基于慢波结构的微波无源器件小型化设计

摘要

随着现代微波毫米波电路系统的高速发展，无线通信与人们的日常生活紧密融合。伴随着人们对数据的需求量不断提高，对无线通信系统也提出了更高的要求。小型化、低成本、多频/多模、易于与有源系统集成成为现代通信系统的主要研究方向。而微波无源器件作为现代通信系统的关键组件，对整个无线通信系统实现小型化和高度集成化起着决定性作用。因此，开展对微波无源器件的小型化的研究具有重要意义。本文在无源器件小型化发展的趋势背景下，对移相器和车载天线小型化设计进行了研究。研究内容主要分为以下5个部分： 1)本论文通过理论分析和仿真，对基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）和慢波加载的基片集成波导（Slow Wave Substrate Integrated Waveguide，SW-SIW）模型进行导波特性分析，得到如下结论：SW-SIW与相同尺寸的SIW相比，其主模截止频率降至SIW的62%；在达到相同截止频率的情况下，SW-SIW的横向尺寸减小到SIW的63.9%；在相同截止频率的前提下，当SIW达到与SW-SIW相同的相移量的时候，SW-SIW的纵向尺寸减小到了SIW的51.7%；对于SW-SIW整体来说，其整体面积减小到了SIW的33.1%。同时通过实物加工测试，也验证了上述结论。 2)研究了在SIW和SW-SIW的基础上加载铁氧体薄片，通过高频仿真软件HFSS对其进行相移特性研究，得到结论为：在采用相同尺寸相同介质基板相同磁场偏置的情况下，SW-SIW移相器的相移量比SIW移相器增加了1100°。 3)通过理论计算，在HFSS中设计了一款专用短程通信（Dedicated Short Range Communications，DSRC）天线，通过调整该天线的辐射振子的长度、阻抗匹配进行优化，使该天线的中心谐振点位于5.9GHz，带宽为5.7-6.2GHz。通过外场测试，该天线在工作频率范围内最大增益可达为5.3dBi，半功率波瓣宽度为360°。 4)通过在3）基础上增加辐射振子来增加谐振点，设计了一款4G/LTE双频天线。然后，调整天线的辐射振子的长度，使该天线的中心谐振点位于0.74GHz和2.3GHz，带宽为0.68-1GHz和1.75-3GHz。通过外场测试，该天线在低频带内天线增益大于1dBi，高频带内天线增益大于2dBi，并有较好的全向特性。 5)为了在固定面积内减小天线的纵向尺寸，在基于4G/LTE天线基础上设计了一款慢波结构天线。该天线通过外场测试在低频带内天线增益大于0.5dBi，高频带内天线增益大于2dBi。其纵向长度减小了约31%，实现了低剖面，小型化。

目录

声明

第一章绪论

1.1论文研究的背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1铁氧体移相器的研究历史与发展现状

1.2.2基片集成波导技术的研究背景与现状

1.2.3天线小型化国内外研究现状

1.3基于慢波结构的微波无源器件

1.4本论文的结构安排

第二章基于慢波结构的基片集成波导的研究与设计

2.1基片集成波导的基本特性

2.1.1基片集成波导的结构特性和导波特性

2.1.2 S波段基片集成波导的结构设计

2.2基片集成波导到微带线的匹配设计

2.3.1慢波基片集成波导的基本原理

2.3.2慢波基片集成波导的设计

2.4实物加工与测试

2.5本章小结

第三章基于慢波结构的基片集成波导铁氧体移相器仿真设计

3.1铁氧体基本理论

3.1.1铁氧体的磁导率

3.1.2铁氧体中平面波的传播

3.2.1基于铁氧体平板加载的基片集成波导移相器

3.2.2基于慢波结构的基片集成波导铁氧体移相器

3.3本章小结

第四章车载天线设计与仿真

4.1天线的基本理论

4.1.1偶极子天线的基本理论

4.1.2单极子天线的基本理论

4.1.3车载天线设计指标

4.2 DSRC天线设计

4.2.1天线模型

4.2.2参数设计及扫描

4.2.3仿真、测试结果分析

4.3 2G3G4G鲨鱼鳍天线设计

4.3.1天线模型

4.3.2参数设计及扫描

4.3.3仿真、测试结果分析

4.4 4G/LTE天线基于慢波结构小型化设计

4.4.1天线模型

4.4.2参数设计及扫描

4.4.3仿真、测试结果分析

4.5本章小结

第五章结论

5.1全文总结

5.2后续工作展望

致谢

参考文献