微波平面电路

介于一维的传输线电路与三维的波导立体电路之间的二维分布参数电路

微波平面电路是介于一维的传输线电路与三维的波导立体电路之间的二维分布参数电路。对称型和非对称型结构的基片边界是开路的，空腔型结构的基片边界是短路的。微波平面电路由分布参数平面传输线、分装式晶体管或无封装管芯、有独立功能的电路芯片、表面贴妆元件等组成的二维微波电路。

概念

微波平面电路是介于一维的传输线电路与三维的波导立体电路之间的二维分布参数电路。利用它可以构成不同功能的微波元件，如滤波器、振荡器等。常用的非对称型平面电路（图1）与微带线输入、输出电路相连，这种电路沿x、y方向的尺寸与波长的数量级相当，而沿z方向的尺寸h远小于波长。因此，输入微带线激励的电磁场在中心导体片与接地板之间的空间里振荡，其电场只有z分量（不计边缘场），磁场平行于xy平面,是TM模(对z而言),且场强仅为x、y的函数,与z无关。此外，还有对称型(图2)和空腔型（图3）两种结构。对称型和非对称型结构的基片边界是开路的，空腔型结构的基片边界是短路的。

由于平面电路的阻抗甚低，容易与半导体二极管匹配,可用作变容管调谐的体效应管振荡器的谐振回路等。

一种应用于微波平面电路的DGS新技术

在广泛使用MIC和MMIC技术的微波平面电路设计中，小型化设计研究已经成为一门非常重要的课题。针对这个研究方向，Jong-Sik Lim、 Jun-Seok Park 等人提出了DGS(Defected Ground Structure)结构(非理想地平面结构)，DGS起源于光波领域，是光子带隙结构(PBG)的一种发展形式，它是在微带线等传输线的金属地平面上蚀刻周期性或非周期性的各种栅格形状，以改变传输线的传输特性。DGS结构特性及其在小型化设计中的应用受到了越来越多工程设计人员的重视。其特性主要为：①呈现低通带阻特性；②提高介质的等效介质电常数；③提高传输线的等效电容和电感。DGS结构能够产生很多慢波因子(Slow Wave Factor)，使得插入这种结构的传输线在相同物理长度的情况下，具有比普通传输线更长的电长度，而为了在匹配网络中保持相同的电长度，其物理长度自然就要减短，从而达到小型化的设计要求。

DGS结构简介及其等效电路

常规DGS结构，如普遍使用的dum bbell-DGS，其蚀刻的栅格形状类似哑铃，在图 1中显示了单个的DGS单元结构，栅格形状由两个长宽为a、b的矩形和相连距离为w，宽度为g的缝隙组成，缝隙的长度与传输线的宽度等同，而且介质衬底的厚度h和其相对介电常数都是固定的，因此，DGS结构的特性就由矩形面积和缝隙宽度决定。

图2给出了周期DGS结构示意图，每个单元之间的周期间距为s。单元DGS结构的等效电路可以近似为并联LC电路，如图3( a)所示(虚线框格内为DGS结构等效部分)。为了能够直接应用在实际工程电路设计中，需要提取并联LC等效电路的参数。由于单元 DGS结构在某些频率上具有截止频率和衰减极点，可以等效为低通滤波器

基于HFSS软件的DGS结构仿真分析比较

由文献中提出的方法可知，金属地平面上蚀刻单元的尺寸决定传输线的等效电感和电容。一般说来，蚀刻单元的长度a 影响传输线的等效电感，蚀刻单元的宽度b影响传输线的电容，而正是这些等效电感和电容影响着 DGS结构的特性。Ansoft HFSS V9.2是三维高频电磁场仿真软件，采用有限元分析方法可对任意无源结构的电磁场模型进行仿真，功能非常强大。我们通过对单元 dumbbell-DGS结构进行仿真，改变蚀刻单元的尺寸，观察比较等效电感和电容的变化对 DGS结构特性的影响。与相同蚀刻面积的单元dum bbell-DGS结构相比，周期DGS结构其阻带的中心频率变化很小，周期DGS结构影响的是阻带的宽度和深度，阻带的中心频率则是由单元DGS结构的谐振频率决定的，这对我们在DGS结构的设计过程中起着重要的指导作用。

研究结论

研究介绍了广泛应用于微波平面电路小型化设计领域的一种 DGS结构。分析和仿真结果表明DGS作为一种周期性结构，其构造简单、性能优越、而且易于设计和实现。即使不存在周期结构，DGS单元在某些频率点上也具有谐振和低通带阻特性。周期 DGS结构影响的是阻带的宽度和深度，表现为超宽带特性；阻带的中心频率则是由单元DGS结构的谐振频率决定的。我们可以充分利用 DGS结构的带阻特性抑制谐波分量，从而提高微波器件性能，以获得常规技术无法实现的小型化和高性能。

