（光学专业论文）基片集成波导缝隙天线的研究.pdf

摘要 摘要 太赫兹( t e r a h c r t z ，t h z ) 波是指频率在0 1 t h z i o t h z ( 波长介于3 0 1 t m 3 0 0 0 1 t r n ) 范围内的电磁波，太赫兹科学技术是- - i - j 综合性很强的前沿学科，近二十多年来， 太赫兹技术随着其产生机理、检测技术和应用技术的进步而得到了蓬勃发展。 t h z 技术的应用离不开t h z 辐射源和t h z 探测技术的发展，同样也需要t h z 波各种功能器件的发展。基片集成波导结构，是近年来提出的一种可以在p c b 、 l t c c 等工艺上实现，可以代替传统矩形金属波导的类波导结构，但它却具有易 于集成、尺寸小、价格低等优点。通过在基片集成波导结构上开槽可以形成缝隙 阵天线。这种结构同样也适用于太赫兹波段，将基片集成波导结构应用到太赫兹 波段有利于太赫兹技术的发展。 论文主要分析了基片集成波导的传输特性，应用谐振式矩形波导缝隙天线的 设计理论设计了s i w 缝隙天线，并讨论了各个参数对天线性能的影响。应用镜象 原理设计和研制了全向s 1 w 缝隙阵天线，缝隙阵采用了道尔夫一切比雪夫阵。并利 用电磁场仿真工具对所有设计的器件进行了数值模拟和结构优化，从而使器件达 到较好的指标。研究结果对于太赫兹波段的功能器件的开发具有潜在的应用价值。 关键字：太赫兹，基片集成波导，缝隙阵天线 a b s t r a c t t e r a h e r t z ( t h z ) f i e q u e n c i e sr e f e rt ot h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ew i t haf r e q u e n c y r a n g eo f0 1t h z t o10 t h z ( w a v e l e n g t hr a n g eo f3 0 0 0 1 w at o3 0 肿a ) ，t e r a h e r t zs c i e n c e a n dt e c h n o l o g yi sav e r yc o m p l e xf r o n t i e rd i s c i p l i n e i nt h ep a s t2 0y e a r s ，t h et e r a h e r t z s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a sm a d eag r e a td e v e l o p m e n tw i t ht h ep r o g r e s so ft h z g e n e r a t i o nm e c h a n i s m ，d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y t h ea p p l i c a t i o no ft h zt e c h n o l o g yc a nn o tb es e p a r a t e df i o mt h ed e v e l o p m e n to f t h zr a d i a t i o ns o u r c e sa n dt h zd e t e c t i o nt e c h n o l o g y ；i ta l s on e e d st h ed e v e l o p m e n to f t h zd e v i c e s s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d eo rs i wi saq u a s i - w a v e g u i d es t r u c t u r e ， w h i c hc a nb er e a l i z e d0 1 1p c ba n dl t c cp r o c e s sa n dh a st h ep o t e n t i f lt or e p l a c e t r a d i t i o n a lr e c t a n g u l a rw a v e g u i d e i nc o n t r a s tw i t l lc o n v e n t i o n a lw a v e g u i d es t r u c t u r e ，i t t a k e st h ea d v a n t a g e so fl o wp r o f i l e , e a s yt of a b r i c a t ea n de a s yt ob ei n t e g r a t e dw i 吐l o t h e ri n t e g r a t e dc o m p o n e n t se t c as l o ta r r a ya n t e n n ac a nb er e a l i z e db ye t c h i n gs l o t so n t h es u r