【摘要】：近年來,無線通信技術(shù)迅猛發(fā)展,通信容量需求日益增大,對電磁器件的研制和設(shè)計提出了更高的要求。在此背景下,寬帶濾波器,功分器和天線等微波無源器件以及基于人工表面等離激元的寬帶微波器件成為了電磁領(lǐng)域的研究熱點。本論文結(jié)合實際工程背景和研究課題,提出了一批新穎的寬帶無源器件,包括超寬帶(Ultra Wideband,UWB)陷波功分器,寬帶陷波濾波器和天線等等。與此同時,利用人工表面等離激元的概念,首次提出了差分結(jié)構(gòu)的人工表面等離激元波導(dǎo)設(shè)計和基于共面雙線的人工表面等離激元結(jié)構(gòu)。此外還提出了新穎的魚翅型人工表面等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。本論文的主要研究工作包括以下幾方面:首先,第二章提出了一種具有可調(diào)陷波特性UWB Wilkinson功分器。通過奇偶模模式分析法,分析了一種三枝節(jié)加載陷波諧振器。并將該諧振器加載到UWB功分器中,由此實現(xiàn)了寬帶功分器的陷波特性。該陷波的中心頻率可以通過結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的大小來調(diào)節(jié)。測試結(jié)果表明,該功分器帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于10 d B,0.1GHz-8 GHz范圍內(nèi)除陷波頻帶以外,隔離度均優(yōu)于18 d B。其次,第三章提出了一種新穎的基于平面微帶饋線的單極子UWB天線。為了有效抑制UWB頻譜內(nèi)其他干擾信號,該天線擁有兩個具有高頻率選擇性的陷波頻帶。該設(shè)計中的每個陷波頻帶都包含兩個諧振模式,所以,與傳統(tǒng)的單諧振模式陷波相比,該設(shè)計的陷波帶寬更寬,更適合抑制寬帶干擾信號。該陷波通過放置在天線微帶饋線旁的雙陷波諧振結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。該陷波結(jié)構(gòu)是在一種簡單的雙模諧振器上加載兩個對稱高阻線并連接微帶饋線。文中對該UWB陷波天線進(jìn)行了物理參數(shù)掃描研究,分析并驗證了高頻率選擇性雙陷波的工作機(jī)制。最終,通過測試天線的回波損耗,輻射方向圖,峰值增益等性能參數(shù),驗證了該天線擁有良好的阻抗匹配特性和輻射特性。此外,第三章還提出了一種多狀態(tài)多功能UWB天線�；镜腢WB天線,通過在微帶饋線旁對稱加載兩個雙模諧振器和并聯(lián)枝節(jié),實現(xiàn)了除UWB頻率響應(yīng)以外的兩個工作狀態(tài):窄帶帶通濾波天線(通帶:5.5-5.95 GHz),UWB陷波天線(通帶3.1-11.5 GHz內(nèi)含陷波5.15-5.8 GHz)。陷波具有較高的頻率選擇性。此外,本文還研究了用0?電阻代替并聯(lián)加載枝節(jié)后對該天線工作狀態(tài)切換的影響研究。最終,文中加工并測試了四個天線實例,驗證了該多功能UWB天線的概念。第四章提出了一種新穎的微帶UWB濾波器,其具有雙陷波特性。這里的雙陷波特性通過采用第三章提出的雙陷波諧振結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生。所以該濾波器的每一個陷波也具有雙諧振模式,高頻率選擇性的特點。此外,這一章在上一章的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步更加詳細(xì)的仿真分析了該陷波諧振結(jié)構(gòu)的頻率特性,并提出了另外一種等效電路,這為未來其他應(yīng)用場景下雙陷波諧振結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了指導(dǎo)。為了實現(xiàn)了更寬頻的帶外抑制,缺陷地技術(shù)被應(yīng)用到該設(shè)計中。第五章提出了一種工作在微波頻段的新穎的魚翅型人工表面等離激元(spoof surface plasmon polaritons(SSPP),designer surface plasmon polaritons)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),該提出結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)更低的色散特性,這也暗示了對表面等離激元的傳播有更強(qiáng)的約束能力。仿真研究和測試結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了2.1-8 GHz的寬帶帶通頻率響應(yīng)。這是因為色散曲線的截止頻率特性實現(xiàn)了高頻阻帶,而低頻阻帶則由該結(jié)構(gòu)中的微帶到槽線的過渡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。為了進(jìn)一步驗證該結(jié)構(gòu)的色散特性,電場分布,面電流分布,能量流分布被分別計算仿真,并展示出來。此外,現(xiàn)有的人工表面等離激元結(jié)構(gòu)主要都是基于微帶線或者槽線技術(shù)發(fā)展而來,基于此背景,該章也首次提出了基于共面雙線(Coplanar Stripline,CPS)的工作在THz頻段的人工表面等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并通過仿真和測試實驗驗證了該模型的正確性。該章也首次提出了具有高共模抑制度的差分人工表面等離激元設(shè)計。最后,對整篇論文的研究工作進(jìn)行總結(jié),并對未來進(jìn)行了展望。
【圖文】：

