本文關鍵詞：基于3D打印技術和微加工的微波和THz波導器件研究

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【摘要】：現(xiàn)代無線電通信系統(tǒng)需要高性能多功能的微波/毫米波甚至太赫茲(THz)器件以適應復雜多變的電磁環(huán)境。在這些無線電通信系統(tǒng)尤其是射頻前端收發(fā)系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的無源波導器件具有射頻損耗低和功率容量大等優(yōu)勢。與平面微波傳輸線(如微帶線和共面波導)相比,這些空氣填充的金屬波導器件在要求低射頻損耗/高功率的應用中扮演著重要角色。然而,射頻功能復雜的波導器件往往具有復雜的3-D物理結構,當采用傳統(tǒng)機械加工工藝如計算機數(shù)控銑(Computer Numerical Control(CNC)Milling)制造這些器件時,需要將一個結構整體拆分成多個部件進行加工,且難以實現(xiàn)形狀特殊的3-D結構。雖然CNC技術非常成熟,加工精度也很高,但若被用作加工毫米波高頻端甚THz波段的波導器件時,CNC的加工成本會急劇提高。此外,傳統(tǒng)的全金屬制波導器件重量大,冗余結構材料多,不利于在機載、艦載和航空航天等諸多應用中實現(xiàn)通信系統(tǒng)的小型化和輕型化。一種比傳統(tǒng)CNC加工工藝具有更高尺寸精度的3-D結構制造工藝是基于硅或光刻膠(如SU-8厚膜)的微加工技術,該技術能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米量級的加工精度,有利于加工很小的特征尺寸,因此這些微加工技術已經(jīng)被廣泛用于制作毫米波高頻端直至THz波波段的高性能波導器件。近年來,3-D打印技術的發(fā)展為微波/毫米波波導器件的快速低成本加工提供了一種新的選擇,該技術不僅能夠輕易的制造出復雜的三維幾何形狀,還可以用多種原材料打印器件。若選用遠低于金屬材料密度的非金屬介質(zhì)作為3-D打印的結構材料(如光敏樹脂、塑料、尼龍和陶瓷等),在相同結構下器件重量可以減小一半以上,這對于無線電通信系統(tǒng)尤其是衛(wèi)星等航空航天通信系統(tǒng)的輕型化具有重要意義。上述多種新型加工工藝的提出有效的降低了波導器件的成本并提高了設計的靈活性。本論文圍繞微波/毫米波直至THz波導器件的多種加工工藝,分別研究了基于3-D打印技術的微波/毫米波無源波導器件和基于CNC和SU-8微加工的毫米波和THz波導變頻電路,包括倍頻器和混頻器,這些變頻電路是一個300GHz通信系統(tǒng)中的核心射頻模塊。本論文的研究內(nèi)容具體如下:(1).“3-D打印技術”并非某一種加工技術的特稱而是一類制造工藝的總稱。并不是所有的3-D打印工藝都能被用于制作微波/毫米波器件,且制作不同類型或不同工作頻段的器件也需要采用不同的3-D打印工藝。本論文在充分研究了多種3-D打印技術的前提下,根據(jù)微波器件的成型方式將利用3-D打印技術制作微波器件的方法分為了四類,其中最常見的一類為“非金屬3-d打印器件結構+表面金屬化”模式。本文以該模式為基礎,設計并加工了數(shù)款腔體濾波器,工作頻率從10ghz到100ghz。其中包括基于新型高q值單模和雙模球形諧振腔的10ghz帶通濾波器(相對帶寬(fbw)分別為5%和3%),基于裂縫波導結構的90ghz帶通濾波器(fbw:11%)和基于緊湊片上結構的100ghz帶通濾波器(fbw:4%)。這些濾波器大多結構復雜但性能優(yōu)良,很難用傳統(tǒng)的cnc技術加工實現(xiàn),充分體現(xiàn)了3-d打印技術在制作復雜結構器件上的優(yōu)勢。另外,由于采用了非金屬打印材料(光敏樹脂),這些濾波器比用純銅制作的器件(結構相同)輕80%左右。(2).