f a c eo fas i w t h ep h o t o n i cc r y s t a ls t r u c t u r ec a na l s ob ea p p l i e di nt h et h z r e g i o n , t h i s a p p l i c a t i o ni sc o n d u c i v et ot h ed e v e l o p m e n to ft e r a h e r t zt e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es 1 ws l o tw e r et h o r o u g h l y a n a l y z e d t h ea p p l i c a t i o no f r e s o n a n tr e c t a n g u l a rw a v e g u i d es l o ta n t e n n ad e s i g nt h e o r y w e r ee m p l o y e dt od e s i g nu n i f o r ma n dd i e s e n d o r f c h e b y s h e vd i s t r i b u t i o ns i ws l o t a r r a y s v a r i a t i o n so fd i f f e r e n td e s i 朗p a r a m e t e r so na n t e n n ap e r f o r m a n c ew e r ed i s c u s s e d i na d d i t i o n ，a l lo m n i d i r e c t i o n a ls i ws l o ta r r a ya n t e n n aw a sd e s i g n e du s i n gi m a g et h e o r y , w h i c hw a sv a l i d a t e db yb o t hs o f t w a r es i m u l a t i o n a l lt h e s ed e v i c e sd e s i g n e dh a v e b e e n s i m u l a t e da n do p t i m i z e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o nt o o l s ，s ot h a tt h ed e v i c e s c o u l da c h i e v eo p t i m a lq u a l i t yo ft r a n s m i s s i o n0 1 f i l t e r i n g t h ea n t e n n as y s t e mh a sa g o o dc h a r a c t e r i s t i c r e s e a r c hr e s u l t sa lep o t e n t i a lv a l u a b l ef o rt h ed e v e l o p m e n to f d e v i c e si nt h z r e g i o n k e y w o r d s ：t e r a h e r t z ( t h z ) ，s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ( s l w ) ，s l o ta r r a ya n t e n n a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：么4 魄扮7 年多月罗日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：弛导师签名2 他 曰期：多哆年多月留日 第一章绪论 第一章绪论 本章将首先介绍基片集成波导技术的产生背景，对基片集成波导技术进行概 述，然后介绍其研究进展，本章最后介绍本论文的主要研究工作和结构安排。 1 1 基片集成波导的产生背景 m a x w e l l ( 1 8 3 1 1 8 7 9 ) 于十九世纪六十年代，在安培、法拉第和奥斯特等前 人努力的基础上，建立了m a x w e l l 方程纠1 。5 l 。因为电磁学理论的不断发展和完善， 电磁技术以及微波技术被广泛应用在实际工程中。在二次世界大战中，微波技术 在军事领域中得到广泛的应用，使得人们开始研究以金属波导和微波同轴线为代 表的第一代微波电路技术。但是，因为金属波导元部件的缺点是，第一体积大， 第二是调试过程复杂和成本高，所以都需要寻找新的替代技术。 微带电路由于具有这样的优点：重量轻，体积小，结构十分紧凑，造价低等， 其已经作为微波技术发展的一个里程碑 6 - 9 。作为微带电路的发展，其很大的丰富 了平面电路的发展的技术是，共面波导、悬置微带线、鳍线等技术，因此工程师 可以有很多的选择。