基于基片集成波导和液晶材料的小型化微波毫米波无源器件研究

基于基片集成波导和液晶材料的小型化微波毫米波无源器件研

究

随着无线通信技术和集成电路的迅猛发展,现代电子系统除了具备高性能外正向着高集成度、小型化、多频/多模、多功能和低成本等趋势快速发展。高性能且小型化的微波毫米波无源器件作为系统中的关键组成部分,对整个系统实现高度集成化起着重要作用,成为了

当前无源器件研究领域的热点和难点。本文重点对基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)和液晶(Liquid crystal,LC)材料技术在小型化微波毫米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小型化、频率可调谐的滤波器和功分器等微波毫米波无源器件。本文的主要研究工作及创新点如下:1.基于新型缺陷地结构的SIW/半模基片集成波导小型化无源器件研究针对SIW结构应用于微波频段电路面积较大的问题,提出了采用新型缺陷地结构(Defected Ground Structure,DGS)加载SIW和半模基片集成波导(Half Mode Substrate Integrated Waveguide,HMSIW)的小型化无源器件设计方法。首先,利用一对U形槽嵌套一对E形槽构建了一种新型SIW-DGS单元,该DGS有效地提高了等效电感和等效电容,并增强了边带选择性和阻带抑制能力;进一步地,利用HMSIW的小型化特性,对U形槽的两端进行折叠改进,构建了一种具有高边带选择性的

新型HMSIW-DGS单元。在此基础上,结合SIW/HMSIW的高通特性和DGS 的低通特性形成带通响应的方式,设计了宽阻带抑制性能的SIW带通滤波器和高选择性的HMSIW带通滤波器。由于DGS所产生的慢波效应

可有效减小SIW/HMSIW的径向长度,使得所设计的滤波器具有紧凑的电路面积。其次,利用U形槽DGS加载HMSIW结构产生的五模谐振特性,设计了一种具有滤波功能的小型化宽带功分器,相比于传统HMSIW 谐振腔功分器尺寸减小80%。2.基于基片集成折叠波导的高选择性小型化滤波器研究针对高选择性小型化毫米波滤波器设计,提出了一种采用电磁混合耦合技术的基片集成折叠波导(Substrate Integrated Folded Waveguide,SIFW)滤波器设计方法。通过在传统SIFW谐振腔内蚀刻弯折槽线(Meandered Slot-Line,MSL)和加载感性金属柱的方式构造了一种SIFW电磁混合耦合谐振结构。该结构可以获得两个谐振频率相近的谐振模式,从而采用一个SIFW谐振腔可以设计更加紧凑的两阶滤波器。同时,由于电磁混合耦合特性可以在滤波器通带的上边带或者下边带产生传输零点,从而增强带外选择性。在此基础上,利用所提出的SIFW电磁混合耦合结构,在Ka波段实现了一系列新型的准椭圆滤波器。与普通SIW谐振腔滤波器相比,该系列滤波器可节省50%以上的电路面积,并具有较高的带外选择性。3.基于倒置微带结构的小型化液晶可调无源器件研究利用液晶材料在微波频段的电控介电各向异性,提出了双模倒置微带谐振结构的小型化液晶可调无源器件设计方法。将液晶材料填充到多层基片的内部,通过具有紧凑结构尺寸的双模倒置微带谐振器来实现器件整体尺寸的减小和液晶用量的减少,然后利用液晶的介电常数可电控特性实现电路的调谐特性。在此基础上,采用双模倒置微带方环谐振器设计了液晶可调滤波器;采用双模倒置微带开环谐振器设计了液晶可调滤波功分器,实现

了滤波和功率分配两种功能的无源器件小型化集成。实验结果表明:该液晶可调滤波器和液晶可调滤波功分器分别实现了500 MHz和520 MHz的中心频率调谐,相比于普通谐振单元的液晶可调无源器件尺寸减小65%,验证了液晶材料在可调无源器件设计方面的可行性。4.基于基片集成波导/基片集成同轴线的小型化液晶可调滤波器研究针对液晶材料技术在高Q值、高功率容量、高信号隔离和低辐射平面传输结构中的应用,提出了基于SIW和基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line,SICL)腔体谐振器的液晶可调滤波器设计方法。通过将液晶材料封装在SIW腔体内部并结合嵌入在SIW腔体内的贴片电极,解决了SIW结构的固有短路特性,并设计了三阶SIW谐振腔的液晶可调滤波器,验证了电偏置SIW液晶可调滤波器的可行性。进一步地,利用SICL的小型化特性构建了液晶可调半波长SICL腔体谐振器,并将其应用于设计紧凑型液晶可调滤波器。相比于SIW液晶可调滤波器,该SICL液晶可调滤波器可节省55%以上的电路面积,并具有良好的传输响应和边带选择性。