Ku波段高Q值宽带可调谐振器的研究

论文总字数：17561字

摘 要

基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW）是近几年提出的一种新兴技术，可以广泛的运用于微波与毫米波电路中。该技术不仅具有高品质因数（Quality Factor），同时又兼容PCB等平面印刷电路板工艺。与传统微带电路相比，采用SIW技术的谐振腔具有很高的品质因数和很小的辐射损耗；与传统波导电路相比，SIW谐振腔又具有体积小，重量轻，成本低廉，易于平面集成的优点。基于SIW技术的可调谐振器已见诸报道。

本文第一章综述了SIW技术的基本概念及国内外的研究现状，对SIW谐振腔的基本参数的计算原理进行详细的介绍。第二章在以前文献的基础上，设计基于SIW技术的Ku波段高Q值谐振腔，并对谐振腔进行建模与仿真。第三章展开对谐振频率可调这一功能的研究和实现，并对展宽SIW谐振腔的调谐带宽进行研究。针对Ku波段SIW谐振腔，在保持其较高Q值的基础上，根据耦合变容管的谐振腔模型，找到合适的变容管耦合方法，实现较宽的调谐带宽。

关键词：基片集成波导技术，可调谐振腔，Ku波段，品质因数

A STUDY ON THE KU-BAND HIGH Q TUNABLE SIW RESONATOR

Abstract

Substrate Integrated Waveguide (SIW) is presented in recent years,and it can be wildly used in microwave and millimeter wave circuits.It has not only high Quality Factors,but also a good compatibility to planar PCB process.Compare to traditional microstrip line circuits,SIW resonators have high Q factors and low radiation loss;Compare to traditional waveguide circuits,SIW resonators are smaller in volume,lighter in weight,lower in cost and easy to planar integration.Tunable SIW resonator has been reported.

In this thesis,in Chapter 1, some fundamental concept and recent developments of SIW are summarized,this chapter focus on how to get all the parameters that are used in designing the SIW resonator. In chapter 2,a Ku-band high Q factor SIW resonator is designed and simulated based on former reports.In Chapter 3,function of tunable resonate frequency is researched and achieved,and also,the tunable bandwidth of SIW resonators is researched.For the Ku band SIW resonator,on the basis of high Q factor, according to the model of  resonant cavity coupled with varactor ,search for a proper coupling mode to achieve a wide tunable bandwidth.

KEY WORDS: Substrate Integrated Waveguide (SIW), tunable resonators,Ku band, Quality Factors

目 录

摘 要 II

Abstract III

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 基片集成波导的结构及特点 2

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 3

第二章 SIW谐振腔的参数 4

2.1 SIW谐振腔的结构 4

2.2 基片集成波导分析方法简介 5

2.2.1 全波分析法 5

2.2.2 等效模型法 5

2.2.3 频域有限差分法 6

2.2.4 商业电磁软件仿真 6

2.3 SIW谐振腔的基本参数 7

2.3.1 设计谐振腔的基本步骤 7

2.3.2 矩形谐振腔的基本参数 7

2.3.3 SIW谐振腔的基本参数 9

2.4谐振腔的仿真 11

第三章 SIW谐振频率可调技术 14

3.1 SIW可调谐振腔的研究现状 14

3.1.1 顶部孤立金属片结构 14

3.1.2 孤立金属片结构利弊分析 15

3.2 电流探针 扇形线结构 16

3.2.1 电流探针 扇形线结构原理 16

3.2.2 可调谐振腔的仿真 19

3.2.2.1 HFSS谐振腔建模与仿真 19

3.2.2.2 ADS仿真 20

实验I 导入参数测试 20

实验II 加入调谐电容 22

实验III 对2端口微带线长度的补偿 27

实验IV 品质因数的测定 30

实验V SIW可调谐振腔调谐频率范围探究 33

第四章 全文总结 35

4.1 全文总结 35

4.2 本文实验的不足 35

致谢 36

参考文献 37

1. 绪 论

1.1 研究背景与意义

微波毫米波的技术是一门当今应用广泛而又历史悠久的科学。1864年Maxwell发表了论文《A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field 》，为微波毫米波技术的诞生发展奠定了坚实的数学理论基础，此后的100年里，直到现在，微波毫米波的科学家和技术工程师们将该理论运用到了各种实践活动，也逐渐融入了我们的生活。从早期Hertz的实验，Marconi的跨洋无线通讯，到二战时期爆发式的发展，微波毫米波技术被广泛的运用到了军事领域，如雷达技术，通讯技术等。今天，无线电广播、电视、卫星通讯、移动通信及材料的无损探测、医学检查及地球内部复杂地质结构和地理活动的测量都有微波毫米波技术的广泛涉及。

微波毫米波器件应用广泛，而这些应用中导波结构无一例外起着重要的作用。1987年，Rayleigh 发表了一篇关于“中空金属圆波导”的论文，但当时的学者并不认可。二十世纪三十年代，G.C.Southworth 和 W.L.Barrow 各自对前人的经验进行总结，发现了中空金属波导可以通过某种规律引导电磁波传输，也从此创立了波导模式的理论。此后，矩形波导成为了毫米波波导结构使用最广泛，最主要的金属波导结构。五十年代，微带线、共面波导和带状线的出现满足了人们更宽的工作频带，更轻便的物理结构的实际需求，平面印制板电路进入历史。这种结构重量轻，成本低，易加工，使微波电路的混合集成成为了可能。之后波导结构又出现了许多新的结构种类，如槽线、共面波导和鳍线等。导波结构的发展成为当时工业发展的象征，种类从单一到多样，结构从立体到平面，并且逐渐提高集成度，降低损耗。

导波通常根据结构的类型分为平面和非平面两大类。平面结构主要包括共面波导、微带线、槽线等；非平面结构主要包括矩形波导、同轴线、介质波导等。平面结构的优势在于非常适合系统的混合集成，平面波导可以很容易的与各种微带线、有源器件互连互接，所以平面波导结构一般集成度较高，系统整体性能优秀。但同时平面结构存在导体损耗、辐射损耗和介质损耗等各种损耗，导致平面结构器件通常品质因数较低，不适合工作在毫米波波段，也限制了其在微波波段的应用覆盖面。相反，非平面结构尽管难与非平面结构或有源器件有效集成，可能会提升成本，但其损耗较低，制成的器件一般为高性能器件。 现代信息技术要求系统损耗、集成度越来越高，同时易批量生产，低成本也是优秀导波结构必须的因素，所以对导波结构的研究仍有很大的必要。

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