（微电子学与固体电子学专业论文）低轮廓天线尺寸缩减技术研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 目前无线通信技术的发展和各种通信标准的日益兴起，无线产品的功能变得越来越复杂， 一般可以支持多个频段不同通信标准。无线产品内部的电路也更加复杂，在无线终端产品设 计时给天线预留的空间也越来越少，但是对天线的功能要求却越来越多。市场上无线产品种 类繁多，用户在购买产品时可以有更多的选择空间。大多数用户趋向于购买体积小、便于携 带的无线产品。因此无论是技术的发展还是市场的趋势，都对无线产品的小型化要求越来越 高。电路的高度集成化可以跟上无线设备小型化的需求，但是天线的体积往往成为无线产品 缩减体积的“瓶颈”。所以小型化、多频段、宽频带是天线设计的一个重要的发展趋势。 射频识别( r f i d ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e ) 技术近些年来兴起的一项重要 的非接触式自动识别技术，被广泛的应用于工业、商业、交通运输等众多领域。随着r f i d 技术的发展，r f i d 系统也向着小型化、易共形、低成本、低损耗方向发展。r f i d 标签与阅 读器是采用无接触的通信方式，这样就需要天线作为辐射接收电磁波，所以天线在r f i d 系 统中起着至关重要的作用。因此，天线的小型化对r f i d 系统的小型化有着重大的意义，也 成为了r f i d 技术研究的热点之一。 针对以上问题，本文以基于基片集成波导技术( s 刑) 的背腔式缝隙辐射天线为主要研 究对象，深入研究了天线尺寸缩减技术，实现了天线小型化的目的。另外，还研究了r f i d 标签天线小型化技术。主要研究内容如下： ( 1 ) 研究了基片集成波导以及折叠基片集成波导的传输特性，并利用此技术设计了背腔 缝隙辐射天线，利用此技术设计的背腔式缝隙辐射天线克服了原先矩形波导笨重，尺寸较大， 不便于集成等缺陷。 ( 2 ) 设计天线阵列馈电网络，了解目前先进的馈电网络结构，通过尝试不同的形状，不 同原理的馈电结构，实现一种尺寸较小，各馈电端口幅度相位相等的馈电网络。本文中利用 t 型结进行两次功率分配的并联馈电网络，该网络阻抗匹配好，频带带宽宽，尺寸容易控制。 在研究了基于基片集成波导背腔缝隙天线单元以及天线阵列馈电网络的基础上，分别设计了 1x2 ，2x2 的天线阵列。 ( 3 ) 最后讨论r f i d 标签天线的理论及尺寸缩减技术，利用弯折线技术设计了r f i d 标签 天线。另外讨论了r f i d 抗金属标签天线，利用微带天线设计了一款r f i d 抗金属标签天线。 仿真结果表明利用基片集成波导技术设计的背腔式缝隙辐射天线有较好的辐射性能，单 个天线单元最大增益能够达到6 4 d b i ，天线易于与平面电路集成，具有低损耗等优点。r f i d 标签天线的设计很好的实现了天线与芯片之间的匹配，最大读取距离能够达到6 5 米。 关键词：基片集成波导，背腔缝隙天线，小型化，射频识别 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ev a r i o u sc o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d s d e v e l o p m e n t , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o d u c t sh a v em a n yc o m p l e xf u n c t i o n sa n da l s os u p p o r t m u l t i p l ef i ! e q u e n c yb a n d s t h ei n t e r n a lc i r c u i t r yo f t h ew i r e l e s sp r o d u c t si sm o r ea n dm o r ec o m p l e x ， s ot h er e s e r v e ds p a c ef o rt h ew i r e l e s st e r m i n a lp r o d u c t s a n t e n n ai sl i t t l e a sw ek n o wt h e r ea r e m a n yw i r e l e s sp r o d u c t si nt h em a r k e t ，p e o p l eh a v em a n y c h o i c e sw h e nt h e yb u yw i r e l e s sp r o d u c t s m a n yp e o p l el i k et ob u ys m a l la n dp o r t a b l ew i r e l e s sp r o d u c t s t o d a yt h eh i g h l yi n t e g r a t e dc i r c u i t c a l lm e e tt h ed e m a n df o rm i n i a t u r i z