（电子科学与技术专业论文）ebg加载波导结构的电磁特性及其应用研究.pdf

博士学位论文 e b g 加载波导结构的电磁特性及其应用研究 a b s t r a c t e b gl o a d e dw a v e g u i d e sa r eg e n e r a l l ys y n t h e s i z e db yl o a d i n gm e t a le b gp l a n e si n w a v e g u i d eh o u s i n g s t h e yp o s s e s st h es i m i l a rp r o p e r t i e st ot h ep e r i o d i c a lp h o t o nc r y s t a l s ， s u c ha sc o m p a c tp h y s i c a lc o n f i g u r a t i o n s ，s t a b l ep a s s - b a n d s t o p - b a n dc h a r a c t e r i s t i c s ，g o o d s l o w w a v ee f f e c to no u t - b a n do fb a n d - g a p o nt h eo t h e rh a n d ，t h e yt a k et h ea d v a n t a g e so f g o o dm e c h a n i c a li n t e n s i t y , l a r g ep o w e rc a p a c i t ya n ds m a l lt r a n s m i s s i o na r e n u a t i o na sw e l l a st h o s eo ft h et r a d i t i o n a lw a v e g u i d e s t h e r e f o r e ，e b g - l o a d e dw a v e g u i d e sc a nb ew e l l a p p l i e di nt h ed e s i g no fh i g hp o w e r e ds y s t e m s ，c o m p o n e n t sa n dt h e i rm i n i a t u r i z a t i o na t m i c r o w a v eb a n d t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ee l e c t r o - m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c so f e b g l o a d e dw a v e g u i d e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n si nb r o a d b a n df i l t e r sa n da n t e n n a sd e s i g n s w i t hd e t a i l e dc o n s i d e r a t i o n sa sf o l l o w s ( 1 ) t h ec l a s s i c a lm o d e m a t c h i n gt e c h n o l o g y ( m m t ) i sa d o p t e dt oe s t a b l i s ham o d e lo f d u a l - p l a n ed i s c o n t i n u o u s n e s so ft h eq u a d r u p l e - r i d g e ds q u a r ew a v e g u i d e ，、 ，i t hw h i c ht h e c h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r so fq u a d r u p l e r i d g e ds q u a r ew a v e g n i d e ，s u c ha se i g e n v a l u e s ， c u t o f ff r e q u e n c 5c h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e ， s i n g l e - m o d eo p e r a t i o nb a n da n dc o m p l e x p r o p a g a t i o nc o n s t a n t ，c a nb ea c c u r a t e l