半模基片集成波导传输特性的研究及其在天线中的应用

摘要

半模基片集成波导(HMSIW：Half-Mode Substrate Integrated Waveguide)是由东南大学毫米波国家重点实验室洪伟教授等于2006年提出的一种高性能微波平面导波结构。相比于其它微波传输线，HMSIW具有以下特点：1)与传统金属波导相比，HMSIW具有平面集成的优点：2)与微带线相比，具有传输损耗小，功率容量大的优势；3)与基片集成波导(SIW：Substrate Integrated Waveguide)相比，横向尺寸减小几乎一半。此外，HMSIW比普通矩形波导和SIW的主模工作带更宽，前者为fc-3fc，而后两者为fc-2f，其中fc为主模截止频率。正是因为它的这些优点，HMSIW已经被用于设计研制各种高性能微波毫米波元器件，如功分器、滤波器、天线等。随着这些器件在国际期刊和会议上的不断发表，HMSIW受到国内外同行越来越多的关注和接纳。在此背景下，本文深入系统地研究了 HMSIW的传输特性和耦合特性，并在此基础上，设计研制了横向缝隙阵列天线，周期性漏波天线和工作于60GHz的介质谐振器天线。论文主要工作如下：
　　 第一章研究了HMSIW在主模工作区的传输特性。首先运用商业电磁仿真软件获得波导内外场形分布，在此基础上，推导得到了一套场分量表达式。其次，针对多条结构相同、长度相异的HMSIW，运用多线法计算得到了HMSIW主模的相位常数和衰减常数。然后，系统分析了诸多关键因素如波导宽度、介质基片厚度、介质基片介电常数、金属化通孔尺寸和间距等对HMSIW截止频率的影响，推导得到了一套HMSIW的经验设计公式。最后，系统分析了HMSIW在不同介质基片损耗角正切和不同金属导电率情况下的衰减特性，进而解释了HMSIW在单模工作区的损耗机理。部分工作已在IEEE Trans．Microw．Theory Tech．上发表。
　　 第二章研究了一对平行HMSIW的互耦特性。在实际应用中，一对平行的HMSIW通常有三种不同的相对摆放位置，即一条HMSIW的开放侧边面对另一条的开放侧边(简称“面对面”结构)，闭合侧边面对闭合侧边(简称“背对背”结构)以及开放侧边面对闭合侧边(简称“面对背”结构)。以分别工作于X波段和Ka波段的两对HMSIW为例，本章定量、系统地分析了HMSIW以不同间距摆放于上述三种不同相对位置时的近远端耦合系数。通过与一对平行微带耦合线的对比，分析了上述三种相对摆放结构的优缺点，进而提出了合理化设计建议，以有效降低HMSIW线间串扰以及HMSIW对周围元器件的干扰。最后，结合第一章所阐述的单条HMSIW的传输特性，提出了最佳HMSIW的设计准则，以保证HMSIW具有较低的线上传输损耗和较弱的线间串扰耦合。
　　 第一、第二章对HMSIW传输特性和耦合特性的研究为在后续章节中将HMSIW应用于设计研制一些微波毫米波器件提供了基础。
　　 第三章研究了HMSIW馈电的横向缝隙阵列天线。首先，针对蚀刻在HMSIW上表面金属层的单条横向缝隙，分析了其电场分布及谐振特性，即谐振长度和谐振阻抗，并对应地推导得到了电场分量表达式和谐振阻抗计算公式。在此基础上，推导了HMSIW横向缝隙阵列天线的两个关键设计公式。应用这两个公式，分别设计了工作于X波段和Ka波段的两副HMSIW横向缝隙阵列天线。天线的实测性能与理论分析吻合，验证了这两个设计公式的正确性。这部分工作已在IEEE Trans．Antannas Propag．上发表。
　　 第四章研究了基于HMSIW结构的周期性漏波天线。这类天线是由在HMSIW的上表面金属层或金属地面周期性蚀刻横向窄缝隙而成。相邻缝隙的间距(即周期)小于最低频率时的半个空间波长。针对这两种天线结构，即缝隙蚀刻在上表面金属层或在金属地面，首先分析了单条横向缝隙的电场分布。然后，结合波导内外场分布，运用变分法原理(variational method)，推导了分别适用于这两种天线的设计公式。最后，应用这些公式，理论分析了缝隙长度及缝隙周期对空间谐波(spaceharmonics)相位和衰减的影响，也即对天线口径分布的影响。测试、仿真及计算结果的良好吻合验证了设计公式的正确性。这部分工作已投稿至IEEE Trans．Antannas Propag．和IEEE．AntennasWireless Propag．Lett．。
　　 第五章研究了工作于60GHz、由HMSIW馈电的线极化和圆极化介质谐振器天线。在设计这两种天线之前，首先应用惠勒罩法(Wheeler Cap Method)和方向性/增益法(D/G method，Directivity/GainMethod)研究比较了介质谐振器天线和微带贴片天线在Ka波段的辐射效率。通过研究，一方面，系统分析了两种天线辐射效率测试方法的优势和缺陷，并提出了改进建议。这为在后续工作中较为准确地测试天线辐射效率提供了基础。另一方面，测试和仿真均显示介质谐振器天线在毫米波波段拥有比微带天线更高的辐射效率，这为在60GHz上开发介质谐振器天线的合理性提供了理论依据。在此基础上，我们研制了60GHz HMSIW馈电的线极化和圆极化介质谐振器天线，提出了相应的设计方法并进行了实验验证。天线的实测性能与仿真结果吻合，验证了设计方法的正确性。这部分工作已在IEEE Trans．Antannas Propag．、2008IEEE天线年会和2008IEEEMIKON会议上发表。

