射频微系统微波传输线

摘要

随着电子系统应用场景与领域的多样化，应用环境的复杂化，其对除基本性能、功能需求外，在体积、重量、可靠性以及能耗等方面的要求愈发严苛。微系统凭借微型化、高集成度的特点，提供了解决以上难点问题的方案，是突破当前电子系统发展瓶颈的重要途径。然而系统的微型化、集成度增加使得传输线间的间距急剧减小，电磁场能量密度增加，必然加剧不同信道间的信号串扰，恶化整个系统的信号完整性，影响系统性能。特别在微波频段和超高速电路，信号辐射增强，问题更加严重。因此，提高微系统中微波传输线的隔离度，对保证系统正常工作，提升系统性能具有重要意义；另一方面，射频前端占据了微系统大部分面积，而传输线又是其中主要组成部分，因此对传输线的小型化研究是实现整个电子系统小型化的基础。针对上述要点，以微系统中微波传输线的高隔离性和小型化两个关键特征为研究目标，在可集成前提下，提出了一种新型高隔离传输线，并系统研究了其传输特性与隔离特性；然后研究了现有高隔离传输结构——基片集成波导的小型化方法。主要研究内容包括：

（1）新型高隔离传输线。针对现有高隔离微波传输线阻抗变化范围小的局限，提出了一种新型高隔离微波传输线，即中心对称双槽线。理论方面，利用全波分析的模式匹配法分析了该传输线的主模及第一高次模的传播模式。基于保角变换推导出了该传输线准TEM模式下的特性阻抗解析公式，得到了低于6 %的平均绝对误差。然后，为保证该传输线与现有微波电路的兼容性，设计了该传输线到微带线和平行双导线的过渡结构，并以背靠背形式应用到了传输线性能的测试中。测试结果显示，在1到18 GHz范围内，所有结构回波损耗均小于16 dB。接下来，通过建立中心对称双槽线的耦合等效电路模型，量化分析了该传输线的耦合机理。对比了该传输线与通孔隔离微带线的隔离性能，实验表明：在1到18 GHz范围内，两种传输线近端串扰接近，而中心对称双槽线的远端串扰较通孔隔离微带线降低了至多14 dB。接着，利用该传输线设计了一款7.5 GHz到18 GHz的T型宽带功分器，并实现了通带回波损耗小于18 dB，插损小于4 dB，幅度不平衡度小于0.2 dB，相位不平衡度小于3度的性能指标。最后，通过仿真表明该功分器与邻线的远端串扰较微带线型功分器降低了至多11 dB。

（2）基于机器学习的中心对称双槽线传播常数模型。针对中心对称双槽线现有传播常数（衰减常数、相位常数）高精度建模问题，提出了基于Mondrian Forest（MF）的单频点传播常数模型。首先将基本MF模型应用到了中心对称双槽线衰减常数建模中。通过交叉验证，对比了经典机器学习算法——支持向量回归模型（SVR）的建模精度。结果表明，在不同样本数量以及不同频点条件下，MF模型平均绝对误差较SVR降低33 %至44 %。然后，基于MF模型，得到了各频率点的最优传输点（衰减常数最小）。同样地，将基本MF模型应用到相位常数建模中，结果表明其平均绝对误差较SVR降低19 %至50 %。接着，在MF建模过程中引入了在线训练方法，改善了模型局部/全局建模效率，同时避免了基本MF模型在最优化问题中盲目扫参的缺陷。将该方法应用到了最优传输点的研究中，结果表明，引入在线训练后，模型在4次迭代，即16个训练点后，就找到了最优传输点，而基本MF模型采用扫参法则需要至少27个训练点。

（3）基于空间映射的中心对称双槽线衰减常数模型。针对中心对称双槽线衰减常数难以得到宽频带精确模型的问题，提出了基于频率依赖型空间映射的精确建模方法。由于该模型映射矩阵中参与运算的有效元数量是可变的，使得建模时间得以随之改变，进而实现通过控制映射矩阵有效元数量来调节建模时间，提高建模效率的目的。同时，模型以星型分布配合二次多项式，建立了物理参量到粗糙模型参量的映射，使该模型具有了普适性。最终，模型以四次多项式为粗糙模型，通过空间映射得到了精确代替模型。对比了模型在不同有效元数量下的建模时间和精度，结果表明当有效元数量从20变为10后，建模时间从53分钟大幅下降到24分钟，而模型精度变动不大，平均绝对误差从2.6 %上升至3.4 %。

（4）基于基片集成波导（Substrate integrated waveguide，SIW）的复合左右手传输线。针对传统复合左右手SIW左手电感感抗值低，且不可调的问题，提出了一种新型的具有高左手电感的小型化复合左右手SIW。该结构通过表面矩形槽之间的金属短线提供的额外电感，提高了等效左手电感，并增加了可调参量维度，提高了设计灵活性。从该复合左右手SIW的色散曲线中提取了左右手电容电感。结果表明，新型结构的左手电感较传统复合左右手SIW提高至少90 %。根据左右手传输线谐振机理，设计实现了一款中心频率为2.9 GHz的H面耦合滤波器。经实测，该滤波器带宽为10.3 %, 插损小于2.9 dB，回波损耗优于19.3 dB，无载品质因数达到70.1，面积较传统复合左右手SIW型滤波器减小了57 %。

关键词：

高隔离可集成微波传输线，中心对称双槽线，MF优化模型，可变映射，高感抗左手电感