（电磁场与微波技术专业论文）基于基片集成波导的新型天线研究.pdf

硕士论文 基于基片集成波导新型天线的研究 摘要 随着现代技术的迅速发展，无线射频技术正在向高速、多频段、大容量方向发展。 这对微波电路的研究提出了新的要求，例如平面化、小型化、集成化等等。基片集成波 导( s l w ) 这种新型的传输线结构正好能满足以上所提出的新要求。在无线设备当中， 天线的设计占据着越来越重要的地位，本文对基于基片集成波导结构的一些新型天线进 行了研究和设计，得到了新的性能。将传统的波导缝隙阵列天线设计方法推广到基片集 成波导缝隙天线的设计当中，虽然可以得到与其相近的特性，但是由于基片集成波导的 低剖面和介质的填充效应，使得基于传统方法设计的基片集成波导缝隙天线的带宽较波 导缝隙驻波阵列天线更窄。本文利用中心馈电技术和电磁互补偶极子等方法展宽基片集 成波导缝隙天线的驻波比带宽，并且将基片集成波导结合波纹喇叭和设计出双波束圆极 化频扫天线。全文主要内容如下： 第二章简单介绍s i w 传输特性和基于s i w 缝隙天线的研究发展概况，并简要介绍 了这种天线的分析和设计方法。 第三章研究并提出了展宽s i w 缝隙天线驻波比带宽的展宽方法，其中包含两个部 分，第一部分是利用中心馈电技术展宽基片集成波导缝隙天线的带宽，第二部分是利用 电磁互补偶极子原理，进一步展宽s l w 缝隙天线的带宽。通过采用上述两种方法，能 够有效增加s i w 缝隙天线的带宽，最大带宽可达1 9 左右。 第四章利用基片集成波导并结合波导波纹喇叭，设计出一种结构简单，性能优异， 用于反射面系统的单脉冲馈源天线。该馈源克服了传统波导单脉冲网络复杂的设计，并 且有效降低设计难度以及制造成本。利用s i w 设计的单脉冲提取网络，结合s i w 缝隙 天线，从而实现了对波纹喇叭和差信号的提取。整个单脉冲馈源天线结构紧凑，利用多 模馈源喇叭有效地克服多天线单脉冲馈源的和差矛盾。 第五章利用s i w 设计一种具有极化分集功能的双波束频率扫描天线。这种天线在 某种特殊的场合可以克服全向圆极化天线效率低下以及窄波束天线的覆盖面窄的缺点。 双波束圆极化的s i w 缝隙天线利用基片集成波导传输行波的特性，在s i w 上下两个金 属面上刻蚀交叉型缝隙，实现两个波束同时随频率变化而扫描的功能。 文章中大部分结构均通过加工实测，证明了设计的有效性，并且给出了与仿真结果 的对比分析，对它们的优势和取得的进步以及其中值得改进的地方都加以说明。 关键词：基片集成波导( s i w ) ，天线，带宽，单脉冲，馈源，圆极化，波束扫描 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t l lt h e d e v e l o p m e n t o ft h em o d e r nt e c h n o l o g y , h i 曲一s p e e d ，m u l t i b a n da n d l a r g e - c a p a c i t ya r ct h em a i ni n t e r e s t so fw i r e l e s sr fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y l o w - p r o f i l e ， m i n i a t u r i z a t i o na n dh i g hi n t e g r a t i o ni st h en e wr e q u i r e m e n to fm i c r o w a v ec i r c u i ta n dt h e s u b s t r a t ei n t e r g r a t e dw a v e g u i d e ( s i w ) c o u l ds a t i s f yt h ea b o v er e q u i r e m e n t s t og u r a n t e et h e p e r f o r m a n c e so fw i r e l e s ss y s t e m ，t h ed e s i g no fa n t e n n ai sv e r yi m p o r t a n t i nt h i st h e s i ss o m e r e s e a r c h e so nt h ea n t e n n a sb a s e do nt h en o v e ls i wh a v eb e e nc a r r i e do u t a sam a t t e ro ff a c t , t h ed e s i g nm e t h o do fr e c t a n g l a rw a v e g u i d es l o ta n t e n n ac o u l db eu s e df o rt h ed e s i g no fs i w s l o ta n t e n n a h o w e v e r , t h eb a n d w i d t ho ft