基片集成波导的研究与应用

南京邮电大学硕士学位论文基片集成波导的研究与应用姓名：王哲申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：秦卫平2011-03南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要I摘要基片集成波导（SIW）是昀近十年来出现的低插入损耗，高品质因数，高功率容量的一种新型波导器件，基于PCB和LTCC等工艺实现的各种SIW无源及有源器件兼具有传统金属波导和平面电路的优点，且生产成本和设计复杂度在微波毫米波频段具有无可比拟的优势。本文的主要内容是基于基片集成波导谐振法的复介电常数测量和基于LTCC多层工艺的腔体滤波器的设计。本文第一章介绍了基片集成波导的产生背景以及近年来国际上关于基片集成波导的发展趋势与应用领域，并对文章的主要内容做以总体叙述。为了解决基片集成波导器件与外围电路的连接测试问题，第二章在阐述常用的几种基片集成波导的转换结构和性能参数并确定本文使用的耦合方式和馈电结构的基础上，详细论述了基于基片集成波导的介电常数的谐振法测量。首先介绍了传统的介电常数的测量测试方法和各自方法的优缺点，然后结合基片集成波导技术，提出了一种新的采用谐振法的测试模型，并对其性能和测试准确度进行了一系列的仿真实验。第三章则对基于基片集成波导技术和LTCC多层工艺的微波滤波器，进行了一些有益的设计与仿真。将经典的腔体滤波器用多层基片集成波导的思路进行实现，并且采用LTCC工艺，更有利于将其与其他有源器件无缝的融合在整个电路板上。关键词：基片集成波导，微带-基片集成波导转换器，微波测量南京邮电大学硕士研究生学位论文AbstractIIAbstractSubstrateIntegratedWaveguide(SIW)isappearedoverthepastdecade,lowinsertionloss,highqualityfactor,highpowercapacityofanewtypeofwaveguidedevices,AvarietyofSIWpassiveandactivedevicesbasedonPCBandLTCCtechnologyhastheadvantagesoftraditionalmetalwaveguideandplanarcircuit.Productioncostsanddesigncomplexityinthemicrowaveandmillimeterwavebandhaveanunparalleledadvantage.ThemaincontentinthispaperismeasurementofcomplexpermittivitybasedonsubstrateintegratedwaveguideresonantmethodandmultilayerLTCCtechnology-basedcavityfilterdesign.ThefirstchapterofthepaperdescribesSIW'sbackground,recenttrendsandapplicationsattheinternationallevel.Thenmakeageneraldescriptionaboutthemaincontentsofarticle.Inordertosolvetheproblemofconnectionsbetweensubstrateintegratedwaveguidedevicesandothercircuitandfortheconvenienceofthetest,thesecondchapterfirstlyintroducedseveralcommonlyusedconversionSIWstructureandperformanceparameters,determinedthecouplingandfeedstructureinthispaper.SecondlydiscussedresonancemeasurementindetailbasedonthedielectricconstantofSIW.Thendescribesthemeasurementofthedielectricconstantoftraditionaltestingmethodsandtheiradvantagesanddisadvantages,combinedtheSIWtechnology,proposedanewtestmodelusingresonancemethod,foritsperformanceandtestaccuracy,aseriesofsimulationexperimentswillbedone.Inthethirdchapter,someusefuldesignandsimulationwillbemadeformicrowavefiltersbasedonSubstrateintegratedwaveguidetechnologyandLTCCmultilayertechnology.Ifrealizetheclassicalmulti-cavityfilterwiththeideaofSIW,usingLTCCtechnology,itwillbemorebeneficialtoitsseamlessintegrationofotheractivedevicesinthecircuitboard.Keywords:SIW,MicrostriptoSIWTransition,Microwavetest南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：_____________日期：___________南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。