（电磁场与微波技术专业论文）基片集成波导圆极化天线研究.pdf

摘要 基片集成波导圆极化天线研究 硕士生：陈志君 导师：洪伟教授 ( 东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室) 摘要 二十世纪后期，微波技术经历了一个飞速发展的过程。现代微波毫米波系统迅速向小型化，轻 量化、高集成度方向发展一些微波毫米波新技术也随之产生并发展。 基片集成波导( s u b s t r a t ei m e g r a t c dw a v e g u i d e ，s i w ) 是近年来提出的一种微波毫米波新型集成 导波结构。它具有插入损耗小、辐射低、功率容量高、易于与其它平面电路集成等优点通过在上 下金属覆层的介质基片上周期性捧列金属化通孔，基片集成波导可利用标准的印刷电路板工艺 ( p c b ) 实现。基片集成波导具有类似于传统矩形金属波导t e 波的传播特性，并对t m 波具有自然 的抑制作用，在其基础上设计的微波毫米波元部件具有高q 值、低插损、相对较高的功率容量等优 点它还可以利用低温共烧陶瓷( l t c c ) 、薄膜( t h i n - f i l m ) t 艺和m e m s 等工艺来实现这几类 工艺与传统矩形波导相比，加工成本明显降低。同时与微带线、槽线、共面波导相比，基片集成波 导的优势主要体现在它是一种封闭性的结构，这种结构可明显提高抗干扰以及功率容量。2 0 0 6 年由 东南大学毫米波国家重点实验室提出的半模基片集成波导( h a l f m o d es u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d c ， h m s i w ) 可在保持基片集成波导优良性能的前提下尺寸缩减约5 0 0 ，2 0 0 7 年提出的折叠半模基片 集成波导又进一步将尺寸缩减约一半，即原s i w 的约四分之一 本文针对基片集成波导圆极化天线这一研究方向，深入地研究了基片集成波导定向耦合器，交 叉相位功率分配器，谐振式4 5 度线极化缝隙阵列天线以及基片集成波导圆极化天线的设计方法。此 外，还设计了w 波段基片集成波导与传统金属矩形波导的转换器，为进一步研究w 波段s i w 元器 件和天线打下了基础。 论文第一章介绍了此课题的相关研究背景以及本论文的研究目标和内容 第二章首先简单介绍了基片集成波导的基本结构以及分析方法，并通过考察基片集成波导和等 效矩形波导的截止频率对等效公式进行了验证；其次根据实验需要设计了基片集成波导和微带线的 转换器；最后重点介绍了w 波段( 7 5 g h z 1 1 0 g h z ) 基片集成波导和w r - 1 0 金属矩形波导的转换 器，并对该设计与仿真结果进行了实验验证，测试数据与仿真结果的一致验证了设计的正确性。 第三章针对谐振式4 5 度线极化缝隙阵列天线进行了研究，分析了4 5 度角倾斜的缝隙单元的谐 振特性以及辐射特性。在此基础上提出了在一条基片集成波导上的斜缝阵列设计方法，并设计了l 3 ，l t 6 的斜缝阵列。为了对lx1 6 斜缝阵列进行横向拓展，设计了八路交叉相位功率分配器， 进而设计了g x1 6 的谐振式4 5 度线极化缝隙阵列天线。 第四章针对基片集成波导圆极化天线进行了研究，设计了9 0 度三分贝定向耦合器并利用第三章 设计的4 5 度线极化天线和交叉相位功率分配器，综合设计了基片集成波导圆极化缝隙阵列天线。实 验数据与仿真结果的一致验证了设计的正确性。 关键词：基片集成波导，圆极化天线，缝隙阵列，4 5 度线极化，定向耦合器，交替相位功率分配嚣， w 波段转换器。 c i r c u l a r iyp o l a r i z e da n t e n n a sb a s e do n s u b s t ra t ei n t e g r a t e d 给v e g u i d e m sc a n d i d a t e ：c h e n z h i j u n s u p e r v i s o r ：p r o f h o n gw e i s t a t ek e yl a b o f m i l l i m e t e rw a v e s , d e p lo f r a d i oe n g i n e e r i n g s c h o o lo f i n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de 嚼n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n g2 1 0 0 9 6 只c h i n a a b s t r a c t i nt h el a s th a l f c e n t u r yo f t h e2 0 a n 嘛t h e t e c h n o l o g yo f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dm i c r o w a