 4 2s k e t c hm a po f t h ed i r e c t i o n a lc o u p l e r ，5 8 图4 3 耦合插入介质波导6 0 f i g 4 3c o u p l e d i n s e td i e l e c t r i cg u i d e 6 0 图4 4 工作于l s e 模式的i d g 不连续结构的电路表示6 0 f i g 4 4n e t w o r kr e p r e s e n t a t i o no ft h es t e p so fi n s e td i e l e c t r i cg u i d eu n d e rl s e p o l a r i z a t i o n ，6 0 图4 5 耦合系数随耦合日j 距s 的变化一6 4 f i g 4 5c o u p l i n gc o e f f i c i e n ta saf u n c t i o no f s 6 4 图4 6 耦合度为0 d b 和3 d b 的耦合长度6 5 f i g 4 6l e n g t h sf o rt h e3 - d ba n d0 - d bc o u p l i n ga saf u n c t i o no f s 6 5 图4 7 奇偶模情况下耦合插入介质波导的色散特性6 5 f i g 4 7d i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f e v e n ( e ) a n do d d ( 0 1m o d e s 6 5 图4 83 d b 定向耦合器的s 参数6 6 f i g 4 8s c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f3 d bd i r e c t i o n a lc o u p l e r ，6 6 图4 9 插入介质波导耦合单元的实物照片6 7 f i g 4 9p h o t o g r a p ho f t h em a n u f a c t u r e dc o u p l e di d g u n i t 6 7 图4 1 0 理论计算结果与实测数据6 8 f i g 4 1 0m e a s u r e da n ds i m u l a t e dr e s u l t so f t h ed i r e c t i o n a lc o u p l e r 6 8 图4 1 l 工作于l s m 模式的i d g 不连续结构的电路表示6 8 f i g 4 1 ln e t w o r kr e p r e s e n t a t i o no ft h es t e p so fi n s e td i e l e c t r i cg u i d eu n d e rl s m p o l a r i z a t i o n ，6 8 图4 1 2 耦合系数随耦合间距s 的变化：7 1 f i g 4 1 2c o u p l i n gc o e l i i c i e ma saf u n c t i o no f s 7 1 图4 1 3 耦合度为0 d b 和3 d b 的耦合长度7 l f i g 4 1 3l e n g t h sf o rt h e3 - d ba n d0 - d bc o u p l i n ga saf u n c t i o no f s 7 1 图4 1 43 d b 定向耦合器的s 参数7 2 f i g 4 1 4s c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f 3 一d bd i r e c t i o n a lc o u p l e r 7 2 图5 1 基片集成波导：7 8 f i g 5 1s 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 7 8 图5 2 基片集成波导带通滤波器和测试结果7 9 f i g ，5 2s 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 ra n dm e a s u r e dr e s u l t s ，+ 7 9 图5 3 插入介质波导与基片集成插入介质波导。8 0 f i g 5 3i n s e r td i e l e c t r i cg t l i d ea n ds u b s t r a t ei n t e g r a t e di n s e t td i e l e c t r i cg u i d e 8 0 图5 4l s e 和l s m 模式的插入介质波导侧壁电流分布8 1 f i g 5 4s i d ew a l lc u r r e n td i s t r i b u t i o n so f t h ei d g w i t hl s ea n dl s mm o d e g l 图5 5 基片集成插入介质波导示意图8 1 f i g 5 5s c h e m a t i cv i e wo f s u b s t r a t ei n t e g r a t e dg u i d e g l 图5 6 插入损耗随参数p 和d 的变化关系8 2 f i g 5 6i n s e r t i o nl o s so f i d g w i t hr e s p e c tt op a r a m e t e rpa n dd 8 2 图5 7 回波损耗随销钉直径的变化关系一8 3 f i g 5 7r e t u r nl o s so f i d oa sa f u n c t i o no f t h e p o s td i a m e t e r 8 3 图5 8 基片集成插入介质波导及其等效插入介质波导8 4 f i g 5 8s i i d ga n dt h ee q u i v a l e n ti d g 。8 4 图5 9 端口校正技术示意图8 5 f i g 5 9b l o c kd i a g r a mo f t h ec a l i b r a t i o nt e c h n i q u e 8 5 图5 1 0s i i d g 宽度与等效i d g 宽度的关系8 7 f i g 5 1 0w i d mo f s i i d g a saf u n c t i o no f w i d t h o f e q u i v a l e mi d g 8 7 图5 1 1s i i d g 及其等效i d g 的相移常数。：8 8 f i g 5 1 lc o m p a r i s o no ft h ep r o p a g a t i o nc o n s t a n tb e t w e e na ns i i d ga n da n e q u i v a l e n t1 1 9 g 8 8 图5 1 2 基片集成插入介质波导的转接头8 9 f i g 5 1 2t r a n s i t i o no f t h es u b s t r a t ei n t e g r a t e di n s e td i e l e c t r i cg u i d e 8 9 图5 1 3 转接头的传输特性9 0 f i g 5 1 3t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h et r a n s i t i o n 9 0 图5 1 4 基片集成插入介质波导带通滤波器9 l f i g 5 1 4s u b s t r a t ei n t e g r a t e di n s e td i e l e c t r i cg u i d eb a n a s sf i l t e r 9 1 图5 1 5 带通滤波器的仿真结果9 2 f i g 5 1 5s i m u l a t e dr e s u l to f b p f 9 2 表格列表 表3 1l s e 模式插入介质波导带通滤波器性能指标4 9 t a b l e3 1p e r f o r m a n c eo f t h el s e m o d ei d g 4 9 表3 2l s m 模式插入介质波导带通滤波器性能指标5 2 1 _ a b l e3 2p e r f o r m a n c eo f t h el s m m o d ei d g 5 2 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，也不包含为获得安徽大学或其他教育机 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 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者始j 讹前签字魄砂7 年中月二；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽大学有关保留、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。本人授权安徽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。 学位论文作撇：j 谚兹锄鲐毒乞艮 签字日期：7 年牛月；日j签字日期：o 扩移7 年月j j 日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 电话： 诵讯地址：邮编： 第1 章哼l 苦 绪论 第l 章 【摘要】插入介质波导具有损耗低、横向尺寸较大、对加工工艺要求较低等优点， 非常适合毫米波亚毫米波的传输。本章首先简要介绍了插入介质波导产生的过 程，之后介绍了插入介质波导的一般分析方法，以及由插入介质波导可能构成的 器件。同时对目前国际电磁学界研究的一