a 五o no ft h ew i r e l e s sd e v i c e s t h ea n t e n n as i z eb e c o m et h e b o t t l e n e c k o ft h ew i r e l e s sp r o d u c t s s ot h ea n t e n n ad e s i g nt r e n di ss m a l l ，m u l t i - b a n d ，b r o a db a n d a n ds oo n r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) t e c h n o l o g yb e c o m eam o s ti m p o r t a n tn o n c o n t a c t a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s i ti sw i d e l yu s e di ni n d u s t r y , c o m m e r c i a l ， t r a n s p o r t a t i o na n dm a n yo t h e rf i e l d s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h er f i dt e c h n o l o g y , r f i ds y s t e m i sa l s os m a l l ，e a s yt oc o n f o r m a l ，l o w c o s t ，l o wl o s s t h ea n t e n n ao ft h er f i ds y s t e mp l a y sav i t a l r o l ei nt h er f i ds y s t e m ，b e c a u s et h ec o i n m u n i c a t i o nm e t h o do ft h er f i dt a g sa n dr e a d e r si s n o n - c o n t a c tc o m m u n i c a t i o n t h ea n t e n n ai sr e c e i v i n ga n dr a d i a t i n ge l e c t r o m a g n e i i cw a v e t h e s m a l lr f i ds y s t e mn e e ds m a l la n t e n n a s ot h es m a l l e ra n t e n n ai sa l s ov e r yi m p o r t a n tf o rt h er f i d s y s t e m ，a n di tb e c o m e st h er e s e a r c hf o c u so f t h er f i dt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , w es t u d yt h er a d i a t i o nm e c h a n i s mo ft h es i wc a v i t yb a c ks l o ta n t e n n a ，a n du s i n g t h ef o l d e ds u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d em e t h o dt o a c h i e v et h ep u r p o s eo ft h ea n t e n n a m i n i a t u r i z a t i o n i na d d i t i o n ，w es t u d yt h ef e e dn e t w o r kt e c h n o l o g yo ft h ea n t e n n aa r r a ya n dd e s i g n lx 2 ，2 x 2a n t e n n aa r r a y s f i n a l l y , w es t u d yt h er f i dt a ga n t e n n am i n i a t u r i z a t i o nt e c h n o l o g ya n d d e s i g nt w or f i dt a gb a s e d o nt h ea l l i e nh i g g s 3u h f c h i p t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea n t e n n ah a sg o o dr a d i a t i o np e r f o r m a n c e ，t h ei m p e d a n c eb a n d w i d t ho f 14 0 m h za n dm a x i m u mg a i no f6 4 d b i t h ed e s i g nr f i dt a