h ea n t e n n ab a s e do ns i wi sn a r r o w e rb e c a u s eo ft h e v e r yl o w - p r o f i l ea n de f f e c to fd i e l e c t r i cf i l l i n g i nt h i st h e s i s ，s o m et e c h n i q u e sa r ea d o p t e dt o b r o a d e nt h ev s w rb a n d w i d t ho fs i ws l o ta n t e n n a , s u c ha sc e n t e r - f e da n dm a g n e t i c - e l e c t r i c d i p o l ep r i n c i p l e t h es i wa n dc o r r u g a t e dh o r na r ec o m b i n e da n dad u a lb e a mc i r c u l a r l y p o l a r i z e df r e q u e n c ys c a n n i n ga n t e n n ai sd e s i g n e d 卫1 ew h o l et h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n g p a r t s ： c h a p t e r2i n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fs i wa n dt h ed e v e l o p m e n to fa n t e n n a sb a s e do ns i w o t 1 1 ed e s i g nm e t h o do ft h i sa n t e n n ai sa l s oi n t r o d u c e d c h a p t e r3p r e s e n t st h em e t h o d st ob r o a d e nv s w rb a n d w i d t ho fs i ws l o ta n t e n n a 砀e f i r s to n ei st h ec e n t e r - f e dt e c h n i q u et ob r o a d e nt h eb a n d w i d t ho fs i ws l o ta n t e n n aa n dt h e s e c o n do n ei st h e m a g n e t i c - e l e c t r i cd i p o l ep r i n c i p l e b yu s i n ga b o v em e t h o d s ，t h em a x i m u m b a n d w i d t h19 c o u l db ea c h i e v e d c h a p t e r4i n t r o d u c e san o v e lm o n o p u l s ef e e dw h i c hc o m b i n e st h ec o r r u g a t e dh o r na n d s i w sf e e dh a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l es t r u c t u r e ，g o o dr a d i a t i o np r o p e r t ya n dl o wc o s t w em a k eu s eo fs i wt op i c ku pt h em o n o p u l s es i g n a li nc o r r u g a t e dh o r n i tm a k e st h ew h o l e m o n o p u l s ef e e dm o r ec o m p a c ta n do v e r c o m et h ec o n t r a d i c t i o no fs u ma n dd i f f e r e n c ep a t t e r n c h a p t e r5i n t r o d u c e sad u a l - b e a mc i r c u l a r l yp o l a r i z e df r e q u e n c ys c a n n i n ga n t e n n ab a s e d o ns i w 1 1 1 i sa n t e n n ac o u l do v e r c o m et h el o we f f i c i e n c yo fo m n i d i r e c t i o n a la n t e n n aa n dt h e l i m i t e dc o v e r a g eo fs i n g