但是，随着通信频率越来越高，特别是在毫米波频段上，因 为微带电路也存在着很大的缺点：电磁波泄漏和辐射有比较严重的问题，以及比 较大的插入损耗、低的q 值。由于以上这些原因，在毫米波等高频系统中，微波 技术发展受到了限制，也因此较低频率的通信系统中采用微带电路以及集成电路。 因为随着新型材料技术在二十世纪后期的发展，实现了高频率有源微波电路， 因为这些技术的发展，单片微波集成电路和混合微波集成电路得以产生【l 叫6 1 。在 上个世纪九十年代后期，毫米波单片集成电路在毫米波频段的成功实现成为可能 的标志分别是9 5 g h zi n ph e m t 以及1 9 0 g h z 的磷化铟高电子迁移率晶体管功 率放大器的出现。微米级别的微电子机械系统技术也促成了片上系统和集成系统 封装的实现，也使得有源电路和无源电路可以紧密地集成在同一个系统之中。微 波系统中需要的高q 值的无源器件难以实现，如双工器、谐振器和滤波器等器件 成为s o p 技术目前的一个相当大的问题。由于集成电路所使用的具有较小的电阻 率的半导体衬底，而且半导体的导电性能受温度影响比较大。在实际工作时，必 须限制用半导体制成的半导体器件的温度不超过特定的值，以及注意受温度的影 电子科技大学硕士学位论文 晌。 另一方面，非常需要平面与非平面的混合结构。已经成为目前微波毫米波系 统发展的一个热点是：易于操作的低成本非平面和平面混合设计技术。其也是实 现大批量生产毫米波集成电路的关键技术。 1 2 基片集成波导的研究进展 近几年，利用基片集成波导技术，使得基片集成波导技术的发展得到了很大 的推进的原因是，高性能的功率分配器、滤波器、定向耦合器、双工器和天线阵 列以及多种有源器件成功得以实现。 借用先进的加工工艺，最近国外已经利用基片集成波导技术成功设计实现了 毫米波电路( 1 0 0 0 g h z 到2 0 0 0 g h z 左右频段的) 。从这些发展中可以看出一种 高品质的微波毫米波电路集成新技术可以通过基片集成波导技术来实现，国际学 术界和工业界已经开始的重视这种技术，并且逐渐被国际微波界所共识。 1 3 基片集成波导结构在天线领域中的应用 在天线领域已经成功的利用基片集成波导。缝隙波导阵列天线具有主瓣宽度 窄等优异特性，所以是一种重要的可广泛应用于通信和雷达系统中的微波天线。 但是金属波导的缺点是，第一重量很重，第二造价昂贵，第三体积大，而且存在 加工误差大以及大规模生产困难等问题，我们把传统的矩形波导缝隙天线的设计 概念借用到基片集成波导上，这样做可以克服这些问题，缝隙天线阵列而且同样 可以被设计出来，最终还可以获得传统矩形波导缝隙天线的优越性能。 在网络通信方面因为太赫兹波是很好的宽带信息载体，所以有很大的应用和 发展前景。无线电通信网络的频带也可以有很大的增宽，因为太赫兹波的频率与 目前手机通信频率之间的比值大概是1 0 0 0 倍左右，比微波太赫兹波能做到多得 多的宽带和信道数，甚至适合并可以用作星地间、卫星间及局域网的宽带移动通讯 中，太赫兹通讯时代可望随着太赫兹技术的进一步发展到来。在进行无线电通信 中利用太赫兹波，最终可以实现无线移动高速信息网络。虽然由于缺乏高效的t h z 发射天线和发射源，使其还无法在通信领域商业化，但这必将由新型的发射装置 和发射源所解决。目前，科研机构的不断重视太赫兹的研究，介入了这一领域的 研究和发展的商业公司也已经越来越多。太赫兹空隙已经成功的被目前的辐射光 2 第一章绪论 源覆盖了。但是其相邻波段的能量转换效率远远高于太赫兹波段。综上所述，尽 管太赫兹空隙已经成功的被目前的辐射光源覆盖，经过几十年的发展，但是太赫 兹空隙还没有被完全的填充。 文献1 1 1 中成功实现了谐振式基片集成波导阵列天线，它是在一块基片上构造 了一个4 x 4 的阵列，4 条与波导轴线等距的缝隙组成的谐振单元形成了谐振阵。 图卜1 为其实物图。具体几何参数是，金属通孔的直径是1 咖，介质基片的介电 常数是2 4 、损耗角正切是00 0 1 ，通孔间距是2 m m ，基片厚度是15 m m 。这个天 线工作的中心频率是1 0 g h z ，它的方向性系数是1 57 d b ，工作带宽为6 0 0 m h z 的。工作波长由于填充了介质，所以，工作波长小于自由空间中的波长，因此使 得该结构与矩形波导相比，其优点是：面积更小，| = 【及重量、侧面高度也是远远 小于矩形波导的高度，但是却具有毫不逊色的性能，基片集成波导的实用价值在 这里得到了充分的显示。 一m m ”m ”鼍：i ：盘品尝护 图卜1 基片集成波导缝隙天线阵实物崮 14 本文的主要研究内容 最基本的微波及毫米波器件就是波导。在介质基片上利用集成工艺成功实现 了传统的金属波导的各类属性被称为基片集成渡导，并且它有造价低、精度高和 体积小的优点，基片集成波导显示出了代替传统波导的力量。因为基片集成波导 与传统波导结构的有相似性以及可以利用己有的电磁场理论、传输线理论束进行 m l 。1 电子科技大学硕士学位论文 研究和设计，文章详细研究了基片集成波导的传输属性，全向基片集成波导缝隙 阵天线被利用电磁场分析软件，以及通过利用镜象原理其被成功的设计和研制出 来，工作频率处在太赫兹波段。 