基于多层技术的毫米波喇叭天线与其阵列分析

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1、摘要摘要毫米波由于其波长短、频带宽、多普勒效应灵敏度高等优点，在雷达、无线通信等领域有着广阔的应用前景。本文以毫米波测速雷达为应用背景，对其中的收发天线阵列展开研究。所设计的天线采用多层技术，分别为LTCC技术和多层PCB技术，通过充分利用其三维结构特性，最终完成了小型化、高性能的毫米波阵列天线设计。主要研究内容包括以下几个方面：首先，采用LTCC工艺完成了高增益天线单元的设计。由于在毫米波频段，介质损耗较大，会降低天线增益，因此本文采用损耗较低的喇叭天线作为天线单元形式，并且充分利用LTCC的多层结构，设计了高增益的LTCC喇叭天线单元，并分别采用微带线和带状线为该

2、喇叭天线馈电，完成最优馈电方式设计。其次，基于不规则平面阵列的理论设计出高增益、低副瓣的阵列天线。由于雷达天线具有高增益、低旁瓣等特性，单个天线难以实现。而等幅激励的均匀阵列，旁瓣电平大约为-13.5dB，也不满足实际的应用要求。本文基于不规则阵列理论，提出心形阵列结构。该结构可提高阵列的方向性系数，实现阵列的高增益、低旁瓣特性，并且所占口径远小于同等性能的常规平面阵列。该部分研究成果已申请国家发明专利。第三，完成了阵列馈电网络的设计。高效率的馈电网络是阵列天线的设计难点之一。本文采用基于带线的多路耦合与功分结构，设计了高效率的馈电网络。3最终设计的LTCC心形阵列天

3、线性能优良，尺寸为24×21×1.6mm，相对驻波带宽约为22%，中心频率30GHz处，增益达到14.5dBi，旁瓣电平-22dB以下，波束宽度约为26°，在很小的尺寸上达到高的辐射效率与口径效率。第四，采用多层PCB工艺完成心形喇叭阵列天线的设计。最终所得天线阵列3性能优良，尺寸仅为32×39.3×4.8mm。在中心频率24GHz处，增益为14.1dBi，旁瓣电平-20dB，波束宽度30°，前后比达25dB。本文最后为所做工作的总结，并对下一步工作以及相关技术的发展趋势做了展望。关键词：毫米波，多层技术，喇叭天线，心形平面阵列，高增益低旁瓣IABSTRACTABST

4、RACTMillimeter-wavebandsarebecomingincreasinglyimportantinwirelessapplicationssuchasradar,imaging,andwirelesscommunicationsystemsduetotheshortwavelength,ultra-widebandwidthsandhighdopplersensitivity.Thethesisfocusesonthedesignoftransmittingandreceivingantennaarraysusedinthemillimeter-wa

5、vevelocityradars.TheantennaarrayfeatureslowprofileandhighperformancebyusingmultilayertechnologiessuchasLTCCandmulti-layerPCB.Thecontentsthesiscanbesummarizedasfollows:Firstly,ahigh-gainLTCCantennaisdesigned.Duetoconsiderabledielectriclossatmillimeter-wavefrequencies,arelativelylow-lossh

6、ornantennawithmulti-layerstructureisdesignedtoachievehighgain.Thedesignedantennaisthenfedwithmicrostripandstripelinestructuresrespectivelytoobtainoptimumperformance.Secondly,anantennaarrayfeatureshighgainandlowsidelobesisproposedbasedontheoriesofirregularplanearray.Aradarantennarequires

7、radiationcharacteristicsofhighgainandlowsidelobesthatmaynotbeachievablewithasingleelement.Aregulararraywithuniformamplitudesfeaturesasidelobelevelabout-13.5dBi,whichalsocannotmeetrequirementsinpracticalapplications.Aheart-shapedplanararrayisproposedinthisthesis,whichcanimprovet