v eh a s a c h i e v e dag r e a ti m p r o v e m e n t a tt h e 鬟帅et i m et i l et r e n do fm i c r o w a v ea n dm i l l i 胁- w a v es y s t e m d e s i g nb o m e sl o w - p r o f i l e , r e l i a b l ep e r f o r m a n , h i g hi n t e g r a t i o n , l o wc o s ta n df n p r o d u c t i o n , w h i c h g i v 臀b i r t ht os o m en e wt e c h n o l o g i 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 e ( s l w ) i so o f 曲bn o v e lg u i d e dw a v et e c h n o l o g i e s , c a p a b l eo ft h e d e s i g no ft h o s ed o i c e sr e q u i t i n gl o wi n r 6 l o s s ( i l ) ，l o wr a d i a t i o nl o s sa n dh i f g hqf a c t o r m a n y 牟d s s 髂i n c l u d i n gt l l es t a n d a r dp c bp r o c e s s , d l t c cp r o c e s s , t h i n - f i l mp r o c e s sa n dm e m se t c 锄 b ea p p l i e dt ot h ef a b r i c a t i o no fs u b s 们瞻i n t e g r a t e dw a v e g u l d e , w h i c hi sm u c hc h e a p e rt h a nt h a to ft h e c o n v e n t i o n a lm e t a l l i cr e c t a a g n t a rw a v e g u i d e c o m p a r e dw i t hm i c r o s t d p ，s l o tl i n ea n dc o p l a n a rw a v e g u l d e , s t l b s t f d t ei n t e g r a t e dw a v e g n i d ei sac l o s e d 蛐m c t i l 阳，w h i c hs i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo f 鲫f w e r c a p a c i t y , a sw e l la si n t e r f e r e n c e t of u l l e rr e d u c et h es i z e , an o v e lt e c l m o l o g yn a m e d h a l f m o d es u b s t r a t e i n t e g r a t e dw a v e g u l d e ”( h m s l v ow a sj u s tp r o p o s e db yt h es t a t ek e yl a b o fm i l l i m e t e rw a v e sw h i c h k e e p st h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n o eo f s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g n i d eb u tw i t ht h es i z er e d u c e db ya b o u t5 0 t h en e w l yp r o p o s e df o l d e dh m s i wf u r t h e rr e d u c e dt h es i z eb yn e a r l y5 0 i nt h i sp 獬w em a i n l yf o c u so n 艟c i r c u l a rp o l a r i z e da n t e n n ab a s e do os u b s t 咖i n t e g r 捌 w a v e g n i d e t or e a c ht h a t , t h e3 d bd i r e c t i o n a lc o u p l e r , a l t e r - p h a s i n gp o w e rd i v i d e ra n dt h er e s o n a