導(dǎo)通高頻信號的特性。LC 集總參數(shù)電路具有體積緊湊的優(yōu)勢，但是構(gòu) Q 值較低，所以由該諧振結(jié)構(gòu)構(gòu)成的濾波器性能相對較差。另外于電感 L 和電容 C 都不是理想器件，具有寄生效應(yīng)。當(dāng)工作頻率高之后，L 和 C 都將不會呈現(xiàn)其理想特性，所以該諧振結(jié)構(gòu)的頻率使制的。這一限制局限了 LC 集總參數(shù)諧振電路的應(yīng)用場景。外一種微波濾波器的諧振結(jié)構(gòu)是基于分布參數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)展而來。元件的諧振結(jié)構(gòu)可以通過各種傳輸線結(jié)構(gòu)，諸如波導(dǎo)，同軸線，微出來。一般情況下，大多數(shù)微波和射頻濾波器都由一個或者多個耦諧振器組成，因此設(shè)計諧振器的技術(shù)也可以用于設(shè)計濾波器。1962 G. L. Matthaei 等人提出了基于諧振器耦合的濾波器設(shè)計方法，為基振器的濾波器設(shè)計提供了理論指導(dǎo)[9]。年來，非常多的分布參數(shù)諧振結(jié)構(gòu)被發(fā)展出來。2000 年，研究人員等人提出雙環(huán)開路諧振器，這種諧振器可以實現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的圖 1-1 所示）。如圖 1-2 所示，文獻(xiàn)[11]提出了四分之一波長諧振器加

圖 1-2 四分之一波長諧振器加載開路枝節(jié)構(gòu)成帶通濾波器[11]時近年來，新穎的加工科技和材料技術(shù)的發(fā)展，包括微波集成電路(M系統(tǒng)（MEMS），微加工（Micromachining），高溫超導(dǎo)技術(shù)（HTS瓷（LTCC）技術(shù)，激勵著傳輸線和濾波器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。同計工具諸如全波電磁場仿真器的發(fā)展，已經(jīng)使得濾波器設(shè)計發(fā)生了。許多新穎的具有高性能濾波特性的濾波器設(shè)計被發(fā)展和報道出來寬帶濾波器作為超寬帶系統(tǒng)的重要組成部分，在穿墻雷達(dá)，醫(yī)學(xué)成，，室內(nèi)超寬帶系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域具有非常重大的影響力。2002 年，同意授權(quán)超寬帶設(shè)備在不經(jīng)過官方認(rèn)證的情況下使用，但是超寬帶譜必須嚴(yán)格的限定在 3.1-10.6 GHz 范圍內(nèi)。為了滿足該要求，超發(fā)展成為了微波濾波器學(xué)術(shù)界的熱點。眾多超寬帶濾波器被開發(fā)和，這些 UWB 濾波器的中心頻點是 6.85 GHz，相對帶寬為 109.5%。文獻(xiàn)[15]和[16]分別利用交指耦合線技術(shù)和電磁帶隙結(jié)構(gòu)改善了超帶外抑制能力。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN713

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本文編號：2596916