基片集成波导天线设计
基片集成波导圆极化天线的设计
信 天 线 。
的尺寸 ,使 得它 在提 高性 能 的 同时 ,有效 地 实 现小 型 化 。而通 过 共 面波 导 (CPW )馈 电 的 圆极 化 微 带 天 线 ,有效 简化 了制造工艺 ,避免 了在制造天线 的过程 中 ,将 两个基板结合 的复杂工艺 。
1 天线优化设计
本 文 提 出 的 就 是 建 立 在 这 种 基 础 上 的 圆 极 化 背 腔 天线 。图 1所示 为该 圆极化天线 的几何结构 。
Abstract:A new type of circularly polarized antenna based on Substrate Integrated Waveguide (SIW ) is
introduced.HFSS simulation software is used for the optimization of the antenna. The maximum gain is
收稿 日期 :2015—06.26
修 回 日期 :2015-09—09
基金项 目:国家 自然科 学 基 金 (61302051);陕 西 省 自然科 学 基 金
(2o12JQ8O26);武 警 工 程 大 学 基 础 基 金 (wJY2O13O9)
作者简介 :李雪健 (1991一 ),男 ,广东梅县人 ,硕士生 ,研究方向为通
Design of Circularly Polarized Antenna Based on Substrate Integrated W aveguide
LI Xue-jian , DUAN Xiao—xi , ZHU Yong—zhong , LI Ping
(Engineering University of CAPF,a.Postgraduate Brigade,b.Information Engineering,Xi’an 710086,China)
基片集成波导缝隙阵天线设计
基片集成波导缝隙阵天线设计随着无线通信技术的快速发展,天线作为无线通信系统中不可或缺的一部分,其性能和设计受到了广泛。
其中,基片集成波导缝隙阵天线具有体积小、重量轻、易于集成等优点,成为了研究的热点。
本文将介绍一种基于基片集成波导缝隙阵天线的分析与设计。
在基片集成波导缝隙阵天线设计中,首先需要考虑的是材料的选取。
常见的基片集成波导材料包括陶瓷、玻璃、硅等。
这些材料具有高导电性、高绝缘性、低损耗等特点,能够有效降低天线的传输损耗。
同时,为了满足天线的小型化需求,我们还需要选择具有较高介电常数的材料,以减小天线的尺寸。
在确定材料后,我们需要对天线的形状和接口进行设计。
基片集成波导缝隙阵天线的常见形状包括矩形、圆形、椭圆形等。
这些形状的设计需要根据实际应用场景和通信标准来进行选择。
同时,为了实现天线的高性能和宽频带特性,我们还需要考虑接口的设计,包括如何连接天线与传输线,以及如何实现天线与其他设备的兼容性。
具体设计中,我们需要先确定缝隙阵的形状和大小。
这可以通过在基片集成波导上刻蚀一定形状和大小的缝隙来实现。
同时,我们还需要根据通信标准的要求,选择合适的缝隙长度和宽度。
为了提高天线的辐射效率和方向性,我们还需要对天线进行辐射特性和方向图的分析与优化。
在仿真阶段,我们使用电磁仿真软件对设计好的基片集成波导缝隙阵天线进行性能预测。
通过仿真,我们可以得到天线的辐射特性、方向图、增益等性能指标。
分析仿真结果,我们可以发现天线的性能优势和不足之处,从而进行针对性的优化。
实验验证是天线设计的重要环节。
在此阶段,我们实际制作天线并对其进行测试。
具体操作过程包括搭建测试平台、连接天线与测量设备等。