n t 4 5 - d e g r e e sl i n e a r l yp o l a r i z e ds l o ta r r a ya n 钯n 舱a 坤s t u d i e di nd e p t h ap r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o nh a sa l s o b e e nd o n eo nt h ew - b a n da p p l i c a t i o no fs u b s t m t ei n t e g r a t e dw a v e g n i d e t h ew - b a n dt r a n s i t i o nb e t w e e l l 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 ea n dt r a d i t i o n a lm e t a l l i cr e c t a n g u l a rw a v e g n i d ea tw - b e n d ( 7 5 g h z l1 0 g h z ) i sd e s i g n e d c h a p t e ro n ep r e s e n t st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da sw e l la st h eo b j e c t i v e sa n dc m n e f l t so f t h i sp a p e r i nc h e e rt w o ，t h es l n l c t u r eo fs u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g n i d ei sb r i e f l yi n t r o d u c e da sw e l la st h e b a s i ca n a l y s i sm e t h o d t h ee q u i v a l e n tf o r m u l ai sv e r i f i e db yt h ei n s p e c t i o no fc i 吐o f ff 嘲嘲l 眵t h e nd 罅 东南大学硕士论文 t r a n s i t i o nb e t w e e ns u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d ea n dm i c r o s t r i pa tx - b a n di sd e s i g n e df o rt h er e s e a r c hi n f o l l o w i n gc h a p t e r s f i n a l l y , w em a i n l yf o c u so l it h ew - b a n dt r a n s i t i o nb e t w e e ns 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 ea n dm e t a l l i cw a v e g u i d e t h ed e s i g na n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n lt h e c o n s i s t e n to f t e s td a t aa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ec o r r 蝴o f t h ed e s i g n i nc h a p t e rt h r e e , t h er e s m m n t4 5 - d e g r e el i n e a r l yp o l a r i z e ds l o ta r r a yi sm a i n l yf o c u s e d t h ei m p e n d e n t a n dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fu n i ti n c l i n e ds l o ta r ed i s c u s s e d o nt h i sb a s i s a na r r a yd e s i g np r o c e d u r ei s p r o p o s e da n dt h e1 8a n d1x1 6a r r a ya 他d e s i g n e d i no r d e rt of u r t h e rt h ea r r a yd e s i g n , a8b r a n c h e s u l t e r - p h a s i n g p o w e r d i v i d e r i s d e s i g n e d t h e n