基片集成波導(dǎo)多波束陣列天線的研究.pdf

1、多波束天線在雷達(dá)、衛(wèi)星通信、導(dǎo)彈制導(dǎo)、移動(dòng)通信、空間探測(cè)、全息成像等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但至今為止尚沒(méi)有一種完全合適的技術(shù)能滿足其對(duì)結(jié)構(gòu)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(dāng)前集成電路的發(fā)展趨勢(shì)，但存在高傳輸損耗、高輻射損耗等諸多問(wèn)題，很難在毫米波段保證工作性能；金屬波導(dǎo)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(jié)構(gòu)越來(lái)越不適應(yīng)電路集成化的發(fā)展趨勢(shì)。本文試圖找到一種合適的技術(shù)來(lái)

2、實(shí)現(xiàn)共基片多波束陣列天線以解決這一矛盾?；刹▽?dǎo)（Substrate Integrated Waveguide，SIW）既擁有類似金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能，又擁有平面電路的諸多優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)波束成型網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)要回顧了基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)公式。然后，利用靈敏度分析法對(duì)基片集成波導(dǎo)的容差問(wèn)題進(jìn)行了深入分析，討論了基片集成波導(dǎo)各參數(shù)對(duì)電路性能的影響。其次

3、，分別利用熱傳導(dǎo)理論和導(dǎo)波場(chǎng)理論首次對(duì)基片集成波導(dǎo)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(jìn)行了研究，并分析了基片集成波導(dǎo)彎角和濾波器的功率容量問(wèn)題。本章部分內(nèi)容已在IEEE Trans.Adv.Packag.和Asla-Pacific Microw.Conf.上發(fā)表。
　　 第二章對(duì)基片集成波導(dǎo)

4、移相器進(jìn)行了深入的研究。移相器是波束成型網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵元件，本文試圖用基片集成波導(dǎo)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)平面波束成型網(wǎng)絡(luò)，因而需要高性能的基片集成波導(dǎo)移相器。在這一章里，我們研究了幾種基片集成波導(dǎo)移相器，詳細(xì)分析了它們的相移原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩種全新的移相器結(jié)構(gòu)——等長(zhǎng)不等寬移相器和自補(bǔ)償移相器。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看到，這兩種全新的移相器具有遠(yuǎn)優(yōu)于其它移相器的性能。尤其是自補(bǔ)償移相器，測(cè)試結(jié)果表明幾乎在整個(gè)Ka頻段內(nèi)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(zhǎng)不等寬移相器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)過(guò)程更為簡(jiǎn)便，其在兩個(gè)等長(zhǎng)度的通道間能產(chǎn)生所需的相移并保持10％左右的相對(duì)帶寬，可以滿足大部分非寬帶器件的需求。本章部分內(nèi)容已在或?qū)⒃贗EEE Trans.Microw.Theory Tech、IET Microw.Antennas Propag.和lEEE MTT-S Int.Microw.Symp.上發(fā)表，已獲一項(xiàng)實(shí)用新型專利授權(quán)并已提交一項(xiàng)發(fā)明專利申請(qǐng)。
　　 第

6、三章研究了基片集成波導(dǎo)在單脈沖天線中的應(yīng)用。在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中，單脈沖跟蹤技術(shù)是最準(zhǔn)確的電子定向技術(shù)之一。單脈沖天線也是一種多波束陣列天線，其擁有兩個(gè)信息通道（即：“和”通道和“差”通道），相應(yīng)的需要一個(gè)和差比較網(wǎng)絡(luò)（可視作波束成型網(wǎng)絡(luò)）來(lái)實(shí)現(xiàn)“和”波束和“差”波束?；诮饘俨▽?dǎo)設(shè)計(jì)的和差比較網(wǎng)絡(luò)性能極佳，但其成本、體積、加工難度均存在一定的問(wèn)題。基于微帶等平面電路設(shè)計(jì)的和差比較網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上能充分滿足當(dāng)前微波集成電路設(shè)計(jì)的需求，但在功率傳

7、輸過(guò)程中會(huì)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(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了幾種單脈沖天線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其性能優(yōu)異、無(wú)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▽?dǎo)單脈沖饋源和94GHz基片集成波導(dǎo)單脈沖天線陣。本章部分內(nèi)容已在IEEE Trans.Antennas Propag.、IET Microw.Antennas Propag.和Electron.Lett.上發(fā)表，已獲一項(xiàng)實(shí)

