基片集成天線及其陣列的研究.pdf

1、現(xiàn)代通信、雷達(dá)等電子系統(tǒng)正迅速向小型化、輕量化、低成本、高集成度和高性能方向發(fā)展。因此，低成本、高性能、高集成度的平面微波毫米波技術(shù)越來越受到重視。微帶線、共面波導(dǎo)等傳統(tǒng)平面?zhèn)鬏斁€為開放結(jié)構(gòu)，高頻損耗較大：傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)電性能好卻體積較大、難以與平面電路集成。吳柯教授等提出的基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide：SIW）技術(shù)由于兼有波導(dǎo)優(yōu)良電特性和平面集成的優(yōu)勢，迅速成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點?；?/p>

2、波導(dǎo)可視為一種新型平面導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，傳播特性與矩形金屬波導(dǎo)類似，具有低損耗、低輻射、高功率容量等優(yōu)點。此外，基片集成波導(dǎo)易于和其它平面電路共面集成，使微波毫米波系統(tǒng)小型化?；刹▽?dǎo)由介質(zhì)基片上的金屬化通孔陣列所構(gòu)成，可以利用普通印刷電路板（Printed Circuit Board：PCB）或低溫共燒陶瓷（LOW Temperature Co-fired Ceramic：LTCC）等工藝精確實現(xiàn)，且易于加工，適用于低成本量產(chǎn)。半模基片集

3、成波導(dǎo)（HalfMode Substrate Integrated Waveguide：HMSIW）技術(shù)是由東南大學(xué)洪偉教授等在基片集成波導(dǎo)基礎(chǔ)上提出的一種集成度更高的平面導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。和基片集成波導(dǎo)相比，半?；刹▽?dǎo)在保持優(yōu)良電性能的同時尺寸縮小了約一半，因此可以使微波毫米波系統(tǒng)進(jìn)一步小型化。此外，半?；刹▽?dǎo)還具有一些獨特的性質(zhì)，如主模帶寬寬、低頻插損小等。 本文基于基片集成波導(dǎo)和半模基片集成波導(dǎo)技術(shù)，研究了多種基片集成

4、天線及其陣列的設(shè)計與實現(xiàn)。 第一章首先研究了基片集成波導(dǎo)和半模基片集成波導(dǎo)的設(shè)計方法。介紹了論文所設(shè)計的三種不同轉(zhuǎn)接方式。利用多線校準(zhǔn)理論，對基片集成波導(dǎo)、半?；刹▽?dǎo)的衰減特性進(jìn)行了研究和分析。提出并研究了新型半?；刹▽?dǎo)漏波天線。實驗測試結(jié)果和全波仿真結(jié)果的良好吻合驗證了設(shè)計方法的正確性和有效性。部分研究成果已在IEEE AWPL上發(fā)表，并已提交發(fā)明及實用新型專利申請。 第二章詳細(xì)研究了基片集成波導(dǎo)低副瓣縫隙

5、陣列天線。所設(shè)計的低副瓣天線利用單層PCB工藝，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊的饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射單元陣列的共面集成。本章首先給出設(shè)計低副瓣天線所需的分布方式。介紹了適用于傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)縫隙陣列的迭代理論方法。由于基片集成波導(dǎo)寬高比很大，這種方法不能直接給出基片集成波導(dǎo)低副瓣陣列天線的精確解，但可以給出縫隙參數(shù)的初值。在此基礎(chǔ)上，利用全波仿真軟件，優(yōu)化設(shè)計了達(dá)到H面低副瓣要求的線陣天線。進(jìn)一步設(shè)計了結(jié)構(gòu)緊湊的不等功率功分器，并經(jīng)過面陣和饋電結(jié)構(gòu)的整體全波仿真

6、優(yōu)化，抑制E面副瓣。最后給出了4×8、8×8和16×16陣列天線的詳細(xì)設(shè)計結(jié)果。實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，其中16×16陣列天線獲得了低于－30dB的副瓣電平。測試和仿真結(jié)果表明，利用基片集成波導(dǎo)技術(shù)可以實現(xiàn)性能接近金屬波導(dǎo)的陣列天線，同時還具備平面化的優(yōu)勢，因此在高性能通信和雷達(dá)場合具有較高的實用價值。研究成果將在IET Microwaves，Antennas and Propagation上發(fā)表，并已提交發(fā)明及實用新型專利申請。

7、 第三章提出了一種采用平衡饋電的基片集成波導(dǎo)全向天線。利用子陣的設(shè)計理念，將整個基片集成波導(dǎo)全向天線分成兩個對稱子陣，并采用平衡饋電方式以展寬工作帶寬。首先設(shè)計了縫隙子陣列。然后針對基片厚度較厚，微帶轉(zhuǎn)接不合適的實際情況，設(shè)計了基片集成波導(dǎo)－共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)接，獲得了易于實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，具有良好的性能。最后設(shè)計了包括SMA接頭在內(nèi)的全向天線，研究了影響圓度的主要因素，比較了全向天線和子陣的帶寬等性能。實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗證了全向天

8、線的設(shè)計。全向天線具有良好的圓度，較寬的帶寬和較高的增益。研究成果已在《電波科學(xué)學(xué)報》上發(fā)表，并已提交發(fā)明及實用新型專利申請。 第四章研究了基片集成波導(dǎo)技術(shù)的毫米波高頻段應(yīng)用，設(shè)計并實現(xiàn)了W波段（94GHz）多波束天線。與低頻相比，W波段波長短，給天線的設(shè)計以及加工都帶來了一些困難和挑戰(zhàn)。本章首先研究了在較高頻段，通過實驗校準(zhǔn)獲得更加準(zhǔn)確的介質(zhì)材料特性參數(shù)，以及一些加工方面的實際考慮。設(shè)計并實現(xiàn)了單層基片集成波導(dǎo)－標(biāo)準(zhǔn)金屬波導(dǎo)垂

9、直轉(zhuǎn)接，以便進(jìn)行實驗驗證。研究并實現(xiàn)了單縫天線和八元、十六元線陣作為陣列天線設(shè)計的基礎(chǔ)。然后設(shè)計了4×4 Butler矩陣作為多波束天線的饋電網(wǎng)絡(luò)。最后，設(shè)計實現(xiàn)了整個多波束天線，具有4×16個天線單元。實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗證了基片集成波導(dǎo)技術(shù)在毫米波高頻段是一種很有競爭力的平面導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，在W波段仍然可以取得良好的性能?；谄胀≒CB工藝在W波段仍然可以獲得良好的性能。W波段多天線方面的研究結(jié)果在APMC2008國際會議上發(fā)表

10、，W波段多波束天線方面的結(jié)果已在《微波學(xué)報》上發(fā)表。 第五章在V波段（60GHz）設(shè)計了采用LTCC工藝的基片集成波導(dǎo)縫隙陣列天線。利用LTCC多層結(jié)構(gòu)特點設(shè)計的這種陣列天線采用高度對稱的并饋形式。同時，利用多層結(jié)構(gòu)將整個饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在天線單元的下層，實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的緊湊三維集成。本章首先研究了兩種形式的輻射單元。然后詳細(xì)研究了饋電網(wǎng)絡(luò)中起關(guān)鍵作用的寬壁耦合器以及T型分支功分器。為實現(xiàn)測試，提出了一種新型多層基片集成波導(dǎo)－標(biāo)準(zhǔn)金屬