l eb e a ma n t e n n a 砀es i wd u a l b e a ma n t e n n ac o u l dr e a l i z ef r e q u e n c y s c a n n i n ga sat r a v e l l i n g - w a v ea n t e n n ab ye t c h i n ga c r o s s e ds l o t so nt h em e t a lt o pa n db o t t o m p a l n e s s o m eo fa b o v ed e s i g n sh a v eb e e nf a b r i c a t e da n dm e a s u r e d t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i s a r es h o w ni n t h et h e s i s s o m el i m i t a t i o n sa r ep o i n t e do u ta n di m p r o v e m e n tm e t h o di s i n t r o d u c e d i i 璺士论文 基于基片集成波导新型天线的研究 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 ( s i w ) ，a n t e n n a , b a n d 砌h ，m o n o p u l s e ，f e e d ， c i r c u l a r l yp o l a r i z a t i o n ，a n db e a ms c a n n i n g i i i 硕士论文基于基片集成波导新型天线的研究 1 绪论 1 1 本课题的研究背景 微波毫米波技术已经经历了很长一段时间的发展，目前已经进入了一个全新的时 期。随着科学技术的不断更新和人们探索未知世界奥秘的进程不断加大，人们对微波技 术的发展也提出了新的要求。无线微波技术已经广泛成功地应用于人们生活的方方面 面，从最初的单纯军事应用，现在逐步扩展至更广阔的领域，例如无线通信，移动电视， 微波中继，导航等等一切无线领域，在可预见的未来无线物联网技术必然也会给人们的 生活带来更多的变化。 在微波毫米波技术当中，传输线是组成一切器件及系统的基础【l 】。不同的无线系统。 会相应选择不同的传输线作为传输能量的媒介。纵观微波传输线结构的发展，大致上是 从非平面的三维立体结构向着平面化、集成化的方向发展。非平面的导波结构包括矩形 波导、圆波导、同轴线、介质波导等；平面的导波结构包括微带线、带状线、共面波导、 槽线等。现代无线系统对系统的集成度、尺寸、损耗等指标的要求越来越高，而平面结 构电路非常适合系统混合集成，许多有源芯片也可以十分方便地集成在平面的传输线。 上，由平面传输线结合当前一些新技术例如l t c c ( 低温共烧陶瓷) 可以实现多层的互 联，从而达到很高的集成度，能够大大提高系统的整体性和一致性【2 】。 然而，由于当前的一些平面传输线都是属于一种开放式的结构，这样在高频频段由 于辐射损耗、导体损耗和介质损耗的存在，上述平面传输线结构很难在很高的频段例如 毫米波波段使用。在这个时候传统的空心波导形式显现出巨大的优势，由于是空心封闭 结构，不存在辐射以及介质损耗，而且通过表面处理也可以大大减少导体的损耗【3 1 。但 是这样的传输线在毫米波波导的应用也不可避免地碰到它难以克服的缺点，那就是加工 难度大，使得精度无法保证，产品一致性差，而且制作的费用高，加工的周期长。这样 的三维立体结构也不能使得系统一体化集成。 为了解决上述问题，人们做了很多探索和尝试，在上个世纪九十年代中后期，人们 相继利用l t c c 技术实现了层叠波导( l a m i n a t e dw a v e g u i d e ) 及其构成的与平面传输线 的转换结构和天线等【4 j ，随后h i r o k a w a 和a n d o 等人利用杆壁波导( p o s tw a l lw a v e g u i d e ) 实现对波导缝隙天线馈科5 1 ，这可以说是s i w 结构的原始模型。2 0 0 0 年以来，加拿大 华人学者吴柯教授等提出了利用p c b 工艺实现等效矩形波导功能的新型传输线【6 卜1 7 1 ，即 基片集成波导。它是利用在p c b 板材实现金属化的通孔等效实现金属壁的作用，这种 传输线有着与传统矩形波导相类似的传输模式。通过将之前的矩形波导的分析方法和设 计原理推广到s i w 上面，可以大大提高研究的进度。 l 绪论 硕士论文 s i w 这种传输线结合了平面传输线和三维波导传输线的许多共同特性。它能很方便 地与各种平面传输线相互连接 s l ，利用p c b 板的工艺就能够实现使用复杂数控机床才能 加工的波导结构。以s i w 作为传输媒介，既能够设计低损耗，高q 值的各种无源有源 器件和电路，同时利用s i w ，将矩形波导缝隙天线这种使用和研究都十分广泛的天线形 式推广到这种简便，低成本的工艺上来，用一般的加工工艺就可以设计出满足毫米波波 段加工要求的天线。