8、用新型專利授權(quán)并提交了兩項(xiàng)發(fā)明專利和一項(xiàng)實(shí)用新型專利申請(qǐng)。
　　 第四章研究了基片集成波導(dǎo)波束成型網(wǎng)絡(luò)及其一維共基片多波束陣列天線。本章共設(shè)計(jì)了五種基片集成波導(dǎo)波束成型網(wǎng)絡(luò)。主要內(nèi)容有：基片集成波導(dǎo)羅特曼透鏡，解決了羅特曼透鏡在高頻時(shí)平面化集成化的問(wèn)題：發(fā)明了一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良的改進(jìn)型雙圓透鏡，解決了羅特曼透鏡設(shè)計(jì)復(fù)雜的問(wèn)題，便于工程設(shè)計(jì)；利用拋物反射面的偏焦原理，實(shí)現(xiàn)了寬帶平面拋物反射透鏡，解決了波束成型網(wǎng)絡(luò)集成化后帶寬較

9、窄的問(wèn)題：接下來(lái)針對(duì)另一種常見(jiàn)的波束成型網(wǎng)絡(luò)——巴特勒矩陣進(jìn)行了兩種改進(jìn)，一種是利用八端口結(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)交叉結(jié)構(gòu)的巴特勒矩陣，另一種是多模波束成型網(wǎng)絡(luò)，其尺寸僅為同階巴特勒矩陣的一半。五種波束成型網(wǎng)絡(luò)均可與基片集成波導(dǎo)縫隙天線陣直接集成，形成共基片多波束天線。基片集成波導(dǎo)近似全封閉的結(jié)構(gòu)避免了制作在同一塊基片上的饋電網(wǎng)絡(luò)對(duì)輻射方向圖造成影響，同時(shí)提高電路可靠性、降低制作成本，其低剖面的結(jié)構(gòu)也可與彎曲的表面共形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了以上設(shè)計(jì)的正確性。

10、本章部分內(nèi)容已在或?qū)⒃谥袊?guó)科學(xué)F輯：信息科學(xué)、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(xiàng)實(shí)用新型專利授權(quán)并提交了五項(xiàng)發(fā)明專利和一項(xiàng)實(shí)用新型專利申請(qǐng)。
　　 第五章研究了基片集成波導(dǎo)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(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難。目前可采用的方法和結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，而且無(wú)法有效地與天線陣集成，在其內(nèi)部還需要多個(gè)同軸接頭和同軸電纜以實(shí)現(xiàn)各子單元之間的連接，一旦應(yīng)用于毫米波頻段，其成本將非常高。在本章里，我們?cè)O(shè)計(jì)了三種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基片集成波導(dǎo)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(jié)直接對(duì)2×2的天線陣進(jìn)行饋電；結(jié)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(shí)現(xiàn)一維相掃、一維頻掃的二維多波束天線。為了

12、實(shí)現(xiàn)頻率掃描，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種低副瓣基片集成波導(dǎo)長(zhǎng)槽漏波天線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了以上設(shè)計(jì)的正確性。本章部分內(nèi)容已在IEEE Trans.Antennas Propag.和IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.上發(fā)表，并已提交一項(xiàng)發(fā)明專利和一項(xiàng)實(shí)用新型專利申請(qǐng)。
　　 第六章研究了基片集成波導(dǎo)多極化多波束天線。在現(xiàn)代無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)中，分集技術(shù)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(shù)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(shù)和多波束天線技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種同時(shí)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(shí)，我們基于半?；刹▽?dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種雙回路定向?yàn)V波器，由其可實(shí)現(xiàn)高性能的多工器。本章部分內(nèi)容已在IEEE Microw.Wireless Compon.Lett和IEEE Radio WirelessSymposium上發(fā)表，并已提交兩項(xiàng)發(fā)明專利和兩項(xiàng)實(shí)用新型專利申請(qǐng)。

14、　　 以上工作共計(jì)在中國(guó)科學(xué)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(guó)際核心刊物上以第一作者發(fā)表（或錄用）學(xué)術(shù)論文11篇，國(guó)際系列會(huì)議上發(fā)表（或錄用）學(xué)術(shù)論