共面波导与微带线无通孔转接头结构的研究与设计道

共面波导与微带线无通孔转接头结构的研究与设计道 单位代码: 10293 密 级: 硕 士 学 位 论 文 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目: 共面波导与微带线无 通孔转接头结构 的研究与设计 学 号 1010020823 姓 名 张 磊 导 师 于映教授 学 科 专 业 电磁场与微波技术 研 究 方 向 移动通信与射频技术 申请学位类别 工学硕士 论文提交日期 2013.02Research and Design on Coplanar Waveguide and Microstrip Line Transition Structure without Via Hole Thesis Submitted to Nanjing University of Posts and Telecommunications for the Degree of Master of Engineering By Lei Zhang Supervisor: Prof. Ying Yu February 2013 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 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 。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。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意 承担一切相关的法律 责任 安全质量包保责任状安全管理目标责任状8安全事故责任追究制幼儿园安全责任状占有损害赔偿请求权 。 研究生签名:_____________ 日期:____________ 南 京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和电子文档;允许论文被查阅和借阅;可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索;可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。论文 的公布(包括刊登)授权南京邮电大学研究生院办理。 涉密学位论文在解密后适用 本授权书。 研究生签名:____________ 导师签名:____________ 日期: _____________ 摘要 随着近年来无线通信技术和微波集成电路的发展，平面传输线 得到了广泛的应用，特别像微带线、共面波导、槽线和共面带状线等。不同传输线 之间的转接头结构在微波传输系统和微波测量系统中都体现了重要的作用。该论文 通过研究共面波导与微带线之间转接头结构的特性阻抗和电磁场结构两方面去 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 过渡结构的阻抗变化和电磁场变化。通过研究无通孔渐变转接头的结构的长度、宽 度、导带结构和地平面结构对传输特性的影响，达到减小转接头物理结构的目的， 通过研究材料及用带背板的共面波导结构与微带线的传输特性，达到提高低频响应 的目的，通过场结构分析和阻抗分析，提出地背共渐变的共面波导与微带线转接头 结构，达到提高工作频带的目的。 通过本文对共面波导与微带线无通孔转接头结构 的分析，设计和仿真，我们可以发现通过转接头结构连接，共面波导与微带线的过 渡比无转接头直接连接的工作频带要大，无转接头连接时由于寄生电阻比较大，无 通孔的渐变转接头结构，低频响应明显提高，将工作频率从 10GHz 提高到 6GHz ， 带背板的共面波导或者地背共渐变转接头的结构能将低频频带降低到 4GHz 左右， 插入损耗可以控制在 1dB 以内。 无通孔共面波导与微带线转接头在微波传输和微 波测量系统中都体现出了极大的作用，将会成为共面波导与微带线天馈线系统，共 面波导与微带线混合微波集成电路系统的重要组成结构。 关键词: 共面波导，微带 线，无通孔，转接头 I Abstract With the development of technology of the wireless communication and microwave integratedcircuit in recent years the planar transmission lines obtain a wide range of applications especiallyas microstrip line coplanar waveguide slotline and coplanar stripline. Transition between the jointstructure in the different transmission lines in the microwave transmission system and themicrowave measurement system take the important role. We analyze the characteristic impedanceand the electromagnetic field structure of the coplanar waveguide and the microstrip line transitionto study the changes of impedance and electromagnetic field between the transition structure. Bystudying the influence of the gradient without via hole trasition length of the structure the width ofthe structure conduction structure and the ground plane structure to achieve the purpose of reducingthe physical structure of the adapter. By studying material and coplanar with the backplanewaveguide to achieve the purpose to improve the low frequency response by the field of structuralanalysis and impedance analysis the adapter structure proposed back of the gradient of the coplanarwaveguide and the microstrip line and the purpose of improving operating band. Through without via-hole coplanar waveguide and microstrip line traisitions analysis designand simulation we can find that the structure of the coplanar waveguide and microstrip linetransition has a better performance than directly connected structure in low-frequency response canbe improved from 10Ghz to 6GHz or 4GHz by the new transition srtucture the insertion loss can becontrolled in the blow 1dB. Through without via-hole coplanar waveguide and microstrip line transition in microwavetransmission and microwave measurement system reflects a great role will become days coplanarwaveguide and microstrip line feeder system coplanar waveguide and microstrip line an importantcomponent of the hybrid microwave integrated circuit structure. Key words: CPW Microstrip without via-hole Trasition II 目录第一章 绪 论 .......................................................................................................................................... ................... 1 1.1 本课题的研究背景及研究现 状 ................................................................................................................ 