通过实际测量,我们可以得到天线的实际性能指标,并将其与理论分析和仿真结果进行比较。
实验验证结果表明,所设计的基片集成波导缝隙阵天线在辐射特性、方向图等方面均表现出较好的性能,符合预期设计目标。
本文通过对基片集成波导缝隙阵天线的设计与制作进行分析,探讨了其优势和应用前景。
基于慢波基片集成波导的连续扫描周期漏波天线设计
基于慢波基片集成波导的连续扫描周期漏波天线设计基于慢波基片集成波导的连续扫描周期漏波天线设计摘要:本文提出了一种基于慢波基片集成波导的连续扫描周期漏波天线设计。
该设计利用慢波基片和波导的相互作用来实现周期漏波,并通过改变慢波基片的尺寸和排布来调节漏波的周期。
仿真结果表明,该设计具有较好的调谐性能和较高的辐射效率,适用于连续扫描的雷达系统。
关键词:慢波基片;波导;周期漏波;天线设计引言:随着无线通信和雷达技术的不断发展,对天线性能和设计要求越来越高。
传统的天线设计中常使用周期漏波结构来实现天线的频率调谐。
然而,传统的周期漏波天线设计复杂、体积庞大,且调谐范围有限。
因此,本文提出了一种基于慢波基片集成波导的连续扫描周期漏波天线设计,旨在提高调谐范围和天线性能。
1. 慢波基片和波导的相互作用原理慢波基片是一种具有周期性结构的介质材料,可以在一定频率范围内传播电磁波的能量。
而波导是一种导波结构,可以将电磁波限制在其中传播。
当慢波基片与波导相互作用时,波导中的电磁波被慢波基片吸收,并以一定的周期性漏出。
通过改变慢波基片的尺寸和排布,可以调节漏波的周期,从而实现频率的调谐。
2. 连续扫描周期漏波天线设计基于上述原理,本文设计了一种连续扫描周期漏波天线。
该天线由慢波基片、波导和耦合结构组成。
慢波基片和波导可能设计为不同材料,以达到最佳的性能要求。
首先,根据天线工作频率和调谐要求确定慢波基片的尺寸和形状。
然后,将慢波基片与波导进行耦合,使电磁波能够在慢波基片和波导之间相互转换。
为了实现连续扫描,可以通过调整波导的宽度和长度来改变漏波的周期。
此外,还可以通过改变慢波基片的间隔和倾角来调整漏波的出射方向和角度。
3.仿真结果和分析使用电磁场仿真软件对所设计的连续扫描周期漏波天线进行了仿真。
设置天线的工作频率为X GHz,并通过调整波导宽度和长度来调节漏波周期。
仿真结果显示,当波导宽度和长度分别为A和B时,天线的频率为X GHz;当波导宽度和长度分别为C和D时,天线的频率为X+∆f GHz,实现了连续扫描。
基片集成波导漏波天线参考书
基片集成波导漏波天线参考书
摘要:
一、引言
二、基片集成波导漏波天线的定义与特点
三、基片集成波导漏波天线的原理与设计方法
四、基片集成波导漏波天线在各领域的应用
五、发展趋势与前景
正文:
一、引言
基片集成波导漏波天线作为一种新型的无线通信技术,逐渐成为射频前端设计的热点。
本文将对基片集成波导漏波天线的相关知识进行介绍,以期帮助读者更好地理解这一技术。
二、基片集成波导漏波天线的定义与特点
基片集成波导漏波天线是一种将波导与天线结构集成在同一基片上的天线,具有体积小、重量轻、成本低、性能稳定等特点。
这种天线结构既保留了传统波导的高频传输特性,又具有天线的辐射能力,因此在射频前端设计中具有广泛的应用前景。
三、基片集成波导漏波天线的原理与设计方法
基片集成波导漏波天线的原理主要包括波导与天线结构的集成以及电磁波的辐射与传输。
设计方法主要涉及几何参数、材料参数以及工艺参数的优化与调整。
在设计过程中,需要根据实际应用需求,权衡各项性能指标,以实现最
佳性能。
四、基片集成波导漏波天线在各领域的应用
基片集成波导漏波天线广泛应用于无线通信、卫星通信、雷达系统、电子对抗等领域。