而且已有的研究已经表明，使用s i w 技术设计的波导缝隙天线阵 列，有着与传统波导结构相近的性能，却有着低剖面，低成本等等优点【9 j ：另外，l t c c 这种新的工艺很适合使用基片集成波导传输线形式，将s i w 结合l t c c 实现多层化和 小型化，也是当前的一个研究热点。利用s i w 和l t c c 技术设计的毫米波阵列天线已 经有所报道l l u j 。 1 2 国内外研究现状 自2 0 0 0 年以来，基片集成波导作为一种新型传输线得到了很多人的关注，同时也 做了大量的基础研究，无源及有源器件和电路都有很多学者发表相关文献和报道。与此 同时基于基片集成波导阵列天线也有大量的研究。 众所周知，矩形波导缝隙天线由于其紧凑的结构，高的辐射效率和较低的剖面，在 各种无线系统诸如通信，雷达当中已经得到了十分广泛的应用【l l 】【1 2 1 。它的波束窄，且 方向图易于赋形，交叉极化低。在具有上述各种优点的同时，它不可避免地也有着自身 无法克服的缺点。相比平面型天线来说，波导缝隙阵列天线的体积较大，重量很重；其 次这种天线的加工成本很高，价格昂贵。而且当前的工艺在高频段加工出的试验件需要 反复的调试才能达到所期望的要求，所以批量生产的难度大。上述的缺陷导致了矩形波 导缝隙天线的造价成本高，这也限制了它更大规模的应用。基片集成波导有着与传统矩 形波导相近的传输特性，可以作为矩形波导的代替者。通过简单p c b 工艺实现等效波 导的功能，这使得利用基片集成波导制作的缝隙天线有着广阔的实际应用前景【1 4 】。 日本人h i r o k a w a 和a n d o 在1 9 9 8 年发表的文章中提出了一种利用杆壁波导馈电的 t e m 波缝隙天线，这种馈电形式实际上也就是s i w 的雏形【5 】。他们在随后也发表了一 系列利用这种技术设计的单层缝隙天线阵【1 5 】【1 6 1 。l iy a h 等人采用微带馈电设计了一个 4 x 4 的平面阵列【9 】，c h e n gy uj i a n 和c h e np e n g 等人利用s i w 设计了各种新型多波束天 线以及圆极化天线，在多波束上面主要是利用r o t m a n 透镜以及b u t l e r 矩阵原理构成波 束形成网络1 1 7 1 - 【1 酊，基于基片集成波导设计的毫米波单脉冲天线阵列也有所报道【1 9 1 。l u o g u oq i n g 等人详细研究了利用s i w 技术形成频率选择表面并基于s l w 设计了一种将天 线和滤波器集成的滤波天线【2 0 】。a m i tb o r j i 等人设计了一种利用基片集成波导馈电的微 带平面阵列，其优点就是降低了直接由微带馈电的损耗以及避免微带虚辐射对方向图的 2 硕士论文 基于基片集成波导新型天线的研究 影响，天线效率有所提高【2 。利用l t c c 工艺与s i w 技术相结合已经有很多学者在尝 试，新加坡陈志宁博士等人利用l t c c 技术设计一种多层的s i w 馈电腔体天线阵列， 这种天线阵列有效克服了s i w 缝隙阵列天线带宽窄，辐射效率低下的缺剧1 0 】。 除了上述一些关于s i w 天线的报道之外，研究人员还利用这种技术设计了在特殊 场合下应用的天线。例如s h ic h e n g 等人利用s i w 设计的一种7 9 g h z 可塑的天线阵列 1 2 2 1 ，这种设计利用特殊的工艺实现了天线可塑性，即可以以任意的角度弯曲，从而实现 了天线共形。y u a n d a nd o n g 和t a t s u oi t o h 将左手结构巧妙地移植在s i w 上面【2 3 】，利用 这种特殊的结构，先后设计了不同极化形式的漏波天线。这种能够工作在左手区域的漏 波天线相对于只能在右手区域工作的漏波天线来说，实现了天线波束更宽范围内的扫描 特性。m a s a t a k ao h i r a 等用s i w 设计了一种6 0 g h z 的具有波束赋形能力的宽带缝隙天 线 2 4 1 ，该种天线利用了类似于对数周期阵子天线的方法展宽了s i w 缝隙天线的带宽。 利用s i w 设计的各种漏波天线也是s i w 天线研究的一个热点。 圆极化天线已经被广泛地应用于无线通信系统当中。利用s i w 结构设计圆极化阵 列具有高效率、高增益等优点。相较矩形波导圆极化阵列，它具有低剖面、低成本的优 势。 1 3 本论文的主要工作 本文在介绍了基片集成波导的基本结构和组成的基础上，结合前人的工作，探讨了 几种常用的s i w 与其他平面传输线的转换方式，并作相应的比较分析。这是研究s i w 电路及天线的基础。由于s i w 缝隙天线是矩形波导缝隙天线的推广，那么对缝隙天线 理论的介绍也是必需的，所以对于波导缝隙天线的基本分析方法和理论基础也做了简单 的介绍。 在第三章中研究并提出了展宽s i w 缝隙天线驻波比带宽的展宽方法，其中包涵了 两个部分，第一部分是利用中心馈电技术展宽基片集成波导缝隙天线的带宽，第二部分 是利用电磁互补偶极子原理，从而进一步展宽s i w 缝隙天线的带宽。