基于金带互联工艺形态表征的微波组件传输性能路耦合建模与影响机理研究

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在低频段时,有源微波组件中传输线间转换互联点仅仅起电连通作用,相当于短路,传输性能几乎与互联点无关;然而到了高频段(微波毫米波频段),电路结构尺寸与传输线工作波长可比拟,其寄生效应(寄生电容与寄生电感等)将造成信号幅度和相位的改变,导致传输性能变差,互联工艺形态对传输性能的耦合影响愈加突出,特别是在金带互联工艺表现尤为显著,因此互联工艺形态与信号传输性能耦合关系和影响机理的研究成为了微波组件设计阶段转组装阶段过程的重要工作。本文以金带互联工艺为研究对象,研究互联形态离散参数化表征与建模方法,实现对互联点形态的精细化调控;深入挖掘互联形态参数与信号传输性能的耦合关系,建立形态参数与传输性能函数关系式;同时针对因引入不连续金带互联区域导致的阻抗失配问题,探索性能补偿方法。具体工作如下:(1)针对微带转微带金带互联形态进行特性分析,并对柔性金带形态进行数学描述,从而实现互联形态的参数化建模;基于不连续传输线和分段线性理论,实现对互联形态的分段线性离散化处理;基于微波网络理论,进行分段等效电路分析;利用网络级联特点,构建整个互联结构耦合模型;利用MATLAB编程计算与HFSS软件建模分析结果对比来验证模型,在6-50GHz内路耦合模型能有效反映回波损耗S11,误差基本上都在3dB以内,只有个别点超出3dB;而对于插入损耗S21而言上虽然整体走势一致,但是差距较大,这是因为本文中路耦合模型基于无损传输线理论进行推导,不能考量损耗对性能的影响,即吸收衰减对性能的影响,故S21存在一定的偏差,因此将随频率变化的损耗量提取并加入路耦合模型中,发现新的S21曲线与HFSS仿真吻合程度很好,尤其在30GHz以下;最后,基于耦合模型分别从金带拱高、间隙以及金带宽度等形态参数着手,定量分析参数对插入损耗与回波损耗的影响,获取形态参数与微波电路信号传输性能之间的定性影响规律。(2)通过对同轴转微带金带互联形态特性分析与数学描述,实现该互联形态参数化建模,同时在HFSS建模并仿真分析;然后,采用52因子设计对影响信号传输性能的互联形态调控变量进行主效应、交互效应以及显著性分析,从中筛选出关键参数;针对关键参数进一步采取响应曲面设计,利用多元二项回归方程构建同轴转微带金带互联形态参数与信号传输性能路耦合模型;最后对耦合模型进行验证,通过计算可得回波损耗S11的判定系数R2=98.82%,说明S11数值变化分布中仅有1.18%无法用模型解释,其调整后的判定系数R2adj=97.75%与R2相比,变化较小,说明回损损耗S11的回归模型能准确预测工艺模型;插入损耗S21的判定系数R2=99.22%,说明S21数值变化分布中仅有0.88%无法用模型解释,其调整后的判定系数R2adj=98.53%与R2相比,变化较小,说明插入损耗S21的回归模型能准确预测工艺模型;因此有足够理由说明基于实验设计所建立路耦合模型的准确性。(3)针对因传输线间转换互联结构的不连续性区域所造成的阻抗失配,导致信号反射现象进行分析,引出基于阻抗匹配的性能补偿的基本原理及实现形式;同时以同轴转微带金带互联结构为例,分别用四分之一波长变换器、并联单枝节以及线性渐变线三种补偿方式对该结构进行性能补偿,结果表明在工作频段Ku内,三种补偿方式均可以减少信号反射,改善信号传输性能且补偿频率范围较宽,且效果较为显著。
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