t h e a r r a y i s e x p a n d e d t 0 8 l 6 i nc h a p t e rf o u r , o l lt h eb a s i st h ec o m p o n e n t sd e s i g n e da b o v e , t h e3 d b9 0 - d e g r e ed i r e c t i o n a lc o u p l e r , a l t e r - p h a s i n gp o w e rd i v i d e ra n dr e s o n a n t4 5 - d e g r e el i n e a r l yp o l a r i z e da n t e n n a , t h ec i r c u l a r l yp o l a r i z e d a n t e d d ah a sf i n a l l yb e e nr e a l i z e d t h ec o n s i s t e n to fe x p e r i m e n t a ld a t aa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h e v e r i f i c a t i o no f t h ed e s i g n 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 i r c u l a r l yp o l a r i z e da n t e n n a , s l o ta r r a y , 4 5 - d e g r e el i n e a r l y p o l a r i z a t i o n , d i r e c t i o n a lc o u p l e r , a l t e r - p h a s i n gp o w e rd i v i d e r , w - b a n dt r a n s i t i o n u 东南大学硬士论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 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 包含为获得东南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了谢意。 研究生签名：阜幺上毛嘉一e t 期：羔虹三驴 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内 容论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：篷) 垒是 导师签名期：d 0 8 1 2 , 0 第一章绪论 第一章绪论 本章将首先介绍相关领域的研究背景，包括微波电路的发展历史以及近年来基片集成波导 ( s i w ) 等新型传输线的发展，然后介绍本文的工作和内容安捧。 1 1 相关领域的研究背景 人类对电磁现象及其规律的认识经历了漫长的历程。中国古代典籍中就是不少关于电磁现象的 记载，如战陶末期的吕氏春秋中的“司南”，以及沈括梦溪笔谈中有世界上最早的关于地磁 偏角现象的记载。但古人对电磁现象的认识往往仅停留在感性层面。赢到1 8 5 6 年至1 8 6 5 年的十年间， 麦克斯韦( j c m a x w e l l ) 先后发表了论法拉第力线、论物理力线 和电磁场的动力学理论 三篇论文，建立起著名的m a x w e l l 方程，奠定了电磁学的基础【l 卅l 。在以后的一百多年里，电磁学理 论日趋完善，从而使得电磁技术和微波毫米波技术在工程中得到了广泛的应用1 5 - 7 1 。2 0 世纪4 0 年代雷 达技术开始被广泛应用于军事领域后，微波部件被大量应用于电子系统中，并且采取等效方法，将 微波部件由复杂的电磁场问题转化为相对简单的电路问题进行分析，其中以金属波导和微波同轴线 为代表的第一代微波电路技术受到了很大的关注和研究各种无源及有源微波器件得到了迅速的发 展，如滤波器、定向耦合器、匹配器、魔t 、吸收负载、谐振腔体、微波混频器、微波磁控管振荡器、 行波管放大器等上述微波器件具有高品质因数，低损耗，牢固的机械结构和高功率容量等优点， 然而这类导波结构在器件尺寸与生产成本上却不能令人满意。六十年代以来，无线电技术对小型化 的要求日趋迫切，改变以波导、同轴线为主体的微波系统已经成为当务之急。同时自微波印刷电路 出现后，由于半导体器件和薄膜工艺的发展，兴起了微波集成电路1 8 - “j 。此时微带线占据了重要地位， 它使尤源和有源器件可以方便地共面集成。作为微带电路的发展，相继出现的槽线，共面波导、内 嵌微带线等多种导波结构，它们可以应用在各种平面电路的场合 随着微波频谱利用的日趋拥挤，现代通信系统正在朝高频微波特别是毫米波频段发展。在这一 频段上对传输线的要求是损耗小、色散低，加工方便和易于集成。