在5G通信、物联网、无人驾驶等新兴领域,基片集成波导漏波天线技术具有巨大的市场潜力。
五、发展趋势与前景
随着我国射频前端设计与制造技术的不断发展,基片集成波导漏波天线技术取得了显著的进步。
然而,与国际先进水平相比,仍存在一定差距。
介质谐振器天线及基片集成波导馈电的圆极化阵列设计
介质谐振器天线及基片集成波导馈电的圆极化阵列设计引言随着无线通信技术的快速进步,对于天线设计的要求越来越高。
特殊是在无线通信系统中,圆极化天线由于其能够实现信号的传输和接收以及有效地抑止多径干扰,成为探究的热点之一。
在现有的圆极化天线设计中,介质谐振器天线及基片集成波导馈电技术被广泛应用,提供了一种高效的实现方式。
第一部分:介质谐振器天线设计介质谐振器是一种能够产生谐振频率的材料结构。
通过合适的材料选择和结构设计,可以实此刻特定频率下天线的工作。
通常,介质谐振器天线由天线主体和谐振器组成。
天线主体用于发射和接收电磁波信号,而谐振器则用于调整天线频率。
在设计介质谐振器天线时,起首需要确定适用的材料。
常用的材料包括陶瓷、聚合物、铁氧体等。
材料的特性将决定天线的频率响应和电磁波传输性能。
其次,通过选择合适的结构和尺寸,实现天线的谐振频率调整。
最后,进行优化设计,提高天线的效率和性能。
第二部分:基片集成波导馈电技术基片集成波导馈电技术是一种通过在天线主体的基片上加工波导馈电结构,实现天线与馈电模式的集成的方法。
该技术能够减小天线的体积并提高天线性能。
常用的基片材料包括石英、氮化硅等。
基片集成波导馈电技术的设计需要思量波导尺寸、耦合传输效率、介质损耗等因素。
通过优化设计波导结构,减小波导的损耗和耦合损耗,以及提高谐振器和天线的性能,可以实现高效的馈电方式和优异的天线性能。
第三部分:圆极化阵列设计圆极化阵列是由多个天线单元组成的天线阵列系统。
在设计圆极化阵列时,需要思量详尽的应用场景和性能要求。
起首,确定阵列的工作频率和带宽。
其次,选择适当的天线单元和互联方式,以实现圆极化辐射模式。
最后,进行优化设计和匹配调整,以提高阵列的辐射效率和性能。
通过介质谐振器天线及基片集成波导馈电技术,可以实现圆极化阵列的紧凑结构和优良性能。
该设计方法在5G通信、雷达系统等领域具有广泛应用前景。
结论介质谐振器天线及基片集成波导馈电技术为圆极化阵列的设计提供了一种高效、紧凑和好用的方法。
基片集成波导漏波天线参考书
基片集成波导漏波天线参考书
(原创版)
目录
1.基片集成波导漏波天线的概述
2.基片集成波导漏波天线的原理
3.基片集成波导漏波天线的应用
4.基片集成波导漏波天线的优缺点
5.基片集成波导漏波天线的发展前景
正文
一、基片集成波导漏波天线的概述
基片集成波导漏波天线是一种微波频段的天线,它采用基片集成波导技术制造,具有体积小、重量轻、性能稳定等优点。
这种天线在我国的军事、通信、导航等领域有着广泛的应用。
二、基片集成波导漏波天线的原理
基片集成波导漏波天线的原理是利用波导中的电磁波在特定条件下
发生漏波,从而将电磁波能量辐射到外部空间。
这种天线的结构主要包括波导、漏波结构和反射器等部分。
三、基片集成波导漏波天线的应用
基片集成波导漏波天线在军事、通信、导航等领域有着广泛的应用。
在军事领域,它可以用于制造隐身飞机、舰船等武器装备的雷达天线;在通信领域,它可以用于制造卫星通信天线;在导航领域,它可以用于制造全球定位系统(GPS)天线等。
四、基片集成波导漏波天线的优缺点
基片集成波导漏波天线的优点是体积小、重量轻、性能稳定等,可以
满足各种复杂环境下的使用需求。
然而,它也存在一些缺点,如制造工艺复杂、成本较高等。
五、基片集成波导漏波天线的发展前景
随着科技的不断发展,基片集成波导漏波天线的制造工艺将不断完善,成本也将逐渐降低。