1 1.2 本课题 研究内 容 ........................................................................................................................................ 3 1.3 本文组织结 构 .......................................................................................................................................... .. 3第二章 共面波导与微带线转接头理论基 础 ......................................................................................................... 5 2.1 共面波导与 微带线转接头基本传输理论................................................................................................. 5 2.1.1 共面波导和微带传输 线 ................................................................................................................. 5 2.1.2 共面 波导的传输特 性 ..................................................................................................................... 6 2.1.3 微 带线的传输特 性 ......................................................................................................................... 9 2.1.4 传输线的损耗、色散及高次 模.....................................................................................................11 2.2 常见的共面波 导与微带线转接头种类 .................................................................................................. 12 2.3 阻抗变换 器 .......................................................................................................................................... .... 16 2.3.1 四分之一波长阻抗变换 器 ........................................................................................................... 17 2.3.2 多节阻 抗变换器 ........................................................................................................................... 20 2.3.3 渐变线阻抗变换 器 ....................................................................................................................... 24 2.4 本 章小 结 .......................................................................................................................................... ........ 25第三章 无通孔共面波导与微带线转接头的分 析................................................................................................ 27 3.1 引 言 .......................................................................................................................................... ................ 27 3.2 共面波导与微带线无转接头连接的分 析............................................................................................... 27 3.2.1 无转接头物理结 构描述 ............................................................................................................... 27 3.2.2 无转接头结构传输特性分 析 ....................................................................................................... 28 3.2.3 无转接头 结构场结构分析 ........................................................................................................... 29 3.3 共面波导与微带线无通孔阶梯式转接头的分 析................................................................................... 33 3.3.1 阶梯式转接头物理结构 描述 ....................................................................................................... 33 3.3.2 阶梯式 转接头结构传输特性分析................................................................................................ 34 3.3.3 阶梯式转接头结构特性阻抗分 析................................................................................................ 34 3.4 共面波导与微带 线无通孔渐变式转接头的分析................................................................................... 36 3.4.1 渐变式转接头物理结构描 述 ....................................................................................................... 36 3.4.2 渐变式转 接头结构传输特性分析................................................................................................ 36 3.4.3 渐变式转接头结构传输特性分 析................................................................................................ 37 3.5 本章小 结 .......................................................................................................................................... ........ 40第四章 共面波导与微带线转接头的设计与仿 真................................................................................................ 42 4.1 引 言 .......................................................................................................................................... ................ 