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1、基片集成波導(dǎo)縫隙天線陣設(shè)計(jì)11040118周揚(yáng)§1.1基片集成波導(dǎo)簡(jiǎn)介§1.1.1應(yīng)用需求背景目前高頻高增益的天線主要應(yīng)用于以下領(lǐng)域：1.軍用的雷達(dá)天線系統(tǒng)。2.機(jī)動(dòng)車(chē)防撞擊。3.移動(dòng)基站間的射頻入口系統(tǒng)。4.毫米波射頻前端系統(tǒng)。5.高速無(wú)線局域網(wǎng)。一般來(lái)說(shuō)，天線效率取決于天線的饋電系統(tǒng)，而輻射單元決定了其造價(jià)?；谖Ь€適合于平面設(shè)計(jì)，并且易于與有源器件連接，具有很高的系統(tǒng)集成度等等優(yōu)點(diǎn)，從而得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。但是微帶線也有很多弱點(diǎn)和不足，比如說(shuō)介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗以及輻射損耗相對(duì)較大等等，所以制作的天線效率一般較低，尤其在高頻時(shí)，表現(xiàn)特別
2、明顯。研究發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)損耗相對(duì)較低，又由于波導(dǎo)縫隙適合于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)縫隙天線就成為設(shè)計(jì)高增益天線的理想形式。其更大的優(yōu)點(diǎn)在于隨著頻率的升高，波導(dǎo)縫隙天線依然可以保持很高的效率。然而波導(dǎo)是一種立體的剛性結(jié)構(gòu)，雖然解決了微帶線效率問(wèn)題，但是難以和有源器件有效集成，喪失了微帶線易于集成的優(yōu)勢(shì)；另外波導(dǎo)縫隙天線一般造價(jià)昂貴，體積、重量上比平面形式的天線要大很多。基于以上各個(gè)方面的考慮，早在1998年，Hirokawa和Uchimura提出了一種通過(guò)金屬通孔陣列代替金屬壁形成的結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)金屬通孔的陣列可以起到和金屬壁相類(lèi)似的作用，從而可以把電磁波限制
3、在一定的空間范圍內(nèi)向前傳播，這就是基片集成波導(dǎo)（SubstrateIntegratedWaveguide，SIW）結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。§1.1.2SIW應(yīng)用和研究現(xiàn)狀近年來(lái)，在對(duì)基片集成波導(dǎo)傳輸特性研究的基礎(chǔ)上，SIW的應(yīng)用也得到了較為廣泛的發(fā)展。利用基片集成波導(dǎo)形成的無(wú)源微波器件，如定向耦合器、功分器、濾波器、天線等，都展現(xiàn)出了與傳統(tǒng)意義上的矩形金屬波導(dǎo)構(gòu)建的微波器件相媲美的性能。1．定向耦合器定向耦合器作為一種重要的無(wú)源器件被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代微波毫米波通信系統(tǒng)，在天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)中，定向耦合器是一個(gè)主要部件。波導(dǎo)窄邊縫隙耦合定向耦合器是一種比較成熟
4、的電橋結(jié)構(gòu)，Pandharipande詳細(xì)描述了窄邊波導(dǎo)縫隙耦合器的等效電路。在共面集成電路設(shè)計(jì)中，通常會(huì)采用波導(dǎo)窄邊耦合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定向耦合器在平面電路中的集成。采用基片集成波導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)的窄邊縫隙定向耦合器已經(jīng)被成功運(yùn)用到毫米波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。結(jié)果也證明利用基片集成波導(dǎo)設(shè)計(jì)的定向耦合器不但結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高，而且還具有成本低、與平面電路易于集成、易于加工等優(yōu)點(diǎn)。2.功分器功率分配器作為一種重要的微波無(wú)源器件被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代微波毫米波電路系統(tǒng)中，尤其是其在陣列天線的設(shè)計(jì)中扮演了重要的角色。伴隨著基片集成波導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，采用此技術(shù)所設(shè)計(jì)的器件以及相關(guān)
5、研究成果得到廣泛的應(yīng)用，其中功率分配器得到了充分的研究與應(yīng)用：Germain利用基片集成波導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)了H面上的T形結(jié)和Y形結(jié)，以及與之對(duì)應(yīng)的3分貝功率分配器。以此為基礎(chǔ)，Hao設(shè)計(jì)了X波段的十六路功率分配器，并且將其應(yīng)用在ALTSA天線陣列的設(shè)計(jì)上．然而也有其弱點(diǎn)，由于基片集成波導(dǎo)寬度較寬，上述功率分配器的尺寸都不夠緊湊。3.濾波器基片集成波導(dǎo)可以用來(lái)構(gòu)成多種濾波器，相比于微帶線構(gòu)成的濾波器，基片集成波導(dǎo)具有更高的Q值，因此在此基礎(chǔ)上所形成的濾波器也具有更陡峭的帶外抑制特性。一種基片集成波導(dǎo)濾波器，在兩列金屬通孔間再加上4個(gè)金屬通孔形成了類(lèi)似于
6、矩形金屬波導(dǎo)中間加入銷(xiāo)釘而構(gòu)成濾波器結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)中間金屬通孔的直徑、間距以及與軸線的偏移距離等，在設(shè)計(jì)頻率上實(shí)現(xiàn)帶通特性。由于基片集成波導(dǎo)易于和平面電路集成，則可以利用基片集成波導(dǎo)和微帶線結(jié)合構(gòu)成濾波器，也能取得較好的濾波特性。4.天線基片集成波導(dǎo)縫隙陣天線是一種新型的微波毫米波集成元件，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)意義上的矩形金屬波導(dǎo)縫隙陣天線所固有的缺陷。傳統(tǒng)的矩形金屬波導(dǎo)縫隙天線陣具有方向圖可以賦形、交叉極化電平低、主瓣寬度窄等優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛地用于微波毫米波雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中。但是由于金屬波導(dǎo)材料成本高、體積大、質(zhì)量重、加工費(fèi)用昂貴等等不足，很難
7、批量生產(chǎn)，而且在加工完成后還需要一個(gè)調(diào)試過(guò)程用來(lái)修正誤差?；刹▽?dǎo)縫隙陣天線作為傳統(tǒng)矩形金屬波導(dǎo)縫隙陣天線的替代者，克服了上述種種缺陷，從而具有重要的實(shí)際價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。Apu利用金屬通孔陣列代替波導(dǎo)窄邊，而后在波導(dǎo)寬邊上蝕刻縫隙，從而提出了基片集成波導(dǎo)縫隙天線的雛形。后來(lái)，Yamamoto又設(shè)計(jì)和仿真了基片集成波導(dǎo)寬邊橫向縫隙天線。與此同時(shí)，還有許多針對(duì)不同的縫隙位置和形狀進(jìn)行的研究，都對(duì)后來(lái)縫隙天線的發(fā)展起了重要作用，例如基片集成波導(dǎo)寬邊斜向縫隙等?！?.1.3基片集成波導(dǎo)的特點(diǎn)1.SIW集合微帶線和波導(dǎo)的種種優(yōu)點(diǎn)于一身，易集成、
8、效率高等。2.SIW較之于傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)更為緊湊，具有重量輕、體積小、易于集成加工等優(yōu)點(diǎn)。3.SIW具有與傳統(tǒng)意義上的矩形波導(dǎo)相類(lèi)似的傳播特性，例如
