基片集成波導多波束陣列天線的研究.pdf

1、多波束天線在雷達、衛(wèi)星通信、導彈制導、移動通信、空間探測、全息成像等領域獲得了廣泛的應用，但至今為止尚沒有一種完全合適的技術能滿足其對結構和性能的雙重要求，這一矛盾在毫米波頻段顯得尤為突出。普通平面電路制成的多波束天線能滿足當前集成電路的發(fā)展趨勢，但存在高傳輸損耗、高輻射損耗等諸多問題，很難在毫米波段保證工作性能；金屬波導制成的多波束天線固然擁有優(yōu)異的性能，但其立體笨重的結構越來越不適應電路集成化的發(fā)展趨勢。本文試圖找到一種合適的技術來

2、實現(xiàn)共基片多波束陣列天線以解決這一矛盾。基片集成波導（Substrate Integrated Waveguide，SIW）既擁有類似金屬波導結構的優(yōu)異性能，又擁有平面電路的諸多優(yōu)點，是實現(xiàn)波束成型網(wǎng)絡和共基片集成多波束陣列天線的最佳選擇之一。論文的主要工作如下：
　　 第一章首先簡要回顧了基片集成波導的結構及其設計公式。然后，利用靈敏度分析法對基片集成波導的容差問題進行了深入分析，討論了基片集成波導各參數(shù)對電路性能的影響。其次

3、，分別利用熱傳導理論和導波場理論首次對基片集成波導的平均功率容量(Average Power Handling Capacity,APHC)和峰值功率容量（Peak Power Handling Capacity,PPHC）進行了研究，并分析了基片集成波導彎角和濾波器的功率容量問題。本章部分內容已在IEEE Trans.Adv.Packag.和Asla-Pacific Microw.Conf.上發(fā)表。
　　 第二章對基片集成波導

4、移相器進行了深入的研究。移相器是波束成型網(wǎng)絡中的關鍵元件，本文試圖用基片集成波導技術來設計平面波束成型網(wǎng)絡，因而需要高性能的基片集成波導移相器。在這一章里，我們研究了幾種基片集成波導移相器，詳細分析了它們的相移原理，在此基礎上設計了兩種全新的移相器結構——等長不等寬移相器和自補償移相器。從實驗結果可看到，這兩種全新的移相器具有遠優(yōu)于其它移相器的性能。尤其是自補償移相器，測試結果表明幾乎在整個Ka頻段內都具有很好的相移平坦度，并且保持了較

5、好幅度均衡度和較小的插入損耗。而等長不等寬移相器的結構和設計過程更為簡便，其在兩個等長度的通道間能產生所需的相移并保持10％左右的相對帶寬，可以滿足大部分非寬帶器件的需求。本章部分內容已在或將在IEEE Trans.Microw.Theory Tech、IET Microw.Antennas Propag.和lEEE MTT-S Int.Microw.Symp.上發(fā)表，已獲一項實用新型專利授權并已提交一項發(fā)明專利申請。
　　 第

6、三章研究了基片集成波導在單脈沖天線中的應用。在現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中，單脈沖跟蹤技術是最準確的電子定向技術之一。單脈沖天線也是一種多波束陣列天線，其擁有兩個信息通道（即：“和”通道和“差”通道），相應的需要一個和差比較網(wǎng)絡（可視作波束成型網(wǎng)絡）來實現(xiàn)“和”波束和“差”波束?；诮饘俨▽гO計的和差比較網(wǎng)絡性能極佳，但其成本、體積、加工難度均存在一定的問題?；谖У绕矫骐娐吩O計的和差比較網(wǎng)絡在結構上能充分滿足當前微波集成電路設計的需求，但在功率傳

7、輸過程中會引起較大的損耗和不必要的輻射。在本章里，我們基于基片集成波導結構設計了幾種單脈沖天線，實驗結果表明其性能優(yōu)異、無不必要的輻射。它們分別是：正反線性漸變槽單脈沖天線陣、雙V線性漸變槽單脈沖天線、多?；刹▽蚊}沖饋源和94GHz基片集成波導單脈沖天線陣。本章部分內容已在IEEE Trans.Antennas Propag.、IET Microw.Antennas Propag.和Electron.Lett.上發(fā)表，已獲一項實