波概念迭代法在微波平面电路中的应用研究

随着微波集成电路的不断发展，微波电路在电路结构、几何形状、材料性质、电磁环境等方面都变得日益复杂，如何准确而有效地对微波电路展开分析变得极其重要。起初人们利用Maxwell方程及其边界条件来分析电路，然而由于Maxwell方程包含了空间坐标函数的矢量场量的矢量微分或积分运算，数学计算的难度很大，对于一些复杂的电路结构甚至无法直接求解。计算机的出现和发展，开创了电磁场计算的新时代。20世纪60年代，几种适应于在计算机上进行大型计算的电磁场数值计算方法陆续出现。1968年，Harrington的《计算电磁场的矩量法》(Field Computation by Moment Method)的出版宣告计算电磁学的创立。常用的数值方法有基于积分方程的矩量法(Method of Moment，MOM)及其快速算法(如快速多极子)，基于微分方程的有限元法(Finite Element Method，FEM)和时域有限差分法(Finite Difference Time Domain Method，FDTD)等。

微波平面电路及其研究现状

微波电路开始于20世纪40年代应用的立体微波电路，是一种把有源和无源器件集成在同一块半导体基片上的微波电路，它由波导传输线、波导元件、谐振腔和微波电子管等组成的，广泛用于各种电路及技术中。随着微波固态器件的发展以及分布型传输线的出现，20世纪60年代初，出现了微波平面电路，它是由微带线、共面波导、槽线、集总元件、微波固态器件等无源微波器件和有源微波元件利用扩散、外延、沉积、蚀刻等各种加工制造技术，制作在一块半导体基片上的微波混合集成电路(Hybrid Microwave Integrated Circuit，HMIC)，属于第二代微波电路。与传统的第一代微波电路相比较，第二代微波电路具有体积小、重量轻、避免复杂的机械加工、易与波导器件集成等优点，可以适应当时迅速发展起来的小型微波固体器件；又由于其性能好、可靠性强、使用方便等优点，因此被用于各种微波整机。从20世纪80年代开始，国际上微波电路技术已经从传统的波导及同轴线元器件和系统转移到采用微波平面电路。除了某些大功率和高极化纯度的场合，微波平面电路已经几乎取代了各种常规形式的微波电路，是当前微波领域的主要研究对象。

在微波平面电路的技术发展历程中，砷化镓(GaAs)是使用最广泛的基片材料。然而随着频率的提高，具有周期结构的新型人工材料如频率选择表面、左手媒质、光子带隙材料为提高微波电路的性能提供了新的手段，同时也对分析和设计提出了新的要求。频率选择表面由于具有带阻或带通特性，在微波与毫米波领域应用范围越来越广，是微波工程领域的前沿问题之一。

波概念迭代法原理

波概念迭代法是一种结合了传输线理论与傅里叶模式变换的快速算法。这种方法根据所研究的电路结构确定分界面，然后根据电路表面的切向电场和电流密度引入波的概念，通过对电路表面进行剖分网格来建立电路模型，利用空域散射算子表示空域波之间的关系，利用谱域反射算子描述谱域波之间的关系，由于该方法概念清晰、模型建立简单、计算效率高，因此得到了很快的发展。

引入的空域波在电路表面发生散射，其关系由空域散射算子表示，空域散射算子可以表示为矩阵的形式，其矩阵元素与电路表面剖分的网格单元一一对应。下面讨论空域散射算子的建立过程。将电路表面均匀剖分成小矩形网格，根据其不同结构，可以将整个电路表面区域划分为金属(Metal)、介质(Dielectric)、源(Source)区域以及其它区域(图5所示)，各个子区域拥有不同的边界条件，然后根据波概念方程及各个子区域的边界条件得到空域波在对应区域的散射关系，从而得到空域散射算子。

波概念迭代法分析微带贴片天线

微带天线是一种典型的微波平面电路，和常用的微波天线相比，它具有如下优点：体积小，重量轻，低剖面，制造简单，成本低，可以和集成电路兼容等；电器上的特点是能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向，易于和微带电路集成，易于实现线极化或圆极化。相同结构的微带天线可以组成微带天线阵，以获得更高的增益和更大的带宽。已研制成了各种类型平面结构的印制天线，如微带贴片天线、带线缝隙天线、背腔印制天线以及印制偶极子天线。微带贴片天线在一块厚度远小于波长的介质基片上，一面附着金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴线探针对贴片馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板的缝隙向外辐射。常用辐射贴片的形状有矩形、圆形、多角形、扇形、H形等，也可以是窄长条形的薄片振子(偶极子)。微带贴片天线已广泛应用于军事、移动通信、航空航天、卫星通信等领域。

波概念迭代法在分析微带天线时，只对天线的不连续性表面剖分网格，微带线馈电或同轴探针激励处的区域定义为源区域，贴片所在区域为金属区域，其他为介质区域，根据各自区域的边界条件建立空域散射算子，表征空域波之间的关系；电路表面之外的区域利用传输线理论等效，电路模型建立简单；利用空域波在分界面的散射和谱域波在上下区域的反射关系展开迭代运算，避免了基函数的选取和大矩阵的求逆，简化了运算；空域和谱域波之间的交互采用傅里叶模式变换实现，提高了计算速度。可以看出波概念迭代法特别适合于分析微波平面电路。

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省

云南省

云南省