yo b t a i n e d t h e nm u l t i l a y e rp e r c e p t r o nn e u r a l n e t w o r km o d e l ( m l p n n ) a n db a c kp r o p a g a t i o na l g o r i t h m ( b p ) a r ee m p l o y e dt o i m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y c o r r e s p o n d i n gr e s u l t s i nt h i sd i s s e r t a t i o ns h o wg o o d a g r e e m e n t 晰t ht h o s ed e d u c e db ym f i e ，f e mi ne x i s t i n gr e f e r e n c e s t h em o d e lp r o v i d e s t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no ft h ee b gl o a d e dw a v e g u i d ef i l t e r s ( 2 ) d o u b l e a r r a y l o a d i n gi np a r a l l e li sa d o p t e dt oa c h i e v ea p p a r e n ti m p r o v e m e n to f t h e s t o p b a n d c h a r a c t e r i s t i c s r e f e r r i n gt o t h o s eo ft r a d i t i o n a l s i n g l e - a r r a ye b gl o a d e d w a v e g u i d eb p f g e n e r a l i z e ds c a r e r i n gm a t r i x ，e q u i v a l e n tc i r c u i ta n a l y s i sa n ds o f t w a r e s i m u l a t i o na r ee m p l o y e dt op e r f o r mp a r a m e t r i co p t i m i z a t i o n v a r i a t i o nr u l e so fb p f p e r f o r m a n c e sh a v eb e e na c q u i r e d 谢t hv a r i o u ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，s u c ha si n s e t sh e i g h t ， l o a d i n gp e r i o da n dp a r a l l e ld i s t a n c e a ne b g - l o a d e db p f 、析mc e n t e rf r e q u e n c yo f9 g h z i sf a b r i c a t e d m e a s u r e dr e s u l t ss h o w6 g h z - 12 g h zp a s s b a n d 诵t hi n - b a n di n s e r t a t t e n u a t i o nl e s st h a nld ba n d12 5 g h z - 16 g h zs t o p b a n dw i t l lt h el a r g e s to u t - b a n d a t t e n u a t i o n5 5 d bh a sb e e no b t a i n e d t h ef i l t e rc a l lb eu s e df o ro u t b a n dh i g h o r d e r e d h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ( 3 ) r e g a r d i n gt h es y m m e t r i c a ls t r u c t u r ea n dd u a l p o l a r i z a t i o nt r a i to fr e g u l a rs q u a r e w a v e g u i d e ，as y m m e t r i c a l l yq u a d r u p l e l o a d e db p f i sd e s i g n e