基片集成波導縫隙天線陣設計.docx

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1、基片集成波導縫隙天線陣設計11040118周揚§1.1基片集成波導簡介§1.1.1應用需求背景目前高頻高增益的天線主要應用于以下領域：1.軍用的雷達天線系統(tǒng)。2.機動車防撞擊。3.移動基站間的射頻入口系統(tǒng)。4.毫米波射頻前端系統(tǒng)。5.高速無線局域網(wǎng)。一般來說，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?；谖Ь€適合于平面設計，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，從而得到了廣泛的實際應用。但是微帶線也有很多弱點和不足，比如說介質損耗、導體損耗以及輻射損耗相對較大等等，所以制作的天線效率一般較低，尤其在高頻時，表現(xiàn)特別

2、明顯。研究發(fā)現(xiàn)，波導損耗相對較低，又由于波導縫隙適合于波導結構，波導縫隙天線就成為設計高增益天線的理想形式。其更大的優(yōu)點在于隨著頻率的升高，波導縫隙天線依然可以保持很高的效率。然而波導是一種立體的剛性結構，雖然解決了微帶線效率問題，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；另外波導縫隙天線一般造價昂貴，體積、重量上比平面形式的天線要大很多。基于以上各個方面的考慮，早在1998年，Hirokawa和Uchimura提出了一種通過金屬通孔陣列代替金屬壁形成的結構，研究發(fā)現(xiàn)金屬通孔的陣列可以起到和金屬壁相類似的作用，從而可以把電磁波限制

3、在一定的空間范圍內向前傳播，這就是基片集成波導（SubstrateIntegratedWaveguide，SIW）結構的產生?！?.1.2SIW應用和研究現(xiàn)狀近年來，在對基片集成波導傳輸特性研究的基礎上，SIW的應用也得到了較為廣泛的發(fā)展。利用基片集成波導形成的無源微波器件，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構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源器件被廣泛地應用于現(xiàn)代微波毫米波通信系統(tǒng)，在天線陣列饋電網(wǎng)絡中，定向耦合器是一個主要部件。波導窄邊縫隙耦合定向耦合器是一種比較成熟

4、的電橋結構，Pandharipande詳細描述了窄邊波導縫隙耦合器的等效電路。在共面集成電路設計中，通常會采用波導窄邊耦合結構實現(xiàn)定向耦合器在平面電路中的集成。采用基片集成波導技術設計的窄邊縫隙定向耦合器已經(jīng)被成功運用到毫米波系統(tǒng)的設計中。結果也證明利用基片集成波導設計的定向耦合器不但結構緊湊、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。2.功分器功率分配器作為一種重要的微波無源器件被廣泛地應用于現(xiàn)代微波毫米波電路系統(tǒng)中，尤其是其在陣列天線的設計中扮演了重要的角色。伴隨著基片集成波導技術的發(fā)展，采用此技術所設計的器件以及相關

5、研究成果得到廣泛的應用，其中功率分配器得到了充分的研究與應用：Germain利用基片集成波導技術設計了H面上的T形結和Y形結，以及與之對應的3分貝功率分配器。以此為基礎，Hao設計了X波段的十六路功率分配器，并且將其應用在ALTSA天線陣列的設計上．然而也有其弱點，由于基片集成波導寬度較寬，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可以用來構成多種濾波器，相比于微帶線構成的濾波器，基片集成波導具有更高的Q值，因此在此基礎上所形成的濾波器也具有更陡峭的帶外抑制特性。一種基片集成波導濾波器，在兩列金屬通孔間再加上4個金屬通孔形成了類似于

6、矩形金屬波導中間加入銷釘而構成濾波器結構?？梢酝ㄟ^調節(jié)中間金屬通孔的直徑、間距以及與軸線的偏移距離等，在設計頻率上實現(xiàn)帶通特性。由于基片集成波導易于和平面電路集成，則可以利用基片集成波導和微帶線結合構成濾波器，也能取得較好的濾波特性。4.天線基片集成波導縫隙陣天線是一種新型的微波毫米波集成元件，彌補了傳統(tǒng)意義上的矩形金屬波導縫隙陣天線所固有的缺陷。傳統(tǒng)的矩形金屬波導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，從而被廣泛地用于微波毫米波雷達系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中。但是由于金屬波導材料成本高、體積大、質量重、加工費用昂貴等等不足，很難

7、批量生產，而且在加工完成后還需要一個調試過程用來修正誤差。基片集成波導縫隙陣天線作為傳統(tǒng)矩形金屬波導縫隙陣天線的替代者，克服了上述種種缺陷，從而具有重要的實際價值和廣闊的應用前景。Apu利用金屬通孔陣列代替波導窄邊，而后在波導寬邊上蝕刻縫隙，從而提出了基片集成波導縫隙天線的雛形。后來，Yamamoto又設計和仿真了基片集成波導寬邊橫向縫隙天線。與此同時，還有許多針對不同的縫隙位置和形狀進行的研究，都對后來縫隙天線的發(fā)展起了重要作用，例如基片集成波導寬邊斜向縫隙等?！?.1.3基片集成波導的特點1.SIW集合微帶線和波導的種種優(yōu)點于一身，易集成、

8、效率高等。2.SIW較之于傳統(tǒng)矩形波導結構更為緊湊，具有重量輕、體積小、易于集成加工等優(yōu)點。3.SIW具有與傳統(tǒng)意義上的矩形波導相類似的傳播特性，例如