后面各章的安排以及论文的结构组成如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了课题研究的背景、现状和本文的主要研究内 容。 第二章简要地介绍了天线的一些基本理论，包括天线基本电参数、天线测量 的基本知识；本章最后一节详细介绍了波导缝隙天线的主要电参数。 第三章研究了基片集成波导的传输属性，以及与一些传输线的转换结构和设 计方法；最后分析了基片集成波导缝隙的电参数。 第四章给出了基片集成波导缝隙阵天线的设计方法和设计结果。在利用该方 法的同时，借助电磁场分析软件讨论了基片集成波导缝隙阵天线的各个参数对天 线性能的影响。基片集成波导全向天线的设计方法和结果在最后给出。 第五章对论文工作进行了总结，并对下一步工作做了展望。 4 第二章天线的基本理论 第二章天线的基本理论 了解天线的基本参数对了解天线或从事天线理论研究以及工程设计方面的工作 相当重要。天线基本参数的含义和术语是我们在天线方面互相交流的基础。另一方面， 天线的性能需要有一些电气指标来衡量，这些电气指标是由天线的特性参数来描述 的。我们可以按照天线的特性参数来进行天线的设计。 总之，要说明天线的性能，必须定义天线的各特性参数。 2 1 天线的基本电参数 要设计一副天线，通常需要给出下面的一些电器指标：主瓣宽度、方向图、增益、 输入阻抗、极化、工作频率和带宽等。所以用实验方法测定天线的这些参数就是天线 测量的任判墙一9 1 。 2 1 1 天线的输入阻抗 天线输入端的阻抗与天线输入端电压、电流厶和输入功率昂之间的关系为 乙2 等青却风 。 天线的输入阻抗一般为复数，包含电阻如和电抗五。两部分。而如又包含两个分量， 即 吃= 母+ 写 ( 2 2 ) 式中，辟为天线的辐射电阻；r ，为天线的损耗电阻。如果不计热损耗电阻，则天线的 输入电阻就是其辐射电阻，即 吃= 碍 ( 2 3 ) 馈线和天线的连接，如果天线输入阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，那么这 是一种最佳情况，此时馈线上不会出现驻波，功率反射不会出现在馈线终端，这样的 话当频率变化时，天线的输入阻抗变化就会比较平缓。去掉天线输入阻抗中的电抗分 电子科技大学硕士学位论文 量就是天线的匹配工作，馈线的特性阻抗就会尽可能地接近电阻分量。通常用四个参 数即行波系数、反射系数、反射系数和驻波比来衡量匹配的优劣，它们之间有恒定的 数值计算关系，通常反射系数与驻波比用的较多。 回波损耗：对反射系数s l l 的模取对数就可以得到以d b 表示的回波损耗。公式 如下： 魁= - 2 0 l o gs i i i ( 2 4 ) 驻波比：它的数值在1 到无穷大之间，驻波比就是行波系数的倒数。完全匹配时， 驻波比是1 。全反射即完全失配时驻波比是无穷大。此值可以通过反射系数的模值 计算： 坯w r ：甥：蜊 ( 2 _ 5 ) 1 一l r l1 一l s i i 2 1 2 天线的极化方式 因为电场与磁场有固定的关系，所以一般都是以其电场矢量的空间指向来描述天 线极化的：从电磁波的传播方向观察去，电磁波的电场矢量在空间的取向随时间变化 所描绘出的轨迹。 根据天线极化形式的不同，天线可以分为圆极化和线极化天线。在空间中，电磁 波的电场矢量在空间的取向随时间变化所描绘出的轨迹是一条直线，则称作线极化， 同理电场矢量的端点在垂直于传播方向的平面内形成一个圆，就称为圆极化；描绘的 是一个椭圆，就称为椭圆极化。 有时以地面为参考面，线极化又分为垂直极化和水平极化。电场矢量方向和地面 垂直称为垂直极化；与地面平行时，称为水平极化。相应的天线称为垂直极化和水平 极化天线。 2 1 3 天线的增益 增益指的是在相同输入功率户k 前提下，某天线在给定方向上的辐射强度与理想 天线在同一方向的辐射强度的比值。天线在一个特定方向接收或发射信号的能力是用 天线增益来衡量，副瓣越小、方向图越窄、则增益就越高。天线的增益用参数d b i 和d b d 来描述，相对于对称阵子天线的增益单位是d i m ，相对于点源天线的增益单 6 第二章天线的基本理论 位是d b i ，l d b i = l d b d + 2 1 5 。增益越高，在相同的条件下就意味着电磁场传播的距离 会越远。可用如下公式估算一般天线的增益： g ( d b i ) = 1 0 1 0 9 。o 器 ( 2 _ 6 ) 式中，和易分别表示天线在两个主平面上的主瓣宽度，3 2 0 0 0 为一个经验数据。 2 1 4 天线的方向图、主瓣宽度和副瓣电平 天线方向图是指空间坐标与天线辐射特性之间的函数图形，辐射特性主要是指辐 射场强、辐射功率、极化和相位。所以，方向图一般可以包括场强方向图、功率方向 图、极化方向图和相位方向图。一般主要使用功率和场强方向图。 工程山为了方便，常采用通过最大辐射方向的两个相互正交的主平面上的剖面图 来表示天线的方向图，两个面分别称为h 面和e 面。h 面：通过最大辐射方向并平 行于磁场矢量的平面，e 面：通过最大辐射方向并平行于电场矢量的平面。 主瓣宽度指方向图主瓣上两个半功率点( 即场强下降到最大值的0 7 0 7 倍处或分 贝值从最大值下降3 d b 处对应的两点) 之间的夹角。