45GHz频段无源器件特性研究

论文总字数：28517字

摘 要

无源器件是微波射频器件中非常重要的一类，如滤波器、谐振器、功率分配器、定向耦合器等都是无线通信系统中的关键部件，为系统实现滤波、阻抗匹配、谐振、功率分配与合成等重要功能。由于低频段的频谱资源逐渐饱和，需要向更高的毫米波频段发展，本文主要研究45GHz频段的部分无源器件的相关特性。

目前电子通信技术发展迅速，微波毫米波集成电路系统也在逐渐趋向高度集成、高性能、低成本和体积小型化方向。对于传统的金属波导结构来说，它具有品质因数高、损耗低、和功率容量非常大的优点，但其体积较大不易与其它毫米波器件集成且需要进行复杂的测试与调整；而微带电路结构紧凑、体积小、重量轻，能在平面上实现集成，易与其它器件链接，但是介质基片会带来一定损耗，能量泄漏和辐射也很严重，会导致微带电路插入损耗大，品质因数低；共面波导相比于微带电路减小了辐射损耗集成和连接更加容易，但是还是具有损耗大，品质因数低的缺点。而基片集成波导结构是一种在介质基片上集成的新型波导结构，它不仅有传统金属波导低损耗、低辐射、功率容量大和品质因数高等特点，还有小体积、低成本、结构简单、容易实现和集成度高等优点。当前基片集成波导结构已经逐渐发展成熟，且被广泛应用于很多高性能的无源器件的设计之中。

本文采用基片集成波导技术分别设计了工作在45GHz频段的感性金属通孔和感性金属窗带通滤波器，以及两种小孔耦合结构定向耦合器，应用电磁场仿真工具软件对它们的性能进行了分析研究。

关键词：45GHz，基片集成波导，滤波器，定向耦合器。

THE RESEARCH OF CHARACTERISTICS OF 45GHz PASSIVE DEVICES

Abstract

Passive devices are very important in microwave RF-devices, like filter, resonator, power divider, directional coupler and other passive devices are key components in wireless communication system, which can be used for filtering, impedance matching,resonance, power distribution and synthesis and other important functions. Due to the gradual saturation of spectrum resources in the low frequency band, it is necessary to develop to a higher millimeter wave frequency band.This paper researches on the features of some passive devices in 45GHz frequency band.

At present, with the rapid development of electronic communication technology, the microwave and millimeter wave integrated circuit system is gradually becoming highly integrated, high-performance, low-cost and miniaturized.Traditional metal waveguides can achieve low loss, high quality factor and high power capacity, but they are bulky and difficult to integrate with other millimeter wave devices and need complex test and adjustment.Microstrip circuit is small and light and it can easily integrate with other devices in the plane, but the dielectric substrate will bring certain loss, energy leakage and radiation are also very serious, which can lead to high insertion loss and low quality factor. Compared with microstrip circuits, coplanar waveguides reduce radiation loss and are easier to integrate and connect, but they still have the disadvantages of high loss and low quality factor. While for the substrate integrated waveguides, it not only has the characteristics of large power capacity low loss and low radiation, of the traditional metal waveguide, but also has the advantages of small size, low cost, simple structure, easy implementation and high integration.

Nowadays, the substrate integrated waveguide structure has been gradually developed and widely used in the design of many high-performance passive devices.This paper mainly researches on the band pass filter and directional coupler in the 45GHz frequency band. A kind of inductive metal through-hole filter and a kind of inductive window filter, a broad-wall coupling directional coupler and a narrow-side coupling directional coupler are designed by using the substrate integrated waveguide structure.

KEY WORDS: 45GHz, substrate integrated waveguide, filter, directional coupler.

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract ……………………………………………………………………………………………………… Ⅱ

1. 绪论………………………………………………………………………………………………… 1

1.1 发展背景和研究意义 ……………………………………………………………………… 1

1.2 研究现状 ……………………………………………………………………………1

1.3 论文主要研究内容和章节安排 ……………………………………………………………2

1. 基片集成波导结构和分析方法 ……………………………………………………………… 4

2.1 基片集成波导结构特性 ……………………………………………………………………4

2.2 等效模型分析法 …………………………………………………………………………… 5

2.3 基片集成波导的谐振腔结构分析 ……………………………………………………… 8

1. 45GHz基片集成波导滤波器的设计和仿真 ……………………………………………… 10

3.1 滤波器设计基础 ………………………………………………………………………………10

3.1.1 切比雪夫低通低通原型…………………………………………………………… 10

3.1.2 切比雪夫修正低通原型 ……………………………………………………………12

3.1.3 低通滤波器和带通滤波器的变换 ……………………………………………… 13

3.2 45GHz基片集成波导感性金属通孔滤波器的设计和仿真 ………………………… 14

3.2.1 感性金属通孔分析 ………………………………………………………………… 14

3.2.2 45GHz基片集成波导感性金属通孔滤波器设计和仿真结果 ……………… 16

3.3 45GHz基片集成波导感性窗滤波器的设计和仿真 …………………………………… 17

3.3.1 感性窗结构分析 …………………………………………………………………… 18

3.3.2 45GHz基片集成波导感性窗滤波器设计和仿真结果 ………………………… 18

3.4 小结 …………………………………………………………………………………………… 20

1. 45GHz基片集成波导定向耦合器的设计和仿真 …………………………………………21

4.1 定向耦合器基本理论 ……………………………………………………………………… 21

4.1.1 定向耦合器散射参数分析 …………………………………………………………21

4.1.2 定向耦合器主要技术指标 …………………………………………………………23

4.2 45GHz宽边耦合基片集成波导定向耦合器的设计和仿真 ………………………… 24

4.2.1 宽边耦合基片集成波导定向耦合器结构分析………………………………… 24

4.2.2 45GHz宽边耦合基片集成波导定向耦合器设计和仿真结果 ……………… 26

4.3 45GHz窄边H面耦合基片集成波导定向耦合器的结构设计和仿真 …………… 28

4.3.1 窄边H面耦合基片集成波导定向耦合器结构分析 ………………………… 28

4.3.2 45GHzH面窄边耦合基片集成波导定向耦合器设计和仿真结果…………… 29

4.4 小结 …………………………………………………………………………………………… 32

1. 总结 ……………………………………………………………………………………………… 33

参考文献 …………………………………………………………………………………………………… 35

致谢 ……………………………………………………………………………………………………………37

绪论

• 1. 发展背景和研究意义

无源器件是微波毫米波电路系统中的关键部件，包括滤波器、功率分配器、定向耦合器等，也一直随着微波毫米波技术的发展不断改进和完善。相较于十几年前，目前的电子信息技术和微波电路技术呈现飞跃式的高速发展，各种毫米波器件的性能、体积等其它各方面也都在随之不断地发展，并且有些已经取得了很多重要的成果。在当代生活中，各种微波技术的应用越来越广泛，导致低频段的频谱资源开始逐渐饱和，所以需要不断向更高频段的频谱资源发展，使得无线通信的应用进入到微波毫米波频段。2010年，中国无线个人接入网(CWPAN)标准工作组成立了一个新的研究小组SG5（也称为Q-LinkPAN SG），其主要目标就是研究45 GHz频段无线局域网应用的可能性；2011年4月，提出了45GHz频段的频谱分配方案，分别为40-45GHz、40-47GHz和45-50GHz；2014年给出的45GHz频带范围为42.3-47GHz和47.2-48.4GHz[1]。本文对于42.3-47GHz频段的一些无源器件进行了仿真研究。

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