d i n f l u e n c e so fi n s e r t sh e i g h t i a b s t r a c t 博士学位论文 a n dl o a d i n gp e r i o do nt h eo v e r a l lb p fc h a r a c t e r i s t i c sa r ec o n s i d e r e d t h ei n s e r t ss h a p ei s c h o s et ob er o u n d - c r o w na n dr e c t a n g u l a r - b o t t o m ，w h i c hc a l lr e d u c et h ee mc o u p l i n g b e t w e e nt h et w os e t so fd i s t r i b u t e dl cr e s o n a n tp l a n e si np e r p e n d i c u l a rp o s i t i o n a n e x p e r i m e n t a lf i l t e ri sd e s i g n e da n dm e a s u r e dr e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n tw i t ht h e p r e d i c t e dr e s u l t s 7 5 g h z 14 g h zp a s s b a n dw i t hi n s e r ta t t e n u a t i o nl e s st h a n ld ba n d 1 4 5 g h z 1 6 8 g h zs t o p - b a n d 、析t 1 1l a r g e s to u t - b a n da t t e n u a t i o n4 5 d bc a nb eo b t a i n e d g o o dd u a l p o l a r i z a t i o ni s o l a t i o n , l a r g e rt h a n2 5 d b ，i sa c h i e v e do nt h ee n t i r eb a n d t h e b p fc a nb eu s e df o rt h eh i g h o r d e r e dh a r m o n i cs u p p r e s s i o no fd u a l - p o l a r i z e ds y s t e m s ( 4 ) a ne b gl o a d e ds q u a r ep y r a m i d i c a lh o ma n t e n n ai sd e s i g n e dt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c e so fo r d i n a r yu n l o a d e dh o m s i m u l a t i o n so fo r d i n a r yu n l o a d e dh o 咄 s y m m e t r i c a l l yq u a d r u p l e - - r i d g e dh o ma n de b g - - p l a n es y m m e t r i c a l l yl o a d e dh o r na r e p e r f o r m e dt oc o m p a r et h e i rc h a r a c t e r i s t i c so fr e t u r nl o s s ，m o d a li s o l m i o n ，e p l a n ea n d h - p l a n er a d i a t i o np a t t e m s ap r a c t i c a le b gl o a d e dh o mi sf a b r i c a t e da n dt h em e a s u r e d r e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n t 丽t i lt h ep r e d i c t e do n e s o nt h ec o n d i t i o no fs a m ed i m e n s i o n s ， e b g l o a d e dh o mc a na c h i e v el a r g e rd i r e c t i v i t yt h a nq u a d r u p l e r i d g e dh o r na n dl o w e rs i