一般情况下，方向性越好，则 波瓣宽度越窄，作用距离就会越远，抵抗干扰的能力就会越强。 副瓣电平( s l l ) 是指副瓣最大值模值和主瓣最大值模值之间的比值，一般情况 下用分贝来表示。即 i ”i 泓= 2 0 l o g i 。丽i 3 i m a x i ( d b )( 2 7 ) 式中，五0 懈为第i 个副瓣的场强最大值，j e k 为主瓣最大值。这样，对于各个副瓣均 可求得其副瓣电平。 副瓣方向通常是不需要辐射或接收能量的方向。因此，天线副瓣电平越低，表明 天线在不需要方向上辐射或接收的能量越弱，或者说在这些方向上对杂散的来波抑 制能力越强，抗干扰能力就越强。 2 1 5 天线带宽 工程上一般给出的天线的频带宽度，称做天线的带宽。某个性能参数符合规定标 准的频率范围是天线的带宽的定义。因此，各个性能参数的频率特性决定了天线带宽 7 电子科技大学硕士学位论文 的定义，天线的主要性能参数一般都有其各自定义的带宽，它们分别是：增益带宽、 方向图带宽、输入阻抗带宽和极化带宽。 一般情况下，对不同用途、不同系统的天线，所提出的带宽标准通常是不一样的。 有的带宽标准是驻波比或者阻抗带宽，有的带宽标准是方向图带宽，有的是极化带宽， 有的是增益带宽等等。 天线的带宽表示方法一般有三种： ( 1 ) 绝对带宽：指天线实际工作的频率范围，即上下频率之差 4 = 丘一厶 ( 2 8 ) 绝对带宽一般用于电磁频谱的划分。 ( 2 ) 相对带宽：它由上下线频率之差与中心频率工之比来表示 脚毕= 等 浯9 ， ( 3 ) 倍频带宽：指上、下限频率之比： b = 鲁( 2 - 1 0 ) 一般情况下，绝对带宽不具保密性，一般不对外界公开。一般多采用后面的两种 带宽表示。宽频带天线多采用倍频带宽的方法表示。对中等及以下带宽的天线，一般 可采用相对带宽来表示。 2 2 天线测量技术 2 2 1 天线输入阻抗的测量 根据传输线理论，如果传输线和天线之间的阻抗有良好的匹配，微波的能量会得 到最大程度的传输，因为功率传输的效率将会被阻抗匹配的优劣影响。而天线的输入 电压与输入电流的比值称作天线的输入阻抗。天线在工作频段，也就是说要求电压驻 波比越小越好。天线的输入端一般是和馈线的连接处。通常，输入阻抗是由实部和虚 部构成的： 乙= e + 鹏 ( 2 1 1 ) 第二章天线的基本理论 天线上的功率耗散用输入电祖凡表示。其一共包括了两种耗散形式，另一种耗 散形式是指天线辐射出去的功率。一种功率损耗被称作热损耗：就是在天线结构和有 关附件上的发热损耗。天线辐射效率的不一样就是由辐射损耗和热损耗的相对大小造 成的。 测量天线的输入阻抗，有实部和虚部，就是利用网络分析仪来测量天线输入端口 的z 参数，因为z 参数是矢量形式，所以测量天线的输入阻抗必需要用矢量网络分 析仪。 测量输入阻抗时，第一步是校准网络分析仪，第二步是安装上被测天线，天线的 输入阻抗就可以从矢量网络分析仪上读出，并让天线指向无反射空间，。 2 2 2 方向图的测量 天线辐射特性：场强振幅、相位、极化与空间角度的关系主要用天线的方向图来 描述。测量功率，就会得到功率方向图。测量场强振幅，可以得到场强方向图。测量 相位，就可以得到相位方向图。天线的方向图实际上是一个三唯的空间图形，图形是 把天线相位中心为坐标原点，在半径足够大的球面上逐点测定其辐射特性而绘制而 成。测量极化，可以得到极化方向图。 工程上为了方便，一般只需要测量x y 面和x z 面( 即水平面和垂直面) 的方向 图。直角坐标系较适应于天线方向图的主瓣窄而副瓣低时，因为可任意选取表示角度 的横坐标和表示辐射强度的纵坐标，所以绘制的方向图可以更清晰、细致。因为绘制 三维空间方向图是十分麻烦的。可以用直角坐标绘制或极坐标绘制天线方向图。简单、 直观是极坐标方向图的特点，天线辐射场强的空间分布特征从图中可以直接观察到。 天线的辐射功率在空间的分布情况如果用功率方向图来表示，通常采用分贝来表 示。当采用分贝刻度来表示时，则场强方向图和功率方向图是一样的。 通常绘制的方向图都是归一化的，相对场强e ( o ，矽) 瓦。用来表示极坐标或者直 角坐标。通常是采用分贝值表示极低副瓣电平天线的方向图，此时零分贝是归一化最 大值。最大辐射方向的场强值是瓦。，任意方向的场强值是e ( e ，) ，所以归一化最 大值是1 。 旋转天线法和固定天线法是测量场强振幅的常用的两种方法。两付天线间的传输 系数用自动网络分析仪( a n a ) 来测量，最后利用数据接口把测量结果传给计算机。 这里只介绍通常使用的旋转天线法，要测定方向图，对于旋转天线法，就要规定辅助 天线固定不动，特制的有角标标示的转台上安装有待测天线，计算机通过步进电机控 9 电子科技大学硕士学位论文 制转台。计算机将进行综合处理a n a 测试数和角度，输出测试结果最后由打印机给 出。 可使待测天线在水平面内旋转来测试水平方向图，另一种方法是直接在垂直面内 旋转待测天线。不同方位角时相应的场强相应被记下。也可以将待测天线按测水平面 方向图的办法测试垂直方向图，但要水平旋转9 0 度后。 测量天线的放线图必须在远场区进行可以使测量更准确。可用下式求出收发天线 的最小距离。