8、用新型專利授權并提交了兩項發(fā)明專利和一項實用新型專利申請。
　　 第四章研究了基片集成波導波束成型網(wǎng)絡及其一維共基片多波束陣列天線。本章共設計了五種基片集成波導波束成型網(wǎng)絡。主要內容有：基片集成波導羅特曼透鏡，解決了羅特曼透鏡在高頻時平面化集成化的問題：發(fā)明了一種設計簡便、性能優(yōu)良的改進型雙圓透鏡，解決了羅特曼透鏡設計復雜的問題，便于工程設計；利用拋物反射面的偏焦原理，實現(xiàn)了寬帶平面拋物反射透鏡，解決了波束成型網(wǎng)絡集成化后帶寬較

9、窄的問題：接下來針對另一種常見的波束成型網(wǎng)絡——巴特勒矩陣進行了兩種改進，一種是利用八端口結實現(xiàn)無交叉結構的巴特勒矩陣，另一種是多模波束成型網(wǎng)絡，其尺寸僅為同階巴特勒矩陣的一半。五種波束成型網(wǎng)絡均可與基片集成波導縫隙天線陣直接集成，形成共基片多波束天線?；刹▽Ы迫忾]的結構避免了制作在同一塊基片上的饋電網(wǎng)絡對輻射方向圖造成影響，同時提高電路可靠性、降低制作成本，其低剖面的結構也可與彎曲的表面共形。實驗結果驗證了以上設計的正確性。

10、本章部分內容已在或將在中國科學F輯：信息科學、IEEE Trans.Antennas Propag.、IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.、IETMicrow.Antennas Propag.和IEEE MTT-S Int.Microw.Symp.上發(fā)表，已獲四項實用新型專利授權并提交了五項發(fā)明專利和一項實用新型專利申請。
　　 第五章研究了基片集成波導二維多波束陣列天線。與一維波束掃描相比，二維多

11、波束天線實現(xiàn)起來非常困難。目前可采用的方法和結構都很復雜，而且無法有效地與天線陣集成，在其內部還需要多個同軸接頭和同軸電纜以實現(xiàn)各子單元之間的連接，一旦應用于毫米波頻段，其成本將非常高。在本章里，我們設計了三種結構簡單的基片集成波導二維多波束陣列天線，它們分別是：將羅特曼透鏡饋電的一維多波束天線組陣；八端口結直接對2×2的天線陣進行饋電；結合漏波天線的頻率掃描性能和拋物反射透鏡的相位掃描性能，實現(xiàn)一維相掃、一維頻掃的二維多波束天線。為了

12、實現(xiàn)頻率掃描，我們設計了兩種低副瓣基片集成波導長槽漏波天線。實驗結果驗證了以上設計的正確性。本章部分內容已在IEEE Trans.Antennas Propag.和IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.上發(fā)表，并已提交一項發(fā)明專利和一項實用新型專利申請。
　　 第六章研究了基片集成波導多極化多波束天線。在現(xiàn)代無線移動通信系統(tǒng)中，分集技術被用于改善信噪比、增加系統(tǒng)容量和降低發(fā)射功率。分集技術主要有空間分

13、集、極化分集、角度分集、頻率分集等。本章我們將多極化天線技術和多波束天線技術相結合，設計了一種同時具有角度分集和極化分集功能的天線，即四極化頻率掃描天線。同時，我們基于半?；刹▽Ъ夹g設計了一種雙回路定向濾波器，由其可實現(xiàn)高性能的多工器。本章部分內容已在IEEE Microw.Wireless Compon.Lett和IEEE Radio WirelessSymposium上發(fā)表，并已提交兩項發(fā)明專利和兩項實用新型專利申請。

14、　　 以上工作共計在中國科學F輯、IEEE Trans.Microw.Theory Tech.、IEEE Trans.Antennas Propag.、IEEETrans.Adv.Packag.、IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.、IET Microw.Antennas Propag.、Electron.Lett.等國際核心刊物上以第一作者發(fā)表（或錄用）學術論文11篇，國際系列會議上發(fā)表（或錄用）學術論