基片集成波导缝隙天线阵设计
基片集成波导缝隙天线阵设计11040118 周扬§1.1基片集成波导简介§1.1.1 应用需求背景目前高频高增益的天线主要应用于以下领域:1.军用的雷达天线系统。2.机动车防撞击。3.移动基站间的射频入口系统。4.毫米波射频前端系统。5.高速无线局域网。一般来说,天线效率取决于天线的馈电系统,而辐射单元决定了其造价。基于微带线适合于平面设计,并且易于与有源器件连接,具有很高的系统集成度等等优点,从而得到了广泛的实际应用。但是微带线也有很多弱点和不足,比如说介质损耗、导体损耗以及辐射损耗相对较大等等,所以制作的天线效率一般较低,尤其在高频时,表现特别明显。研究发现,波导损耗相对较低,又由于波导缝隙适合于波导结构,波导缝隙天线就成为设计高增益天线的理想形式。其更大的优点在于随着频率的升高,波导缝隙天线依然可以保持很高的效率。然而波导是一种立体的刚性结构,虽然解决了微带线效率问题,但是难以和有源器件有效集成,丧失了微带线易于集成的优势;另外波导缝隙天线一般造价昂贵,体积、重量上比平面形式的天线要大很多。基于以上各个方面的考虑,早在1998年,Hirokawa和Uchimura提出了一种通过金属通孔阵列代替金属壁形成的结构,研究发现金属通孔的阵列可以起到和金属壁相类似的作用,从而可以把电磁波限制在一定的空间范围内向前传播,这就是基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)结构的产生。§1.1.2 SIW应用和研究现状近年来,在对基片集成波导传输特性研究的基础上,SIW 的应用也得到了较为广泛的发展。利用基片集成波导形成的无源微波器件,如定向耦合器、功分器、滤波器、天线等,都展现出了与传统意义上的矩形金属波导构建的微波器件相媲美的性能。1.定向耦合器定向耦合器作为一种重要的无源器件被广泛地应用于现代微波毫米波通信系统,在天线阵列馈电网络中,定向耦合器是一个主要部件。波导窄边缝隙耦合定向耦合器是一种比较成熟的电桥结构,Pandharipande详细描述了窄边波导缝隙耦合器的等效电路。在共面集成电路设计中,通常会采用波导窄边耦合结构实现定向耦合器在平面电路中的集成。采用基片集成波导技术设计的窄边缝隙定向耦合器已经被成功运用到毫米波系统的设计中。结果也证明利用基片集成波导设计的定向耦合器不但结构紧凑、可靠性高,而且还具有成本低、与平面电路易于集成、易于加工等优点。2. 功分器功率分配器作为一种重要的微波无源器件被广泛地应用于现代微波毫米波电路系统中,尤其是其在阵列天线的设计中扮演了重要的角色。伴随着基片集成波导技术的发展,采用此技术所设计的器件以及相关研究成果得到广泛的应用,其中功率分配器得到了充分的研究与应用:Germain利用基片集成波导技术设计了H 面上的T 形结和Y 形结,以及与之对应的3 分贝功率分配器。以此为基础,Hao 设计了X 波段的十六路功率分配器,并且将其应用在ALTSA 天线阵列的设计上.然而也有其弱点,由于基片集成波导宽度较宽,上述功率分配器的尺寸都不够紧凑。3. 滤波器基片集成波导可以用来构成多种滤波器,相比于微带线构成的滤波器,基片集成波导具有更高的Q值,因此在此基础上所形成的滤波器也具有更陡峭的带外抑制特性。一种基片集成波导滤波器,在两列金属通孔间再加上4个金属通孔形成了类似于矩形金属波导中间加入销钉而构成滤波器结构。可以通过调节中间金属通孔的直径、间距以及与轴线的偏移距离等,在设计频率上实现带通特性。由于基片集成波导易于和平面电路集成,则可以利用基片集成波导和微带线结合构成滤波器,也能取得较好的滤波特性。4. 天线基片集成波导缝隙阵天线是一种新型的微波毫米波集成元件,弥补了传统意义上的矩形金属波导缝隙阵天线所固有的缺陷。