目录

文摘

英文文摘

绪 论

§1 相关领域研究背景与现状

§1.1 传输线的分类

§1.2 传输线在天线中的应用

§2半模基片集成波导(HMSIW)技术的研究现状

§3论文的研究目标和主要内容

[参考文献]

第一章 HMSIW传播特性的研究

§1.1.HMSIW的场模式分析

§1.1.1. 几何结构

§1.1.2. 波导内的场分布

§1.1.3. 波导外的场分布

§1.2.HMSIW的传播常数

§1.2.1. 多线法简介

§1.2.2. 相位常数:设计公式

§1.2.3. 衰减常数(一):损耗机理

§1.2.4. 衰减常数(二):与微带线和SIW的比较

§1.2.5. 最佳使用频段

§1.3. 本章小结

[参考文献]

第二章 平行HMSIW耦合特性的研究

§2.1. 几何结构

§2.2. X波段平行HMSIW的互耦

§2.3.Ka波段平行HMSIW的互耦

§2.4. 本章小结

[参考文献]

第三章 HMSIW横向缝隙阵列天线

§3.1. 引言

§3.2. 几何结构

§3.3.横向缝隙辐射单元的研究

§3.3.1. 缝隙上的电场分布

§3.3.2.缝隙的谐振特性:谐振长度和谐振阻抗

§3.4. 阵列天线的设计

§3.4.1. 设计公式一

§3.4.2. 设计公式二

§3.5. 设计示例

§3.5.1. X波段阵列天线的性能

§3.5.2.Ka波段阵列天线的性能

§3.6. 本章小结

[参考文献]

第四章 HMSIW周期性漏波天线

§4.1. 引言

§4.2. 天线结构一:在HMSIW金属地面周期性横向开缝

§4.2.1. 设计公式:推导

§4.2.2. 设计公式:验证

§4.2.3. 性能分析(一):缝隙长度对γ的影响

§4.2.4. 性能分析(二):缝隙周期对γ的影响

§4.3. 天线结构一:在HMSIW上表面金属层周期性横向开缝

§4.3.1. 设计公式:推导

§4.3.2. 设计公式:验证

§4.3.3. 性能分析(一):缝隙长度对γ的影响

§4.3.4. 性能分析(二):缝隙周期对γ的影响

§4.4.本章小结:两种天线的比较

[参考文献]

第五章 60GHZ HMSIW介质谐振器天线

§5.1. 引言

§5.2. 天线辐射效率的测试方法

§5.2.1. 方向性/增益法

§5.2.2. 惠勒罩法

§5.2.3. 应用示例:Ka波段介质谐振器天线和微带贴片天线辐射效率的比较

§5.3. 60GHz线极化HMSIW介质谐振器天线

§5.3.1. 设计方法

§5.3.2. 设计示例

§5.4. 60GHz圆极化HMSIW介质谐振器天线

§5.4.1. 设计方法

§5.4.2. 设计示例

§5.5. 本章小结

[参考文献]

结论与展望

作者简介

基本情况

学习和工作简历

在攻读工学博士学位期间所学课程

在攻读工学博士学位期间参加研究课题的情况

在攻读工学博士学位期间完成和发表的学术论文

在攻读工学博士学位期间提交的专利申请

致谢