此时微带线的缺点就暴露出来了， 在这类电路中电磁波的泄漏和辐射比较严重，电路的插入损耗大、o 值比较低。金属波导的损耗大 大小于微带线的损耗，同时q 值较高，因此在很多微波、毫米波电路设计中还经常采用传统金属波 导元部件近十多年来，陆续出现了一些集成波导结构。如基于l t c c 工艺的层叠波导( l a m i n a t e d w a v e g u i d e ) ，杆壁波导( p o s t - w a l lw a v e g u i d e ) 和基于p c b 工艺的基片集成波导( 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 ，s i w ) 1 1 5 5 0 l 。基片集成波导继承了金属波导损耗小，o 值高的优点，同时也可以用平面 集成工艺实现。它可有效地实现无源元件与有源电路的共面集成，使微波毫米波系统小型化，甚至 可把整个微波毫米波系统制作在一个封装内，极大地降低了成本。与传统波导相比片集成波导微波 毫米波器件的加工成本十分低廉，非常适合微波毫米波集成电路的设计和大批量生产。 为了进一步减小尺寸，2 0 0 5 年提出了一种改进的结梅一半模基片集成波导( h a l f m o d e ls u b s t r a t e i n t e g r a t e d w a v e g u i d e h m s i w ) i ，l h ，目。这种新技术与原有的基片集成波导技术相比，在采用相同生 产工艺的条件下，在尺寸上获得了近5 0 的缩减。当基片集成波导工作在主模状态时，其沿纵向的 对称面可等效为理想磁壁，而由于基片集成波导的宽高比很大，沿对称面切开后的开口面上辐射非 常微弱，此时开口面依然可以近似为理想磁壁。于是沿对称面将其切开，其一半就构成了半模基片 集成波导。这种导波结构中传输的是主模t e l o 模的一半模式，即t f - o 模式，所以称为半模基片集成5 波导。通过研究发现：与原来的基片集成波导相比，新结构在传输特, o 性上没有明显的变化；同时由 东南丈学硕上论文 于将近一半的尺寸的缩减带来了介质损耗与金属损耗的减小，导致半模基片集成波导的插入损耗比 基片集成波导更小。 1 2 本论文的研究目的和主要工作 本论文的工作主要分为以下几个方面：1 ) 基片集成波导与其它传输线之问的转换器研究，包括 基片集成波导和微带线的转换器以及基片集成波导和传统矩形波导的转换器；2 ) 基片集成波导定向 耦合器和交叉相位功率分配器的研究；3 ) 基片集成波导谐振式4 5 度线极化缝隙阵列天线的研究；4 ) 基片集成波导圆极化天线的研究 本论文中主要的创新之处归纳如下： 1 提出了一种基片集成波导与传统金属矩形波导转换器的结构与设计； 2 提出了一种基片集成波导谐振式4 5 度线极化缝隙阵列天线的结构与设计； 3 提出了一种基片集成波导圆极化天线的结构与设计 上述成果中。基片集成波导与传统矩形波导的转换器工作在w 波段。其余均工作在x 波段上 述设计经过实验验证，性能良好，部分成果已在全国微波年会和a p m c 2 0 0 7 国际会议上发表，或投 稿i c m m t 2 0 0 9 国际会议，部分成果申请国家发明专利和实用新型专利 2 第二章基片集成波导和其它传输线的转换器设计 第二章基片集成波导和其它传输线的转换器设计 测试基片集成波导器件时，通常需要将其转接到微带线或者普通波导基片集成波导器件与其 它平面结构集成时，也需要将其过渡到其它形式的传输线。凶此，研究基片集成波导与其它传输线 之间的转换器就显得非常重要。本章首先介绍基片集成波导的基本结构与分析方法，随后设计了基 片集成波导到微带线的转换器，最后重点介绍w 一波段基片集成波导和传统矩形波导之问的转换器。 2 1 基片集成波导的结构分析 关于基片集成波导结构已有大量的研究成果，其中关于其导波特性也有不少深入的论述1 5 3 - 6 2 1 。 因此，这里只作简单介绍，便于后续章节的叙述。 圈2 - 1 基片集成波导和等效矩形波导 根据前人的研究，基片集成波导可以近似等效为矩形波导，如图2 - l 所示。设其通孔直径为击 通孔间距为印则其等效公式如下 脚= 帆“云蠡 d 磊一卣 磊“。1 9 8 + 巫0 i 3 4 6 忑5 磊= _ o 1 1 8 3 一甄1 2 7 2 9 点“撇一匦0 i 9 1 6 磊3 ( 2 1 ) 例如选取基片集成波导的宽度w s b p = 1 4 3 r a m ，金属化通孔直径d = o 4 r a m ，问距p = o 8 m m ，选用 相对介电常数为2 2 的r o g e r s 5 8 8 0 基片，利用式2 j 计算得到基片集成波导的等效矩形波导宽度为 1 4 0 4 6 8 m m 。我们对一段基片集成波导和矩形波导的直通性能分别进行了仿真，从截止频率的角度 对其进行验证，结果如图2 - 2 东南大学硕士论文 o 嚣4 0 蓄 l 。 70 o f q l e - 尥) 图2 - 2 截止频率法验证基片集成波导的等效宽度经验公式 从图2 - 2 可看到，基片集成波导和相应的等效矩形波导的截止频率几乎是一致的，因此该等效宽度 公式的合理性从这个侧面得到了验证。 