基片集成天線及其陣列的研究

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1、基片集成天線及其陣列的研究東南大學博士學位論文姓名：徐俊峰申請學位級別：博士專業(yè)：電磁場與微波技術指導教師：洪偉20090511摘要博士生：徐俊峰導師：洪偉教授(東南大學信息科學與工程學院毫米波國家重點實驗室)摘要現(xiàn)代通信、雷達等電子系統(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越來越受到重視。微帶線、共面波導等傳統(tǒng)平面?zhèn)鬏斁€為開放結構，高頻損耗較大:傳統(tǒng)金屬波導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(SubstratelntegratedWaveguide：SIW)技術由

2、于兼有波導優(yōu)良電特性和平面集成的優(yōu)勢，迅速成為當前研究和應用的熱點?；刹▽Э梢暈橐环N新型平面導波結構，傳播特性與矩形金屬波導類似，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▽в山橘|(zhì)基片上的金屬化通孔陣列所構成，可以利用普通印刷電路板(Printed或低溫共燒陶瓷(LowTemperatureCo.firedCircuitBoard：PCB)Ceramic：LTCC)等工藝精確實現(xiàn)，且易于加工，適Integrated用于低成本量產(chǎn)。半?；刹▽?Ha1fModeSubstmteWave

3、guide：HMSIW)技術是由東南大學洪偉教授等在基片集成波導基礎上提出的一種集成度更高的平面導波結構。和基片集成波導相比，半?；刹▽г诒３謨?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)進一步小型化。此外，半?；刹▽н€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和半?；刹▽Ъ夹g，研究了多種基片集成天線及其陣列的設計與實現(xiàn)。第一章首先研究了基片集成波導和半模基片集成波導的設計方法。介紹了論文所設計的三種不同轉接方式。利用多線校準理論，對基片集成波導、半?；刹▽У乃p特性進行了研究和分析。提出并研究了新型半?；?/p>

4、片集成波導漏波天線。實驗測試結果和全波仿真結果的良好吻合驗證了設計方法的正確性和有效性。部分研究成果已在IEEEAWPL上發(fā)表，并已提交發(fā)明及實用新型專利申請。.笫二章詳細研究了基片集成波導低副瓣縫隙陣列天線。所設計的低副瓣天線利用單層PCB工藝，實現(xiàn)了結構緊湊的饋電網(wǎng)絡和輻射單元陣列的共面集成。本章首先給出設計低副瓣天線所需的分布方式。介紹了適用于傳統(tǒng)金屬波導縫隙陣列的迭代理論方法。由于基片集成波導寬高比很大，這種方法不能直接給出基片集成波導低副瓣陣列天線的精確解，但可以給出縫隙參數(shù)的初值。在此基礎上，利用全波仿真軟件，優(yōu)化設計了達到H而低副瓣要求的線陣天線。進一步

5、設計了結構緊湊的不等功率功分器，并經(jīng)過面陣和饋電結構的整體全波仿真優(yōu)化，抑制E面副瓣。最后給出了4X8、8X8和16X16陣列天線的詳細設計結果。實測結果與仿真結果吻合良好，其中16X16陣列天線獲得了低于.30dB的副瓣電平。測試和仿真結果表明，利用基片集成波導技術可以實現(xiàn)性能接近金屬波導的陣列天線，同時還具備平面化的優(yōu)勢，因此在高性能通信和雷達東南大學博士學位論文摘要場合具有較高的實用價值。研究成果將在IETMicrowaves,Antennas已提交發(fā)明及實用新型專利中請。andPropagation上發(fā)表，并第三章提出了一種釆用平衡饋電的基片集成波導全向天線。

6、利用子陣的設計理念，將整個基片集成波導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。首先設計了縫隙子陣列。然后針對基片厚度較厚，微帶轉接不合適的實際情況，設計了基片集成波導.共面波導轉接，獲得了易于實現(xiàn)的結構，具有良好的性能。最后設計了包括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。實測結果與仿真結果吻合良好,驗證了全向天線的設計。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《電波科學學報》上發(fā)表，并己提交發(fā)明及實用新型專利申請。第四章研究了基片集成波導技術的毫米波高頻段應用，設計并實現(xiàn)了w波段(

7、94GHz)多波束天線。與低頻相比，w波段波長短，給天線的設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，通過實驗校準獲得更加準確的介質(zhì)材料特性參數(shù)，以及一些加工方面的實際考慮。設計并實現(xiàn)了單層基片集成波導.標準金屬波導垂直轉接，以便進行實驗驗證。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計的基礎。然后設計了4X4But1er矩陣作為多波束天線的饋電網(wǎng)絡。最后，設計實現(xiàn)了整個多波束天線，具有4X16個天線單元。實測結果與仿真結果吻合良好，驗證了基片集成波導技術在毫米波高頻段是一種很有競爭力的平面導波結構，在w波段仍然可以取得良