d e l o b e st h a no r d i n a r yu n l o a d e dh o r n ( 5 ) ad e s i g no fm i c r o w a v eb r o a d b a n dc o a x i a lt ow a v e g u i d et r a n s i t i o ni sp r o p o s e df o r t h em e a s u r e m e n to fe b gl o a d e df i l t e r sa n dh o r na n t e n n a d e s i g n so fs e v e r a lc o m p o n e n t s a r ep r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h ew i d e b a n dc o a xt od o u b l er i d g e dw a v e g u i d et r a n s i t i o n ，d o u b l e r i d g e dw a v e g u i d et oa r b i t r a r ys i z e dr e c t a n g u l a rw a v e g u i d et r a n s i t i o n ，r e c t a n g u l a r - s q u a r e w a v e g u i d et r a n s i t i o n d o u b l er i d g e dw a v e g u i d e sa r eu s e dt oo b t a i nl o w e rc u t o f ff r e q u e n c y a n db e t t e ri m p e d a n c em a t c h i n gw i t hs t a n d a r dc o a x i a l5 0 q t a p e r e dw a v e g u i d ea n dr i d g e s a r ee m p l o y e dt op r o v i d et h eb e s tt r a n s i t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tw a v e g u i d e sw i t hd i f f e r e n t c r o s s - s e c t i o n s t w os e t so fm i c r o w a v eb r o a d b a n dm e a s u r e m e n tl o o p sa r ee s t a b l i s h e d r e s p e c t i v e l yf o rt h em e a s u r e m e n to ft h ee b g l o a d e dw a v e g u i d eb p f sa n dh o ma n t e n n a k e yt e r m s ：e b g ( e l e c t r o m a g n e t i cb a n d g a p ) ，m o d e - m a t c h i n gt e c h n o l o g y ( m m t ) ， q u a d r u p l e - r i d g e ds q u a r ew a v e g u i d e ，b a n d p a s sf i l t e r ( b p f ) ，d u a l p o l a r i z e dp y r a m i d a lh o r n i v 图表目录博士学位论文 v l l i 图表目录 图2 1 1 典型四脊方波导的横截面结构示意图l l 图2 1 2 不同近似阶数求解的边长归一化本征值比较。18 图2 1 3 四脊方波导的归一化截止波长。1 9 图2 1 4 四脊方波导的主模特性阻抗矿= 1 7 3 a ) 。1 9 图2 1 5 本征值随脊高变化的曲线。2 0 图2 1 6 主t e l o 模工作带宽随脊高变化的曲线2 l 图2 2 1 多层感知器模型示意图。2 2 图2 2 2 本征值随脊高变化的曲线比较2 4 图2 2 3 主模工作相对带宽2 5 图2 2 4 特性阻抗曲线比较。2 5 图2 25 截止频率及单模工作频带随脊高和脊宽的变化曲线2 6 图2 3 1 金属脊加载方波导滤波器的插入衰减特性一2 8 图3 1 1 周期加载传输线的等效电路示意图。