ga n t e n n aa c h i e v e sag o o dm a t c h b e t w e e nt h ea n t e n n aa n dt h ec h i p t h em a x i m u mr e a d i n gd i s t a n c ec a nr e a c h6 5m e t e r k e yw o r d 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 e ，c a v i t yb a c k e ds l o ta n t e n n a ，m i n i a t u r i z a t i o n ，r f i d i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 在任何无线系统中，天线是不可或缺的重要前端器件。作为接收天线时，它捕获自由空 间中的时变电磁场中的能量，并将其转换成时变电流。作为发射天线时，天线将时变电流以 电磁波的形式辐射出去。因此，无线系统的性能受天线质量很大的影响。现代通信技术的飞 速发展，要求通信系统向小型化，集成化和高性能化方向发展。 通信技术的飞速发展，要求通信系统小型化、可集成化和高性能化。但和其它部件相比， 天线的集成度低，性能不高的缺点仍然比较明显。为了克服这些缺点，有效地方法就是利用 微带天线，这类天线具有重量轻，体积小，剖面薄的片面结构，可做成共形天线，对飞行器 的空气动力学性能影响小，容易装在火箭，导弹，卫星上等优点；另外，天线采用共面波导 ( c p w ) 结构进行馈电，可以和天线的结构同时制作，可以进行大批量的生产，制造的成本 也比较低，容易和集成点电路兼容等等；还有微带天线由于馈电方式，极化制式多样化，有 源电路集成一体化等特点得到广泛的使用。例如在g p s 接收机，移动通信系统，w l a n 等领 域，微带天线都是首选的天线形式。寻找小型化，可集成化微带天线的设计方法成为天线领 域的研究焦点之一。 微带天线按结构特点一般分为贴片天线和缝天线。缝隙天线除了具有低剖面，体积小， 重量轻，易于共形的特点外，还具有容易控制其口径面内的幅度分布，很高的口面利用率的 优点。另外缝隙天线的结构比较牢固，简单紧凑，加工比较容易，除此之外缝隙天线的馈电 容易，隐蔽性好，可装饰【1 , 2 1 。因此这类天线也得到了广泛的应用，也受到了学者们的广泛关 注，成为当前研究的热点。 r f i d 系统采用非接触识别的方法，天线在r f i d 标签与读写器之间的通信起着关键的作 用。标签芯片需要通过天线接收到的电波进行激活，r f i d 标签与读写器之间的通信方式也由 天线决定。因此，标签天线在r f i d 系统中占有重要的地位，研究意义十分重大。 由于r f i d 系统应用的特点，r f i d 标签天线相对于其他天线来说有着自身的特点和难点。 例如：体积小，可以粘贴到物品上；有全向或者半球覆盖的方向性；能够提供给芯片足够大 的信号，天线的阻抗必须和芯片的阻抗共轭匹配；节约成本，采用简单的天线结构等等。其 中，r f i d 标签的体积限制了标签的应用范围，而标签的体积主要取决于标签天线的体积，因 此研究标签天线的小型化技术有着重要的意义。 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 背腔式微带缝隙天线的发展现状 2 0 世纪7 0 年代出现了微带馈电缝隙天线，由于其低剖面、易集成、易共形等优良特性， 杭州电子科技大学硕士学位论文 得到广泛的研究【3 4 l 。缝隙天线是在金属表面开缝，缝隙截断了金属表面的电流，一部分表面 电流绕过缝隙，另一部分表面电流以位移电流的方式沿原方向流过缝隙，其中位移电流的电 力线向外空间辐射能量。通常缝隙天线分为两种，一种在金属平板上开缝，这种天线称为平 板缝隙天线；另一种在波导壁上开缝，称为波导缝隙天线。波导缝隙天线口径分布能够独立 地控制，容易实现较低的副瓣，效率高，易于加工等优点，在许多微波通信和雷达系统中获 得广泛的应用。在文献 5 提出了一种单向辐射的背腔天线。这种背腔天线大大抑制天线的后 向辐射，得到了很好的单向辐射性能。理论和实验证明，当屏蔽腔的厚度等于四分之一波长 时，金属腔能够很好的抑制后向辐射，对天线的向上辐射影响也较小。但是传统金属腔体积 大，比较笨重，加工工艺和调试过程复杂的特点极大地弱化了天线的集成性能，学者们又提 出了一种新的波导结构基片集成波导( 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 ，简称s 1 w ) 。 1 2 2 基片集成波导的研究现状 基片集成波导技术是近几年来提出的一种可以集成于介质基片中具有低插损低辐射等特 点的新的波导结构。它利用上下底面为金属层的有较低损耗介质基片，两边为金属化通孔阵 列实现，能够在介质基片上拥有传统金属波导的功能【6 7 1 。基片集成波导可以有效地实现有源 和无源集成，使毫米波系统小型化，甚至可以将整个系统制作在一个封装内，大大地降低了 成本，其传播特性和传统矩形金属波导类似。由于整个结构通过介质基片上的金属化通孔阵 列实现，所以这种结构可以利用p c b 或l t c c 工艺精确实现，可以和微带电路无缝集成。