介质微带线——应用于毫米波及太赫兹的新型传输线研究

A microstrip line consists of a metal strip, a metal ground plane, and a dielectric substrate between the metals,which has been widely used for building microwave and millimeter wave circuits. However, because of skin effect of metal in millimeter wave the sheet resistance increases. The path of current will be longer due to the current flowing along the rough surface of metal. These problems lead to very high transmission loss of the microstrip line. The loss will be even higher in THz band. To resolve this problem, we proposed a new transmission line. In this new transmission line, the metals of traditional microstrip are replaced by dielectric strip and dielectric sheet with higher permittivity respectively, while the dielectric substrate with lower permittivity keeps the same. The so called dielectric microstrip line (DML) keeps the merit of planar structure of microstrip but gets rid of the problems of metal loss because of skin effect. Our preliminary research shows that it is very good transmission line in THz region. Research works in this project including transmission line theory of DML, transitions between DML and other existing transmission line, and new DML-based THz functional circuits.

广泛应用于微波电路的微带线由金属带线和金属接地板以及介于两者之间的介质基片构成。但是，在毫米波的应用中，由于金属部分的趋肤效应，使得面电阻增加，而金属表面的粗糙度，又增加了趋肤电流的实际行程。面电阻和电流行程的增加直接导致其传输损耗的大幅上升。该问题在太赫兹频段更加严重。为此，申请人提出了一种新型传输线。这种传输线用较高介电常数的介质材料替代传统微带线的金属带线和金属接地板，同时保留原有的较低介电常数的介质基片，形成一种结构上与传统微带线相似的全介质平面传输线。这种传输线暨保持了传统微带线平面结构的特点，易于构造复杂的平面电路，又克服了传统微带线在毫米波和太赫兹条件下高金属损耗的问题。初步的理论和研究表明，这种介质微带线具有优良的传输线特性。本项目将研究该新型传输线的传输理论，寻找和优化该传输线与传统传输线之间的转换结构，并利用该传输线构造适合于毫米波及太赫兹频段工作的新型电路及模块。

广泛应用于微波电路的微带线由金属带线和金属接地板以及介于两者之间的介质基片构成。但是，在毫米波的应用中，由于金属部分的趋肤效应，使得面电阻增加，而金属表面的粗糙度，又增加了趋肤电流的实际行程。面电阻和电流行程的增加直接导致其传输损耗的大幅上升，该问题在太赫兹频段更加严重。为此，本项目从理论和设计技术两个方面来解决相关问题，提出了新型传输线——介质微带线（DML），传统微带线中的金属层被替换成介质层，克服了传统微带线在毫米波和太赫兹条件下高金属损耗的问题，同时，DML是一个平面化的传输线结构，DML 更加易于平面集成到各种结构的电路设计中去；为了将DML应用到太赫兹中，设计了工作在220-280GHz窄DML；设计了DML和微带线，DML和基片集成波导（SIW）的两种模式转换结构；研究了基于SOI的低损耗的太赫兹DML，并设计了基于DML的耦合器和平面十字交叉两种无源器件；研究了介质带状波导（DRW）并设计了基于DRW的宽带太赫兹H面介质喇叭天线（工作在750-1000GHz频段）。相关项目研究成果已发表了33篇学术论文，其中，SCI收录22篇；申请了发明专利3项，已授权2项；培养了研究生8名。这些研究成果将会极大地改变目前毫米波/太赫兹研究中缺乏具有优良性能传输线的现状，给毫米波/太赫兹技术带来新的突破，在一定程度上推动该领域的发展。