3 0 图3 2 1 单排及双排e b g 膜片阵列加载的矩形波导b p f 结构3 3 图3 2 2 膜片宽度s 变化时e b g 单排加载b p f 的插入损耗和同波损耗3 4 图3 2 3 单排e b g 膜片加载b p f 中膜片所在横截面上的电场分布( t e l o 模激励) 3 6 图3 2 4 双排e b g 膜片平行加载b p f 中膜片所在截面上的电场分布( 中等加载深度，t e l o 模 激励) 3 6 图3 2 5e b g 膜片阵列加载矩形波导b p f 的单元等效电路3 7 图3 3 1 膜片高度，变化时e b g 单排加载b p f 的插入损耗和回波损耗( 加载周期p 为9 m m ) ：；9 图3 3 2 加载周期p 变化时e b g 单排加载b p f 的插入损耗和回波损耗( 膜片高度，为4 2 5 m m ) z 1 1 图3 3 3 双排平行加载间距d 变化时e b g 双排膜片加载矩形波导b p f 的插入损耗和回波损 耗2 i ：! 图3 3 4e b g 膜片双排平行加载矩形波导b p f 的实物照片4 3 图3 3 5 单排加载和双排加载e b g 波导b p f 的理论及测量特性4 3 图4 1 1e b g 膜片对称周期加载方波导b p f 的结构4 5 图4 1 2e b g 膜片周期对称加载方波导b p f 中膜片所在截面上的电场分布( t e l o 模激励) 4 6 图4 1 3e b g 膜片加载方波导b p f 的单元等效电路4 7 图4 2 1 膜片高度h 变化时e b g 加载方波导b p f 的插入损耗和回波损耗( 加载周期p 为8 m m ) z 1 9 图4 2 2 加载周期p 变化时e b g 加载方波导b p f 的插入损耗和回波损耗( 膜片高度h 为4 m m ) 博士学位论文 e b g 加载波导结构的电磁特性及其应用研究 5 ( ) 图4 2 3 膜片高度h 为4 m m 、加载周期p 为8 m m 的e b g 加载方波导b p f 插入损耗和回波 损耗5 1 图4 2 4e b g 膜片对称加载方波导b p f 的极化隔离度5 l 图4 3 1e b g 膜片对称加载方波导b p f 的实物照片5 2 图4 3 2e b g 加载方波导b p f 的插入损耗、回波损耗理论计算及测量曲线5 2 图4 3 3e b g 加载方波导b p f 的极化隔离度理论及测量结果5 3 图5 1 1 金属四脊对称加载方形棱锥喇叭天线的侧视结构图5 5 图5 1 2 金属四脊对称加载方形棱锥喇叭天线的输入端回波损耗一5 6 图5 1 - 3 金属四脊对称加载方形棱锥喇叭天线的e 面和h 面方向图( + 4 5 。极化t e l o 模激励) 5 7 图5 1 4 四脊对称加载方形棱锥喇叭天线( 实线) 与普通无加载喇叭天线( 虚线) 的e 面方向图比 j i 5 8 图5 2 1 金属e b g 膜片对称加载方形棱锥喇叭天线的侧视结构图6 0 图5 2 2 金属e b g 膜片对称加载方形棱锥喇叭天线的输入端回波损耗6 0 图5 2 3e b g 膜片加载方形棱锥喇叭天线的e 面和h 面方向图( 垂直极化t e l o 模激励) 6 2 图5 2 4e b g 膜片加载方形棱锥喇叭天线( 点划线) 与金属四脊对称加载方形棱锥喇叭天线( 实 线) 、普通无加载喇叭天线( 虚线) 的方向图比较6 3 图5 3 1e b g 膜片加载方形棱锥喇叭天线的膜片阵列和天线照片。6 4 图5 3 2e b g 膜片加载方形棱锥喇叭天线的输入端回波损耗测试曲线6 5 图5 3 3e b g 膜片加载方形棱锥喇叭天线的实测方向图一6 7 图5 3 4 三种喇叭的极化隔离度和模式隔离度比较6 9 图6 2 1 宽带双脊加载矩形波导的插入损耗和回波损耗7 2 图6 2 2 宽带同轴双脊波导转换器的结构示意图7 3 图6 2 3s m a 探针与短路片距离变化时宽带同轴双脊波导转换器的插入损耗和回波损耗7 4 图6 2 4s m a 探针插入深度变化时宽带同轴双脊波导转换器的插入损耗和回波损耗7 4 图6 2 5 宽带同轴双脊波导转换器的实物照片7 5 图6 2 6 宽带同轴一双脊波导转换器插入损耗、回波损耗的实测与理论结果7 5 图6 3 1 宽带双脊2 8 5 m m x1 2 6 m m 矩形波导渐变转换器结构7 6 图6 3 2 宽带双脊波导2 8 5 m i n x l 2 6 m m 矩形波导渐变转换器的实物照片7 7 图6 3 3 宽带双脊波导2 8 5 m m 1 2 6 r a m 矩形波导渐变转换器的实测s 参数特性7 7 图6 3 4 宽带双脊波导2 0 m m x 2 0 m m 方波导渐变转换器结构示意图7 8 图6 3 5 宽带双脊波导2 0 m m x 2 0 m m 方波导渐变转换器的仿真特性7 8 图6 3 6 截面尺寸为线性渐变的宽带2 8 5 m m x l 2 6 m m 矩形波导2 0 m m x 2 0 m m 方波导渐变转 换器的结构及仿真特性曲线( 转换器长度变化的影响) 7 9 图6 3 