研究生签名：____________导师签名：____________日期：____________南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论1第一章绪论在本章中，首先对基片集成波导(SubstrateIntegratedWaveguide，SIW)的技术背景、当前基片集成波导的发展趋势及典型的应用做一个总体的叙述，然后介绍本篇文章的具体工作和章节安排。1.1基片集成波导技术背景及其简介在近一百年的历史当中，微波技术有了突飞猛进的发展，特别是在二次世界大战的推动下，极大的促进了微波技术的实用化和微波理论的系统化发展。微波应用已经涉及无线电广播、卫星通信、移动通信以及材料的微波测量、医学检验和研究各个领域，在各种应用中，导波结构的地位非常重要。早期第一代的微波系统主要采用金属波导和同轴线作为传导电磁波和进行器件设计的基础。虽然金属波导器件有其固有的低损耗，高Q值，功率容量大、良好的温度稳定性、牢固的机械结构等优点[1][2]，但是随着系统复杂度的提高和人们对小型化的迫切需求，某些领域的电路逐渐不再采用波导和同轴线作为导波部件。从1960年开始出现的平面微波电路标志着第二代微波电路的萌芽，成为近代微波电路的发展导向和基石，它们是由微带元件、集总元件和微波固态器件等无源和有源微波元件组成，由于工艺的发展和有源器件集成度的提高，越来越多的系统采用平面电路去构建整个系统[3]，因此除了特殊应用场合外，大而笨重的波导和同轴线淡出人们的视野，取而代之的是带状线、微带线、共面波导等平面传输线[4]，采用上述传输线不仅使得整个系统的设计十分紧凑，平面电路器件的安装和焊接均很方便，这使得当今的通信系统体积大大降低，成本明显下降，加速了微波通信系统的实用化和民用化过程。随着社会的发展，人们对大容量高速度的通信的需求越来越大，较低频段的频谱已经非常拥挤，高频微波频段有着极为丰富的频谱资源，但在这一频段，平面传输线也暴露出缺点，微带电路和早期的带状线电路不再作为首选电路，因为微带平面电路半开放的电磁场结构，容易出现干扰模式，电磁波的泄露和辐射比较严重，由平面传输线构成的器件插入损耗大，Q值较低，不适合做高频微波电路。在电磁波的高频段，平面传输线构成的器件和连接电路已经部分不适用，迫切的需要一种适合高频微波电路并且损耗小Q值高的微波毫米波集成技术。1992年，昀早由一位日本学者H.Furuyama提出栅格波导的结构和概念，1998年，为了将波导的优良导波特性应用到小型化的微波电路中，Hirokawa[5]和Uchimura[6]分别提出并系统的南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论2研究了此种新型的波导结构，他们发现周期性金属化通孔可以当做金属壁来使用。2000年以来，吴柯教授提出了基片集成波导SIW(SubstrateIntegratedWaveguide)的概念[7][8][9]，东南大学洪伟教授等在SIW导波特性、不连续性、各种器件和微波系统方面做了深入的研究和实验[10][11]，随后，基于SIW设计理念的大量的理论研究和器件被相继开发出来[12][13]。基片集成波导是近些年来提出的一种高性能低损耗小型化的传输线，用周期性金属通孔代替传统矩形波导的金属侧壁，其电磁波传播特性与传统的矩形波导类似并且可以在PCB板上或者LTCC工艺实现，兼具有平面传输线和传统金属波导的优点，并且在电路连接上，可以与现在的平面电路无缝的集成，众多的优点使得基片集成波导在微波毫米波电路领域成为未来电路的发展趋势。在微波毫米波电路系统的设计过程中，需要便宜和可靠的印刷电路以及其它平面封装技术，基于PCB技术和LTCC技术设计出的微波器件和电路系统的性能，与材料的介电常数及损耗角正切有密切的联系。在设计各种器件和电路之前，介质的介电常数和损耗角正切的测量对器件的设计和制造尤为重要，介质损耗在微波毫米波段是不可忽略的一项重要指标。在过去的几十年中，有大量的研究和设计有关于复介电常数和损耗角的测量方法，参看文献[14][15][16][17][18]，在某些场合，而金属波导谐振法是昀准确的测试测量方法，然而PCB板及LTCC的测量方法则用传统的谐振法较难以实行，而基于基片集成波导技术则很方便的将矩形波导的优点带入到介电常数的测量当中，因而在要求不高的情况下，采用基片集成波导谐振器的方法可以方便低成本的进行介质基板的特性测量。近年来，无线通信特别是移动通信的迅猛发展，使得有限的频率资源日趋紧张，在频分多址通信系统中为了避免系统干扰，射频前端需要性能优良的滤波器降低通带内的损耗和带外信号的干扰。传统的腔体滤波器固然可以提供系统需要的高选择性，较低的插入损耗和高品质因数，在对腔体滤波器体积要求比较低的场合，如雷达、通信基站等高功率的通信系统中广泛采用。然而对系统的体积要求较高的场合，为了进一步减小滤波器的体积，通常用微带线等平面传输线的方式实现滤波器的小型化。由于微带线等平面电路和器件较高的辐射损耗，较低的品质因数，在微波毫米波频段上，微带滤波器还难以广泛应用，而基片集成波导设计思路的出现，使得在高频段不但有利于实现电路和器件的小型化，又可达到所需的优异的性能指标。在实现形式上，PCB板上实现的SIW滤波器，如果所有腔体均在同一平面上，体积依然偏大，而且多腔的耦合主要还停留在一维方向的耦合，不能有效的降低整个滤波器的体积。而采用成熟的LTCC等多层工艺的封装技术，结合SIW的思路可以设计出的性能指标可媲美接近腔体滤波器滤波器，并且体积相对于微带平面半开放滤波器和基于PCB的S