陣列天線與饋電網(wǎng)絡(luò)的共面集成新技術(shù)研究.pdf

1、在二十世紀(jì)的最后十幾年里，隨著高性能計算機(jī)與高精密機(jī)械及光電加工工藝的進(jìn)步，電磁場與微波技術(shù)的研究得到了飛速的發(fā)展，在實際生活中的應(yīng)用也越來越廣泛?，F(xiàn)代微波毫米波系統(tǒng)的體積越來越小、功能越來越全，在保證性能達(dá)標(biāo)的前提下，從整體上更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的小型化，高集成度，低成本和高可靠性。這種來自實際應(yīng)用的要求對科研部門提出了新的課題，從而促進(jìn)了一批新技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展。 基片集成波導(dǎo)(SIW)是近十多年來出現(xiàn)在微波毫米波領(lǐng)域內(nèi)的一種具有插入損

2、耗小、輻射低、功率容量高等優(yōu)點的集成于介質(zhì)基片中的新型導(dǎo)波結(jié)構(gòu)?；刹▽?dǎo)結(jié)構(gòu)具有與填充介質(zhì)的金屬矩形波導(dǎo)相似的傳播特性，但可以有效地實現(xiàn)無源器件和有源器件與電路的共面集成，甚至可以實現(xiàn)微波與毫米波系統(tǒng)的單板集成(SiB),同時，該結(jié)構(gòu)完全由介質(zhì)基片和其上的金屬化通孔陣列構(gòu)成，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的印刷電路板(PCB)工藝、低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝以及薄膜(Thin-Film)工藝來進(jìn)行加工。在加工成本方面，這幾類工藝與傳統(tǒng)的波導(dǎo)形式微波

3、毫米波器件相比具有明顯的優(yōu)勢；在頻率較高的頻段內(nèi)，優(yōu)勢更加突出，非常適合微波毫米波電路的高集成設(shè)計與批量生產(chǎn)。因此，作為一種新技術(shù)，基片集成波導(dǎo)為微波毫米波系統(tǒng)的集成化、小型化與低成本大規(guī)模量產(chǎn)提供了一種新的途徑。 為了進(jìn)一步減小尺寸，提高集成度，最近東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室洪偉教授等提出了一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)——半?；刹▽?dǎo)(HMSIW)。利用基片集成波導(dǎo)工作在主模狀態(tài)時其縱向中心對稱面可等效為磁壁的特性，在結(jié)構(gòu)上可以沿中線分

4、割成對等的兩個半模導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，也就是半?；刹▽?dǎo)。新結(jié)構(gòu)在尺寸上較原有的基片集成波導(dǎo)減小約50％，同時保持了基片集成波導(dǎo)的優(yōu)良性能。 本文針對基片集成波導(dǎo)技術(shù)研究陣列天線與饋電網(wǎng)絡(luò)的共面集成這一研究方向，特別地深入研究了共面集成所涉及到的基片集成波導(dǎo)傳輸線、不連續(xù)性、功率分配器、電橋、定向耦合器、縫隙陣列天線等，并對半?；刹▽?dǎo)的傳輸特性、器件設(shè)計也開展了初步的分析研究。 第一章介紹了基片集成波導(dǎo)的工作原理，比較了

5、基片集成波導(dǎo)與半模基片集成波導(dǎo)各自的特點；結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗對基片集成波導(dǎo)、半?；刹▽?dǎo)與微帶之間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行了分析設(shè)計，輔以實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對比驗證。 第二章介紹了基片集成波導(dǎo)定向耦合器及半?；刹▽?dǎo)定向耦合器的設(shè)計。提出并設(shè)計了下列器件：基片集成波導(dǎo)180度三分貝定向耦合器、半?；刹▽?dǎo)90度三分貝定向耦合器、半?；刹▽?dǎo)90度雙縫三分貝定向耦合器、不同耦合度的多種半?；刹▽?dǎo)連續(xù)耦合定向耦合器、工作在C波段

6、、X波段、Ku波段和Ka波段的180度三分貝定向耦合器以及一種采用半?；刹▽?dǎo)設(shè)計的混合環(huán)結(jié)構(gòu)。所有設(shè)計與仿真結(jié)果都進(jìn)行了實驗驗證，實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的一致驗證了設(shè)計的正確性。 第三章針對基片集成波導(dǎo)平面天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，設(shè)計了交替相位的雙路、四路均勻饋電功率分配器，以及三十二路線性混合非均勻饋電功率分配器。在這些研究基礎(chǔ)上，針對基片集成波導(dǎo)功率分配器面積較大的不足，利用半?；刹▽?dǎo)技術(shù)設(shè)計了兩種三分貝功率分配

7、器、等功率T形結(jié)、六分貝四路串聯(lián)功率分配器和六分貝線性混合等功率四路功率分配器。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果均表明這些功率分配器不僅具有尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，同時在功率均衡度方面亦有良好的特性。 第四章在結(jié)合了前述多種基片集成波導(dǎo)器件的基礎(chǔ)之上，提出并設(shè)計了Ka波段毫米波基片集成波導(dǎo)單脈沖天線。整個天線包括和差網(wǎng)絡(luò)、功分網(wǎng)絡(luò)、縫隙天線陣、各種基片集成波導(dǎo)傳輸線段與不連續(xù)性等在內(nèi)，均集成在一塊單層、面積為14cm×13cm的印制電路板(P