论文总字数：29343字

摘 要

随着无线通信系统的快速发展，介电常数恒定的不可调微波器件越来越难以满足人们工作、研究的需要，可调谐器件的研究和发展受到了极大的关注，因为器件的可控制和可转换特性大大拓宽了这些器件的应用范围。本文简要介绍了微波技术的相关理论、可调谐微波器件的基本工作原理、对几种不同调谐方式的优缺点进行简要的概括，引出了一种新的高效低耗的可调谐方式——以液晶材料作为可调电介质实现可调。其基本原理是，在外加电场的作用下，液晶分子会随电场进行排列，液晶介电常数和损耗角正切也会随之改变，从而实现微波器件的可调。本课题研究了基于液晶材料的可调移相器和滤波器，对器件性能进行了探讨和分析。在液晶可调移相器设计中，所设计的直线型微带线移相器在10GHz相移可达413.5°，插损在2.64-4.13dB之间。为了实现移相器的小型化，又设计了一个类似长度的弯曲型微带线移相器，其插损略微增大，为2.74-4.61dB。在液晶可调滤波器设计中，通过仿真重现了相关文献中的基于液晶的马刺线陷波滤波器设计。在此基础上，探究了马刺线结构不同尺寸参数对于液晶滤波器性能的影响，并使用更新型液晶材料作为可调电介质，得到了一个中心频率在4.55-4.99 GHz范围内可以实现连续可调的液晶带阻滤波器。该滤波器具有0.44GHz的可调谐性，相对可调范围为9.2%。该课题研究，有效地验证了液晶材料作为一种新型可调电介质在微波频段的应用可行性，具有较广泛的前景。

关键词：微波器件，可调谐，液晶，移相器，滤波器

Liquid Crystal Based Microwave Devices Design

04014355 Sun Boxin

Advisor : Cai Longzhu

Abstract

With the rapid development of communication system, traditional microwave (MW) devices that cannot be tuned are difficult to meet people’s needs. Tunable microwave devices are researched and designed for working and studying. Theory of MW technology, tunable MW devices and a few methods of tuning are suggested in this work. Liquid Crystal (LC) materials do well in tuning at microwave and millimeter-wave frequency. Two LC based tunable phase shifters are designed and simulated at 0-10GHz, the simulation results show an electrically tunable differential phase up to 413.5° at 10GHz with an overall insertion of 2.64 to 4.13dB when the micro-line (ML) is straight with a length of 183mm, and the electrically tunable differential phase is up to 427.6° with an overall insertion of 2.74 to 4.61dB when the ML is bent with a length of 183.1mm. A LC based notch filter is also designed and simulated, and they show a good result. The center rejection frequency as simulated can be tuned between 4.55GHz and 4.99GHz, with a tunability of 9.2%. The research proves LC materials can be used in MW frequency as tunable dielectric material and have a bright future.

KEY WORDS: microwave technology, tunable devices, liquid crystal, phase shifter, notch filter

目 录

摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状分析 2

1.2.1谐振器和滤波器 2

1.2.2移相器和延迟线 3

1.2.3天线 4

1.2.4频率选择表面与超材料 7

1.3本文的主要工作 8

第二章 微波原理与可调谐技术 9

2.1均匀传输线理论 9

2.1.1微波传输线定义 9

2.1.2微波传输线分类 9

2.2微带线 10

2.2.1微带线的基本结构 10

2.2.2微带线的由来 10

2.2.3微带线传输的波 10

2.2.4准TEM波近似法 11

2.2.5有效介电常数和特性阻抗 11

2.3可调谐技术 11

2.3.1电调谐 12

2.3.2光调谐 12

2.3.3机械调谐 12

2.3.4可调材料 12

第三章 可调电介质材料——液晶 13

3.1向列相液晶 13

3.2基本工作原理 13

3.3介电各向异性 14

3.4液晶作为可调材料的优势与不足 15

第四章 基于液晶的可调移相器 16

4.1移相器设计与建模 17

4.1.1直线型移相器模型示意图 17

4.1.2弯曲型移相器模型示意图 18

4.1.3 HFSS软件相关仿真设置 18

4.2移相器仿真结果与分析 20

4.2.1直线型移相器仿真结果 20

4.2.2弯曲型移相器仿真结果 24

4.2.3直线型移相器仿真结果分析 25

4.2.4 弯曲型移相器仿真结果分析 26

4.2.5 仿真结果与理论值对比分析 26

4.3本章小结 27

第五章 基于液晶的可调滤波器 28

5.1马刺线带阻滤波器 28

5.2陷波滤波器建模与仿真 28

5.2.1仿真现有的陷波滤波器 28

5.2.2根据仿真结果逆推文章所用参数 29

5.3马刺线各部分尺寸对于结果的影响 31

5.3.1马刺线长度a 31

5.3.2缺口宽度b 32

5.3.3主微带线宽度c 32

5.3.4马刺线宽度d与双线间距e 33

5.4 基于更新型液晶的滤波器设计和分析 34

5.5 本章小结 36

第六章 结论与展望 37

致谢 38

参考文献 39

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

众所周知，一种具有恒定介电常数的传统微波器件的特性在器件制造后就不会发生改变。因此，这些不可调设备的应用受到了限制。

随着可调介质材料的发展，可调谐器件的研究受到了极大的关注，因为器件的可控制和可转换特性大大拓宽了这些器件的应用范围。例如，带有可调谐介质材料的带阻滤波器的中心频率可以在一个特定的频率范围内扫描，并且可以通过使用这样的滤波器来消除不同频率范围的不需要的信号。当环境条件(如温度、水或冰)发生变化时，微带贴片天线的中心频率可以通过调节可调谐介质材料的介电常数来调节到期望的值。可调的设备也有利于防干扰通信，当天线系统被干扰时，可以调节可控的介质材料，使其中心频率远离干扰信号。由于使用了可调谐的微波设备，诸如天体物理学、汽车工业、无线电和卫星技术等应用领域将会得到更为深入的发展。

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