基片集成天线及其阵列的研究

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1、基片集成天线及其阵列的研究东南大学博士学位论文姓名：徐俊峰申请学位级别：博士专业：电磁场与微波技术指导教师：洪伟20090511摘要博士生：徐俊峰导师：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)摘要现代通信、雷达等电子系统正迅速向小型化、轻量化、低成本、高集成度和高性能方向发展。因此，低成本、高性能、高集成度的平面微波毫米波技术越来越受到重视。微带线、共面波导等传统平面传输线为开放结构，高频损耗较大:传统金属波导电性能好却体积较大、难以与平面电路集成。吴柯教授等提出的基片集成波导(SubstratelntegratedWaveguide：SIW)技术由

2、于兼有波导优良电特性和平面集成的优势，迅速成为当前研究和应用的热点。基片集成波导可视为一种新型平面导波结构，传播特性与矩形金属波导类似，具有低损耗、低辐射、高功率容量等优点。此外，基片集成波导易于和其它平面电路共面集成，使微波毫米波系统小型化。基片集成波导由介质基片上的金属化通孔阵列所构成，可以利用普通印刷电路板(Printed或低温共烧陶瓷(LowTemperatureCo.firedCircuitBoard：PCB)Ceramic：LTCC)等工艺精确实现，且易于加工，适Integrated用于低成本量产。半模基片集成波导(Ha1fModeSubstmteWave

3、guide：HMSIW)技术是由东南大学洪伟教授等在基片集成波导基础上提出的一种集成度更高的平面导波结构。和基片集成波导相比，半模基片集成波导在保持优良电性能的同时尺寸缩小了约一半，因此可以使微波毫米波系统进一步小型化。此外，半模基片集成波导还具有一些独特的性质，如主模带宽宽、低频插损小等。本文基于基片集成波导和半模基片集成波导技术，研究了多种基片集成天线及其阵列的设计与实现。第一章首先研究了基片集成波导和半模基片集成波导的设计方法。介绍了论文所设计的三种不同转接方式。利用多线校准理论，对基片集成波导、半模基片集成波导的衰减特性进行了研究和分析。提出并研究了新型半模基

4、片集成波导漏波天线。实验测试结果和全波仿真结果的良好吻合验证了设计方法的正确性和有效性。部分研究成果已在IEEEAWPL上发表，并已提交发明及实用新型专利申请。.笫二章详细研究了基片集成波导低副瓣缝隙阵列天线。所设计的低副瓣天线利用单层PCB工艺，实现了结构紧凑的馈电网络和辐射单元阵列的共面集成。本章首先给出设计低副瓣天线所需的分布方式。介绍了适用于传统金属波导缝隙阵列的迭代理论方法。由于基片集成波导宽高比很大，这种方法不能直接给出基片集成波导低副瓣阵列天线的精确解，但可以给出缝隙参数的初值。在此基础上，利用全波仿真软件，优化设计了达到H而低副瓣要求的线阵天线。进一步

5、设计了结构紧凑的不等功率功分器，并经过面阵和馈电结构的整体全波仿真优化，抑制E面副瓣。最后给出了4X8、8X8和16X16阵列天线的详细设计结果。实测结果与仿真结果吻合良好，其中16X16阵列天线获得了低于.30dB的副瓣电平。测试和仿真结果表明，利用基片集成波导技术可以实现性能接近金属波导的阵列天线，同时还具备平面化的优势，因此在高性能通信和雷达东南大学博士学位论文摘要场合具有较高的实用价值。研究成果将在IETMicrowaves,Antennas已提交发明及实用新型专利中请。andPropagation上发表，并第三章提出了一种釆用平衡馈电的基片集成波导全向天线。

6、利用子阵的设计理念，将整个基片集成波导全向天线分成两个对称子阵，并采用平衡馈电方式以展宽工作带宽。首先设计了缝隙子阵列。然后针对基片厚度较厚，微带转接不合适的实际情况，设计了基片集成波导.共面波导转接，获得了易于实现的结构，具有良好的性能。最后设计了包括SMA接头在内的全向天线，研究了影响圆度的主要因素,比较了全向天线和子阵的带宽等性能。实测结果与仿真结果吻合良好,验证了全向天线的设计。全向天线具有良好的圆度，较宽的带宽和较高的增益。研究成果已在《电波科学学报》上发表，并己提交发明及实用新型专利申请。第四章研究了基片集成波导技术的毫米波高频段应用，设计并实现了w波段(

7、94GHz)多波束天线。与低频相比，w波段波长短，给天线的设计以及加工都带来了一些困难和挑战。本章首先研究了在较高频段，通过实验校准获得更加准确的介质材料特性参数，以及一些加工方面的实际考虑。设计并实现了单层基片集成波导.标准金属波导垂直转接，以便进行实验验证。研究并实现了单缝天线和八元、十六元线阵作为阵列天线设计的基础。然后设计了4X4But1er矩阵作为多波束天线的馈电网络。最后，设计实现了整个多波束天线，具有4X16个天线单元。实测结果与仿真结果吻合良好，验证了基片集成波导技术在毫米波高频段是一种很有竞争力的平面导波结构，在w波段仍然可以取得良