基于基片集成波导的宽带带通滤波器和Fabry-Perot谐振天线研究

摘要

随着基片集成波导(SIW)结构基础理论研究的不断发展完善，各种基于SIW的有源及无源器件研究工作进展迅速。滤波器（尤其是带通滤波器）和天线是其中两个重要的研究内容，也是无线通信系统中必不可少的两个重要元件:天线负责发射和接受信号;滤波器需要滤除镜频一类的干扰信号，抑制杂散信号，以保证所需的频段上信息的完整性和正确性。超宽带(UWB)系统因其高速率数据传输、低能量密度和低传输能量的特点得到广泛应用，而UWB带逋滤波器是其中的一个关键元件，高选择性的宽带带通滤波器可用来抑制不需要的信号，并改善UWB系统的性能。在高速的WLAN、卫星信号接收以及各种点对点无线连接应用中，都需要低成本的高增益平面天线。传统的通过天线阵列实现高增益的方法，要求复杂的馈电网络，并且影响天线效率，而Fabry-Perot(FP)谐振天线只需单个馈源即可实现高增益，因此受到广泛的关注。本文将基于基片集成波导结构，研究和分析高选择性的UWB带通滤波器和低剖面的基板集成Fabry-Perot谐振天线。
　　首先综述了基片集成波导结构在滤波器设计中的应用和发展、Fabry-Perot谐振天线的发展历史和趋势。论文的第四章介绍了Fabry-Perot谐振天线的基本理论和工作原理，推导了双侧部分反射板组成的和单侧部分反射板的两种形式的Fabry-Perot谐振天线的基本特征参数，并对其实现低剖面化的机理进行了分类分析。论文的第二、三、五章分别针对IADGS级联HMSIW的高选择性超宽带滤波器、SIW/HMSIW加载ADGS的高选择性宽带滤波器和SIW槽馈电的基板集成亚波长Fabry-Perot谐振天线进行了分析和研究。
　　级联高通/低通滤波器法是设计UWB带通滤波器的一种最直观的方法。论文首先介绍了具有准椭圆函数低通滤波特性的非对称缺陷地结构(ADGS)，并对改进型的非对称缺陷地结构(IADGS)通带内回波损耗和带外抑制的改善，做出了合理的理论解释，进而给出了具有高截止频率的IADGS单元的设计步骤。接着，设计了多个IADGS单元组成的高选择性低通滤波器，并级联具有较宽纯主模工作频带的HMSIW高通结构，实现了通带约为5.8-10.6GHz的高选择性UWB带通滤波器。
　　ADGS结构单元可直接应用到SIW的顶层或底层的金属宽边的中心线上，也可蚀刻在HMSIW的开放边界对应的金属地附近，同样能在高频端表现出准椭圆函数的带阻特性。这样就在天然高通的导波结构中加载了低通结构单元，或者叫带隙结构单元，可用来实现宽带的带通滤波器，结构更加紧凑。通过HMSIW加载ADGS单元同样实现了通带约为5.8-10.6GHz的高选择性UWB带通滤波器，SIW上层金属宽边加载ADGS则实现了具有高选择性的30％分数带宽C波段带通滤波器。
　　最后提出并研究了一种新型的SIW槽馈电的基板集成亚波长Fabry-Perot谐振天线。采用基片集成波导上层金属宽边开纵槽的激励形式，结合部分反射人工磁导体以及介质基板填充腔，有效地降低了天线高度以适应普通PCB电路系统的要求。为进一步降低天线高度，空气腔被介质基片填充，形成一种新型的结构稳定的全基片集成的FP谐振天线，便于与电路板集成。研究分析了基片集成波导纵槽馈电形式对天线增益和增益带宽的影响，与传统的长微带激励的贴片馈源形式相比，基片集成波导双纵槽馈源使得FP谐振天线的主波束方向保持在正方向上，并且随频率变化不敏感;欧姆损耗和介质损耗都有明显的减小，提高了天线的辐射效率。仿真和实验结果都表明，该天线具有低剖面、高增益、高效率和稳定的正方向辐射等一系列优点。同时，易于与电路板系统集成和结构鲁棒性好的特点又使其便于大规模的低成本生产。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1．研究背景与研究意义

1．2．基片集成波导滤波器的发展

1．3．Fabry-Perot谐振天线的发展

1．4．本文主要工作及内容安排

第2章 IADGS级联HMSIW的超宽带滤波器

2．1．引言

2．2．非对称缺陷地结构(ADGS)基本原理

2．3．改进型非对称缺陷地结构(IADGS)基本原理

2．3．1．ADGS区域上方微带线导带宽度的影响

2．3．2．两侧微带枝节的影响

2．3．3．高截止频率IADGS单元设计

2．4．IADGS级联HMSIW的UWB滤波器设计

2．4．1．IADGS低通滤波器设计

2．4．2．IADGS级联HMSIW的UWB滤波器

2．4．3．实验结果与讨论

2．5．总结

第3章 SIW／HMSIW加载ADGS的宽带滤波器

3．1．引言

3．2．HMSIW加载ADGS的UWB滤波器

3．2．1．设计与分析

3．2．2．实验结果与讨论

3．3．SIW加载ADGS的宽带带通滤波器

3．3．1．设计与分析

3．3．2．实验结果与讨论

3．4．总结

第4章 空心Fabry-Perot谐振天线及其低剖面化

4．1．引言

4．2．Fabry-Perot谐振天线工作原理

4．2．1．理论分析模型

4．2．2．双侧部分反射板组成的Fabry-Perot谐振天线

4．2．3．单侧部分反射板的接地Fabry-Perot谐振天线

4．3．人工磁导体

4．3．1．蘑菇型高阻抗表面结构

4．3．2．共面高阻抗表面结构

4．4．空心FP谐振天线的低剖面化

4．4．1．低剖面化原理

4．4．2．典型应用实例

4．5．总结

第5章 SIW槽馈电的基板集成亚波长Fabry-Perot谐振天线

5．1．引言

5．2．SIW槽馈电的FP谐振天线

5．2．1．天线结构与设计

5．2．2．SIW单纵槽激励

5．2．3．SIW双纵槽激励

5．3．与微带馈电的贴片激励模型的比较

5．3．1．主波束方向

5．3．2．损耗与辐射效率

5．4．实测结果与讨论

5．4．1．无金属通孔壁

5．4．2．加金属通孔壁

5．5．参数分析

5．5．1．相对介电常数的影响

5．5．2．谐振腔厚度的影响

5．6．总结

第6章 结束语

参考文献

攻读博士学位期间完成的学术论文

致谢