基于LTCC的毫米波集成电路理论分析与仿真设计技术研究

论文摘要

LTCC技术和毫米波集成电路技术是实现机载、舰载和星载等电子装备走向小型化、轻量化、高性能和高可靠性发展方向的有效途径,因此对基于LTCC三维集成毫米波电路的研究,已成为国内外毫米波电路与系统研究的前沿和热点。本文在广泛调研和跟踪国内外LTCC技术和三维毫米波集成电路研究动态的基础上,结合国防基金项目,对天线和T/R组件的小型化、轻量化、高性能等进行了深入分析和研究,通过对各项关键技术的理论分析、电路设计和半物理设备系统仿真以及部分样品研制,设计了一维扫描相控阵天线,解决了毫米波(8毫米波段)相控阵天线单元栅格的限制,主要研究工作概括如下:(1)对键合金丝和垂直互连通孔,建立了理论模型、等效电路和改进型传输结构,通过在传输线上加调谐枝节,改善了低通特性的截止频率,减小了传输损耗,用优化算法:提高了设计效率,提高了设计精度,缩短了设计周期。(2)用电磁场理论仿真结果,对该结果用神经网络仿真,再用遗传算法进行优化设计,提出了微波集成电路中带状线直角拐角的优化设计方法。(3)提出了LTCC背腔式电磁耦合贴片天线的等效传输线模型,采用腔体结构压缩表面波和平行板模,提高了天线效率。对多个接地通孔形成的等效腔体,采用神经网络和遗传算法进行优化设计,在此基础上采用调谐枝节,利用宽带匹配改善了天线带宽。(4)基于腔体模型,对腔体的谐振特性的分析,得出对接地通孔形成的等效腔体的优化设计。(5)提出LTCC串馈阵列天线,并且进行了仿真与设计;设计与制作实现了毫米波微带串馈阵列天线和收发组件。(6)对串馈阵列天线和收发组件单元采用梯形结构,通过相邻单元交错排列,设计了一维扫描相控阵天线,有效的解决了8毫米波段抛物面多波束天线、一维扫描相控阵天线收发组件占有空间过大和相控阵相邻单元之间间距过小的矛盾,实现了8毫米波段相控阵天线和收发组件集成化、小型化的分析、仿真和设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 三维毫米波集成电路研究现状和进展
• 1.2.1 国外三维毫米波集成电路研究现状和进展
• 1.2.2 国内三维毫米波集成电路研究现状和进展
• 1.3 本文的主要贡献与创新点
• 1.4 本文研究内容与安排
• 第二章 三维有限元和神经网络及遗传算法分析
• 2.1 引言
• 2.2 三维时谐场有限元分析
• 2.2.1 三维时谐场支配方程分析
• 2.2.2 三维离散单元分析
• 2.2.3 三维时谐电磁场有限元数值解分析
• 2.2.4 三维棱边元分析
• 2.3 有限元方程组解分析
• 2.3.1 确定性问题矩阵求解
• 2.3.2 方程组本征值分析
• 2.3.3 有限元自适应迭代算法
• 2.4 电磁场内问题和散射问题的有限元分析
• 2.4.1 软件HFSS中S参数的定义
• 2.4.2 多端口网络端口特性阻抗的定义
• 2.4.3 电磁散射问题
• 2.5 神经网络和遗传算法分析及应用
• 2.5.1 神经网络和遗传算法的应用
• 2.5.2 人工神经网络的多层前传网络分析
• 2.5.3 误差回传算法分析
• 2.5.4 遗传算法分析
• 第三章 LTCC毫米波键合金丝互连分析、仿真和设计
• 3.1 引言
• 3.2 基于全波矩量法传输线原理
• 3.3 键合金丝等效电路模型分析
• 3.4 键合金丝优化仿真和设计
• 3.4.1 单根键合金丝优化仿真和设计
• 3.4.2 双平行键合金丝优化仿真和设计