式中，和f 2 分别是收发天线口面的最大尺寸。 氏。：堑掣 ( 2 - 1 2 ) 图2 一l 天线方向图测试装置 如果在辐射近场区进行测量，则测得的方向图不仅仅是角度( 方向) 的函数又是 距离的函数，即测得的方向图会因为不同距离处而不同。 2 2 3 增益的测量 一般有两种天线增益测量方法：绝对法和比较法。 一、绝对增益法 首先要测得接收天线和发射天线的功率，再根据弗利斯传输公式即可得到天线增 益： e = 只g r g ，( 去) 2 ( 2 - 1 3 ) 其中，发射天线的输入功率是p ，接收功率是e ，接收天线的增益是g r ，发射天线 的增益是g ，收发两天线的距离是尺，自由空间电磁波波长是五。 l o 第二章天线的基本理论 二、比较增益法 最常用的天线增益测量方法是比较增益法，这种方法是用待测天线和一个已知增 益天线作比较来测待测天线的增益的。一般在测量时，作为标准的是有方向特性的天 线如半波偶极子或喇叭天线等等。 测试过程可分为两步测量，第二步是，记录用标准天线取代标准增益天线作为待 测天线时进入匹配负载的接收功率只。一是，记录用待测天线作为接收天线时进入 负载的接收功率只；在上面的两次测量中，应该保证进入作为发射天线功率不变， 且确保天线的几何位置关系保持不变。 准天线 辅助无缝 图2 - 2 比较增益法的方框图 已知g 是标准天线的增益，那么被测天线的增益是： g r2 鸶g ( 2 - 1 4 ) 写成对数形式是： n g r = c s ( 扭) + 1 0 l o g , o ( 等s r ) ( 据) ( 2 - 1 5 ) 收发天线要满足，测量的时，收发设备要和天线阻抗匹配良好且尽量避免周围地 物的影响、收发天线间的极化匹配及远场条件等等。 三、两相同天线法测绝对增益 电子科技大学硕士学位论文 使用这种方法，需要测得工作波长、收发天线间的距离r ，以及接收天线收到 的功率与发射天线输入的功率之间的比值，然后再利用式( 2 1 3 ) ，那么天线增益便 可以得到： q 如等居 误差包括由收、发天线最大辐射方向是否对准以及天线本身所带来、极化失配和 阻抗失配以及多径干涉和近场效应。利用上面三种方法进行天线增益的测量工作时。 2 3 缝隙天线的主要电参数 由于本文主要研究缝隙天线，所以需要再详细介绍缝隙阵天线的几个重要的电参 数。 2 3 1 缝隙天线的波瓣带宽和增益 根据巴比涅原理，可以知道偶极子天线和缝隙天线是互补天线，所以，我们在设 计缝隙阵时，可以用偶极子天线的增益来近似计算缝隙天线的增益，而且缝隙的数量 增加一倍时，增益也增加一倍，即3 d b 。d g 8 s g 和d k 3 b a 得出了计算波瓣宽度 和增益的近似公式： g a i n = 1 0 1 9 c 半，曲 倍 b e a m w i t h = 5 0 7 i 百殳一d e g ( 2 1 8 ) n 2 s l o t s p a c i n g v 式中，s l o t s p a c i n g 一般是半个波导波长，表示缝隙总数目。计算波束宽度的公式同 均匀分布的波束宽度公式相同，即是最窄的波束宽度。 2 3 2 缝隙天线波束的倾斜角 如果频率发生一定的变化，缝隙将不再谐振，那么方向图波束将产生一定的倾斜 角。e l l i o t t 根据行波馈电的相控阵的分析方法得n t 波束倾斜角的计算公式： 1 2 第二章天线的基本理论 = a r c s m 【- i 。( s l o t a p 以a c i n g - _ o 5 彘 如果在谐振频率时，s l o t s p a c i n g 等于半个波导波长，那么 = o d e g 。即主波束垂 直于天线阵的口面。 2 4 本章小结 本章简要介绍了天线的基本概念。先主要介绍了电路特性( 输入阻抗、带宽和匹 配程度等) 和辐射特性( 方向图、增益和极化等) ；又介绍了天线的测量技术：详细 介绍了天线的几个常用电参数的实验测量方法。最后详细介绍了谐振式矩形波导缝隙 阵天线的几个主要电参数，可以为基片集成波导缝隙阵天线的设计提供参考参数。 电子科技大学硕士学位论文 第三章基片集成波导器件设计基础 在介质基片上的通过金属化通孔阵构成的一种新型波导口1 2 4 】被称作基片集 成波导( s l w ) ，具有与传统矩形波导相似的传播特性是它的一个重要性质，例如 易于设计和品质因数高等，同时具有重量轻、体积小、易于集成和加工等优点， 比传统矩形波导更加紧凑。基片集成波导可以广泛地被应用在微波和毫米波电路 中。 31 基片集成波导器件的结构 图3 - 1 描述了一个典型的单层基片集成波导几何结构。 图3 - l 基片集成波导结构 图3 - l 描述了一个典型的单层基片集成波导几何结构。中间部分是厚度为h 的介质基片。其上下表面都是金属化层，两排金属化通孔在基片集成波导的两倒 相隔一定距离排列，其中，金属化孔阵的周期为m 两捧金属通孔的圆心之间的 距离用睢。w 表示，称作基片集成波导的宽度，介质基片的厚度为h ，金属通孔的 赢径用d 表示。这样就在两排金属化通孔及上下金属面之间构成了一个类似矩形 波导的结构，称这种结构为基j l 集成波导。