介质覆盖基片集成波导缝隙天线研究

摘要

基片集成波导具有体积小、重量轻、成本低、易与其它平面电路集成的优点，又可以克服微带、共面波导等传统平面传输线存在的电磁波泄漏问题，成为近年来的一个热点研究方向。论文针对基片集成波导缝隙天线研究中的难点，结合工程应用提出的新需求，以应用最广泛的宽边纵缝阵列为例，围绕介质覆盖单缝特性分析、介质覆盖平面缝隙阵列设计、介质覆盖柱面共形缝隙阵列设计、覆盖介质参数优化设计以及基片集成波导缝隙天线的应用等方面开展研究，旨在解决包括空气覆盖在内的多层介质覆盖基片集成波导缝隙阵列的设计理论和设计方法问题，为高性能基片集成波导平面阵列和共形阵列的应用提供技术支撑。
　　本文首先研究了基片集成波导的传输特性及其等效分析方法，利用平面分层媒质格林函数理论将空气覆盖和单层介质覆盖单缝模型拓展到一般的多层介质覆盖单缝模型，用矩量法对单缝特性进行了精确分析，并研究了介质覆盖对单缝特性的影响；接着，研究了介质覆盖平面波导缝隙阵列的设计。针对现有介质覆盖缝隙阵列互耦计算方法人工干预多、数值稳定性差的缺陷，提出了基于平面分层媒质理论格林函数的空域互耦计算方法，实现了阵列互耦的快速、精确计算。在此基础上，将经典的Elliott设计流程拓展到多层介质覆盖情形，并以超低副瓣阵列的设计为例，验证了阵列设计方法的精度；然后，对覆盖介质层参数的优化设计进行了研究。围绕天线的增益、副瓣和带宽指标，基于遗传算法提出了一个自动的、通用性较强的、适用于复杂结构的优化设计方法，并着重讨论了适应度函数的合理设计。在改善天线增益方面，通过和公开文献方法的比较，验证了优化方法的正确性；在降低天线副瓣方面，提出了利用多层介质覆盖设计极低副瓣天线和稀疏阵列的新思路，其中的阵列稀疏特性对波导横缝、斜缝天线的应用具有重要意义；首次提出了利用多层介质覆盖拓展天线带宽的思路，并通过实验验证了这一思路的正确性；在此基础上，以单脉冲阵列天线和扫描阵列天线为例介绍了平面基片集成波导缝隙阵列天线的应用。在单脉冲天线方面，提出了紧凑的两层结构单脉冲阵列天线方案，设计了紧凑型非对称不等功分器、紧凑型和差网络，完成了20×20低副瓣单脉冲天线阵列的仿真设计；在扫描阵列方面，设计了基片集成波导-微带混合结构Rotman透镜，并基于此设计了覆盖范围为?40?～40?的10×10扫描阵列；最后，对柱面共形基片集成波导缝隙阵列进行了研究。首次推导了扇面波导缝隙阵列的设计方程，建立了类似Elliott方法的设计流程，该成果国内外未见报道；提出了一种计算柱面分层媒质格林函数的改进方法，该方法克服了母线问题，在近场和远场都取得了很高的计算精度，以此为基础，解决了柱面共形缝隙阵列互耦的精确计算问题，其适用规模较现有方法有质的提升；论文给出了若干扇形波导缝隙阵列的算例，验证了阵列设计方法的正确性；论文还研究了扇形阵列方向图综合方法、扇面波导缝隙阵列相位补偿方案、柱面共形功分器设计等问题，为扇面基片集成波导缝隙阵列的应用奠定基础。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究历史及现状

1.3 本文主要工作及章节安排

第二章 介质覆盖基片集成波导单缝特性分析

2.1 基片集成波导特性分析

2.2 单缝特性求解方法

2.3 单缝特性研究

2.4 本章小结

第三章 介质覆盖平面基片集成波导缝隙阵列设计理论

3.1 平面阵列方向图综合

3.2 波导缝隙阵列设计流程

3.3 介质覆盖缝隙阵列互耦分析

3.4 低副瓣SIW缝隙阵列设计与实验验证

3.5 本章小结

第四章 覆盖介质层参数优化设计

4.1 遗传算法简介

4.2 优化介质层参数以提高增益

4.3 优化介质层参数以降低副瓣

4.4 优化介质层参数以扩展带宽

4.5 本章小结

第五章 介质覆盖单脉冲阵列和扫描阵列设计

5.1 单脉冲SIW缝隙阵列

5.2 扫描SIW缝隙阵列

5.3 本章小结

第六章 介质覆盖扇面基片集成波导缝隙阵列设计理论

6.1 扇形阵列方向图综合

6.2 设计方程推导

6.3 阵列外部互耦计算

6.4 阵列设计与验证

6.5 本章小结

第七章 全文总结及展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果