近 几年来，学者们充分地研究了基片集成波导传输特性，利用基片集成波导技术实现了高性能 的滤波器，双工器，定向耦合器，功率分配器，天线阵列等无源器件以及多种有源器件，极 大地推进了s i w 技术的发展。文献【8 】提出了工作于x 波段的基片集成波导缝隙天线阵列； 文献【9 】中也提出了一种基片集成波导背腔平面缝隙天线，这种天线有效地克服了传统缝隙天 线双向辐射的缺点，采用金属反射和腔体结构来减小背面辐射。 由于波导结构存在固有截止频率，因此工作于较低频率的波导，宽度就会比较宽，这样 在较低微波频段内，s i w 的尺寸和微带相比还是比较大，这也限制了它的应用。学者 g r i g o r o p o u l o s 利用折叠波导( f o l d e dw a v e g u i d e ) 概念设计了折叠基片集成波导( f o l d e d 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 ，简称f s i w ) 【l 叫2 】。折叠基片集成波导采用双层介质基片，介质 基片两边对称地排列金属通孔，上下面的金属全部覆盖整个介质基片，中间的金属层有两种 形式。根据中间金属层的两种形式可以将折叠基片集成波导分为c 型和t 型两种【1 3 , 1 4 。通过 对结构参数的优化，可以将基片集成波导的尺寸最多缩减为原来的三分之一。对于折叠基片 集成波导的研究，近年来也成为热点之一，一些学者也提出基于折叠基片集成波导的缝隙天 线1 1 5 , 1 6 。 1 2 3 天线阵列馈电网络的研究现状 天线阵列馈电网络保证各阵元可以激励起所需要的振幅和相位，以便形成所要求的方向 图，或者使天线性能达到最佳。对馈电网络一般要求阻抗匹配、低损耗、宽频带和结构简单。 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 不同的馈电方式由于馈电线的长短和激励的不同，天线阵列的效率也有所差别。微带线的馈 电形式主要分为并联馈电和串联馈电两种，也有两种馈电形式的组合。文献 1 7 ，1 8 对天线阵 馈电网络做出了深刻的研究。 在并联馈电结构中，阵列单元通过功分网络馈电，馈电网络从馈源到每个天线单元的路 径长度相同。这样的馈电结构设计简单，单元间距可以自由地选择，通过馈电网络能够实现 各单元所要求的激励振幅和相位。单个辐射单元与馈电点之间的距离都是等长的，如果工作 频率偏离中心频率，各辐射单元仍然可以保证同相，这样波束的指向就与频率无关，因此并 联馈电网络的带宽比其它的馈电形式的天线阵列要宽。串联馈电结构是利用微带传输线将阵 列单元联接起来，对馈电的主传输线来说，每一个阵列单元都可等效为一个四端口网络。串 联馈电阵列各个单元所要求的激励振幅和相位是通过改变天线元尺寸来实现。因此，一个具 有幅度或相位加权的串联阵列，- 各天线单元的尺寸大小一般是不同的。谐振串联馈电从阻抗 匹配和方向图特性来讲，一般是窄带的。串联馈电阵列相比较于并联馈电阵列，馈电电路简 单，馈线总长度较短，馈线损耗较小，而且不需要功分器，所以空间利用率高。 1 2 4r f i d 标签天线研究现状 第二次世界大战时期，r f i d 技术得以发展，主要应用于军事领域，随着r f i d 技术的发 展，l 强i d 技术应用经济、交通、物流管理等社会生活的各个领域。r f i d 标签天线技术的研 究正得益于r f i d 技术的发展。r f i d 技术主要分为四个频段1 3 5 6 m h z ，超高频8 6 0 - - 9 6 0 m h z ， 2 4 5 g h z 和5 8 g h z 频段。经过广大学者的研究，1 3 5 6 m h z 以下的r f i d 技术相对成熟；超 高频频段远距离识别技术发展最快，是现在研究的热点；对于高频段2 4 5 g h z 和5 8 g h z 的 研究目前也越来越受到学者们的注意。 对于r f i d 标签的小型化技术的研究，日本m a x e l l 公司推出了只有米粒大小的r f i d 标 签，该标签中集成了电感线圈，用于1 3 5 6 m h z 的r f i d 系统；2 0 0 1 年6 月，日本东芝公司 生产出世界最小的片上r f i d 芯片，这样为r f i d 标签嵌入纸内提供了可能，有些大额的纸币 就采用r f i d 防伪标识。 目前，我国的r f i d 技术也正在快速的发展，出现了大量r f i d 企业，我国已具备r f i d 天线的设计和研发能力。但是缺乏关键技术，特别是超高频r f i d 天线方面。 1 3 本文的主要研究内容和结构安排 本文主要以低轮廓背腔天线尺寸缩减技术这个研究中心展开，从基本原理出发，对基片 集成波导背腔缝隙天线进行了分析，利用仿真软件c s t 6 0 建立了模型，得到了大量的仿真结 果，并对结果进行了分析。论文内容主题安排如下： 第一章为绪论部分。主要介绍了本文的研究背景，现状和本文的主要研究内容。 第二章介绍了天线的基本理论，包括天线的基本电参数，如方向图、副瓣电平、主瓣宽 度、方向性系数、天线增益、天线的输入阻抗、极化方式、天线的带宽以及天线的效率。 