通过以上两种方 法的运用，能够有效增加s i w 缝隙天线的带宽，其中最大带宽达到了1 9 左右。 第四章利用基片集成波导传输线并结合波导波纹喇叭，设计出一种结构简单，性能 优异，用于反射面系统的单脉冲馈源天线。该馈源克服了传统波导单脉冲网络复杂的设 计，并且有效地降低了设计难度以及制造成本。利用s i w 设计的单脉冲提取网络，结 合s i w 缝隙天线从而实现了对波纹喇叭和差信号的提取。整个单脉冲馈源天线结构紧 凑，利用多模馈源喇叭有效地克服多天线单脉冲馈源的和差矛盾。 第五章利用s i w 设计一种具有极化分集功能的双波束频率扫描天线。这种天线在某 种特殊的场合可以克服全向圆极化天线效率低下以及窄波束天线覆盖面窄的缺点。双波 l 绪论 硕士论文 束圆极化的s i w 缝隙天线利用基片集成波导传输行波的特性，在s i w 上下两个金属面 上刻蚀交叉型缝隙，实现两个波束同时随频率变化而扫描的作用。 第六章总结以上几种天线的创新之处，并指出个别天线有待改进的地方。针对上述 天线欠缺之处，提出了今后的工作内容和改进方法。 4 硕士论文基于基片集成波导新型天线的研究 2 基片集成波导( s i w ) 结构和波导缝隙天线的简要介绍 2 1 基片集成波导结构的理论和传输特性 矩形波导是最早用于传输微波信号的传输线类型之一，而且在今天仍有很多应用， 虽然近年微波平面传输线在无线射频当中得到了相当广泛的应用，但是例如在大功率系 统、高频段如毫米波系统及一些精密检测应用中仍然需要大量使用波导作为基本的传输 线，这是由其本身固有的低损耗等优点决定的。规则金属波导是指有着各种截面形状的 无限长笔直的空心金属管，其截面形状和尺寸、管壁的结构材料及管内介质填充情况沿 其管轴方向均不改变。管壁材料一般用铜、铝等金属制成，有时其壁上镀有金或银【l 】。 矩形波导( r e c t a n g u l a rw a v e g u i d c ) 是截面形状为矩形的金属波导管，波导内通常以空气 填充( 如图2 1 1 所示) 。 图2 1 1 矩形波导 矩形波导可以传播t e 模和t m 模，且存在无限多的模式，关于矩形波导的场分布理 论可以结合边界条件对麦克斯韦方程组求解，具体的理论分析在【l 】中有详细分析。与其 他的导波系统相比，金属波导具有导体损耗和介质损耗小、功率容量大、无辐射损耗、 结构简单等优点，因而被广泛应用于3 g h z 一3 0 0 g h z 的微波毫米波波段的通信、雷达、 电子对抗、测量等系统中。但是金属波导也有着不可忽视的缺点，那就是体积和重量都 比较大，机械加工成本很高，而且也难以与其他平面有源电路和元件进行连接。另外， 多端口的金属波导器件由于宽带匹配比较难于实现，因此宽带的多端口波导器件的设计 也成为了一个难点。 传统的平面传输线结构如微带线、带状线和共面波导等具有易加工、制作成本低，很 容易实现微波平面电路集成化和小型化，但是这些平面传输线结构功率容量低、q 值不 高。针对传统金属波导和平面传输线的优缺点，近年来有些学者提出了新的结构设计平 台，这就是基片集成波导技术( s l w ) 。图2 1 2 为s i w 的结构示意图，s i w 结构上下两层 为金属面，两排并列的为周期性金属柱，相当于等效矩形波导的两个连续的导电壁【2 5 】， 上下两层是p c b 金属面，这和矩形波导结构相似。由于s i w 有着与传统矩形波导相等 5 2 基片集成s i w 结构和波导缝隙天线的简要介绍 硕：l 论文 效的结构，这两者不仅仅在结构上有相似之处，并且几乎具有相同的传播特性，其中s i w 的主模也为t e i o 模。针对s i w 传输特性也有许多学者做了相应的研究工作【8 1 。 图2 1 2s i w 结构图 文献 1 4 1 中给出了s i w 两排金属柱间隔口与波导结构的实验性的等效关系式如下： 舻毛+ 可飞赫 ( 2 川) 2 r ( 考3 一髻。) 考。：1 0 1 9 8 + ? 翌坠，考：- 0 1 1 8 3 一型生，毒，：1 0 0 8 2 一? 些l a 1 0 6 8 4 a 1 2 0 1 0 a 。0 2 1 5 2 ww 其中口是s i w 的宽度，口是与s i w 传输特性等效的矩形波导宽度，r 是金属柱半径， 形是相邻两金属柱的间距。 上述计算公式是建立在大量的仿真实验基础之上的，而车文荃教授和周雍教授等人 【2 6 】【2 7 1 通过解析矩量法，结合相关的物理概念，在只传输主模的情况下推导出了s i w 与 矩形波导的等效关系式如下： 口= 睾0 t ( 半4 a1 n 知 ( 2 2 ) 7 rq k 其中的参数意义与上述公式一致。在实际结构的设计中，为了防止s i w 产生能量泄 漏，金属柱的半径r 和问隔的取值要满足下面的条件： r 0 1 a 。， 4 r ，r 0 2 a ( 2 1 3 ) 其中，如为波导波长： 6 硕。 ：论文 基于基片集成波导新型天线的研究 铲丽 亿1 4 ， 久为截止波长。 当 4 r 时，s i w 传输的能 量则有少数从周期性的金属柱之间泄漏出来。所以一般在设计的过程中，我们严格控制 金属柱的间距 4 r ，从而保证能量没有泄漏。 