过孔阵列共面波导和共面带线传输特性及应用研究

摘要

随着无线通信技术的快速发展，促使着微波电路与系统向着高频段、高集成度，低成本，轻量化，低功耗和多功能的方向发展，对微波传输线的要求也越来越复杂和多样化。相比于其他平面传输线，共面波导和共面带线具有电场极化方向平行、便于加载集总参数元件、适于探针连接等特点，因而广泛应用于现代微波毫米波系统中。但共面波导和共面带线存在着阻抗过大、可用阻抗范围小、难以直接连接50欧姆系统、缝隙过小、工艺容差小、功率容量小和串扰严重等问题。本文提出了基于过孔阵列的共面波导(Post Wall Coplanar Waveguide:PWCPW)和基于过孔阵列的共面带线(Post Wall Coplanar Stripline:PWCPS)。PWCPW和PWCPS在保留传统共面波导和共面带线优点的同时，还具有阻抗适中、可用阻抗范围大、工艺容差大、功率容量大和串扰小的特点。上述特点使得PWCPW和PWCPS可用于多种类型的微波无源器件和天线。
　　本文的工作涵盖了PWCPW和PWCPS传输线的基础到其应用，主要内容如下:
　　1.提出了基于过孔阵列的共面波导PWCPW和基于过孔阵列的共面带线PWCPS，解决了传统共面波导和共面带线存在的特性阻抗大、可用阻抗范围小、功率容量低和串扰大等问题。提出了计算PWCPW或PWCPS特性阻抗的分解方法，该方法将PWCPW或PWCPS分解为传统空气共面波导或传统空气共面带线，再并联矩形介质填充波导，并由此导出了特性阻抗的解析表达式，解明了特性阻抗与传输线横截面尺寸和介电常数的关系。此方法具有明显的物理意义，对传输线的分析和设计具有指导意义。然后仿真和实验研究了PWCPW和PWCPS，检验了特性阻抗解析表达式的精度，实测了PWCPW和PWCPS在10MHz到20GHz的反射和传输特性，并在频域与传统形式的共面波导和共面带线进行了传输特性的对比。然后运用基于信号空间的归一化欧氏距离及其数量矩阵，将PWCPW和PWCPS与普通的共面波导和共面带线的传输特性在时域进行了比较，频域和时域比较的结果均显示了PWCPW和PWCPS具有优良的传输性能。提出了微带线-PWCPS、PWCPW-PWCPS和同轴-PWCPS的脉冲反极性三种过渡结构，并分别在频域和时域对其性能进行评估，结果显示，提出的过渡结构具有结构简单、易于加工、功率容量大、脉冲传输性能好、可应用同轴接头直接进行馈电等优点。
　　2.提出了多种基于PWCPW和PWCPS结构的功率分配器。首先使用基于PWCPW和PWCPS传输线，实现了窄带功分器，初步验证了PWCPW和PWCPS传输线的实用性和特性阻抗解析表达式的准确性;然后运用基于信号空间的归一化欧氏距离数量矩阵设定功分器的设计优化目标，优化设计了基于PWCPW和PWCPS结构同极性宽带脉冲功分器、输入-输出反极性宽带脉冲功分器和输出反极性宽带脉冲功分器，对实物样品的传输特性进行了频域测量，并把测试结果转换到时域中进行分析比较，频域和时域结果均显示，这三种宽带脉冲功分器性能良好，仿真与测试结果吻合很好，不仅检验了基于时域设计方法的有效性，也验证了PWCPW和PWCPS传输线结构具有很强的灵活性，适用于多样化的设计要求。
　　3.提出了一种基于PWCPS的低交叉极化脉冲天线。根据脉冲辐射对天线结构的要求，提出了一种高斯曲线渐变PWCPS加载脉冲天线，分析了高斯曲线起始段、中间段、终端段各部分在天线中的作用，据此制作了工作在1.5GHz到20GHz频段的高斯渐变PWCPS加载脉冲天线，并给出了其频域辐射特性和时域收发特性的测试结果，测试结果与仿真结果一致性较好，两者均显示，PWCPS传输线结构特别适用于宽带脉冲天线的应用，研制的高斯渐变PWCPS加载脉冲天线辐射性能强，驻波小，在整个频带内交叉极化电平低于-22dB，是一种性能优良的脉冲天线。
　　本文工作包含了PWCPW和PWCPS传输线的特性参数计算公式、基本过渡结构、多种结构的功率分配器和天线。本文工作表明PWCPW和PWCPS传输线具有优良的阻抗特性和传输特性、结构的灵活性和工艺适应性，为基于PWCPW和PWCPS微波应用系统的发展奠定了牢固的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪言

1．1 相关领域研究背景和现状

1．2 本文的主要工作及内容

1．3 本文结构安排

参考文献

第二章 过孔阵列共面波导和共面带线传输特性

2．1 引言

2．2 过孔阵列共面波导PWCPW

2．2．1 PWCPW

2．2．2 PWCPW的特性阻抗

2．2．3 PWCPW端接SMA频域传输特性

2．2．4 PWCPW端接SMA时域传输特性

2．2．5 非对称PWCPW

2．3 过孔阵列共面带线PWCPS

2．3．1 PWCPS

2．3．2 PWCPS的特性阻抗计算

2．3．3 PWCPS端接SMA及超宽带传输特性

2．4 PWCPW及PWCPS的过渡结构

2．4．1 微带线-PWCPS的脉冲过渡

2．4．2 PWCPW-PWCPS的脉冲过渡

2．4．3 PWCPS脉冲反极性设计

2．5 本章小结

参考文献

第三章 过孔阵列共面波导和共面带线功率分配器

3．1 引言

3．2 PWCPW和PWCPS构成的窄带结构的功分器

3．2．1 基于PWCPW和PWCPS电阻跨接型功分器

3．2．2 基于PWCPW和PWCPS电阻平接型功分器

3．3 PWCPW和PWCPS的超宽带脉冲功分器

3．3．1 输出-输入同极性脉冲功分器

3．3．2 输出-输入反极性脉冲功分器

3．4 基于PWCPW和PWCPS构成的反极性输出脉冲功分器

3．4．1 等幅反极性脉冲的特性分析

3．4．2 等幅反极性脉冲功分器的设计

3．4．3 实物和结果分析

3．5 PWCPW衰减器

3．6 本章小结

参考文献

第四章 过孔阵列共面波导和共面带线宽带天线

4．1 引言

4．2 低交叉极化的渐变过孔阵列共面带线脉冲天线

4．2．1 天线结构

4．2．2 高斯曲线特点分析

4．2．3 电阻加载分析

4．2．4 天线实物

4．2．5 结果分析

4．3 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 研究展望

致谢

作者简介