2 2 基片集成波导与微带线的转换器设计 在测试基片集成波导低频( k a 波段咀下) 器件时，通常需要将基片集成波导转到5 0 欧微带线 再进行测试，如图2 - 2 图2 - 2 基片集成波导与5 0 欧微带的转接 在基片集成波导的宽度确定后，可选取微带渐变线的宽度聊印和长度上，印，以获取良好的匹配 鉴于前人已对此反复分析研究岬1 。本文不再赘述设计的原理与方法，仅根据后续章节所需设计与 优化了种转换器，表2 - i 是该转换器的结构参数，图2 - 3 为仿真结果 表2 - i i iw s i w p d h w r a pl t a p w m s i 2 2 l 1 4 3o 8o 4o 54 92 01 5 4 4 第二章基片集成波导和其它传输线的转换器设计 _ 瞧 o 毪 、 f- o - s 1 彤 e o - - 5 2 jj 一 斗 + 二0 一 i ：一 一氏 训、代7 一 0 一 二 | | f：m 、 l 6 , 06 57 07 58 , 0 5 d0 , 51 0 , 01 0 , 51 101 151 2 , 0 f m q ( g 嘲 图2 4 基片集成波导与微带转换器的仿真结果 2 3 基片集成波导与传统矩形波导的转换器设计 2 3 1 转换器的设计方案 在微波频段和毫米波低频频段，测试基片集成波导元部件时一般先过渡到微带线并通过2 4 m m 接 头或s m a 接头与测试仪器相连接，如矢量网络分析仪连接进行测试1 6 5 1 但在毫米波高频频段，如w 波段( 7 5 1 1 0 g h z ) ，目前的测试仪器一般部是矩形波导连接。因此，为了测试w 波段的基片集成 波导元部件，我们必须首先研制基片集成波导与标准金属矩形波导之问的转接器。k w u 等通过两端 不同高度的矩形波导作阻抗变换实现匹配，并在与基片集成波导连接部分用- - , j , 截陶瓷基片深入至 金属波导内部以进一步减小反射【拍l ，如图2 5 所示这种方案可在较窄的带宽内获得良好的性能 图2 - 5 谐振式矩形波导基片集成波导转换器 上述方案实现工艺较为复杂，且又是一种窄带结构。本文提出了一神新的w r - 1 0 波导与基片集 成波导转接器的实现方案，在整个w 波段获得了良好的性能，而且加工工艺相对简单如图4 6 所 示 5 o m 一曼芒j，譬墓坼 东南大学硕士论文 ( a ) 燕尾尖劈和基片集成波导部分 插入波导的燕 ( b ) 转换器结构图 图2 - 6w - 波段w r - 1 0 波导与基片集成波导转接器示意图 ( a ) 燕尾尖劈和基片集成波导部分( b ) 转换器结构图 图2 - 6 中，左边部分是一段普通w r - 1 0 波导和减高波导的过渡段。减高波导的高度等于基片集 成波导基片和上下两层金属的厚度之和。此外为了实现更好的宽带匹配，基片集成波导的部分介质 基片以对称尖劈状插入到w r - 1 0 减高波导过渡段，其长度为k 。伸入减高波导内的介质表面留有 一部分金属以减少场泄漏，长度为，一，如虚线框内图所示标准波导和减高波导之间有一段缓慢 下降的过渡段以减小反射，长度为l ，衔接处基片集成波导的宽度为矽。，斜线表示金属镀层， 厚度为f 由于彬。往往不是我们所需的主模工作频段，因此需将其渐变过渡到工作频段覆盖w 波 段的基片集成波导宽度矿。 利用h f s s 上述结构进行优化。得到结构参数的优化值如表2 - 2 所示仿真结果如图2 7 所示 表2 - 2 优化设计后的转接器参数( 单位：m m ) i 形。 h k t kk i3 t 22o 51 50 0 3 56o 5 6 笙三苎苎生叁生婆量塑茎窒竺堕丝竺茎堡矍墨盐 o 宣 嚣 一o 7 5 1 1 0 f r e q ( 馓) 图2 - 7 转接头的s 参数 从上图可以看出，w 波段反射系数低于1 0 d b ，其中，7 7 5 g i k 到1 0 7 5 g h z 之间低于1 5 d b ， 插损在i d b 以内 在实际的加工制作中，燕尾尖劈由于尺寸太小，无法机械切割，因此采用手术刀切割而成。波 导部分则由一块平整的铜块和铣出波导槽的铜块上下相合而成，如图2 - 8 所示整体结构如图2 - 9 所示 图2 - 8 机械加工波导结构图 ( a ) 倒置的上半部分( b ) 下半部分 7 东南大学硕士论文 图2 - 9w r - 1 0 波导与基片集成波导转接器实物照片( a ) 俯视( ”侧视 m ” f m 喇g 嘲 图2 - 1 0 仿真与测试结果比较 一对w r - 1 0 波导与基片集成波导的转接器加一段基片集成波导( 即：被测件为转换器一s i w 一 转换器的组合结构) 的s 参数测试结果如图2 1 0 所示，图中同时给出了仿真结果测试结果表明， 在w 波段全波段反射系数均小于1 0 d b ，并且在s 5 g h z 到1 0 0 g l - l z 频率范围内均低于1 2 d b 插入 损耗在全波段内低于2 5 d b 可满足大多数基片集成波导元部件的测试要求。 