基于SIW技术的功率分配(合成)器研究与设计;通信工程

基于SIRW技术的功率分配（合成）器研究与设计通信工程专业文首先（069064304）指导教师：何山红副教授摘要：为了研究和设计基于衬底集成矩形波导（SIRW）的功率分配（合成）器。论文先利用解析法在截止频率、波导波长、电磁辐射泄露特性方面分析了SIRW和常规波导的差异，然后利用基于有限元法的离散电磁算法，通过分析常规矩形波导和SIRW内部电磁场的分布再次对常规矩形波导和SIRW进行了对比研究。并结合常规波导功率分配器和SIRW的工作原理，设计了由SIRW组成的功分器，通过分析不同结构尺寸的SIRW功率分配器内部电磁场分布和S参数的变化研究了SIRW功分器的工作原理，并在此基础上优化设计出了等幅、同相、端口良好阻抗匹配的功率分配器。关键词：衬底集成矩形波导；矩形波导；功率分配器；S参数；电磁场分布Abstract：Inordertoresearchanddesignthepowerdividerbasedonthesubstrateintegratedrectangularwaveguide(SIRW)，thedifferencesbetweentherectangularwaveguideandtheSIRWarepresentedbyanalyticexpressionsofthecutofffrequency,waveguidewavelengthandelectromagneticleakageradiation.Andthefurtherstudyofthedifferencebetweenthemisachievedbythediscreteelectromagneticsimulationbasedonthefiniteelementmethodbyanalyzingtheinnerelectromagneticfielddistribution.CombingwiththeprinciplesofthenormalwaveguidedividerandtheSIRW,thedividerformedbySIRWisdesigned.ByanalyzingthechangesoftheinnerelectromagneticfielddistributionandSparametersofdividerswithdifferentsizes,theoperatingprinciplesoftheSIRW-dividerisstudiedthroughly.Andtheoptimaldividerwithuniform-amplitude,uniform-phaseandreasonableimpedancematchingisobtainedlastly.Keywords：Substrateintegratedrectangularwaveguide,Rectangularwaveguide,Powerdivider,S-Parameter，Electromagneticfielddistribution一、绪论（一）引言近年来，通信技术发展迅速，频谱资源匮乏的问题日趋严重，现在的通信频段逐渐向微波频段发展，微波器件也迅速发展起来。微波具有频率高、频带宽、信息容量大的特点，所以被广泛用于各种通信业务。除民用通信之外，军用雷达也对微波/毫米波电路提出了更高的要求。机载、舰载雷达都在体积重量可靠性上有严格限制。这个由成百上千上万个单元组成的庞然大物，如果不采用微波电路的集成技术的话，其体积、重量相当可观，根本就无法移动，在战争中只能处于挨打的位置。所以，目前全世界通信设备的发展趋势是小型化、集成化，以保证在实用中的灵活性和方便性。而原有的微波系统体积过大、重量过重，根本不适应现代社会的应用需求。电路的实现选用矩形波导为传输线，是因为当频率提高时，双导体传输线做导波装置的损耗逐渐增大，同时电磁波向外辐射的现象也逐渐明显。