7 窄壁宽度为二次曲线渐变的宽带2 8 5 m m x l 2 6 m m 矩形波导2 0 m m x 2 0 m m 方波导渐 变转换器结构及仿真特性曲线( 转换器长度变化的影响) 8 0 i x 图表目录博士学位论文 x 图6 4 1e b g 膜片双排加载矩形波导b p f 的测试回路照片一8 1 图6 4 2e b g 膜片对称加载方波导b p 的测试回路照片8 2 图6 5 1b g 膜片阵列加载方形棱锥喇叭天线的测试照片8 3 表2 2 1 不同脊宽脊高取值组合对应的工作带宽2 7 表5 1 1 四脊对称加载方形棱锥喇叭天线与普通无加载棱锥喇叭天线e 面方向图的主瓣3 d b 波束宽度、第一旁瓣电平及方向性系数比较5 8 表5 2 1e b g 加载喇叭天线、四脊加载喇叭天线及普通无加载喇叭天线的e 面方向图主瓣3 d b 波束宽度、方向性系数及第一旁瓣电平比较6 3 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月 日 博士学位论文e b g 加载波导结构的电磁特性及其应用研究 1 绪论 1 1e b g 加载结构的发展概述 e b g ( e l e c t r o m a g n e t i cb a n d g a p ) 结构是由p b g ( p h o t o n i cb a n d g a p ) tl j 结构根据 m a x w e l l 方程组的缩放特性【2 】衍生而来的，具有带阻、慢波、高阻抗、结构紧凑等特 点。利用其带隙带通特性可以灵活控制电磁波在其中传播，利用其慢波效应可制作 小型化器件及电路，利用其高特性阻抗可抑制表面波、提高天线增益。对e b g 结构 进行研究，主要目标是改善微波元器件性能、产生新特性，如金属导体片呈高阻抗等。 国际上关于e b g 集成电路的研究，主要集中在基于介质基片蚀刻技术的e b g 制作工 艺、基于有效e b g 模型的集成电路模块等方面，包括低损耗波导、耦合器、滤波器、 各种互联器件等；利用集成电路工艺使e b g 与集成电路有机结合，降低制作难度和 成本，改善电路整体性能，达到电路的进一步集成化和小型化；利用低成本的微波材 料制作工艺，制成新型e b g 电磁材料，在移动通信、卫星通信、航空航天等众多领 域中发挥作用。根据特性不同，e b g 结构主要有基底打孔型、高阻抗表面型、共面 紧凑型u c f u n i p l a n a rc o m p a c t ) 、接地板缺陷型d g s ( d e f e c t e dg r o u l l ds t r u c t u r e ) ，还有 用于改善天线性能的介质棒结构、木堆料结构、硬壁结构等。 e b g 构成方式很多，可以将金属、铁磁、铁电物质植入介质材料，或直接由各 种材料周期性排列而成，其中平面e b g 结构易于实现、便于集成，在微波毫米波电 路中得到了最早、最广泛的应用。如用于微带贴片天线、阵列可以有效抑制表面波1 3 。7 j 、 减小交叉极化【8 】、降低耦合【9 j 4 1 ，改善高介电常数、厚尺寸介质材料带来的表面波、 窄带宽问题，以及由表面波引起的辐射效率降低、增益下降、交叉极化、阵元互耦、 相控阵天线扫描盲点t 1 5 , 1 6 等问题；用于双极化天线可以提高极化隔离度【1 7 1 ，用于有源 贴片阵可以抑制谐波【1 8 之0 1 、改善阻抗匹配【2 1 1 ，用于圆极化天线可以解决非谐振频率点 的轴比恶化问题，有效改善频变特性、拓宽工作频带【7 】【2 2 。2 4 1 ；利用e b g 窄带缺陷频 率窗特征作天线覆盖层，可以获得远大于原天线的有效口径，设计得到高方向性e b g 天线或e b g 谐振器天线【2 5 。3 0 1 ；采用e b g 结构形成人工磁导体a m c ( a r t i f i c i a lm a g n e t i c c o n d u c t o r ) t m 】作反射器，可以展宽频带、减小体积【3 2 , 3 3 j 。在其他微波元器件领域，可 以利用e b g 的带阻、缺陷态特性，设计滤波器( 宽阻带抑制杂波滤波器、窄带选频滤 波器) 、功分器、微波功率放大器、定向耦合器等，滤除高次谐波、提高放大器效率、 增加输出功率、拓展工作带宽；利用e b g 结构单元作为谐振腔，可以减小振荡器相 位噪声。基底打孔型e b g 结构的典型例子基片集成波导s i w ( s u b s t r a t ei n t e g r a t e d w a v e g u i d e ) ，通过在介质基片上周期加载大量金属化通孔构成，兼具介质基片的小剖 面和类似金属波导的电磁特性，方便应用于高速高频系统中的平面立体结构转接， l l 绪论博士学位论文 可采用传统波导理论设计。 