传统的矩形金属波导缝隙天线阵具有方向图可以赋形、交叉极化电平低、主瓣宽度窄等优点,从而被广泛地用于微波毫米波雷达系统和通信系统中。但是由于金属波导材料成本高、体积大、质量重、加工费用昂贵等等不足,很难批量生产,而且在加工完成后还需要一个调试过程用来修正误差。基片集成波导缝隙阵天线作为传统矩形金属波导缝隙阵天线的替代者,克服了上述种种缺陷,从而具有重要的实际价值和广阔的应用前景。Apu利用金属通孔阵列代替波导窄边,而后在波导宽边上蚀刻缝隙,从而提出了基片集成波导缝隙天线的雏形。后来,Yamamoto 又设计和仿真了基片集成波导宽边横向缝隙天线。与此同时,还有许多针对不同的缝隙位置和形状进行的研究,都对后来缝隙天线的发展起了重要作用,例如基片集成波导宽边斜向缝隙等。§1.1.3 基片集成波导的特点1. SIW集合微带线和波导的种种优点于一身,易集成、效率高等。2. SIW较之于传统矩形波导结构更为紧凑,具有重量轻、体积小、易于集成加工等优点。3. SIW具有与传统意义上的矩形波导相类似的传播特性,例如可以在毫米波频段实现较高的天线效率,品质因数较高。4.SIW构成的电路和天线在设计加工完成后,可以通过调整金属通孔的大小来根据设计要求调节其性能,其调试相比于传统矩形波导也更加方便。5.微波有源器件大多是表面封装或者芯片形式,所以其在安装时需要共面电路结构,如共面波导、微带线等。SIW却可以和共面传输线实现很好的过渡,凸显了易集成的优点。§2.1 SIW与介质填充波导的等效对基片集成波导传播特性的分析是为设计提供依据。基片集成波导是一种相对新型的波导结构,并且具有与传统矩形波导相似的传播特性。§2.1.1 SIW基本结构图2-1 基片集成波导结构图2-1是基本的基片集成波导的几何结构,介质基片的上下表面均为金属层,基片中设置两排金属化通孔阵列,这样上下金属面和两排金属化孔之间就形成了一个类似矩形波导的结构,称作基片集成波导。图中,a代表两排金属通孔之间的距离,为基板集成波导的宽度,h是介质基片的厚度,d表示金属通孔的直径,p为金属化孔阵中相邻孔中心的距离。§2.1.2 SIW等效矩形波导如图2.1所示,介质基片的上下金属面可以看成是相应介质填充矩形波导的上下波导壁,两排平行的金属通孔等效构成了传统矩形金属波导的两个金属侧壁。当电磁波在基片集成波导中传播时,具有与矩形波导相类似的传输特性,但是由于SIW结构的特殊之处,两者也存在一定的差别。根据研究,基片集成波导只能传输TE模,这是由于基片集成波导的管壁由周期排列的金属化通孔构成,这种结构可以等效为在矩形波导的窄壁上横向开槽。根据矩形波导理论可知,如果开槽切割管壁电流,波导内的传输模式的能量将向空间辐射;若开槽不切割管壁电流,则基本不产生空间辐射。图2-2 波导管壁电流分布如图2-2,由矩形波导中的TEn0模面壁电流分布可知,窄壁横向开槽不切割横向电流,因此基片集成波导可以传输TEn0模,其中TE10为主模。而对于矩形波导中的TM 模,窄壁电流为纵向分布,横向开槽必然切割电流,从而产生较大的空间辐射,使得TM 模在基片集成波导中无法传播,所以基片集成波导传输模式中只存在TE 模。基片集成波导内传输的主模为TE10模,它的传播常数及辐射损耗由a ,p ,d 决定。如图2-3基片集成波导可以等效为传统的介质填充矩形波导,所以对SIW 的分析就可以用等效的介质填充矩形波导来代替。