(1)中提出的濾波器均由激光固化光敏樹脂成型,這種技術被稱為立體光刻(stereolithography(sla))。一般來說,光敏樹脂的耐熱性和機械強度均遠遠比不上如銅或鋁等金屬材料。這就限制了用sla技術打印的微波器件在高功率或高溫環(huán)境下的應用。比如說,(1)中提到的的一些濾波器采用了accuraxtreme樹脂作為打印材料,這種材料的最高工作溫度約為50°c(廠家給出的建議值),故用這種材料制作的濾波器可以在常溫下工作,但無法放到高溫環(huán)境中使用。為了適應高溫高功率環(huán)境條件下的應用,本論文找到了一種新型的摻雜了陶瓷粉末的光敏樹脂(somosperform),由于摻雜了納米陶瓷粉末,使得本來不耐高溫的光敏樹脂具備了較好的耐熱性和更高的機械強度。本論文用這種材料重新制作了(1)中的一款x波段濾波器。然后設計了實驗對這兩個濾波器(相同設計,不同材料)在不同溫度下的射頻性能進行了測試。結果表明,采用陶瓷粉末摻雜光敏樹脂材料制作的濾波器不僅能輕易工作到140°c以上,且濾波器隨溫度變化的中心頻率偏移量(Δf)也遠低于用普通光敏樹脂制作的濾波器,而相比純金屬材料來說,這種光敏樹脂仍舊保持了輕質(zhì)的優(yōu)點。但不可避免的,由于摻雜了陶瓷粉末,樹脂的密度提高了約20%。(3).在毫米波和thz波段,一些傳統(tǒng)的有源電路(如放大器,倍頻器,混頻器等)選擇在平面?zhèn)鬏斁�(如微帶線,共面線)上實現(xiàn)半導體器件(如schottky二極管,hemt管)的阻抗匹配,但平面?zhèn)鬏斁�的q值較低,當電路的工作頻率不斷提高時,平面電路上的阻抗匹配網(wǎng)絡往往會引入較大的損耗。為了降低這一部分損耗,本論文提出了一種“濾波匹配網(wǎng)絡理論”,該理論基于微波帶通濾波器的等效電路模型導了具備阻抗匹配功能的新型n+2耦合矩陣。由該耦合矩陣描述的濾波器的源阻抗和負載阻抗可以是任意的復數(shù),故從概念上講,這種帶通濾波器在維持特定濾波特性的同時還具備阻抗匹配功能。這種新型的耦合矩陣可以用來設計一些由波導諧振腔實現(xiàn)的濾波匹配網(wǎng)絡,從而將平面電路中的阻抗匹配網(wǎng)絡移除。(4).(3)中提出的濾波匹配理論在本文中被用于設計多款基于schottky二極管的毫米波/thz倍頻器和混頻器。在這些設計中,由于采用了波導諧振腔實施阻抗匹配,故必須采用全波仿真軟件(如CST,HFSS)來對波導結構進行建模和仿真。另一方面,對非線性半導體器件的建模和仿真又必須用到具備諧波平衡仿真功能的電路仿真軟件(如ADS)。因此,為了準確且高效的設計這些非線性電路,全波仿真軟件和電路仿真軟件必須結合起來�；谶@一需求,本文提出了兩種電磁場-電路聯(lián)合仿真/優(yōu)化方法。其中,一種以電路仿真軟件為主,以用全波仿真軟件生成的“SNP文件庫”為輔的聯(lián)合仿真/優(yōu)化辦法具有較強的適用性,較高的精度和效率。本論文根據(jù)這兩種方法設計了五款毫米波/THz變頻電路。分別為一款90GHz三倍頻器,兩款142.5GHz三倍頻器,一款300GHz諧波混頻器以及一款47.5-142.5-300GHz倍頻/混頻鏈,由于采用了高Q值的矩形波導諧振腔去實現(xiàn)非線性半導體器件的阻抗匹配,故仿真得到的射頻性能較為理想。最后,這些波導變頻電路的腔體部分由CNC和SU-8微加工技術實現(xiàn)。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN252;TP391.73

【參考文獻】

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 趙偉;毫米波及太赫茲混頻技術研究[D];電子科技大學;2015年

2 楊曉帆;基于平面肖特基二極管的太赫茲分諧波混頻器研究[D];電子科技大學;2012年

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本文編號：1306571