然而，所有的平面型e b g 结构都以介质基底为传输媒质，存在着介质损耗大、 功率传输容量小的固有缺点，在高功率脉冲输入情况下易发生电击穿现象，高频情况 下更为严重，此外微波色散特性也会导致工作频带较窄，因此平面型e b g 结构在宽 带、高频、中大功率系统这一大类应用场合中存在较大局限性。e b g 波导结构是通 过对波导腔体进行周期性金属加载形成的，以空气或真空为主要传输媒质，因此兼具 均匀波导的机械稳定度高、传输损耗小、功率容量大等特点和典型e b g 结构的带阻、 慢波、高阻抗等特性，并可在一定程度上减小器件体积( 与传统波导相比) ，其相关器 件及天线在微波毫米波领域天馈系统设计中得到越来越广泛的关注，占有平面结构不 可替代的地位，对其特性和应用进行深入系统的研究具有重要的理论意义和应用价 值。 1 2 波导e b g 力n 载结构的应用 随着现代电子战的愈演愈烈，高性能的卫星通讯、干扰与抗干扰、远程通信、军 事雷达等电子系统的发展日新月异，尤其是高功率微波( h p w ) 武器系统的成功研制和 快速发展，使功率传输容量、峰值功率成为系统研制过程中所需考虑的重要技术指标， 而天馈系统又是整个系统的最终功率容量限定因素，因此中大功率容量天馈系统的实 现成为关键。同轴、微带结构的元器件主要以介质材料作为传输媒质，难以满足系统 在传输损耗、功率容量等方面的需求，必须考虑采用q 值高、损耗小、功率容量大 的空腔型波导结构，这也是波导及相关器件虽然体积质量较大、但仍在高频中大功率 系统的研制中占重要地位的原因之一。 天馈系统中集合了多种波导元器件，用来改变或控制信号载波的特性，主要有滤 波器、定向耦合器、极化器、正交模转换器、移相器、环流器、隔离器、开关等。这 些元件有不同的实现方式，如对波导腔体进行介质加载、在波导壁上开缝( 阵列) 或开 孔等。随着e b g 电磁理论和制作工艺的日益成熟，加上中大功率系统设计的迫切需 求，波导e b g 加载结构以其独特的电磁特性和物理结构受到了越来越广泛的关注， 为中大功率天馈系统中波导元器件及天线的改进设计提供了一条新思路，其主要应用 如下文所述。 1 2 1 用于滤波器等元器件设计 利用e b g 结构的带阻及缺陷态特性，可设计滤波器( 如宽阻带特性的抑制杂波滤 波器、窄带选频滤波器) 、功分器、定向耦合器等。主要的应用形式有两种：一种是 适用于小功率、窄带、低频范围的平面结构，利用平面基底加载金属化通孔阵列形成 s i w ，其电磁特性可等效为典型金属波导，再采用传统的波导滤波器相关理论进行器 2 博士学位论文e b g 加载波导结构的电磁特性及其应用研究 件设计：另一种是真正意义上的腔体型e b g 波导元器件，通过对金属波导进行e b g 周期加载及其他技术处理，构成滤波器、耦合器、功分器等，具有q 值高、损耗小、 功率容量大等优点，适用于中大功率和宽频带工作，且在物理尺寸和电磁特性上较传 统波导元器件更有优势，因而被广泛用于微波毫米波通信及雷达系统设计中。 近年来微波技术的快速发展对波导型滤波器的尺寸、阻带特性等指标都提出了越 来越高的要求。作为波导滤波器最典型的例子，e 面膜片滤波器因其成本低廉、可批 量生产的优点在微波领域应用极广，但它同时具有尺寸大、阻带特性差、带宽较窄的 缺点。如果在典型的e 面全高膜片加载滤波器前使用e b g 波导替代均匀波导传输线， 不仅减小了物理体积，还可以得到更好的阻带特性【3 4 35 。，适用于系统杂波抑制，并可 用于高分辨雷达系统以减小色散、加快响应【3 6 1 。在波导腔体内进行传播纵向的e b g 膜片加载，可用于低通滤波器( l p f ) 设计【3 7 ，3 剐( 相对于均匀波导自然截止频率的“低通”， 从频率响应曲线看应为带通，本文统称为带通滤波器b p f ) ；若进行横向的e b g 膜片 加载，则可形成谐振腔用于多功器设计，具有改善带宽及分支隔离度特性【3 9 舯】的作用。 g o u s s e t i sg 等采用等效电路分析和广义散射矩阵法，详细研究了典型e b g 加载波导 的电磁特性【4 1 1 ，采用谐振式e b g 膜片单元的周期性加载方式，推导出无限周期结构 的色散特性，包括f l o q u e t 波长、特性阻抗及复传播常数等，并研制了可用于传统e 面滤波器伪通带抑制的l p f ，进而对e b g 膜片形状和加载方式进行改进，采用平行 耦合谐捌4 2 】加载大大减小器件体积、改善阻带特性。本文研究采用膜片双排平行加载 的方法设计e b g 矩形波导b p f ，以期得到比单排e b g 加载b p f 更宽的阻带带宽和 更大的阻带衰减。 1 2 2 用于口径天线设计 现代和未来的电子战争环境对雷达的天馈前端系统提出了较高的要求，需要采取 多种措施来提高战争生存能力，如降低天线旁瓣电平【4 3 - 6 6 1 、提高主瓣增益；根据应用 场合设计不同的极化工作特性；展宽工作频带、增加工作频带个数，实现超宽带u w b ( u l t r a - w i d e b a n d ) 6 7 - 8 8 特性；在保证增益的前提下实现天线小型化及系统小型化等。 