2 3 2 转换器的损耗分析 比较仿真结果和测试结果，发现仿真结果中的插入损耗较小，全波段均在l d b 以内，而测试结 果中的插擐却高达2 s d b 。仿真过程中仅考虑了介质损耗、铜材料的欧姆损耗以及基片集成波导金屡 化孔之间的场泄漏，而实际测试的插入损耗还包括各种因素 由于加工误差而导致波导的尺寸存在偏差，如图2 - 1 1 在实验中观察到，加工波导的高度要明 显大于标准波导的高度。这必然会造成一些回波损耗：该结构各部分结合不紧密也会导致一些场泄 漏从而引入插入损耗，同样如图2 1 l 所示；手工切割的介质燕尾尖劈会导致较大的反射和损耗；另 外，波导内壁表面和基片集成波导金属表面粗糙度引起的损耗。进一步减小插入损耗和回波损耗的 8 第二章基片集成波导和其它传输线的转换器设计 途径有：利用更高精度的加工工艺以减小实际尺寸与设计尺寸的误差，将波导部分镀金增加表面光 滑度，机械加工燕尾尖劈代替手工切割。 2 4 小结 图2 1 1 l 机械加工波导误差 本章介绍了基片集成波导的结构和分析方法，设计了x 波段基片集成波导与微带线的转换器， 并重点研究了w 波段基片集成波导与传统矩形波导转换器的设计方案，测试数据与仿真结果的一致 性验证了这种设计方案的正确性。 9 第五章基片集成波导谐振式4 5 度线极化天线设计 第三章基片集成波导谐振式4 5 度线极化天线设计 目前已有多种基片集成波导线极化天线研制成功1 6 7 - “1 ，它们都具有非常良好的性能，并且一般 均为垂直极化或水平极化。本章节将讨论一种新的天线形式谐振式4 5 度线极化天线。在无线通信 的基站系统中，经常使用4 5 度双极化天线。因此，这种天线在无线通信中具有应用前景。 3 1 矩形波导宽壁缝隙天线研究 在矩形波导宽壁上刻蚀的缝隙天线中，通常有三种可用的单元缝隙形式删，纵缝( 1 0 n g i t u d i n a l s l o t ) ，横缝( t r a n s v e r s es l o t ) ，斜缝( i n c l i n e ds l o o 谐振式缝隙天线的辐射主向一般是波导宽壁的 法向，极化方向垂直于缝隙，如图3 - 1 所示 、 辐射缝隙亡三亍享：三；j 厂t 电漉矢量。 ，；、 ( a ) e 眵 e j 、 ( b ) ( c ) 图3 - l 三种不同的缝隙形式( a ) 纵缝( b ) 横缝 ( c ) 斜缝 根据缝隙切割电流的方式，可以得到缝隙的等效电路模型。若缝隙切割的是横向电流( 纵缝) ， 它将缝隙两侧横向形成一个横向的压降，所以这种情况可等效成一个并联的电路。如图3 - 2 ( a ) 。同 理可得到横缝，斜缝的等效电路模型。 、 ， 辐射缝隙 亡= = = = 苎了 量乏力 ( a ) 丁一 i i ， 、 ，o扣t 东南大学硕士论文 n 0 7 憾_ ( b ) g ( c ) 图3 - 2 三种缝隙的等效电路模型 3 24 5 度斜缝天线单元设计 斜缝天线的模型图3 - 3 所示本章首先设计了单元缝隙。如图3 - 3 所示。 c a ) ( b ) 图3 - 3 单元斜缝( a ) 单缝斜缝模型( b ) 单缝的结构参数 通过调节缝隙长度h ，以及缝隙距中心的距离x ，可以获得比较好的谐振与辐射特性，如图4 由图3 _ 4c a ) 可以看出，反射带宽约1 1 0 m h z ，相对带宽约l 。图3 4 ( b ) 为斜缝单元的方向 图从中可以看出，若能通过一定的方式组成缝隙阵列，这种缝隙是可用的 1 2 第三章基片集成波导谐振式4 5 度线极化天线设计 = ； 一。 。l 、 一 ：、- 、 一i 叶fh + 一 l i “ i ( a ) 图3 - 4 单元斜缝的仿真结果 3 3 基片集成波导斜缝阵列天线设计 ( b ) ( a ) 反射系数( b ) 方向图 3 3 1 单条基片集成波导的斜缝阵列天线设计 此节将会讨论一种缝隙阵列的设计方法，原理如图3 - 5 所示。基片集成波导表面的4 5 度倾斜的 缝隙切割表面电流，缝隙内建立的位移电流产生辐射场。缝隙中心交错地摆在波导中轴线的上方和 下方，这样可以在有限的空间内摆放尽可能多的缝隙，有利于提高增益，缩小所需面积。在缝隙阵 列的设计中，为使y z 面方向图有较好的旁瓣抑制比，缝隙长度中问大且往两边递减呈对称分布， 即：若缝隙的数目是r ( n 一般选择为偶数) ，缝隙长度将符合下面一个关系： t “国；l m 似+ l - 0 ； “国= 厶h - 西口- j 函( 当i n 2 时) ； k 何= k 一0 - n 2 - 1 ) 嘲( 当却以时) k 为中间两条缝的长度，即第，以和第( n 2 + 1 ) 条缝的长度，舶。国指第i 条缝隙的长度。 c a ) ，11，忑训叫叫j 东南大学硕士论文 图3 - 5 缝隙阵列的设计( a ) 原理图( b ) 整体结构 在1 8 缝隙阵列的设计中，在选择初值的时候先假设这些缝隙之间没有耦合存在可令缝隙长 度厶b 尸 ，止i f 石1 7 l l ，西= o ，宽度w 卸7 m m ，以及缝隙的位置x = 口1 0 = a e 4 和，= 铲 招。其中，五为基 片集成波导中的导波波长。