第三章介绍了基片集成波导理论，分析了基片集成波导传输特性以及背腔缝隙天线的辐 杭州电子科技大学硕士学位论文 射原理，并设计出基于s i w 结构的背腔缝隙天线单元，分析了此天线单元的仿真结果。 第四章介绍了折叠基片集成波导的理论，并根据此理论分别设计了基于c 型t 型两种折 叠基片集成波导背腔缝隙辐射天线单元，并对仿真结果进行了分析。 第五章介绍了天线阵列理论以及馈电网络的设计方法，分别设计了二元阵和2x2 阵列 的馈电网络，并将前文中的天线单元与馈电网络组合设计了天线阵列。 第六章在研究低轮廓背腔天线尺寸缩减的基础上，本文还讨论目前比较热门的i 汴i d 标 签天线的尺寸小型化技术，设计了两款r f i d 标签，这两款标签均有着很好的阻抗匹配特性 和读取距离。 第七章对本文的工作进行了总结，并对下一步工作做出了展望。 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章天线的基本理论 对天线基本参数的了解对于天线研究人员来说是十分重要的。天线的基本参数的含义和 术语是大家相互交流的基础；另外，天线的性能一般通过天线的参数来描述。总之，要描述 天线的性能，就要定义天线的特性参数。 2 1 天线的基本电参数 天线的电参数，又称电指标是描述天线工作特性的参数。通过它们来定量衡量天线性能。 我们有必要了解天线的电参数，以便可以正确地设计或选择天线。 大部分天线电参数是针对发射状态来规定的，以衡量天线将高频电流能量转换为空间电 波能量和定向辐射的能力。以下介绍发射天线的主要电参数，并以电基本振子或磁基本阵子 为例进行说明。 2 1 1 方向性函数 通过对电基本振子的分析，可知虽然天线辐射出去的电磁波是一球面波，但并不是均匀 球面波，所以，任一天线的辐射场都具有一定的方向性。 所谓方向性，是指在相等的距离条件下天线辐射场的相对值与空间方向( 子午角目，方 位角舻) 之间的关系，如图2 1 所示。 x y 图2 1 空间方位角 如果定义天线辐射电磁场的电场强度为e ( r ，秒，伊) ，则电场强度( 绝对值) , - i p a 写成 ，口，缈) i = 6 ，0 if ( 0 ，缈) 1 2 1 ) 式中i 为归算电流；f ( o ，伊) 为场强方向函数。因此，方向函数可定义为 f ( o ，缈) = 5 ( 2 2 ) 杭州电子科技大学硕士学位论文 电基本振子的辐射场为 卟j 去虹纠白 易：掣咖盯步 ( 2 3 ) 丘口2 _ ，：一s m p 瞄j j h r = h 8 = e r = e o = 0 代入式( 2 2 ) ，得到电基本振子的方向函数为 厂( 只纠= 厂( 口) = 等| s i i l 口i ( 2 4 ) 为了方便比较不同天线的方向性，经常利用归一化方向性函数，用f ( o ，缈) 表示，即 脚，= 揣= 糊 ， 式中，厂蛳( 矽，妒) 为方向函数的最大值；e m a x 为最大辐射方向上的电场强度；e ( o ，咖为 同一距离( 0 ，纠方向上的电场强度。 归一化方向性函数f ( o ，缈) 的最大值为1 。所以，电基本振子归一化的方向性函数可以写 为 f ( o ，伊) = s i n o l ( 2 6 ) 为了便于分析和对比，定义理想点源是无方向性的天线，在各方向上相等距离处产生大 小相等的辐射场，因此，理想点源的归一化方向性函数为 f ( o ，咖= 1( 2 7 ) 2 1 2 方向图 根据天线方向性函数在各种坐标系中描绘出表征天线辐射场方向特性的图称作天线的方 向图。表征场强振幅方向特性的图称作场强振幅方向图，表征功率方向特性的图称作功率方 向图，表征极化方向特性的称作极化方向图，表征相位方向特性的图称作相位方向图。通常 情况下使用的是场强振幅方向图或功率方向图。天线的方向图是一个三维图形，但我们经常 利用相互正交的两个主平面的剖面图来描绘天线的方向性，这样比较方便，通常取e 面( 电 场矢量和传播方向构成的平面) 和h 面( 磁场矢量和传播方向构成的平面) 作为两个正交的 主平面。 天线方向图有主瓣、副瓣和旁瓣。主瓣是指天线方向图中最强辐射区域，副瓣或旁瓣则 指其他辐射区域。其中副瓣中应该引起注意的是主瓣两边的第一副瓣和同主瓣方向相反的后 瓣。 主瓣宽度定义为方向图主瓣最大值两边场强为最大值的0 7 0 7 倍时两辐射方向之间的夹 角。一般来说，波瓣宽度与天线的方向性成反比。天线的波瓣宽度越窄，方向性越好，作用 距离越远，抗干扰能力越强。 杭州电子科技大学硕士学位论文 副瓣电平( s l l ) 定义为副瓣最大值与主瓣最大值之比，用分贝来表示，即 舭 1 0 l g 芒s a vt r o u t 2 = 2 0 l g 譬据 ( 2 8 ) 式中，一和。一：分别为最大主瓣和副瓣功率密度的最大值；k 和k ：分别为最 大主瓣和副瓣场强的最大值。副瓣指向的辐射区域一般是不需要，因此要求尽可能低的副瓣 电平。 2 1 3 方向性系数 方向性系数是表征天线辐射能量的集中程度。定义为在相同的辐射功率情况下，天线在 空间某点处产生的电场强度的平方与理想的无方向性点源天线在同一点处产生的电场强度平 方的比值。 