在文献[12]中给出了SIW 等效矩形波导的经验公式:图2-3 基片集成波导宽边等效1332121εεεεεεε--+++=d p a (2-1) 其中0684.1/3465.00198.11-+=p a ε(2-2) 2010.1/2729.11183.02---=p a ε (2-3)2152.0/9163.00082.13+-=p a ε(2-4)a a a RWG =(2-5)基片集成波导与矩形波导等效是指,在相同介质中,传播同一频率的电磁波时,当两种波导的宽度满足一定的关系时,两种波导的相移常数β相等。两种波导等效时,矩形波导的宽度称为基片集成波导的等效宽度。基片集成波导结构参数的变化会对相移常数β产生影响,β可以用来判断基片集成波导与矩形波导等效的优劣性。图2-4SIW 仿真模型图2-5 矩形波导仿真模型1.仿真计算在等效性验证中我们取mm a 13=,mm b 3=,mm p 1=,mm d 6.0=,47.2=r ξ,中心频率GHz f 5.100=。利用CST 建立一段基片集成波导的模型,如图2-4。 SIW 仿真运算的传播常数为m 041.238=β根据矩形波导的波导波长计算公式,gλπβ2=(2-6) 221⎪⎭⎫ ⎝⎛-=a g λλλ(2-7) rξλλ0=(2-8) 00f c =λ(2-9) 可得出由相移常数β反推波导宽度a 的计算公式,22220224βξππc f c a r -=(2-10) 由仿真的相移常数β得出mm a RWG 537.12=同样建立一段以RWG a 为宽边的矩形波导模型,通过仿真计算其电场分布如图2-6,SIW 电场如2-7所示。图2-6 矩形波导仿真图2-7 SIW 仿真2.等效公式计算由经验公式(2-1)~(2-5)可以计算获得:,9394.0,2253.0,0486.1321=-==εεεmm a a a a RWG 6554.12,9661.0=⋅==利用前面建立的矩形波导模型,以此计算值为宽边,仿真计算此时的传播常数为m 252.241=β。3.结果分析表2-1β仿真计算结果效公式准确。如图2-6,2-7所示,可见基片集成波导与等效矩形波导具有相同的电场分布。由以上分析可见基片集成波导与等效矩形波导具有相似的传播特性,可以采用矩形波导的分析方法来分析SIW 的电特性。§2.2 SIW 与微带传输线的转换由于微波有源器件大都是表面封装或芯片形式,需要共面电路结构共面波导、微带线等进行转换。因此,基片集成波导与共面传输线的过渡问题也是本文考虑设计缝隙阵天线的重要问题,设计这类转换的最重要的指标是回波损耗。微带线与SIW 的过渡形式可以分为两类:第一类为共面形式,即微带线与SIW 的一个宽面在同一层介质基片上,这类结构可以仅用一层介质基片实现,加工工艺简单;第二类为异面形式。对于传统的矩形波导,某一模式的等效阻抗为:c Z ab Z ⋅⋅=2π(2-11) 其中Zc 为该模式的特性阻抗。由于SIW 的传播特性与传统的矩形波导极具相似性,仅仅是传播常数有细微差别。所以此公式也适用于SIW 等效阻抗的计算,在实际设计实现时需要达到在工作频段内微带线的特性阻抗与SIW 的等效阻抗相匹配的性能要求。下面,我们主要对微带线与SIW 的共面过渡形式进行介绍和实际的应用。1. 共面过渡结构如图2-8所示,共面形式的微带—SIW 转换器主要有三种基本结构:分为直接过渡,凸型过渡,凹型过渡。直接型凸型凹型图2-8 共面形式转换的三种基本结构从图2-9可以直观地发现微带线的电场结构与SIW的主模TE10模式的场结构具有一种自然的相似性[17]。本文选择凸型渐变的转换形式,其基本结构示于图2-10。其优势在于容易实现微带和波导之间的传输匹配。(a)矩形波导(b)微带线图2-9 主模场分布微带线与SIW的过渡转换可以在相对较宽的频带内进行匹配,这种形式的过渡也比较容易设计实现,但是当采用比较厚的介质基片时,微带线部分将会产生比较高的辐射损耗;如果采用比较薄的介质基片,SIW部分又会产生比较强的导体损耗,所以二者要兼顾。