另外，多层基片集成波导结构可以利 用低温共烧陶瓷( l t c c ) 和多层印刷电路板f p c b ) 技术来加工制造。传统矩形金属 波导结构与其结构有类似特点。在后面的章节中，为了方便的叙述，如不作特别 第三章基片集成波导器件设计基础 说明，将用以上符号表示基片集成波导参数。因此基片集成波导的电磁波传输特 性与传统矩形波导的传输特性相类似。两排金属通孔就等效于传统矩形金属波导 的两个金属侧壁的作用，介质基片的上下金属面相当于相应矩形波导的上下波导 壁的作用。 3 2 基片集成波导传输特性的研究方法 目前，全波分析法、等效模型法及商业电磁软件仿真法是用来分析基片集成 波导结构的主要方法。 3 2 1 全波分析法 全波分析法的一般步骤是首先根据边界条件求解出源分布的积分方程，然后 求解出源分布，再由积分算式算出总场。有限元法( f e m ) 、时域有限差分法( f d t d ) 和矩量法( m o m ) 是全波分析中的主要的数值分析方法，并且随着计算性能的不 断提高，出现许多新的方法因为有复杂性的实际问题，通常都要利用数值计算技 术来完成积分方程的计算和场积分的求解。 因为本文使用的电磁仿真软件是以f e m ( 有限元法) 为基础的a n s o f th f s s ， 所以本节主要介绍有f e m ( 限元法) 的基本原理。 1 9 4 3 年c o u r a n t 提出了有限元法的数学处理，其被用于电磁场的数值计算问 题 2 5 - 2 6 1 是1 9 6 8 年。有限元法利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的描述 全求解域上待求的未知场函数。因为单元能按照不同的连接方式进行结合，而且 单元本身可以有不同的形状，所以可以模型化几何形状复杂的求解域。将一个连 续域离散化为有限个相连接的结点等效集合体是有限元法的基本思想。只要求解 出未知量，就可以利用差值函数算出各个单元内场函数的近似数值，进而得到整 个求解域上的近似值。单元内的近似函数可以根据未知常函数在单元的各个结点 的其差值函数和数值来描述。所以，一个问题的有限元分析中，未知场函数在各 个结点上的数值变成新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题转换成离散 的有限自由度问题。如果单元满足收敛，近似解最后收敛于精确解。很明显，随 着单元数目的增加，单元尺寸的缩小，或者随着差值函数精度的提高及单元自由 度的增加，解得近似程度将不断改善。 这种方法对不同媒质分界、第二类和第三类边界条件不作单独的处理，而且 不受场域边界形状的束缚。可以适用于含有复杂媒质、具有复杂边界条件或边界 电子科技大学硕士学位论文 形状的定解问题是有限元法的优点。尽管计算程序编制起来比较冗长、复杂，但 各个步骤易于进行标准化，所以通用的计算机程序可以被编制出来，而且也有很 好的计算精度的结果。 有限元法计算电磁场的主要步骤如下： ( 1 ) 结构的离散化。将场域分割，将各个单元中的未知数用该单元中形状函 数以和离散函数上的函数值展开，也就是把连续介质中无限个自由度的问题转化 为有限个自由度的问题。 ( 2 ) 找出和边值问题相对应的变分及其泛函问题。 ( 3 ) 泛函的极值的求解，求解有限元方程，即求出联立代数方程组。 ( 4 ) 利用迭代法或者直接法计算有限元方程。 选择扔始辫梅 计算每个端口的激励电流模式 判断每个端口激励信号 的精确度是否满足要求模式 在端口 重新划分孵格 否是否可是 卜以接受广 端口加入激励后计 算结构体的场分量 是番向适是 斑计算 二 否是 棼 判各参数和场分布结粜 图3 - 2a n s o f th f s s 的自适应迭代算法 有限元的剖分密度与矩阵方程的求解复杂度之间有极大的关系，未知数数目 越多会导致求解时间越长。所以，有限元方法的准确度和求解时间之间是一对矛 盾。如图3 2 所示，自适应迭代算法被a n s o f th f s s 采取以使在短时间内取得很 大的精度。但是，未知数数目的增加会使有限元方法求解的精度更加准确。该算 法采用上面所提到的方法求解较粗的剖分，再根据进度判读是否满足特定的要求， 如果不能满足要求，则将求解进一步细化的剖分，直到达到设定的精度为止。 3 2 2s i w 与介质填充波导的等效法 电磁场数值分析和实验已经证明基片集成波导的特性和矩形金属波导类似， 1 6 徽零一 第三章羹片集成波导器件设计基础 所以，可以把矩形波导的设计方法直接应用到基片集成波导的设计当中，从而可 以有效的提高设计效率。 例如，在2 8 g h z ，设计在损耗角正切为高度为1 0 m i l ，t a n 扛0 0 0 1 ，介电常数 为2 3 3 的介质基片上的有5 0 q 阻抗的微带线的固有品质因数是4 2 口”在相同频 率下，使用相同的介质基片制作成的基片集成波导( 宽度为2 0 0 r a i l 时) 的固有 品质因数是3 4 2 2 8 1 ，而空气填充矩形波导的固有品质因数是4 6 1 3 l 州。微带线在毫 米波波段有较大的损耗，所以高q 值的器件很难被设计。当介质基片的厚度增加 时，微带线的损耗会明显增加，但是基片集成波导没有这样的缺点。