刚胪堡铲k 刺瓣 ( 2 9 ) 由于辐射功率和电场强度之间成正比，所以方向性系数可定义为在某点处产生相等的电 场强度时理想无方向性点源辐射功率昂与某天线的辐射功率只之比： d = 告k 同电场酿 ( 2 1 0 ) 2 1 4 天线增益 天线增益的定义为在相同输入功率条件下，某天线在空间某点处产生的电场强度的平方 与理想无方向性点源天线在这同一点处产生的电场强度平方的比值： g ( 口，妒) ：掣l 相同输入功率 ( 2 11 ) 与方向性系数一样，增益同样可定义为在空间某点处产生相等的电场强度时理想无方向 性点源天线输入功率与某天线的输入功率圪之比： g = 等l 相同电场皴 ( 2 1 2 ) 如果将天线的定义效率为天线辐射功率与输入功率之比： ，7 = 手 ( 2 1 3 ) 则天线增益同天线方向性系数可有如下关系： g = ，7 d( 2 1 4 ) 在不考虑天线自身的损耗的情况下，天线的增益与方向系数完全相同。天线增益一般用 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 d b i 和d b d 来描述，d b i 指的是相对于点源天线的增益单位，d b d 指的是相对于对称阵子天线 的增益单位。在相同的环境中，天线增益越高，其作用的距离越远。 2 1 5 天线的极化 天线的极化定义为该天线在给定方向上远区辐射电场的空间取向。通常用电场矢量端点 轨迹的取向和形状来描述电磁波的极化特性，电场矢量方向组成的平面称作极化平面。电磁 波的极化方式分为线极化，圆极化和椭圆极化。电场矢量固定指向某一方向的电磁波称线极 化波；如果电场矢量可分解为两个幅度和相位不同的相互正交的坐标分量，那么在空间某点 合成的电场矢量的方向将会以一定的场的频率进行旋转，电场矢量端点的轨迹为椭圆，在空 间的轨迹为一条椭圆螺旋线，此种波称椭圆极化波；当电场的两相互正交分量的振幅相等时， 椭圆变成圆，此种波称圆极化波。天线也因此分为线极化和圆极化天线。 为了是接收天线能从来波中取得最大能量，它的极化方式应与来波的极化方式相同。假 设传播过程中没有极化畸变，接收天线的极化方式应与发射天线的极化方式相同。实际上收 发天线的极化方式不一定相同，因此存在极化损失。 2 1 6 天线的阻抗 天线的输入阻抗定义为输入电压与输入电流的比值，是表征天线与馈线之间匹配状态的 一个重要参数。理想情况下，天线的输入阻抗应为一个恒定的电阻，其值等于该天线归于输 入电流的辐射电阻。此时天线能够直接同特性阻抗等于天线辐射电阻的传输线相连，传输线 馈到天线的能量将全部辐射到空间。如果天线的输入阻抗同传输线的特性阻抗不相等时，馈 到天线的功率就会被反射。一般情况下，天线的输入阻抗既有实部也有虚部，即： ， 乙= 争2 r i n 乜 ( 2 1 5 ) 其中，r 证、k 分别为输入电阻和输入电抗。 为了衡量天线与馈线的匹配程度，我们引入反射系数r 或驻波比p 来反映天线的阻抗特 性。反射系数r 定义为： i = 兰丑 ( 2 1 6 ) z 汛+ z o 、 。 其中，z 0 表示馈线的特性阻抗。 天线的驻波比定义为： 1 + i f i p 2 甜( 2 1 7 ) 驻波比的数值在l 到无穷大之间，完全匹配时，驻波比等于l ，全反射时也就是完全失 配时驻波比为无穷大。 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 1 7 天线的带宽 天线的各个参数都受着天线工作频率的影响。例如，当工作频率偏离中心频率时，可能 会发生主瓣指向偏移、副瓣电平增大、副瓣萎缩或分裂等现象。通常情况下频率提高引起方 向图恶化，所以方向图是工作频率上限的主要影响因素；当频率降低时天线的电尺寸随之变 小，辐射电尺寸也减小，导致天线的增益下降，所以增益通常是工作频率下限的主要影响因 素。 通常天线的带宽有绝对带宽和相对带宽两种表示方法。一种是绝对带宽，频率最大值和 最小值的差值，即 a f = 丘一厶 ( 2 1 8 ) 另一种是相对带宽是绝对带宽与中心频率的比值，即 晔半= 等 天线的带宽可以分为阻抗带宽，方向图带宽，增益带宽，极化带宽等几种。 2 1 8 天线的效率 天线的效率定义为天线的辐射功率与输入功率之比，即 刁= 乏= 寿 ( 2 2 0 ) 驴露2 藏 亿删 式中e ，最，弓分别是天线的辐射功率、输入功率和损耗功率。同时也可写成 巧= 惫2 去( 2 2 d驴毒2 赢 式中，耳，如，r 分别是归于输入电流天线的辐射电阻、输入电阻和损耗电阻。从式( 2 2 1 ) 中可以得到提高天线的辐射电阻和降低天线的损耗电阻能够提高天线的效率。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 第三章基于s i w 结构的背腔缝隙天线 3 1 基片集成波导理论 1 9 9 8 年，h i r o k a w a 1 9 和u c h i m u r a 2 0 提出了金属化通孔阵列结构，这种金属化通孔阵 列与金属壁有着类似的作用，能够将电磁波限制在一定的空间内进行传播。蒙特利尔大学吴 柯教授和东南大学洪伟教授的课题组对s i w 进行了深入的研究。近些年来，基片集成波导技 术引起了许多学者的关注，提出了高性能的滤波器、功率分配器、定向耦合器、天线等器件， 有力地推动了基片集成波导技术的发展。 3 1 1 基片集成波导基本结构 图3 1 给出了典型单层基片集成波导的结构。