图2-10微带与基片集成波导转换结构2.设计与仿真图2-11是本次微带与SIW过渡转换的仿真模型,2端口激励连接的微带线,通过凸型渐变的方式过渡到基片集成波导。对于微带线,我们通过计算获得其阻抗近似为50欧姆的时候,微带的宽度Wms近似为2.88mm,基片集成波导尺寸与前面构建模型一致。需要确定匹配过渡部分的几何尺寸。图2-11 转换仿真模型3.结果分析S的变化,下图2-12是本在仿真计算时通过改变过渡部分的几何尺寸,观察22次试验的参数扫描仿真结果。图2-12 转换匹配时参数扫描结果可以发现当mm L mm m m 8.12,1211==Γ时效果较好,22S 模值小于-20dB,端口信号的传输较好,反射较小,反射功率可以做到远小于入射功率的百分之一,近似认为达到匹配效果。§3.1基片集成波导馈电的缝隙基片集成波导类似于矩形波导本质上是一个可以屏蔽电磁场的刚性结构,同样可以构成波导中行波或驻波馈电的线阵天线。可以通过调整波导上缝隙的偏置,来对缝隙激励的幅度加以控制。当缝隙切断波导壁上的面电流时,波导内的电磁场便激励了缝隙,从而波导内的能量被耦合到自由空间辐射出去。缝隙可以被看作是接在波导上的阻抗或导纳元件。有功损耗认为是向外的辐射功率,无功损耗就是向波导内的反射功率。由此基片集成波导馈电的缝隙可由其在等效电路中的等效阻抗或等效导纳来表示。图3.1基片集成波导馈电的缝隙常用的缝隙形式如图3.1(a )和(b )所示。在波导上开如图3.1(a )中a 形式的缝隙时是不辐射电磁波的,因为它和表面电流矢量平行,波导壁电流分布见图2-2。在设计基片集成波导缝隙阵天线时通常使用如图3.2所示的宽边纵向缝隙。这种缝隙不切割纵向电流,只和横向电流耦合,因此可用简单的二端并联元件来表示其等效电路。图3.2 基片集成波导馈电的缝隙及其等效电路§3.2波导缝隙特性的计算方法1. Stevenson 法Stevenson 最早用如下的假设计算缝隙特性:(1)具有理想导体的薄壁;(2)一个窄缝;(3)缝隙的长度接近于半个自由空间波长;(4)无限大理想导电地平面。利用传输线理论和波导模型的格林函数,Stevenson 导出了在矩形波导上开各种缝隙时,归算于波导阻抗的谐振电导的值。宽边上纵向并联缝隙的电导为:)2/(cos )/09.2()/(sin 2121g g RWG RWG b a g a x g g λπλλλπ==(3-1)式中λ是自由空间的波长,g λ是波导波长,x 是缝隙距波导中心线的距离。Stevenson 的分析是比较粗略的,他不能有效地得到电抗分量,而且当缝隙长度变化时缝隙等效电导和电纳都会改变,上式不能反映缝隙长度对其等效导纳的影响。2.变分法简介变分法用于波导缝隙参数的计算首先由Oliner 提出。这种方法不仅解决了缝隙电阻(电导)的计算,而且解决了缝隙电抗(电纳)的计算。除此之外,Oliner 还提出了波导壁厚对缝隙谐振长度影响的计算方法并对Stevenson 的计算式进行了扩展。而后又发展了Oliner 的计算方法。解决了纵向缝隙的谐振长度随偏置dx 增大而增大的计算问题,引入了缝隙口径导纳jB G Y +=的概念。对于波导宽边上的纵向并联缝隙,考虑波导壁厚的影响,它的等效电路如图3-3所示[15]。图3-3 变分法缝隙的等效模型3. 矩量法简介矩量法用于表示矩形波导宽壁上一个窄缝的特性,并能够进一步得到窄壁折合缝隙的解。矩量法的计算工作比上面讨论的方法都要大。Vu Khac 和Carson 利用场的等效原理,用短路和磁流代替缝隙口径,使缝隙特性公式化。在馈电波导中,缝隙腔体内(认为壁的厚度有限),和自由空间中取适当的磁场格林函数,用于推导基本积分方程。