基于微扰理论的集成结环行器设计方法研究

论文摘要

微波铁氧体环行器在现代通信系统中有着重要应用,随着微波集成电路的快速发展,研制集成化环行器将是很有必要的。为此本文开展了针对微波集成平面结环行器设计的理论与方法研究。本文首先针对铁氧体和基片介质构成的双层圆柱谐振腔,分析了其边界条件,由Maxwell方程出发,并结合微扰理论,得到了由铁氧体/介质基片组成的谐振腔中的电磁场分布,求解出了结半径和结输入阻抗满足的计算表达式,通过理论分析和电磁仿真给出了基于该理论方法设计结环行器的适用条件。基于所提出的设计方法,实现了一种基于非递增四分之波长阻抗变换的集成自偏置微带结环行器,仿真结果表明,器件在29.57GHz到29.82GHz的频率范围内插入损耗小于3dB,隔离损耗大于10dB,在29.8GHz隔离损耗达到最大,约为23dB,插入损耗达到最小,约为0.2dB,其中隔离度在10dB以上的带宽约为250MHz。为了拓展环行器的带宽,针对环行器结输入阻抗的实部、虚部均随频率变化的特性,利用ADS仿真软件中的Smith圆图的阻抗匹配功能结合实频数据和直接优化的思想,设计了环行器的结外宽带阻抗匹配网络,仿真结果表明,器件在27.2GHz到32GHz的频率范围内插入损耗小于3dB,隔离损耗大于10dB,其中隔离度在10dB以上的带宽约为4GHz。随后基于仿真结果制备了样品,测试结果表明:器件在29GHz到31GHz频段内隔离均超过10dB,具备一定的宽带环行能力。最后,研究了共面波导集成结环行器,通过在铁氧体底部增加电极,修正了器件的电磁场分布,讨论了各参数对器件性能的影响,并以此设计了共面波导集成结环行器。仿真结果表明,器件在30.4GHz到31.5GHz的频率范围内插入损耗小于3dB,隔离损耗大于10dB,在30.9GHz隔离损耗达到最大,约为26dB,插入损耗达到最小,约为0.1 dB。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外现状与发展趋势
• 1.3 论文的组织形式
• 第二章 结环行器的基本理论
• 2.1 微波铁氧体材料的基本性质
• 2.1.1 铁氧体的旋磁性
• 2.1.2 铁磁共振吸收
• 2.1.3 微波铁氧体的内场
• 2.1.4 圆极化场
• 2.2 带线Y 结环行器理论
• 2.2.1 Y 结环行器的散射矩阵
• 2.2.2 Y 结环行器的电磁场理论
• 2.2.3 结环行器的等效电路理论
• 2.2.4 平面传输线理论
• 第三章 基于微扰理论的集成结环行器环行条件
• 3.1 微扰理论
• 3.2 铁氧体/介质基片双层介质谐振腔的微扰法分析
• 3.2.1 铁氧体/基片双层介质谐振腔的模型
• 3.2.2 本征态双层介质谐振腔的电磁场
• 3.2.3 被扰双层介质谐振腔的电磁场
• 3.2.4 第一环行条件：结半径
• 3.2.5 第二环行条件：结输入阻抗
• 3.3 集成结环行器两个环行条件的适用范围
• 第四章 微带结环行器设计
• 4.1 微带线
• 4.2 自偏置集成微带结环行器设计与仿真
• 4.2.1 HFSS 中的器件建模及参数设置
• 4.2.2 基于四分之波长变换的微带结环行器设计
• 4.3 宽带匹配网络的微带结环行器设计
• 4.3.1 未接匹配网络下的策动点阻抗计算
• 4.3.2 基于宽带匹配网络下的微带结环行器设计
• 4.3.3 器件的仿真及测试
• 第五章 共面波导结环行器设计
• 5.1 共面波导
• 5.1.1 常规共面波导
• 5.1.2 背敷金属共面波导
• 5.2 共面波导结环行器设计
• 5.2.1 趋于带线场分布的共面波导结构修正
• 5.2.2 共面波导结环行器建模及仿真
• 5.2.3 共面波导结环行器的参数初值及修正
• 5.2.4 共面波导环行器结外匹配及性能仿真
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果