图中上下两面为金属层，中间为低损耗的 介质基片，在介质基片的两边是金属化通孔阵列，这样上下金属层和两边的金属化通孔阵列 形成了类似于矩形金属波导的结构，称之为基片集成波导。 图3 1 基片基础波导结构示意图 图3 1 中，腑伽表示两边金属通孔圆心之间的距离，称为基片集成波导的宽度；d 为金 属通孔的直径；咖表示同一边两邻近金属通孔之间的距离，也称为金属化孔阵的周期；h 是 介质基片的厚度。我们还可以利用多层印刷电路板( p c b ) 和低温共烧陶瓷( l t c c ) 技术制 作多层基片集成波导结构【2 。 对于基片集成波导而言，覆盖介质基片的上下两面的金属面可视为相应矩形金属波导的 上下表面波导壁，两边的金属化通孑l 阵列可视为传统矩形金属波导的两侧面金属壁。由此， 我们可以看出基片集成波导和传统的矩形金属波导有着类似的传输特性。但与传统的矩形金 属波导相比，基片集成波导克服了传统矩形金属波导笨重、体积大、成本高、不易与微波系 统集成等缺点。 3 1 2 基片集成波导的传输特性 基片集成波导( s 聊) 结构类似于传统矩形波导，但由于基片集成波导的侧壁是由金属 化通孔阵列形成的，通孔之间被介质所隔断，这样就不能够传播巨分量，所以基片集成波导 只能传输阿模，激励和传输珥。模，不能够传输t m 模。换句话说，基片集成波导结构中除 1 0 一。 弋。 一。 弋。 一3 舭 0虿o 。 o o o霉 杭州电子科技大学硕士学位论文 了存在碣。模式外，不存在其他的模式，这点对于s i w 结构来说非常重要。 基片集成波导不仅在结构上和传统矩形波导相似，而且在电磁波的传输特性上两者也有 着类似之处。因此，对于基片集成波导传输特性的研究主要以传统矩形波导作为参照标准。 ( 1 ) 传输条件和截止频率 传统矩形波导传播模式可分成t e 模和t m 模两大类，并且可存在无限多的模式。这些波 导模式在传播过程中有着严重的色散现象，具有截止特性；每种波导模式都有对应的截止波 长丸( 或截止频率z ) ，必须满足条件乃 旯( 工作波长) 或z f ( 工作频率) 才可以传输。 矩形波导的甄。和聊。，导模传播常数为： 其中，k 2 = c 0 2 肛 截止波长为： d = 以= 以珊。= 2 与截止波长相对应的截止频率为： z 2 z 掰。2 司1 露 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 从上述的公式中可以看出，矩形波导横截面的尺寸a 和b 决定了矩形波导的截止波长， 而矩形波导的截止频率不仅与其横截面的尺寸相关，而且与填充介质的介电常数和磁导率相 关。 基片集成波导结构的两边是金属化通孔，所以它的有效宽度不是w s i w ，但也不是 ( w s i w d ) ，基片集成波导的传播常数以及辐射损耗决定于参数a ，p ，d ，这是因为基片 集成波导传输的主模是玛。模，如图3 1 所示。由于基片集成波导和传统介质填充的矩形波 导有着类似的传播特性，我们可以将基片集成波导等效为传统介质填充的矩形波导，所以可 以将基片集成波导等效成介质填充的矩形波导来对s i w 进行分析。文献 2 2 】中说明了s i w 等 效为介质填充矩形波导的经验公式： # 口= 磊+ f 耘 3 4 ) d 六一点 其中， 磊= 1 0 1 9 8 4 互0 3 丽4 6 5 ( 3 5 ) p 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 3 6 ) 磊：1 0 0 8 2 一罢 ( 3 7 ) 二+ 0 2 1 5 2 p 所以，等效矩形波导宽度口够： 畅= a - a ( 3 8 ) s i w 结构传输主模匾。模的截止频率为： z 码。= 2 c o 万 3 9 ) 式中c o 是介质中的波长。 ( 2 ) 传输模式和r e , 。模 由矩形波导理论可知，矩形波导中存在多种传播模式，这些模式可以分为z r 。和办k 最基本的r e , o 、瓯l 、r e , 。和t m 。，四个模式，其中最常用的是主模r e , 。模。由式( 3 2 ) 可以得到，r e , 。模的截止波长为2 ，对应的截止频率为 仁乏赢( 3 a o ) 只有频率高于截止频率的电磁波才能在波导中进行传播。 铲窃 n 1 1 ) 对于主模玛。模的截止波导代入上式可得，其波导波长为： k 2 商 。1 2 ) 前文中已经提到由于s i w 的结构特性，窄壁是不连续的金属化通孔，导致无法形成珊。 1 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 模的窄壁电流，这就决定了在基片集成波导中只能传输砜。模式。 根据基片集成波导和传统矩形波导的等效关系可得，s i w 结构中传输的主模玛。模的截 止波长为2 口盯， 截止频率为： 缸。2 宏五 。j 3 波导波长为： 免 勺7 e l 。2 7 寸 1 一f 三l l 2 口e f t j ( 3 1 4 ) 从上面的对比中可以看出，基片集成波导与传统矩形波导有着类似的地方，我们可以将 基片集成波导等效为矩形波导，利用矩形波导的理论对基片集成波导进行研究；同时二者又 有不同之处，主要的不同的如下： 第一，基片集成波导中只能传播阪。模式，无法传播掰。