s i w 结构作为一种平面导波结构，可以很方便地实现和其他平面传输线的过渡连接。 在实际应用中，常见的有到微带线、共面波导( c p w ) 等结构的过渡，而到微带的锥形过 渡较为简单易行。 ( a )( b ) 图2 1 3 ( a ) s i w 与微带线的t a p e r 过渡；( b ) 矩形波导与微带线的场型分布 图2 1 3 ( a ) 为微带线到s i w 的锥形过渡结构示意图，微带线传输的模式为准t e m 模， 而矩形波导为t e l o 模式，图2 1 3 ( b ) 显示了两种结构的电场分布图，通过锥形结构不断 过渡，可以很方便地用微带线来激励s i w 实现两种结构模式良好的转换，并且锥形过 渡的尺寸也可以采用商用仿真软件进行优化设计。 实际应用时人们发现，当介质板较厚时，由于相同阻抗值如5 0 欧姆的微带线金属导 带宽度会不断变宽，随着频率升高，长度加长，微带线的辐射损耗也会十分可观，因此 锥形过渡一般适用于介质板厚度较小、微带线较短的结构。对于介质板较厚的情况，可 以选择使用其他的过渡方式，如共面波导的过渡方式【8 i 。 7 2 基片集成s i w 结构和波导缝隙天线的简要介绍 硕士论文 - - - 一e l e c t r i cc u r r e n t 图2 1 4s l w 与c p w 过渡结构 图2 1 4 所示的是由s i w 向有地共面波导( g c p w ) 过渡的结构。通过上图我们可 以看出，电流通过探针耦合至s i w 之上，而后产生磁场，进而在s i w 当中激励起主模 t e l o 模。将这种探针连接g c p w 和s i w 的方式的应用到高厚度的介质基板上是十分有 效的，它能避免由于微带线导体带过宽导致的辐射损耗过大的问题。 2 2 波导缝隙天线阵列理论分析 由以上的分析我们可以看出，s i w 结构与矩形波导存在很多相似之处，那么在研究 基于s i w 的缝隙天线的时候，可以直接将波导缝隙阵列的理论推广至s i w 上，这样可 以大大缩减工作量，提高研究的进度。波导缝隙阵列天线早在上个世纪4 0 年代已经有 人做了探讨，但是受到当时计算和加工条件的限制，研究的进展并不是很大，多是集中 在波导裂缝单元的特性分析上面。1 9 4 8 年s t e v e n s o n 在一篇经典文章中建立了矩形波导 内的g r e e n 函数【2 8 】，他证明了单缝t e l o 模的散射是对称的，可以将缝隙表示成为传输 线上的并联单元，同时得到了单缝谐振电导的计算公式。在这之后的几十年中，波导缝 隙阵列的理论一直没有巨大的突破，直到r o b e r ts e l l i o t t 等人的卓越贡献，使得平板缝 隙天线阵列的理论水平得到了大幅度的提升。随着计算技术的飞跃式发展，加上商用电 磁计算软件的普及，裂缝天线的设计也得到了很大的推动。这可以让天线设计人员将复 杂的理论设计与电磁软件相结合开发出新的设计方法，从而完成波导缝隙阵列的设计工 作。 2 2 1e l l i o t t 设计方法简介 e l l i o t t 在连续发表的三篇文章当中详细阐述了波导缝隙阵列天线的设计方法1 2 9 。【3 ， 并作了系统性的概括。他将缝隙等效成带状偶极子天线，从而推导出缝隙阵列的互阻抗。 利用有源导纳建立了缝隙阵列天线计算的三个公式，概括的来说为以下几个方面。 第一个设计方程： 8 硕士论文基于基片集成波导新型天线的研究 第二个设计方程： y ： 一= 6 0 筹r ( x 揣) g + ，k ( 酬麓苦跳 )。，。、“九7 鲁睇一”一一一一7 第三个设计方程为匹配方程： 式中 宇- 野a - ：p 智g o m 沪高器s m c 争 酏岛“吐c o s 彘高 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 其中局为比例常数，y 是等效传输线在缝隙中心处的模电压，认为对每个缝隙它都 是相等的，g 口是波导的特征电导，盯是缝隙的激励电压，砰为第r 个缝隙的有源导纳。 a , b 分别是波导横截面的宽和高。，厶分别是缝隙相对于波导中心的偏执和长度。k = 2 衫2 0 , , 8 1 0 = 2 r 2 9 , 以是波导波长。p 是一个常数，当馈电形式端馈的时候p = l ，当中心馈电的时候 p = 2 。波导缝隙阵列天线的设计可以分成以下步骤，首先根据需要确定缝隙的口径分布， 然后将孤立缝隙的导纳数据作为初始量结合上述三个公式即可确定各个缝隙的偏执和 缝长。 需要指出的是，利用上述三个公式求解波导缝隙阵列的问题时，对各个缝隙互耦的 求解是计算的关键，而解互耦是一项十分复杂而繁琐的过程，需要设计人员具有相当水 平的编程能力，而且如果处理不好还会出现无解的情况。因此，为了更简单的设计中小 规模的缝隙阵列，当出现了当下如此优秀的电磁计算软件和计算机水平突发猛进的时 候，结合商用软件设计中小规模的波导缝隙阵列，不失为一种提高设计效率的有效方法。 这种方法也可以被称作等效电路方法。 2 2 2 利用电磁软件结合等效电路设计波导缝隙阵列p 2 l 我们知道波导缝隙阵列的等效电路是一串并联在传输线上的电导。