基片集成波导特性研究与单脉冲天线设计

摘要

基片集成波导(SIW，Substrate Integrated Waveguide)是一种性能优异的平面导波结构。具有高 Q 值，低损耗的特点使其广泛用于滤波器、功分器等无源微波器件的制作，更重要是其加工简单、具有低剖面结构使其易于与有源电路结合从而在微波器件小型化方面发挥重要作用。 单脉冲雷达系统通过发射和接受脉冲信号，便能得到目标的水平、方位、距离的空间信息，从而广泛应用于飞行导航、导弹追踪等领域。然而传统的单脉冲天线往往体积庞大、沉重而且加工难度大、成本昂贵，因此考虑使用基片集成波导技术改善传统的单脉冲天线设计方法。 本文使用SIW设计并仿真了两款单脉冲天线，分别工作在Ka波段和X波段，中心频率为34.5GHz 和10GHz。选用的介质板材料为Rogers的CLTE-XT高频板材，相对介电常数为?r=2.94。Ka波段单脉冲天线厚度h1=0.76 mm，总体尺寸为159.7mm×87mm×0.76mm，仿真结果表明该天线增益为 20dB，俯仰面和波束副瓣电平小于-29.6dB，方位面副瓣电平小于-20dB，俯仰面差波束零深为-33.5dB,方位面差波束零深为-55.3dB，实际测试结果显示和方向图增益最大值的方向与仿真结果一致（小于2°），差方向图零点方向和仿真结果基本一致（小于2°），虽然增益和旁瓣电平有所恶化，但总的趋势基本上和仿真结果保持一致。X 波段厚度h2=2.29mm ，为提高X波段单脉冲天线辐射面的有效面积，X波段单脉冲天线的辐射面采用圆形阵面形式，同时将功分网络、和差网络、相位调节结构和辐射阵面分别设计在对应层，各层之间通过耦合孔实现能量的传递，最终实现了 6 层结构的单脉冲天线结构，总体尺寸为直径Φ=144mm，厚度 h=14.4mm，仿真结果表明该天线增益 17.6dB，俯仰面和波束副瓣电平小于-22.6dB，方位面副瓣电平小于-24db，俯仰面差波束零深为-31.7dB，方位面差波束零深为-26.9dB。具体工作如下： 1、本文首先对SIW的结构特点和传播特性进行研究，指出其工作在对应波导的基模工作模式时与波导存在相似性，借助与经验公式和HFSS电磁仿真得出SIW与波导之间存在的等效关系。 2、分析阵列天线理论和驻波缝隙阵列理论，通过编程计算出SIW辐射缝隙长度、宽度、中心偏移量等参数，同时利用HFSS电磁仿真软件进行仿真和优化，完成了X波段10缝隙、8缝隙以及6缝隙的一维驻波缝隙阵列设计仿真，Ka波段段12缝隙一维驻波缝隙阵列设计仿真。 3、利用SIW技术实现和差网络设计，因为要同时实现俯仰面和方位面的低副 瓣，所以需要功分器实现符合泰勒分布的功率分配，利用SIW实现了1分8不等功分功分器设计，同时对各路输出端口进行相位调节，使最终俯仰面的电流分布满足泰勒分布的相位要求，最终完成整个单脉冲天线的设计和仿真。同时设计了微带形式的和差网络和微带形式的高隔离度、大功分比功分器Wilkinson功分器。 本文的特色有以下几点：第一、为了提高辐射面的有效面积，X波段由10缝隙、8缝隙以及6缝隙的一维驻波缝隙阵列组成圆形面阵，有效利用了辐射面的面积。第二、结合具体的设计情形对驻波缝隙阵列理论的 Stevenson 公式进行改进，使通过该公式得出的结果与实际结果更加符合。第三、利用SIW设计了1分8不等功分功分器，使功分器各个输出端口的输出电流符合泰勒分布，进而实现在俯仰面的低副瓣辐射特性。

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