在调试的过程中，我们发现，缝隙长度厶h 和第一条缝离短路边的距离如对 谐振频率有较大影响，如，对方向图等影响最大，西对带宽的影响比较大。当然，情况并不是如 此绝对，各参数对各方面都会有影响，并且通常是方向图和反射带宽相互制约 由以上分析以及实际的调试经验，归纳出缝隙阵列的调试程序如下所示， 1 设定初始值，令厶h = ，夏+ 1 ) ，西= o ，x r - - o ( 或者选择一个较小值) ，i o = j e 4 ，以= 如= a 以 2 调节如使谐振频率落在所需点 3 调节x 使缝隙阵列的辐射方向图较好。 4 调节艘缝隙阵列有一个较宽的带宽。 5 调节使得辐射方向图和带宽较好。 重复步骤2 5 ，直到各项指标都不错，通常需要几轮细致调试才能取得满意的结果。 根据以上所述的设计过程，我们设计了一种i x 8 的缝隙阵列。同样我们使用相对介电常数为 2 2 的r o g e r s 5 8 8 0 基片，基片厚度为0 5 0 8 r a m 。基片集成波导的宽度w m w = 1 4 3 m m ，通孔直径0 a t o m 通孔间距0 8 r a m 其它结构参数如表3 1 所示。设计的实物如图3 - 6 所示，测试环境如图3 7 所示 实验中，我们采用如图3 - 7 所示的测试方法测试辐射方向圈及增益。将喇叭天线4 5 度倾斜，使 之辐射出与待测天线极化方向一致的4 5 度线极化电磁波，而接收端则是待测天线，以此测得辐射方 向图以及增益在测试交叉极化时则把喇叭天线转9 0 度，使之辐射的电磁波极化方向与待测天线 主极化正交，以此测得交叉极化电平 图3 - 8 ，图3 - 9 以及表抛给出了该天线的仿真与测试结果。图3 - 8 给出了反射系数的仿真与测 试结果，从中可以看出，从1 0 7 6 g h z 到1 1 1 6 g h z 之问s l l 均低于一1 0 d b ，共4 0 0 m h z ，相对带宽为 3 鹋缸图3 - 9 显示了该天线在频率1 0 , 9 1 g h z 时的辐射方向图以及交叉极化辐射方向图同时给出了 仿真和澜试结果，( a ) 图为x z 平面的方向圈，该图显示，在x z 面天线的半功率宽度( h p b w ) 为 8 5 度( b ) 图为y z 平面的方向图，该图显示，该天线在y z 面的h p b w 为2 2 度。y z 面波束比较 窄。是因为缝隙阵列是沿y 方向的如果需要x z 面的波束变窄，可对缝隙阵做横向( x 方向拓展) ： 图3 - 9 同时还给出了交叉极化电平，图中显示在半功率波束范围内，交叉电平低于1 7 d b ；表4 2 为 主向仿真方向性系数和测试增益，从中可以看出，在1 0 7 6 一1 1 0 6 g h z 之间，方向性系数高于1 0 7 d b i ， 增益高于1 0 2 d b i ，两者之间差值的最大值为0 9 d b i ，即插入损耗低于0 9 d b 。这个差损包含了反射 损耗，传输损耗，介质损耗以及接头的损耗等。 第三章基片集成波导谐振式4 5 度线极化天线设计 表3 1 1 x 8 缝隙阵列的参数( 单位：m m ) 阡台 r p d 矗 1 4 30 80 40 5 r a m 7 0 i l易x f 五 5 51 1 6l1 0 60 6 图3 - 61 8 斜缝阵列实物图 图3 7 测试环境c a ) 辐射喇叭天线( b ) 实验中的l 8 斜缝阵 盎 e ! 品6 抽 书 i 。 。 l i 警耋一 f 、ni ，一一- 、 ；、1 、一 j j， 、一7 、。 ， 1 0 ，1 0 o7 ，00o1o1 1 1 21 1 3 ”t j r q 图3 - 8 反射系数s 1 1 1 5 东南大学硕士论文 t 丌多矸f 下、o 南蟹忙蚓、 吣 弋 ，ll 、一 丘t i 爨 一 f l，。01 _ 一 、 褂： 一- 划二 。口一d f i i i i ，、 利f 、 ，； 血一 翁 l ，r 、|、 、l i t ： 矿、他f【v l ： f1 1 i 卜l ； i i 蚺相岫 c 艚啪 晴，n ( a ) ( b ) 图3 - 9 辐射方向图及交叉极化( a ) x z 平面( b ) y z 平面 表3 - 2 1 8 缝隙阵列的增益 if m q u e n c y ( g h z ) lo 7 61 0 s s1 0 9 l1 1 0 01 1 0 6 i d i r e c t i v i t y ( d b ) 1 1 6 7l i 7 81 1 7 64 31 0 7 3 l g a i n ( d b ) 1 1 1 8 1 1 3 7 1 1 3 61 0 5 6l o 2 7 和上面的所述的设计方向类似，我们设计了i x l 6 的谐振式4 5 度线极化天线同样，采用厚度 为0 s m m 的基片，基片集成波导宽度为1 4 3 r a m ，通孔直径0 4 r a m ，通孔问距为o 8 m m 其它天线 的参数如表4 - 2 所示。天线的实物如图3 1 0 所示，仿真及测试结果如图3 - 1i 至3 1 3 所示。 一 表3 - 3 1 1 6 缝隙阵的参数( 单位：m m ) 骄w