• 3.5 结论
• 第四章 基于LTCC毫米波垂直互连技术研究
• 4.1 前言
• 4.2 垂直传输通孔等效模型分析和仿真
• 4.2.1 垂直传输通孔等效模型分析
• 4.2.2 垂直传输通孔优化仿真
• 4.3 垂直传输通孔传输特性分析和优化仿真
• 4.3.1 带状线到带状线互连优化仿真和设计
• 4.3.2 微带线到带状线互连优化仿真设计
• 4.4 结论
• 第五章 LTCC毫米波带通滤波器优化、分析和设计
• 5.1 引言
• 5.2 毫米波带通滤波器分析
• 5.2.1 带状线特性的分析
• 5.2.2 耦合带状线特性的分析
• 5.3 边缘耦合带状线滤波器分析、仿真和设计
• 5.4 LTCC折叠边缘耦合带状线滤波器分析、仿真和设计
• 5.4.1 LTCC折叠边缘耦合带状线滤波器分析
• 5.4.2 LTCC折叠边缘耦合带状线滤波器优化设计
• 5.5 结论
• 第六章 LTCC高增益宽带贴片天线分析与优化设计
• 6.1 引言
• 6.2 LTCC电磁耦合微带天线传输线模型
• 6.2.1 临近耦合微带贴片天线传输线模型
• 6.2.2 孔径耦合微带贴片天线传输线模型
• 6.3 LTCC电磁耦合微带天线优化仿真和设计
• 6.3.1 LTCC临近耦合微带天线优化仿真和设计
• 6.3.2 LTCC孔径耦合微带天线分析和仿真设计
• 6.4 结论
• 第七章 埋置MMIC腔体分析与仿真研究
• 7.1 引言
• 7.2 腔体谐振理论分析
• 7.3 无源腔体分析仿真设计
• 7.3.1 传输线馈电无源腔体的分析和仿真
• 7.3.2 传输线馈电无源腔体优化仿真
• 7.3.3 终端开路馈电无源腔体分析仿真
• 7.3.4 终端开路馈电无源腔体的优化仿真
• 7.4 有源腔体分析设计
• 7.5 结论
• 第八章 毫米波天线和收发组件小型化分析、仿真和设计
• 8.1 引言
• 8.2 毫米波有源相控阵系统原理及分析
• 8.2.1 毫米波有源相控阵系统方框图
• 8.2.2 毫米波天线和收发组件工作原理
• 8.3 毫米波T/R组件主要器件
• 8.3.1 接收支路器件
• 8.3.2 发射支路器件
• 8.4 电路设计中的关键问题
• 8.4.1 电路布局设计
• 8.4.2 电磁兼容设计
• 8.5 T/R组件分析仿真设计
• 8.5.1 发射支路的分析仿真
• 8.5.2 接收支路的分析仿真
• 8.5.3 收发组件设计和仿真结果分析
• 8.6 基于LTCC天线和T/R组件单一封装分析和优化设计
• 8.6.1 基于LTCC天线和T/R组件单一封装分析设计
• 8.6.2 基于LTCC天线和T/R组件单一封装仿真
• 8.6.3 仿真结果分析
• 8.7 一维扫描相控阵天线系统小型化分析和仿真设计
• 8.7.1 一维扫描相控阵天线结构
• 8.7.2 微带串馈阵列天线分析
• 8.7.3 微带串馈子阵列天线仿真设计和测试
• 8.7.4 基于LTCC串馈子阵列天线分析仿真设计
• 8.7.5 一维扫描相控阵单元小型化单一封装设计和研制
• 8.7.6 一维扫描微带相控阵天线设计分析
• 8.8 毫米波抛物面多波束天线分析与设计
• 8.8.1 毫米波抛物面多波束天线分析
• 8.8.2 毫米波抛物面多波束天线优化设计
• 8.9 结论
• 第九章 总结和展望
• 9.1 总结
• 9.2 展望
• 攻读博士期间发表的学术论文
• 获得的专利和参加的基金项目
• 致谢
• 参考文献