半?；刹▽?dǎo)傳輸特性的研究及其在天線中的應(yīng)用.pdf

1、半?；刹▽?dǎo)(HMSIW：Half-Mode Substrate Integrated Waveguide)是由東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室洪偉教授等于2006年提出的一種高性能微波平面導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。相比于其它微波傳輸線，HMSIW具有以下特點(diǎn)：1)與傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)相比，HMSIW具有平面集成的優(yōu)點(diǎn)：2)與微帶線相比，具有傳輸損耗小，功率容量大的優(yōu)勢(shì)；3)與基片集成波導(dǎo)(SIW：Substrate Integrated Waveguide

2、)相比，橫向尺寸減小幾乎一半。此外，HMSIW比普通矩形波導(dǎo)和SIW的主模工作帶更寬，前者為fc-3fc，而后兩者為fc-2f，其中fc為主模截止頻率。正是因?yàn)樗倪@些優(yōu)點(diǎn)，HMSIW已經(jīng)被用于設(shè)計(jì)研制各種高性能微波毫米波元器件，如功分器、濾波器、天線等。隨著這些器件在國(guó)際期刊和會(huì)議上的不斷發(fā)表，HMSIW受到國(guó)內(nèi)外同行越來(lái)越多的關(guān)注和接納。在此背景下，本文深入系統(tǒng)地研究了 HMSIW的傳輸特性和耦合特性，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研制了橫向縫

3、隙陣列天線，周期性漏波天線和工作于60GHz的介質(zhì)諧振器天線。論文主要工作如下：
　　 第一章研究了HMSIW在主模工作區(qū)的傳輸特性。首先運(yùn)用商業(yè)電磁仿真軟件獲得波導(dǎo)內(nèi)外場(chǎng)形分布，在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得到了一套場(chǎng)分量表達(dá)式。其次，針對(duì)多條結(jié)構(gòu)相同、長(zhǎng)度相異的HMSIW，運(yùn)用多線法計(jì)算得到了HMSIW主模的相位常數(shù)和衰減常數(shù)。然后，系統(tǒng)分析了諸多關(guān)鍵因素如波導(dǎo)寬度、介質(zhì)基片厚度、介質(zhì)基片介電常數(shù)、金屬化通孔尺寸和間距等對(duì)HMSIW截止

4、頻率的影響，推導(dǎo)得到了一套HMSIW的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式。最后，系統(tǒng)分析了HMSIW在不同介質(zhì)基片損耗角正切和不同金屬導(dǎo)電率情況下的衰減特性，進(jìn)而解釋了HMSIW在單模工作區(qū)的損耗機(jī)理。部分工作已在IEEE Trans．Microw．Theory Tech．上發(fā)表。
　　 第二章研究了一對(duì)平行HMSIW的互耦特性。在實(shí)際應(yīng)用中，一對(duì)平行的HMSIW通常有三種不同的相對(duì)擺放位置，即一條HMSIW的開放側(cè)邊面對(duì)另一條的開放側(cè)邊(簡(jiǎn)稱“面對(duì)

5、面”結(jié)構(gòu))，閉合側(cè)邊面對(duì)閉合側(cè)邊(簡(jiǎn)稱“背對(duì)背”結(jié)構(gòu))以及開放側(cè)邊面對(duì)閉合側(cè)邊(簡(jiǎn)稱“面對(duì)背”結(jié)構(gòu))。以分別工作于X波段和Ka波段的兩對(duì)HMSIW為例，本章定量、系統(tǒng)地分析了HMSIW以不同間距擺放于上述三種不同相對(duì)位置時(shí)的近遠(yuǎn)端耦合系數(shù)。通過(guò)與一對(duì)平行微帶耦合線的對(duì)比，分析了上述三種相對(duì)擺放結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而提出了合理化設(shè)計(jì)建議，以有效降低HMSIW線間串?dāng)_以及HMSIW對(duì)周圍元器件的干擾。最后，結(jié)合第一章所闡述的單條HMSIW的傳輸

6、特性，提出了最佳HMSIW的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以保證HMSIW具有較低的線上傳輸損耗和較弱的線間串?dāng)_耦合。
　　 第一、第二章對(duì)HMSIW傳輸特性和耦合特性的研究為在后續(xù)章節(jié)中將HMSIW應(yīng)用于設(shè)計(jì)研制一些微波毫米波器件提供了基礎(chǔ)。
　　 第三章研究了HMSIW饋電的橫向縫隙陣列天線。首先，針對(duì)蝕刻在HMSIW上表面金屬層的單條橫向縫隙，分析了其電場(chǎng)分布及諧振特性，即諧振長(zhǎng)度和諧振阻抗，并對(duì)應(yīng)地推導(dǎo)得到了電場(chǎng)分量表達(dá)式和諧振阻抗

7、計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了HMSIW橫向縫隙陣列天線的兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)公式。應(yīng)用這兩個(gè)公式，分別設(shè)計(jì)了工作于X波段和Ka波段的兩副HMSIW橫向縫隙陣列天線。天線的實(shí)測(cè)性能與理論分析吻合，驗(yàn)證了這兩個(gè)設(shè)計(jì)公式的正確性。這部分工作已在IEEE Trans．Antannas Propag．上發(fā)表。
　　 第四章研究了基于HMSIW結(jié)構(gòu)的周期性漏波天線。這類天線是由在HMSIW的上表面金屬層或金屬地面周期性蝕刻橫向窄縫隙而成。相鄰縫隙的

8、間距(即周期)小于最低頻率時(shí)的半個(gè)空間波長(zhǎng)。針對(duì)這兩種天線結(jié)構(gòu)，即縫隙蝕刻在上表面金屬層或在金屬地面，首先分析了單條橫向縫隙的電場(chǎng)分布。然后，結(jié)合波導(dǎo)內(nèi)外場(chǎng)分布，運(yùn)用變分法原理(variational method)，推導(dǎo)了分別適用于這兩種天線的設(shè)計(jì)公式。最后，應(yīng)用這些公式，理論分析了縫隙長(zhǎng)度及縫隙周期對(duì)空間諧波(spaceharmonics)相位和衰減的影響，也即對(duì)天線口徑分布的影響。測(cè)試、仿真及計(jì)算結(jié)果的良好吻合驗(yàn)證了設(shè)計(jì)公式的正確

9、性。這部分工作已投稿至IEEE Trans．Antannas Propag．和IEEE．AntennasWireless Propag．Lett．。
　　 第五章研究了工作于60GHz、由HMSIW饋電的線極化和圓極化介質(zhì)諧振器天線。在設(shè)計(jì)這兩種天線之前，首先應(yīng)用惠勒罩法(Wheeler Cap Method)和方向性/增益法(D/G method，Directivity/GainMethod)研究比較了介質(zhì)諧振器天線和微帶貼片

10、天線在Ka波段的輻射效率。通過(guò)研究，一方面，系統(tǒng)分析了兩種天線輻射效率測(cè)試方法的優(yōu)勢(shì)和缺陷，并提出了改進(jìn)建議。這為在后續(xù)工作中較為準(zhǔn)確地測(cè)試天線輻射效率提供了基礎(chǔ)。另一方面，測(cè)試和仿真均顯示介質(zhì)諧振器天線在毫米波波段擁有比微帶天線更高的輻射效率，這為在60GHz上開發(fā)介質(zhì)諧振器天線的合理性提供了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，我們研制了60GHz HMSIW饋電的線極化和圓極化介質(zhì)諧振器天線，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。天線的實(shí)測(cè)性能與