如果改用同轴电缆做导波装置，电磁波向外辐射的缺点虽被克服，但当频率继续提高时损耗将越来越大，以至无法使用。因此，为了减小传输损耗，并防止电磁波向外辐射，使用空心或填充介质的导电金属管（矩形波导）作为传输电磁能量的导波装置。矩形波导中的电磁能量完全在波导管内部空间被引导前进。优点是损耗小，效率高。本文研究的SIRW是一种矩形波导的变形，利用了成熟的PCB制造工艺，在PCB介质基板上加工两排平行的金属柱而构成。这是一种人工合成的波导，可以达到和矩形波导类似的性能。同时，SIRW结构结合了矩形波导和微带线平面结构电路两者的优点，如体积小，重量轻，具有较大的功率容量。同时，通过简单的变换就可实现和微带等平面传输线连接，结构紧凑，易于集成，和MMIC具有良好的兼容性。这些特点决定了SIRW这种新型设计平台具有广泛的应用背景和良好的发展前景。加拿大的PolyGramesResearchCenter是SIRW技术的发源地，他们取得了很多成就。国内的东南大学和南京理工大学在这个领域也开展了大量的工作，研制了定向耦合器和SIRW天线等SIRW器件。现阶段,SIRW器件正处于刚起步阶段,很多理论和实践都等待大家去努力研究和开发。（二）本论文的主要工作为了研究和设计基于衬底集成矩形波导（SIRW）的功率分配（合成）器。论文先利用解析法在截止频率、波导波长、电磁辐射泄露特性方面分析了SIRW和常规波导的差异，然后利用基于有限元法的离散电磁算法，通过分析常规矩形波导和SIRW内部电磁场的分布再次对常规矩形波导和SIRW进行了对比研究。并结合常规波导功率分配器和SIRW的工作原理，设计由SIRW组成的功分器，通过分析不同结构尺寸的SIRW功率分配器内部电磁场分布和S参数的变化研究了SIRW功分器的工作原理，并在此基础上优化设计出了等幅、同相、端口良好阻抗匹配的功率分配器。论文主要分为以下几个部分：1．利用解析法分析SIRW和矩形波导的差异（1）结构差异：（a）侧表面构成不同：矩形波导侧表面由金属板构成，而SIRW侧表面由介质基板上垂直打入两排有间隔的金属柱构成。（b）波导空腔的填充介质不同：矩形波导是由空气填充，而SIRW是由介质板的塑胶材料填充。（2）电磁波无泄漏传出条件：矩形波导中在封闭的空腔内传输电磁波无泄漏现在，而SIRW只有满足一定条件才能无泄漏的传输电磁波。2．利用基于有限元法的离散磁场算法，分析SIRW和矩形波导的差异。主要通过结合解析法得到的结论，在离散磁场算法中通过大型仿真软件HFSS对参考模型的S参数、相位、电磁场分布等特性进行分析研究。3．结合矩形波导功率分配器和SIRW的工作原理，设计SIRW功率分配器。通过分析研究调配螺钉在SIRW功率分配器中的作用，建立SIRW功率分配器，并在此基础上优化设计出等幅、同相、端口良好阻抗匹配的功率分配器。本文通过SIRW和矩形波导的比较，研究和分析出SIRW的基本特性。并在SIRW和常规功率分配器的基础上组成SIRW功率分配器，同时通过改变SIRW功率分配器的大小尺寸，研究和分析出SIRW功率分配器的传输特性和性能，并在了解其性能的基础上优化设计出了等幅、同相、端口良好阻抗匹配的功率分配器。二、SIRW结构简介（一）SIRW结构出现的背景微波导行系统是用来从一处至另一处传输微波能量的装置，要求传输效率高、损耗尽可能小。常见的微波导行系统包括两种，①双导体传输线，包括耦合传输线、平行传输线、同轴线；②单导体传输线，包括矩形波导、圆波导。其它类型的传输线可以被包括在这两种类型中，例如双绞线、平行导线和槽线(它们都属于第一类)。每种类型的传输线都具有特定的传输模式。当然它们都是随频率变化的，在某些频率上也可能会有多种模式的存在。双导体传输线传输的导行波的模式是TEM模（或准TEM模）。TEM（横电磁波）模在电磁波的传播方向上没有电场分量和磁场分量，即电场和磁场完全在横向平面内。微带线是最常用的双导体传输线。20世纪50年代前，所有的微波设备几乎都是采用金属波导和同轴电路。