人工磁导体在毫米波无源器件中的研究与设计
随着新一代5G通信系统的逐步商用与部署，微波以及毫米波通讯技术也在迅速发展中。然而，5G通信系统高速率、低时延的实现受限于各种具有优越电性能的射频器件，尤其是在毫米波频段。人工磁导体(AMC)作为一种新型超材料，它具有自然界中传统物理材料所不具备的优秀电磁特性，即具有理想磁导体对平面波的同相反射特性以及限制电磁波传播的电磁带隙特性，能够突破射频天线以及射频器件的结构设计极限，提高射频天线以及射频器件的整体性能。本论文着重研究了人工磁导体的电磁带隙特性在毫米波无源器件中的设计应用。 本文首先在分析研究了人工磁导体结构电磁带隙特性工作原理的基础上，设计了一种中心频率位于毫米波频段的人工磁导体结构，并讨论了人工磁导体结构参数对电磁带隙特性中心频率与相对带宽的影响作用，随后引入了一种基于人工磁导体结构的理想磁导体封装结构，由此设计了一款具有三层结构的毫米波功率分配器。加载理想磁导体封装结构的毫米波功率分配器在27GHz到31.5GHz频段之间实现了各输出端口的等幅同相输出，相比于传统微带功率分配器，传输性能提升了约20%，并且改善了谐振特性。 然后，针对上述中提出的蘑菇型人工磁导体结构可调参数甚少，电磁带隙范围不易调控的问题，改进设计了一种新型十字交叉的人工磁导体结构，该结构设计简单，相比于上述中的蘑菇型毫米波人工磁导体单元，不仅降低了约46.7%的剖面高度，缩小了体积，而且具有更加易于调节的参数化特性，能够得到频段更为精准的电磁带隙，并将其运用于毫米波3-dB定向耦合器的设计中，受益于前文中的三层结构设计，该毫米波3-dB定向耦合器实现了在约20%的相对带宽内，输入端到直通端与耦合端的插入损耗基本小于3.5dB，回波损耗小于-30dB，隔离度大于15dB，且直通端口和耦合端口具有90o±2.5o的相位差。 最后，重点介绍分析了基于人工磁导体结构的印刷脊间隙波导的模型结构，工作原理以及色散特性，并验证了其作为毫米波传输波导的可行性。为了后期加工实测的准确性，提出了一种简单有效的从微带到印刷脊间隙波导的过渡结构，并基于印刷脊间隙波导分析了半波长微带传输线谐振器结构，最后设计了一款采用毫米波印刷脊间隙波导技术、且具有双传输零点的四阶耦合谐振器带通滤波器，该带通滤波器通带内的插入损耗小于0.8dB，回波损耗大于15dB，通带两侧各有一个传输零点，具有频率选择性好，带外抑制能力强的特点。将前面的三层结构设计改进为两层结构，进一步地降低了剖面高度，缩小了体积，使其更易于与其他微波以及毫米波电路和系统集成。
毫米波;人工磁导体;功率分配器
南京邮电大学
硕士
电磁场与微波技术
许锋
2020
中文
TN01;TN713
2021-02-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）