基片集成波导缝隙天线阵设计

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1、基片集成波导缝隙天线阵设计11040118周扬§1.1基片集成波导简介§1.1.1应用需求背景目前高频高增益的天线主要应用于以下领域：1.军用的雷达天线系统。2.机动车防撞击。3.移动基站间的射频入口系统。4.毫米波射频前端系统。5.高速无线局域网。一般来说，天线效率取决于天线的馈电系统，而辐射单元决定了其造价。基于微带线适合于平面设计，并且易于与有源器件连接，具有很高的系统集成度等等优点，从而得到了广泛的实际应用。但是微带线也有很多弱点和不足，比如说介质损耗、导体损耗以及辐射损耗相对较大等等，所以制作的天线效率一般较低，尤其在高频时，表现特别明显。

2、研究发现，波导损耗相对较低，又由于波导缝隙适合于波导结构，波导缝隙天线就成为设计高增益天线的理想形式。其更大的优点在于随着频率的升高，波导缝隙天线依然可以保持很高的效率。然而波导是一种立体的刚性结构，虽然解决了微带线效率问题，但是难以和有源器件有效集成，丧失了微带线易于集成的优势；另外波导缝隙天线一般造价昂贵，体积、重量上比平面形式的天线要大很多。基于以上各个方面的考虑，早在1998年，Hirokawa和Uchimura提出了一种通过金属通孔阵列代替金属壁形成的结构，研究发现金属通孔的阵列可以起到和金属壁相类似的作用，从而可以把电磁波限制在一定的空间

3、范围内向前传播，这就是基片集成波导（SubstrateIntegratedWaveguide，SIW）结构的产生。§1.1.2SIW应用和研究现状近年来，在对基片集成波导传输特性研究的基础上，SIW的应用也得到了较为广泛的发展。利用基片集成波导形成的无源微波器件，如定向耦合器、功分器、滤波器、天线等，都展现出了与传统意义上的矩形金属波导构建的微波器件相媲美的性能。1．定向耦合器定向耦合器作为一种重要的无源器件被广泛地应用于现代微波毫米波通信系统，在天线阵列馈电网络中，定向耦合器是一个主要部件。波导窄边缝隙耦合定向耦合器是一种比较成熟的电桥结构，Pan

4、dharipande详细描述了窄边波导缝隙耦合器的等效电路。在共面集成电路设计中，通常会采用波导窄边耦合结构实现定向耦合器在平面电路中的集成。采用基片集成波导技术设计的窄边缝隙定向耦合器已经被成功运用到毫米波系统的设计中。结果也证明利用基片集成波导设计的定向耦合器不但结构紧凑、可靠性高，而且还具有成本低、与平面电路易于集成、易于加工等优点。2.功分器功率分配器作为一种重要的微波无源器件被广泛地应用于现代微波毫米波电路系统中，尤其是其在阵列天线的设计中扮演了重要的角色。伴随着基片集成波导技术的发展，采用此技术所设计的器件以及相关研究成果得到广泛的应用，

5、其中功率分配器得到了充分的研究与应用：Germain利用基片集成波导技术设计了H面上的T形结和Y形结，以及与之对应的3分贝功率分配器。以此为基础，Hao设计了X波段的十六路功率分配器，并且将其应用在ALTSA天线阵列的设计上．然而也有其弱点，由于基片集成波导宽度较宽，上述功率分配器的尺寸都不够紧凑。3.滤波器基片集成波导可以用来构成多种滤波器，相比于微带线构成的滤波器，基片集成波导具有更高的Q值，因此在此基础上所形成的滤波器也具有更陡峭的带外抑制特性。一种基片集成波导滤波器，在两列金属通孔间再加上4个金属通孔形成了类似于矩形金属波导中间加入销钉而构成

6、滤波器结构。可以通过调节中间金属通孔的直径、间距以及与轴线的偏移距离等，在设计频率上实现带通特性。由于基片集成波导易于和平面电路集成，则可以利用基片集成波导和微带线结合构成滤波器，也能取得较好的滤波特性。4.天线基片集成波导缝隙阵天线是一种新型的微波毫米波集成元件，弥补了传统意义上的矩形金属波导缝隙阵天线所固有的缺陷。传统的矩形金属波导缝隙天线阵具有方向图可以赋形、交叉极化电平低、主瓣宽度窄等优点，从而被广泛地用于微波毫米波雷达系统和通信系统中。但是由于金属波导材料成本高、体积大、质量重、加工费用昂贵等等不足，很难批量生产，而且在加工完成后还需要一个

7、调试过程用来修正误差。基片集成波导缝隙阵天线作为传统矩形金属波导缝隙阵天线的替代者，克服了上述种种缺陷，从而具有重要的实际价值和广阔的应用前景。Apu利用金属通孔阵列代替波导窄边，而后在波导宽边上蚀刻缝隙，从而提出了基片集成波导缝隙天线的雏形。后来，Yamamoto又设计和仿真了基片集成波导宽边横向缝隙天线。与此同时，还有许多针对不同的缝隙位置和形状进行的研究，都对后来缝隙天线的发展起了重要作用，例如基片集成波导宽边斜向缝隙等。§1.1.3基片集成波导的特点1.SIW集合微带线和波导的种种优点于一身，易集成、效率高等。2.SIW较之于传统矩形波导结构

8、更为紧凑，具有重量轻、体积小、易于集成加工等优点。3.SIW具有与传统意义上的矩形波导相类似的传播特性，例如