随着时代的发展，要求微波电路和系统小型化、轻量化并且性能可靠。因此出现了带状线、微带线、槽线、共面波导、共面带状线等新型的平面微波集成传输线。采用这些平面型传输线实现的微波电路，与常规的金属波导和同轴电路相比，具有体积小、重量轻、价格低廉、可靠性高、功能的可复制性好等共同优点，且适宜与微波固态芯片器件配合使用，构成各种各样的微波集成电路。但是，平面型传输线的最大的缺点就是功率容量小、有可能会存在电磁波的辐射。微带线（MS，microstripline）是微波集成电路使用最多的一种平面型传输线，它可用光刻程序制作。微带线是由在金属化的介质基板的其中一面制作一定宽度和一定厚度的金属导体带，另外一面做接地金属平板而构成的。单导体传输线传输的导行波的模式不再是TEM模，而是横电(TE)波或横磁(TM)波。TE波是在传播方向有磁场分量，但没有电场分量，即电场限于横平面内。而TM波是在传播方向有电场分量，但没有磁场分量，即磁场限于横平面内。规则金属波导是最常用的单导体传输线。规则金属波导是指各种截面形状的无限长的金属管。它将被引导的电磁波完全限制在金属管内沿其轴向传播，故又称规则封闭波导，通常称为规则波导。最常用的规则金属波导是矩形波导（RW，rectangularwaveguide）。相比其它形式的导波系统，金属波导具有导体损耗和介质损耗小、功率容量大、无辐射损耗、结构简单等优点，广泛应用于3GHz－300GHz的微波毫米波波段的通信、雷达、电子对抗、测量等系统中。但金属波导有一些不可忽视的缺点，那就是体积和重量都比较大,机械加工成本很高，而且也很不易于与其他有源电路和元件进行连接。在设计微波电路选择电路的实现方式时,从功率容量、元器件的易用性、元器件的加工成本和容易程度这些角度来考虑的话,传统的矩形波导(RW)系统与微带线等平面电路的结构的优缺点正好相反,而且彼此之间的连接很困难。在衬底集成矩形波导（SIRW，substrateintegratedrectangularwaveguide）出现以前,我们设计出的有源和无源器件的系统，如果含有矩形波导，通常需要从平面电路到非平面电路的过渡结构。典型的波导与平面结构的集成解决方案中，过渡结构体积大并且通常需要精密的机械加工。过渡结构需要由两个或更多的独立部分构成的，如此一来就需要将它们周密的装配，并且还需要附加机械装置进行调谐。而且，这种系统通常要将平面衬底切割成一种具体的形状。这些限制使得平面和非平面之间的集成十分困难而且造价高，因而难于进行大规模生产。这种使用上的尴尬和困难，存在了相当长一个时期。为了解决这一矛盾和困难，有学者提出了一种新型的设计平台，那就是衬底集成矩形波导，即：直接将矩形波导设计到微带的衬底中。它是通过在平面电路的衬底上嵌入两列平行金属化孔构成的，这两排金属孔构成了波导的窄壁。这样一来，可以将诸如微带线、共面波导和矩形波导构筑在同一衬底上，并且只需要一种结构简单的过渡段就可以达到两者的匹配。由于波导和微带共用同一衬底，因而具有较高的集成度，而且具有轻重量、小体积、较高的功率容量和Q值。因此，这一概念已得到很广泛的应用，并且有很好的发展前景。（二）SIRW结构的简介和现状衬底集成矩形波导(SIRW)，就是集成在介质上的矩形波导。它是结合了矩形波导和微带线平面结构二者优点的一种新型结构，可以解决上面所述的平面电路和非平面电路的集成以及使用上的接口的难题。目前，PCB制造工艺很成熟,常用的微带就是在PCB上面光刻而成。SIRW技术，也同样利用了成熟的PCB制造工艺。通过在PCB介质基板上垂直打入两排有间隔的金属柱构成两个金属面,再加上PCB的上下两个金属面，就合成了SIRW结构。这样,其功率容量比空气矩形波导小,但还是远远大于微带的功率容量；由于有介质填充，因而降低了品质因数Q值，但也远高于微带平面电路，使设计出的电路性能有了很大提高。从器件结构和加工工艺上来说，SIRW需要精确控制的尺寸相对于普通的矩形波导的机械加工而言比较容易，因此便于