半模基片集成波導(dǎo)傳輸特性的研究及其在天線中的應(yīng)用.pdf

1、半?；刹▽?dǎo)(HMSIW：Half-Mode Substrate Integrated Waveguide)是由東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室洪偉教授等于2006年提出的一種高性能微波平面導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。相比于其它微波傳輸線，HMSIW具有以下特點：1)與傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)相比，HMSIW具有平面集成的優(yōu)點：2)與微帶線相比，具有傳輸損耗小，功率容量大的優(yōu)勢；3)與基片集成波導(dǎo)(SIW：Substrate Integrated Waveguide

2、)相比，橫向尺寸減小幾乎一半。此外，HMSIW比普通矩形波導(dǎo)和SIW的主模工作帶更寬，前者為fc-3fc，而后兩者為fc-2f，其中fc為主模截止頻率。正是因為它的這些優(yōu)點，HMSIW已經(jīng)被用于設(shè)計研制各種高性能微波毫米波元器件，如功分器、濾波器、天線等。隨著這些器件在國際期刊和會議上的不斷發(fā)表，HMSIW受到國內(nèi)外同行越來越多的關(guān)注和接納。在此背景下，本文深入系統(tǒng)地研究了 HMSIW的傳輸特性和耦合特性，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計研制了橫向縫

3、隙陣列天線，周期性漏波天線和工作于60GHz的介質(zhì)諧振器天線。論文主要工作如下：
　　 第一章研究了HMSIW在主模工作區(qū)的傳輸特性。首先運用商業(yè)電磁仿真軟件獲得波導(dǎo)內(nèi)外場形分布，在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得到了一套場分量表達(dá)式。其次，針對多條結(jié)構(gòu)相同、長度相異的HMSIW，運用多線法計算得到了HMSIW主模的相位常數(shù)和衰減常數(shù)。然后，系統(tǒng)分析了諸多關(guān)鍵因素如波導(dǎo)寬度、介質(zhì)基片厚度、介質(zhì)基片介電常數(shù)、金屬化通孔尺寸和間距等對HMSIW截止

4、頻率的影響，推導(dǎo)得到了一套HMSIW的經(jīng)驗設(shè)計公式。最后，系統(tǒng)分析了HMSIW在不同介質(zhì)基片損耗角正切和不同金屬導(dǎo)電率情況下的衰減特性，進(jìn)而解釋了HMSIW在單模工作區(qū)的損耗機理。部分工作已在IEEE Trans．Microw．Theory Tech．上發(fā)表。
　　 第二章研究了一對平行HMSIW的互耦特性。在實際應(yīng)用中，一對平行的HMSIW通常有三種不同的相對擺放位置，即一條HMSIW的開放側(cè)邊面對另一條的開放側(cè)邊(簡稱“面對

5、面”結(jié)構(gòu))，閉合側(cè)邊面對閉合側(cè)邊(簡稱“背對背”結(jié)構(gòu))以及開放側(cè)邊面對閉合側(cè)邊(簡稱“面對背”結(jié)構(gòu))。以分別工作于X波段和Ka波段的兩對HMSIW為例，本章定量、系統(tǒng)地分析了HMSIW以不同間距擺放于上述三種不同相對位置時的近遠(yuǎn)端耦合系數(shù)。通過與一對平行微帶耦合線的對比，分析了上述三種相對擺放結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，進(jìn)而提出了合理化設(shè)計建議，以有效降低HMSIW線間串?dāng)_以及HMSIW對周圍元器件的干擾。最后，結(jié)合第一章所闡述的單條HMSIW的傳輸

6、特性，提出了最佳HMSIW的設(shè)計準(zhǔn)則，以保證HMSIW具有較低的線上傳輸損耗和較弱的線間串?dāng)_耦合。
　　 第一、第二章對HMSIW傳輸特性和耦合特性的研究為在后續(xù)章節(jié)中將HMSIW應(yīng)用于設(shè)計研制一些微波毫米波器件提供了基礎(chǔ)。
　　 第三章研究了HMSIW饋電的橫向縫隙陣列天線。首先，針對蝕刻在HMSIW上表面金屬層的單條橫向縫隙，分析了其電場分布及諧振特性，即諧振長度和諧振阻抗，并對應(yīng)地推導(dǎo)得到了電場分量表達(dá)式和諧振阻抗

7、計算公式。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了HMSIW橫向縫隙陣列天線的兩個關(guān)鍵設(shè)計公式。應(yīng)用這兩個公式，分別設(shè)計了工作于X波段和Ka波段的兩副HMSIW橫向縫隙陣列天線。天線的實測性能與理論分析吻合，驗證了這兩個設(shè)計公式的正確性。這部分工作已在IEEE Trans．Antannas Propag．上發(fā)表。
　　 第四章研究了基于HMSIW結(jié)構(gòu)的周期性漏波天線。這類天線是由在HMSIW的上表面金屬層或金屬地面周期性蝕刻橫向窄縫隙而成。相鄰縫隙的

8、間距(即周期)小于最低頻率時的半個空間波長。針對這兩種天線結(jié)構(gòu)，即縫隙蝕刻在上表面金屬層或在金屬地面，首先分析了單條橫向縫隙的電場分布。然后，結(jié)合波導(dǎo)內(nèi)外場分布，運用變分法原理(variational method)，推導(dǎo)了分別適用于這兩種天線的設(shè)計公式。最后，應(yīng)用這些公式，理論分析了縫隙長度及縫隙周期對空間諧波(spaceharmonics)相位和衰減的影響，也即對天線口徑分布的影響。測試、仿真及計算結(jié)果的良好吻合驗證了設(shè)計公式的正確

9、性。這部分工作已投稿至IEEE Trans．Antannas Propag．和IEEE．AntennasWireless Propag．Lett．。
　　 第五章研究了工作于60GHz、由HMSIW饋電的線極化和圓極化介質(zhì)諧振器天線。在設(shè)計這兩種天線之前，首先應(yīng)用惠勒罩法(Wheeler Cap Method)和方向性/增益法(D/G method，Directivity/GainMethod)研究比較了介質(zhì)諧振器天線和微帶貼片

10、天線在Ka波段的輻射效率。通過研究，一方面，系統(tǒng)分析了兩種天線輻射效率測試方法的優(yōu)勢和缺陷，并提出了改進(jìn)建議。這為在后續(xù)工作中較為準(zhǔn)確地測試天線輻射效率提供了基礎(chǔ)。另一方面，測試和仿真均顯示介質(zhì)諧振器天線在毫米波波段擁有比微帶天線更高的輻射效率，這為在60GHz上開發(fā)介質(zhì)諧振器天線的合理性提供了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，我們研制了60GHz HMSIW饋電的線極化和圓極化介質(zhì)諧振器天線，提出了相應(yīng)的設(shè)計方法并進(jìn)行了實驗驗證。天線的實測性能與