微波毫米波介质基片复介电常数测量-研究

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1、第一章绪论量138】【391。根据提取复介电常数思路的不同可分为，复反射系数法134】【351、复传播常数法【31J【36】【37】等。除此以外，也有～些时域测量介质基片的损耗Ho]141l的方法采用带状线的结构。而损耗的确定也是复介电常数测量中非常重要的一部分。对于毫米波波段最常采用的开放腔测量法来说，其耦合结构常见的有三种【53】：探针耦合，环耦合和小孔耦合。其中小孔耦合结构最简单也最常用，易于开放腔与外部波导的连接【541。文献【29】成功设计了Ka波段和W波段的开放腔测量装置，也是采用小孔耦合，两个耦合孔分别用于电磁信号的输入和输出。但是，小孔耦合有一个缺点，为尽量减小耦合孔的引入对开

2、放腔Q值的影响，耦合孔的孔径应非常小。然而，当电磁场耦合入开放腔内时，由于耦合孔孔径小而使得电场在耦合孔处类似于点源的激励，从而使得电磁场能量在进入腔内时扩散很快，因而造成功率损耗很大。因此，对于外部馈源的功率要求较高。1．3本文内容安排享本文第一章介绍了介质基片复介电常数测量的研究背景，以及国内外研究现状。第二章，介绍了带状线传输线的相关原理，介绍了由测量得的二端口S参数计算得出介质基片介电常数s，。和损耗角正切taIl6的近似计算式，并给出了详细的数据计算流程图。同时，本章亦着重介绍了测量设备矢量网络分析仪的TRL校准方法原理，修正了相关文献的一个错误。并在该方法的基础上，针对本文的待测结

3、构为传输线这一特点进行了简化。这也是本文的主要创新点之一。第三章为带状线测量法模拟仿真部分。在第二章的基础上，本章采用AnsofiHFSS仿真建模，通过预先设定已知材料，利用仿真数据进行反演与预设值比较，以此来验证第二章的复介电常数计算公式以及简化的校准方法的准确性。本章的仿真计算为两个部分。第一部分，采用理想带状线模型，用于验证介质基片复介电常数的计算公式。第二部分，在第一部分带状线结构的基础上首先设计了一款高性能的宽带同轴线到带状线过渡结构。该结构回波损耗IS。I在200MHz～20GHz范围内可以达到一25dB以下，在20GHz-25GHz范围内亦可以达到一20dB以下。将一对这样的过渡

4、结构对称地端接在一段理想带状线两端，用以模拟实际的需要校准的测量情况，并验证第二章改进的TRL校准方法。最后，对本章计算结果的误差来源进行了分析。第四章为带状线测量法PCB板实测部分，测量频带为200MHz~25GHz。本章介绍了测量装置及测量步骤，并根据实际测量的需要对第二章的TRL校准方法做了进一步调整。对VNA实际测量得到的S参数原始数据进行了校准和反演计算得到的复介电常东南大学硕士学位论文数结果，并对初始结果进行了误差处理。第五章介绍了开放腔测量法的一些基本理论。同时，给出了设计透镜耦合结构的相关理论和公式。并对比了透镜耦合和小孔耦合两种耦合形式下，采用2D．FDTD法Matlab仿真

5、得到的开放腔腔体内电磁场的Ez分量图。第二章带状线法基础理论2．1带状线法测量原理13611371142l如图2．1所示为带状线传输线横向截面图。传输线复传播常数y为：y=a+邝(2．1)其中，a为总的衰减因子，分为导体衰减a。和介质衰减ad两部分：a=ac+ad(2．2)由文献[36][36]口-6J"知，复传播常数y亦可表示为：y2a+伊=口c+ad+祁(2．3)·=ac+乃儿不计入导体衰减时的复传播常数：九砘‘(：翌三兰!竺：竺?s，(2．4)=j√oj2／Aso(s：-j6；)其中，JLl。为真空磁导率，60真空介电常数，占：为带状线相对复介电常数的实部，s二为带状线相对复介电常数的虚

6、部。损耗角正切为：tan5：晕(2．5)S，由带状线的导体损耗引起的衰减近似为：其中，ac5篙静己乡业。N咖亿6，哗<，忍>1201—东南大学硕士学位论文纠+等+去等-n(竿)‘=t+赢(o．s+了0．414t+石1·n了4／tw)这里，zc为带状线特征阻抗，W为中心导带宽度，，为中心导带厚度，(如图2．1示)。咫为带状线表面阻抗，随频率变化，计算公式为【411：耻居(2．7)(2．8)6为介质板厚度(2．9)其中，∥为介质磁导率，or为带状线金属导电常数。由文献【4l】亦司知，由带状线的电介质损耗引起的衰减与其他TEM传输线的形式相同ad：掣Np／m(2．10)作为特征阻抗为Zc的传输线，则

7、有：A=cosh(7／)(2．11)曰=』L(2．12)shah(rt)、c=瓦；i而1(2．13)zcsiIlll(矽)7D=cosh(f1)(2．14)其中，，为带状线线长。由该组式子可推得带状线的特征阻抗互可表示为：乙调㈤若一段带状线传输线的S参数是已知的，则其ABCD矩阵可由以下表达式计算得【411：彳：坠型萼避(2．16)一'Q、7曰：zo—(1+—S—11)(_1+i$2—2)—-S—