基于基片集成波导的LTCC电路研究

论文摘要

近年来,微波毫米波技术在电路与系统的小型化、高集成等方面提出了前所未有的挑战。在此背景下,低温共烧陶瓷（LTCC,Low Temperature Co-fired Ceramic）技术,由于具有尺寸小、重量轻、损耗低、大规模制造成本低等众多优点,在现代无线通信及军事应用等众多领域得到迅猛发展。由于传统的平面传输线及金属波导等传输线具有尺寸大、造价高等局限性,而难以应用到LTCC多层电路中,因此当前LTCC技术的研究热点之一是致力于研究各种新型基片集成波导为主的低损耗传输和谐振结构,以适用LTCC电路的特点及需要;另一方面LTCC电路往往具有复杂的电路结构及电磁特性,基于全波电磁仿真的传统分析方法,越来越难以满足复杂LTCC电路的需求。因此,研究具有针对性的高效优化方法,缩短LTCC电路设计周期,是当前LTCC技术研究的另一个重要内容。本文在LTCC新型低损耗传输线,及空间映射方法应用于LTCC电路的优化设计等方面展开研究,得到一些有益的结论。主要研究工作如下:1.本文研究了基于基片集成波导（SIW,Substrate Integrated Waveguide）,即常规SIW传输线,及基于SIW改良的半模基片集成波导（HMSIW,Half Mode SIW）、折叠基片集成波导（FSIW,Folded SIW）等传输线,并在此基础上实现了一系列用途广泛的LTCC电路。传统的微带线、带状线等平面传输线在微波射频波段具有损耗高、品质因数低等不利因素,而尺寸较大的普通金属波导尽管具有品质因数高等优点,却难以应用于高密度的多层集成电路中。相对于这些传统的传输线,SIW等基片集成波导具有低损耗、品质因数高、尺寸小等众多优点。本文首先基于等效模型法给出了SIW的部分等效电路模型,然后用全波分析方法对SIW的电磁特性进行了分析和验证,在此基础上实现了多层结构的LTCC滤波器电路。为了进一步实现LTCC电路的小型化和低损耗,本文在SIW的基础上分析了HMSIW、FSIW等新型基片集成波导的特性,实现了HMSIW过渡、FSIW功分器等常用无源器件。2.本文采用全波法和等效模型法对基片集成圆形波导（SICC,Substrate Integrated Circular Cavity）的电磁特性进行了深入研究,在此基础上研制了SICC滤波器、双工器等LTCC电路。SICC和SIW相比,不仅同样具有便于集成的优点,而且还能够提供自由度更高的电路拓扑布局。基于SICC结构,本文提出了新颖的基片集成圆形波导（HSICC,Half Mode SICC）谐振结构,并实现了HSICC谐振器、HSICC滤波器、HSICC功分器等一系列LTCC无源电路,验证了HSICC结构应用于LTCC电路的可行性。基于HSICC结构的LTCC电路相比SICC结构的LTCC电路,在保持可以灵活调整电路输入输出端口方向位置的优点的同时,还可以进一步减小将近一半的电路尺寸。3.本文对空间映射方法应用于LTCC电路的优化问题展开了针对性研究。传统的全波电磁仿真方法,基于对梯度信息的解析法或穷举法分析,由于其计算成本昂贵和计算效率低下,成为制约LTCC电路实现快速优化设计的主要瓶颈。本文以微波频段的H面变宽波导滤波器为例,采用空间映射方法对其进行了优化仿真;LTCC中广泛存在的不连续性结构,也在本例中得到针对性分析。优化过程同时采用了电磁仿真和电路仿真的方法进行联合优化仿真,最终使优化效率得到非常显著的提高,为探讨空间映射方法应用于LTCC电路的高效优化作出了有益尝试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 微波毫米波系统集成技术简介
• 1.3 微波毫米波系统集成技术发展动态
• 1.3.1 低温共烧陶瓷（LTCC）技术
• 1.3.2 LTCC 新型传输线
• 1.3.3 LTCC 电路的优化方法
• 1.4 本文研究目的和主要工作
• 第二章 LTCC 电路中的传输线
• 2.1 微波毫米波应用中的传统传输线
• 2.1.1 微带类平面传输线
• 2.1.2 规则金属波导
• 2.2 基于 LTCC 技术的新型集成传输线
• 2.2.1 SIW（基片集成波导）
• 2.2.2 HMSIW（半模基片集成波导）
• 2.2.3 FSIW（折叠基片集成波导）
• 2.2.4 SICC（基片集成圆形波导）
• 2.2.5 HSICC（半模基片集成圆形波导）
• 2.3 小结
• 第三章 基于 SIW 的无源电路研究
• 3.1 SIW 传输线及电磁特性分析
• 3.2 SIW 滤波器
• 3.3 HMSIW 过渡
• 3.4 FSIW 功分器
• 3.5 小结
• 第四章 基于 SICC 的无源电路研究
• 4.1 SICC 电磁特性分析
• 4.2 SICC 滤波器
• 4.3 SICC 双工器
• 4.4 HSICC 谐振器
• 4.5 HSICC 功分器
• 4.6 HSICC 滤波器
• 4.7 小结
• 第五章 空间映射方法应用研究
• 5.1 空间映射方法发展概况
• 5.1.1 发展现状
• 5.1.2 空间映射方法概念与特点
• 5.2 空间映射方法分析与分类
• 5.2.1 优化思想的数学表达
• 5.2.2 空间映射方法分类
• 5.2.3 主动空间映射方法
• 5.3 空间映射方法用于 H 面变宽波导滤波器的优化
• 5.3.1 H 面变宽波导滤波器的建模
• 5.3.2 主动空间映射方法的应用
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 6.1 论文主要工作和贡献
• 6.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻博期间取得的研究成果