由于喇叭与波导传输线具有类似的传输原理，对各阶模式的电磁波均呈现高通效应， 在较高频波段上容易实现宽带特性，且传输损耗小、功率容量大，因而被广泛应用于 研制高频中大功率宽带天线。 e b g 加载波导结构为中大功率1 2 1 径类天线( 如喇叭、透镜) 的性能改善提供了一条 新思路，目前关于波导硬壁【8 9 j 栅格形式研究较多。y o u n g j i n p a r k 等人利用周期金属 柱结构，代替难于制作的伦伯( l u i l e b e 唱) 透镜来引导表面波，制成非对称平行板波导 伦伯透镜【9 0 1 ，用于宽角度扫描或多波束天线系统。s k o b e l e v 9 1 】等研究硬波纹准 t e m ( t r a n s v e r s ee l e c t r o m a g n e t i c ) 圆锥喇叭，发现其性能很大程度上取决于硬壁部分 l 绪论 博士学位论文 的相对长度，当波纹占据喇叭的整个内表面时，可使交叉极化水平低于一3 0 d b ，口径 效率高达8 5 - 9 5 ，带宽达2 0 。随后的研究【9 2 】针对高阻抗表面型带状硬壁准t e m 圆锥喇叭，发现当条带与喇叭通道间的距离为带状线模式半波长的整数倍时，带状线 的模式谐振效应使喇叭的口径效率降为零，因此恰当选择相邻通道间距，可得到和硬 波纹喇叭一样好的性能。整个天线采用栅格构造的典型例子是w e i l ya r 等人用木堆 料e b g 结构设计的喇叭天线【9 如5 1 ，带宽比传统天线扩展6 6 ，中心频率处增益达到 1 3 2 d b ，该类型e b g 结构的天线阵列、功分器、波导弯头等器件在电磁特性上也有 所改善，美中不足的是结构复杂、制作成本高。为了获得较简单的天线结构，并考虑 从单个天线结构上改进设计以得到较低的旁瓣电平，本文采用e b g 膜片阵列对称等 间距加载的方法，对普通方形棱锥喇叭天线进行性能改善设计，在相同外形尺寸前提 下，期望得到比未加载喇叭更低的旁瓣电平且方向性相当，以及比四脊加载喇叭更低 的旁瓣电平和更高的方向性。 1 2 3 用于x 2 ( 1 i 圉) 极化系统设计 极化方式是天线重要的空间电磁特性，指天线辐射时形成的电场强度方向，极化 多样性问题在现代军事及民用通讯系统中越来越引起重视。一般的系统中，单极化采 用垂直极化，双极化天线【9 6 。1 2 0 】可以有垂直水平极化或士4 5 0 极化两种方式，圆极化可 通过控制两垂直线极化波的激励相位得到，变极化通过在天馈系统前增加变极化装置 得到。大部分双极化天线采用士4 5 0 极化方式，它组合了+ 4 5 0 和4 5 0 两副极化方向相互 正交的天线，同时工作在收发双工模式下，大大节省了天线系统的物理体积，并可得 到很高( 达3 0 d b ) 的极化隔离、约为5 d b 的极化分集增益( 比单极化天线的空间分集提 高约2 d b ) ，覆盖主方向和边缘处的差别很小，可有效保证覆盖范围。双极化天线的 极化隔离度是标志其性能优劣的重要参数，当双极化轴比值为无穷时可得完美的极化 隔离且两极化相互独立，一般工程的要求是趋向于无穷( 如大于3 0 d b ) 。实现双极化， 可以利用导波结构的自然结构组成，如典型的方形喇叭；或对导波结构的物理组成进 行设计，形成相应的口径电流分布；还可以利用馈电方式的变化，如机械式或电相位 控制式。大部分场合需要同时使用几种处理技术。 e b g 加载结构用于平面双极化天线中，可以有效改善极化隔离度；用于圆极化 天线可以解决非谐振点频率的轴比恶化问题【7 】【1 2 1 1 ，有效改善频变特性、拓宽圆极化 工作频带。腔体型e b g 加载结构也可用于双极化天馈前端的设计，本文采用e b g 膜 片对称等间距加载的方法，研制了方波导b p f 及方形棱锥喇叭天线。对于滤波器， 希望获得很小的通带插损、较宽的阻带带宽、较大的阻带衰减和高于3 0 d b 的极化隔 离度；对于棱锥喇叭天线，希望与普通无加载喇叭、金属脊加载喇叭相比，在旁瓣电 平、天线方向性、极化隔离等性能方面都有一定的改善。 4 博士学位论文e b g 加载波导结构的电磁特性及其应用研究 1 3 波导e b g 加载结构的分析方法 最初，固体物理中的能带理论被用来描述e b g 的禁带特性，如倒格矢( r e c i p r o c a l v e c t o rt h e o r y ) 、布里渊区( b r i l l o u i nz o n e ) 、散射i 蛩( s c a t t e rp l o t ) 等，该方法仅把电磁场 当成标量波处理，未考虑其矢量特性，不够精确。9 0 年代出现了平面波展开法p w m ( p l a nw a v ee x p a n s i o