所以，可以 利用基片集成波导设计制作出各种高q 值的器件例如t 型接头、滤波器和双工 器等。为了提高基片集成波导器件的o 值，可以增大介质基片的厚度或者采用低 损耗的介质基片。 ( 1 ) 基片集成波导及等效介质填充矩形波导 图3 - 3 基片集成波导以及等效介质填充矩形波导 如图3 - 3 所示，基片集成波导可以等效为传统的介质填充矩形波导，s i w 内 传输的主模为t e 。o 模，口，p ，d 决定了它的传播常数毗及辐射损耗。所以，町以 用等效的介质填充矩形波导来分析基片集成波导 州。s i w 等效为矩形波导的经验 公式在文献e 3 1 l 表示为： j 扣；+ f 豸丽 。1 d ( 参一直) e 式中，f i - 定义为传统矩形金属波导的归一化宽度。其中 电子科技大学硕士学位论文 毒：1 0 1 9 8 + 业l “ 旦一1 0 6 8 4 己：- 0 1 1 8 3 一望坠 “ 兰一1 2 0 1 0 = 1 0 0 8 2 一荪0 9 1 6 3 上面的公式相对误差低于1 ，等效的传统矩形金属波导的宽为： a r w o2 口口 ( 3 - 2 ) 根据公式( 3 i ) 和( 3 2 ) ，可以直接从基片集成波导的结构参数口、p 、d 推算出等效的传统矩形金属波导的宽度。 ( 2 ) 金属化孑l 对基片集成波导的传输特性的影响 为了确保基片集成波导不出现电磁泄漏，p 和d 这两个参数应该被研究。利 用以有限元法为基础的a n s o f lh f s s 进行分析，图3 4 表示相邻通孔的距离“p ” 和通孔直径“d 对基片集成波导的传输特性的影响。 2 0 2 4 6 8 一1 0 刁 - 1 2 ，) 一1 4 1 6 1 8 2 0 - 2 2 o 2 0 o2 5o 3 00 3 5o 加o 4 5o 5 0 p 厦 图3 - 4 相邻通孔的距离”和通孔直径“d ”对基片集成波导的传输特性的影响 从图中可以看出，相邻通孔的距离应该保持越小越好。然而通孔直径“d 1 8 第三章基片集成波导器什设计基础 也会影响基片集成波导的传输损耗。所e 上，d i p 的值比把d 和p 分开考虑更重要。 d ，p 的值越大，基片集成波导的传输损耗越小，从图3 - 4 中可以看出d ，p o5 时，基片集成波导的传输损耗非常小。 图3 - 5d p = ( ) 4 时t 电磁场分布 图3 - 6d i p = 0 5 时，电磁场分布 图37d 岫卸6 时，电磁场分布 电子科技大学硕士学位论文 从上面三幅图中可以看出，d p 的值越大，基片集成波导的传输损耗越小，剧 p o 5 时，基片集成波导的传输特性已经非常理想。 图3 8d p = o 6 时，表面电流分布 如图3 8 所示，t e l o 模s i w 的表面电流与传统矩形波导相似。研究表面电流 结构有着重要的实际意义。除了波导损耗的计算需要知道表面电流外，在实用中， 波导原件需要相互连接；有时则需要在波导上开槽或孔以做成特定用途的原件。 此时接头所在位置就不应该破坏表面电流的通路，否则将会严重破坏原波导内的 电磁场分布，引起辐射和反射，影响功率的有效传输。相反，有时则需要在波导 上开槽做成缝隙天线，此时开槽就应该切断表面电流。 3 2 3 电磁场分析软件在基片集成波导器件研究中的应用 需要针对求解目标的实际情况来选择合适求解电磁场问题的应用软件和算 法。很明显，因为求解问题的复杂程度对软硬件会有不同要求，所以，首先要考 虑计算机硬件能力的因素，通常是考虑算法的计算时间。当划分网格数少时，解 决简单的问题多种算法需要的时间差不多。但是当网格数大量增加时，时域有限 差分方法、时域有限积分方法则需要的时间和c p u 计算时间有线性的联系，需 要的时间随着网格数呈三次方的关系而增加的是矩量法，有平方关系的是有限元 法。电磁场问题的主要分析手段是电磁场数值计算方法，被广大国内外工作者研 究，并且因为随着对这些数值方法的不断成熟，不断出现了许多商业化的计算软 件工具。 2 0 第三章基片集成波导器件设计基础 迅速发展、使用越来越方便的计算机，因为功能也越来越强大，这提供了电 磁场问题的设计分析的方便性。研究对象的不同就需要不同的软件，主要是因为 电磁场仿真软件和其核心的数值计算方法有着密切的联系。目前广泛使用的电磁 场分析软件主要包括基于时域有限积分法的c s t 、基于有限元方法的h f s s 以及 e m p i r e 是基于时域有限差分法，基于矩量法的m i c r o w a v eo f f i c e 、i e 3 d 和e n s e m b l e 等等。本文采用的是a n s o f th f s s 。 由美国a n s o f t 公司开发的可以分析任意结构的三维无源电磁场的电磁仿真软 件a n s o f th f s s ，其研究对象的传播常数、特性阻抗、方向图和散射参数等结果 可以被分析出来。在对电磁场理论的深刻理解以及丰富的工程设计经验的基础之 上，利用涌现的各类功能强大的电磁场分析软件给电磁场工程人员带来了很大的 便利。要准确、有效的解决各种电磁场问题，需要深刻的理解使用的电磁场分析 软件和电磁理论。 并且在天线设计过程