正是由于波导缝 隙阵的这种等效性，我们才可以精确控制各个缝隙的口径分布，以达到期望的赋形要求。 9 7 w 丁 、，l 乙 产 ， ， x ， k = 4 一 o l g 2 堆片集成s i w 结构和波导缝隙天线的简要介绍 硕士论文 利用电磁仿真软件如h f s s 、c s t 等可以提取缝隙的有源导纳，利用有源导纳值直接设 计波导缝隙阵列，也可以到达令人满意的效梨3 引。 辐射缝隙短路面 图2 2 1 波导缝隙阵列天线的等效电路 上图所示的是端馈波导缝隙阵列天线的等效电路图，由上图我们可以看出，波导宽 边的纵向缝隙可以等效成一系列并联在传输线的上的等效导纳。缝隙的间距是半个波导 波长五以，由于缝隙是交替分布，这样就可以保证阵列单元的同相位分布。最后一个缝 隙距离短路面的距离是四分之一个波导波长。由于间距比较近的辐射缝隙的互耦比较严 重，对整个阵列的匹配将产生很大的影响，因此在设计的时候要将缝隙的互耦直接考虑 进去。由于每个缝隙的阵中相对位置是不同的，所以对每个缝隙来说其互耦的大小也是 不尽相同的，那么等效的导纳值也会不一样。但是由于在设计中小阵列的时候，如果对 天线方向图的副瓣电平的要求不是十分的苛刻，假设所有缝隙的互阻抗值相等，也可以 达到一定的设计精度。 结合等效电路模型，利用h f s s 等电磁仿真软件就可以提取实验阵列的等效导纳即 有源导纳。在试验波导上开一系列如上图所示的缝隙阵列，利用软件计算之后可以得到 端口的输入电导值，下面将详细介绍如何得到每个缝隙的等效导纳。 如前假设每个缝隙的有源导纳是相等的。根据电路理论，距离负载距离为d 的参考 面的输入阻抗为 z ) - z 。黑 ( 2 2 - 4 ) 归一化输入导纳 蹦炉镒 ( 2 2 5 ) y l 是负载导纳，是相位常数。对于长度为，。的短路负载来说y i ( ，) = _ _ 条，所以图 t a n ( d fl l o 硕士论文 基于基片集成波导新型天线的研究 2 2 1 当中的归一化如入导纳y i n l 为 儿t2 面而w 相应的 j ，折：= f y , 瓦+ j i t a n ( 画i 1 1 ) + y 则第n 个缝隙的归一化输入导纳的递推公式为 y 栅= m 州) ) = i y m ( n 瓦- , ) + 面j t a n ( f 1 1 ) + y 波导输入端口处了输入导纳 1 ，：y 肼+ j t a n ( i l l ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 其中是第个缝隙距离端口的距离。因为当= 以时 y 胁= 旨( 2 2 1 0 )虼2 蒜 当，= 职时，有y m r 一砂。 这样就可以得到端口出的总的输入导纳 y 所= 旦1 + j 塑n y t a n ( i l l ) ( 2 2 1 i )y 所2 ( 2 2 1 1 ) 所以等效导纳 户褊 q 2 - 2 )。 ( 1 + s 。1 、7 通过推导，我们得到了阵中缝隙的等效导纳的表达式，使用电磁仿真软件可以得到单 个缝隙线阵的研j ，便可以求得每个缝隙的有源导纳。经过阵列理论综合的缝隙激励电 平分布可以求出每个缝隙的电导，从而确定每个缝隙的偏置和缝长。 这种方法应用在s i w 这种极低的剖面和介质填充的缝隙阵列当中是否可行呢? 下 面通过一个简单的例子来说明该方法的适用性。 在高度为2 m m ，相对介电常数2 6 5 的介质板上，设计一个中心频率为9 3 7 5 g h z 的一维线阵，缝隙的单元数目为1 2 ，取集成波导的宽度a = 1 5 3 2 m m ，两个金属柱间距 w = 2 m m ，金属柱的半径r = 0 5 m m 。通过公式( 2 1 2 ) 计算得到其等效的波导宽度为 a = 1 5 4 m m 。由于直接用周期性结构的计算量十分庞大，利用s i w 与波导的等效性，直 接将其等效成宽度为口的矩形波导来设计可以大大减少计算时间。 首先利用阵列的综合的方法得到阵元数目为1 2 ，副瓣电平为3 0 d bc h e b y s h e v 分布 2 基片集成s i w 结构和波导缝隙天线的简要介绍硕士论文 的归一化激励电平值。由于是对称分布的，所以只需给出一半的电流分布。从阵元中心 至两端的编号依次为：1 、2 、3 、4 、5 、6 。缝隙的电导分布可以由晶：之l 计算得到。 圪 n = l 表2 2 1c h e b y r s h e v 电平分布 编号l23456 电流 1 0 0 0 00 9 1 5 2 9 0 7 6 2 8 5 0 5 7 2 0 1 0 3 7 6 6 6 0 2 6 4 0 9 归一化电导0 1 6 9 0 00 1 4 1 5 80 0 9 8 3 50 0 5 5 3 00 0 2 3 9 8o 0 1 1 7 9 1 2 1 l 卫 1 0 嚣 0 麝 1 0 莲眦 0 d 9 鼻 9 五 o - 1 0 ： i j 。 矿 ! ”： ，卜 f 卜 。一 卜 沁f 1 删 i 肭 ，_ 一 o 1 53 05印7 59 0 ! f 1 51 2 01 3 51 5 01 6 5 a o d e g 图2 2 2 理论的c h e b y 7 s h e v 分布方向图 - ； ： ： j r ； ； 。 ； i 一 j ， 0 30 0 50 60 20 80 91 01 i 2 1 3 1 i 5 爿，和爿l 图2 2 3 阵中缝隙谐振长度随偏置的变化 硕士论文基于基片集成波导新型天线的研究 图2 2 4 阵中缝隙归一化谐振电导随偏置的变化 其次，利用h f s s 有限元仿真软件，建立一个等效波导缝隙阵列的模型，波导的上 表面刻蚀有1 2 个纵向缝隙。我们逐步将缝隙的偏置x 从0 4 m m 开始每个0 1 m m 至 1 4 m m ，优化得到阵列谐振状态下的每个缝隙的谐振长度，在优化的过程中保证每个缝 隙的偏置和长度都是一致的。这样就可以得到一组阵列缝隙的在有源谐振状态下的谐振 长度和每个缝隙的谐振电导，计算方法如上所述。图2 2 3 和2 2 4 分别给出了阵中缝隙 的谐振长度和阵中缝隙的归一化谐振电导随缝隙偏置的变化曲线。 由上面两个图，经过曲线拟合，可以得到阵中缝隙谐振长度和归一化电导关于缝隙 偏置的两个四次多项式分别为： l ( x ) = - 0 1 2 6 7 5 9 + 0 3 7 0 3 3 x 一0 0 7 11 6 2 x 2 + 0 0 6 4 2 2 3 x 3 ( 2 2 1 ) g ( x ) = 8 4 2 3 3 3 3 + 4 4 7 6 6 7 x 一4 16 6 6 6 7 x 2 + 1 5 8 3 3 3 3 x 3( 2 2 2 ) 根据表2 2 1 中的电导分布，结合公式( 2 2 2 ) 解方程，可以得到在不同电导分布情况下 的缝隙偏置，然后由计算得到的缝隙偏置代入公式( 2 2 1 ) ，可以计算得到各个缝隙的长 度。由以上过程得到的缝隙的偏置和缝长如表2 2 2 中所示。 表2 2 2 缝隙偏置和长度 编号123456 偏置x m m0 8 3 2 00 7 5 9 40 6 4 1 00 5 1 9 00 4 2 8 70 3 9 3 0 缝长l m m 1 0 1 7 5 61 0 1 1 3 5 9 9 9 8 09 8 4 6 09 7 0 1 09 6 4 0 0 i - 一 一。杰r 一。适一 f j 举车 j ， v l t 一一 o o o 一 r p 。：n 1 攀摹i t 懿引一 e 帅- p l a n e 疆i ! t | 1；- 一；一- 车 r r f ” 贰 - ”r 觥黑二主二： 孔前 l-么1 tl 抖 w ”r i。r 一罗丫? ll ； l 。 图2 2 5 仿真的一维线阵辐射方向图 ： x ： z ；、；| i ii；l z1 曼u i 。 疆膳0 盯疆” 一奠，z ；| | j “f 玛藉 - ：f _ i 慕 ，” x j 嚣v _ _ _ o _ _ 8 ，9 m 9 1 9 29 39 19 59 五9 了9 暑9 9 f m q ( o h z ) 图2 2 6 仿真的一维线阵端口反射系数 由图2 2 5 和2 2 6 可以看出，仿真的辐射方向图第一副瓣相比较最大辐射方向相差 3 0 5 d b 左右，端口的反射系数在9 2 9 6 5 g h z 范围之内小于1 0 d b ，各项参数基本满足 设计要求。这说明利用电磁仿真软件结合等效电路的方法设计低副瓣的s l w 缝隙线阵 是可行的。由于s i w 的介质填充效应，缝隙阵列的互耦相较普通的波导缝隙阵列将会 更加严重，如果不考虑互耦直接设计阵列，不仅辐射方向图达不到预期的要求，而且端 口的反射会由于互耦恶化得十分严重。而利用电磁仿真软件首先建立模型，提取阵中缝 隙的有源导纳是在设计之前就考虑了缝隙的互耦，这样在设计中小规模的缝隙阵列的时 候还是十分有效的。 1 4 s o 5 o 6 o 5 o 5 o 5 o 5 - 仔 协 5 o 弓 啪 * 啪 氆 啪 娟 啪 啪 ci絮山 硕士论文 基于基片集成波导新型天线的研究 2 3 本章小结 本章主要介绍了基片集成波导( s i w ) 组成结构和它与矩形波导的等效性。利用它 可以与矩形波导等效的特性，将矩形波导缝隙阵列设计的一些方法推广至s i w 缝隙阵 列天线当中去。在此基础上，简单介绍了利用e l l i o t t 的三个方程设计波导缝隙阵列和利 用电磁仿真软件结合等效电路的方法设计缝隙阵列的方法。最后给出了一个利用电磁仿 真软件设计s i w 一维缝隙阵列的设计过程，仿真的结果表明，该方法用于与s i w 缝隙 阵列天线设计是有效的。 1 5 3 基片集成波导( s i w ) 缝隙天线带宽的展宽方法 硕上论文 3 基片集成波导( s i w ) 缝隙天线带宽的展宽方法 3 1 利用中心馈电技术展宽s i w 缝隙天线的带宽 基片集成波导缝隙天线在分析和设计方法上和矩形波导大同小异，同时它也继承了 波导缝隙驻波阵天线的缺陷，那就是较为窄的带宽。由于s i w 这种结构是波导中间填 充介质的，所以造成缝隙之间的间距相较之于空心波导会更小，这样阵元之间的互耦将 会进一步增强，加上介质的填充效应和较低的剖面结构，这会使s i w 缝隙阵列的带宽 更加恶化。这些因素导致了s i w 缝隙阵列天线的带宽一般在3 左右【3