42 4.2 渐变式转接头结构特性对传输特性的影 响........................................................................................... 42 4.2.1 渐变式转接头结构 长度对传输特性的影响................................................................................ 42 4.2.2 渐变 式转接头结构宽度对传输特性的影响................................................................................ 44 4.2.3 渐变式转接头结构宽度对传输特性的影 响................................................................................ 46 4.2.4 渐变式转接头地线结构对 传输特性的影响................................................................................ 48 4.3 基片材料特 性对传输性能的影响 .......................................................................................................... 52 4.3.1 基片材料对转接头传输性能的影 响............................................................................................ 53 4.3.2 基片厚度对转接头 传输性能的影响............................................................................................ 55 4.4 GCPW 结构有效提高无通孔转接头低频传输性 能 ............................................................................... 57 4.4.1 GCPW 结构无通孔转接 头的传输性能 ........................................................................................ 57 4.4.2 GCPW 结构无通孔转接头场结构 ................................................................................................ 58 III 4.5 地背共渐变式转接头的设计与仿 真 ...................................................................................................... 59 4.5.1 地背共渐变式转接头结构描述.................................................................................................... 59 4.5.2 地背共渐变式转接头结构描 述.................................................................................................... 59 4.5.3 地背共渐变式转接头的场结构.................................................................................................... 61 4.6 本章小 结 .................................................................................................................................................. 63第五章 共面波导与微带线转接头的应 ........................................................................................................... 65 5.1 转接头在用 微波测量中的应用——射频微波探针台中微带元器件的测 共面波导及微量 ........................................... 65 5.2 转接头在微波传输中的应用—— 带线元器件的集成 ................................................... 67第六章 总结与展 望 ............................................................................................................................................... 70参考文 献 ................................................................................................................................................................. 71附录 1 攻读硕士学位期间撰写的论 文 ................................................................................................................ 74致 谢 ......................................................................................................................................................................... 75 IV南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论1.1 本课题的研究背景及研究现状 近几十年以来，随着微波/毫米波技术的发 展，无线移动通信技术和微波集成电路技术得到迅速发展和推广应用。由于微带线、共面波导、槽线和共面带状线等传输线结构都是平面结构，他们的特点就是尺寸控制在一个平面内，所以相对在设计、加工过程中更加方便，微带线和共面波导成为组成微波集成电路的重要结构1-2。 在微波电路系统中，不是所有器件和电路都是 由一种传输线结构来实现的，多种传输线及其组成的微波元器件在同一微波系统中的应用成为不可避免的重要课题，微波转接头技术在高速数字，射频和微波电路中都显示出重要的地位。在高速数字射频和微波电路性能表现中，转接头技术占据了很重要的地位。在数字电路中，转接头的延迟和门电路延迟相比，更加影响时钟的速度。在射频与微波电路中，转接头是极为重要的无源元器件。在一些微波集成电路微波传输过程中，微带线和共面波导混合使用，这样共面波导和微带线之间的过渡转接头成为重要的问题。 同时，在微波测量过程中，共面波导型的微波探针可实现高速微波集成电路的在片检测，必须将不同频率范围内的测量信号，在阻抗匹配的时候与芯片连接，当进行微带器件测量时，由于共面微波探针与微带器件不能之间连接，我们可以通过在微带器件上添加微带与共面波导转接头结构，减小测量时的寄生电容，使得共面波导和微带线之间的转接头结构在微波传输和微波测量的过程中越来越重要。 Sriram 等学者在 2008 年研究指出，在印刷电路板上的许多器 件中，有许多类型的微带传输线和共面波导3，他们之间连接会产生不连续性，如空气间隙，弯曲，阶跃等，这种不连续性对信号的传输和反射有强烈的影响，在某些 情况下，电荷聚集引起的磁场和电场的不均匀分布使得传输线产生感抗或者容抗的效果 。现在的微波实验设备的输入输出端口多为共面波导形式，在微波电路和系统中经常需要进行这两种传输线形式的转换，为了降低这种不连续性所带来的传输损耗，我们可以加入传输接口结构，这种转换由共面波导微带接口电路来完成，起到过渡作用。 Houdart 等学者 1979 年第一次提出的三耦合线传输接口结构，在特定频率下，将信号从微带线耦合到共面波导。开启了对共面波导与微带连接接口的研究，随着共面波导和微带线在同一电路上的集成，采用晶圆测量技术的共面波导探针以及微波单片集成电路都涉及接口 1南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4连接的灵活性和连续性 。所以，宽带，低损耗，减小共面波导和微带线转换接口大小成为一个多年来需要严谨研究的重要课题。 Georg Strau等学者在 1996 年提出了一种辐射结构转接头模型5，作者用 FDTD 的方法，研究了矩形结构转接头和辐射结构转接头的性能。Gildas P. Gauthier 等学者，在 1998 年发表的论文中，对 Houdart 等学者提出.