模式，这点是二者的最大区 别； 第二，基片集成波导窄边的尺寸比较小，基本可以不考虑其对传播特性的影响，因此基 片集成波导特性主要有宽边来决定； 第三，基片集成波导是用两排的金属化通孔阵列来代替传统波导的金属侧壁，如果孔径 的大小和孔间距设计不合适，波的能量很容易从通孔间隙泄露，因此基片集成波导的损耗主 要由两排通孔决定，在设计过程当中要求尽可能低的损耗，需要使用尽量小的孔径和孔间距， 但又受到加工工艺的影响，只能在工艺允许的范围内使用尽量小的孔径和孔间距。 上面我们了解了基片集成波导的结构以及传输特性，为我们提供了基片集成波导器件研 究的理论基础和方法。 3 1 3 基片集成波导与传输线间的转换 基片集成波导由于体积小、重量轻、品质因数高、加工工艺简单、易集成等优点，被广 泛地应用于微波电路中。但是微波有源器件大多数为芯片或表面封装的形式，因此在安装时 就需要共面波导，微带线等共面电路结构【2 3 】。这样就引出了基片集成波导同共面传输线之间 怎样过渡的问题。 图3 2 基片集成波导与微带线转换示意图 杭州电子科技大学硕士学位论文 基片集成波导与微带线转换的基本形式如图3 2 所示，礁胛为s i w 的宽度，w 是微带线 的宽度。基片集成波导和微带线电场、磁场分别如图3 3 3 6 所示，从图中我们可以看出微带 线中传播的电场结构和s i w 主模式( 玛n ) 的场结构比较相似，因此这是一个自然的过渡形 式。我们还可以看出微带线支持的准t e m 模的场的分布与s i w 主模场存在这一定的差异， 这样就导致了在不连续处会产生反射。回波损耗是转换结构一个重要的指标，另一个重要指 标为带宽。因此，s i w 和微带线之间的阻抗匹配是十分重要的。 ， 图3 3 波导内电场分布图 ：! - 童蔓! ! ： ，罗呵 图3 4微带线电场分布图 图3 5波导内磁场分布图 图3 6 微带线磁场分布图 在设计基片集成波导与微带线的过渡结构时要求在工作频段内s i w 等效阻抗和微带线特 性阻抗相匹配【2 4 】，下面主要介绍三种形式的过渡结构，如图3 7 所示。图( a ) 适用于基片集成 波导的等效阻抗与微带线特性阻抗相同的情况，称为直接转换形式；图( b ) 在实现了两种波 导结构过渡，同时完成了阻抗匹配，是一种阶梯阻抗变换结构；图( c ) 通过一段共面波导过 渡来实现匹配。 oo oo oo oo ( a )( b )( c ) 图3 7 基片集成波导与微带线三种过渡方式 上述的三种结构为微带线与基片集成波导之间最基本的转换方式，但是它们的带宽都比 较窄，我们可以利用多级阻抗变换或渐变线的方法来展开频带。如图3 8 所示就是一种微带 渐变线形式的基片集成波导微带线转换器。 图3 8基片集成波导微带线渐变线转换结构 1 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 在设计渐变线形式的转换器时根据基片集成波导的宽度和高度，确定基片集成波导的等 效阻抗，再算出转化器中靠近基片集成波导一侧的微带线宽度，即图3 8 中k 的值；通过 渐变线的转换成我们需要的特性阻抗，根据特性阻抗的值算出微带线的宽度【2 l 】。 3 1 4 基片集成波导宽边缝隙特性分析 当基片集成波导工作在主模( r e , 。模) 时，电磁场的分布情况与传统金属波导电磁场的 分布情况相类似，因此对基片集成波导宽边缝隙的分析可以等效为矩形波导宽边缝隙的分析。 由矩形波导壁开缝理论可得，波导壁上的缝隙切断了波导壁的表面电流，这样电流就会 流到波导外壁，同时在缝间还会激励起电场，缝隙间的电场可以等效为沿缝轴的面磁流分布， 此时波导外壁的电流及缝上的磁流就会向空间辐射电磁波。通常情况下缝隙的长度大约为波 导波长的一半，这样缝隙就处于谐振状态。当然缝隙的谐振长度受多方面因素的影响，比如 波导周围的环境，缝隙在波导壁上的位置，波导壁的厚度等等。通常可以改变缝隙在波导壁 上的位置来控制缝隙的激励幅度。 接下来讨论常用的矩形波导上的缝隙。由矩形波导理论可知，宽度为a 、高度为b 的矩 形波导中的主模为匾。模，其场分量为： 乓= 芳s i n 等抄 ( 3 1 5 ) ，a t o - - 乡s i n i ；r x 2 ( 3 1 6 ) ，a h z = j c o s 坚e i j z q 1 7 、) 式中幅度因子已对皿归一化，为矩形波导中碣。模的传播常数， 波导纳为 波导波长为 9 = 匕= 去罢 2 万 以2 万2 ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) 波导宽壁上的面电流密度为 以昌h ：h o ( j c o s 型i 譬s i n 竺三) p 肛 ( 3 2 1 ) 口万口 在窄壁上电流沿y 轴方向，如图3 9 所示 杭州电子科技大学硕士学位论文 图3 9 r e l 0 模波导壁上的电流 接下来，我们讨论矩形波导宽壁缝隙归一化导纳的计算方法。 矩形波导宽边缝隙结构的等效电路如图3 1 0 所示，图中a 为矩形波导的宽度，6 为矩形 波导的高度，2 l 为缝隙的长度，w 为缝隙的宽度，缝隙与波导侧壁间的距离为五。此结构 可以视为特性导纳为g 0 的一段传输线并联一个导纳】，。 x i z = 0 图3 1 0 矩形波导宽边缝隙及其等效电路示意图 从图中可得到如下等式： 矿( z ) = a e 一伽+ 晚一脾 z 0 式中彳，口，c