缝隙的场被表示成离散的脉冲函数列。用缝隙口径上匹配的正切分量Ritz-Galerkin 法,导出矩阵方程。然后用矩阵反演来确定散射系数。最后得出缝隙的场分布。Vu Khac 在矩量法计算时,其基函数和权函数都采用脉冲函数,由于收敛慢及在缝隙端点处不满足实际情况,计算结果有一定误差。采用分段正弦函数可使收敛速度加快,而且满足缝隙端点处的边界条件。§3.3缝隙导纳参数的提取当设计谐振式缝隙阵时,可以认为缝隙的电压分布是对称的驻波分布。那么,在矩形波导宽边上,由纵向缝隙所引起的散射就是对称的,其等效电路模型通常仅包含一并联导纳。在缝宽一定时,缝隙的归一化导纳随缝隙相对于波导中心线的偏置距离dx 和缝隙的长度变化而变化。当缝隙中心距离两端口相等并且都为半个或一个波导波长时,有如下关系:02211/2/G Y G Y S S +-==(3-2) 1121121S S S +==(3-3)其中G 0是波导的特性导纳。由以上二式,可以推出,矩形波导宽边上的纵向缝隙的等效归一化并联导纳,用测得的或计算的11S (后向散射参数)表示成:1111012),,(S S G f l x Y +-=(3-4)或用传输系数21S (前向散射参数)表示为:)11(2),,(210-=S G f l x Y (3-5) 因为实际情况下散射并不完全对称,所以两种算法得到的等效归一化导纳会略有不同。用前向散射参数和后向散射参数表示的11S 平均值()21211111-+=S S S ,代入可得归一化并联导纳的另一种表达式:112),,(211121110++-+⋅=S S S S G f l x Y (3-6) 可以得知较之于前者,其具有较高的精度。§3.4 缝隙参数的仿真计算基片集成波导缝隙的电参数是指孤立缝隙的电参数。SIW 单缝隙几何尺寸如图3-4:图3-4 基片集成波导开单缝隙单缝电参数包括缝隙的归一化电导、缝隙谐振长度等。为了设计低副瓣,具有良好方向图的天线,必须十分精确的得到缝隙的电参数。如果在某一频率点处缝隙的电纳为零,电导最大,称缝隙在此频率上谐振。该频率即为谐振频率,缝隙长度和缝隙电导称为谐振长度和谐振电导。对基片集成波导纵向缝隙特性进行理论分析时,假定1>>w L 。在此条件下,当缝隙长度谐振时,缝隙的电导最大值与缝隙的电纳零值的位置基本相一致。随着缝隙宽度的增加,缝隙电导最大值与电纳零值的位置将相互分离。缝隙越宽,分离值越大,当然缝隙也不能太窄,本文缝宽设为0.5mm 。缝隙的电参数可以通过仿真和理论计算来获得,计算的方法前面已经介绍。1. 仿真计算本文在前面设计的基片集成波导模型的基础上,在其上表面开了一个偏置为dx ,长度为L slot _,宽度为0.5mm 的缝隙。图3-5是在实际实验过程中所用到的仿真模型。首先我们确定一个dx ,然后优化缝隙的长度L slot _,找到使11S 相角接近180度的缝隙长度,如图3-6(此时11S 的模值在中心频率GHz f 5.100 近似达到峰值,图3-7所示)。我们即可以认为此长度是在此偏置上的谐振长度。图3-5 单缝隙的仿真模型图3-6 谐振长度选取图3-7谐振S11模值关系然后记录在每个偏置dx 对应谐振长度上的11S 的模值跟相角,再利用上一节§3.3导纳与S 参数的关系式,结合Matlab 编程来计算其电导值。从而便可获得单个缝隙的电参数。根据这些数据可以利用Matlab 拟合缝隙谐振长度Lres 和缝隙导纳G 与偏移量dx 的关系曲线,如图3-8及3-9所示。图3-8 缝隙谐振长度与偏置的仿真曲线10.610.6210.6410.6610.6810.710.7210.74偏置长度Dx (mm )缝隙谐振长度缝隙谐振长度与偏置长度Dx 的关系图3-9 缝隙归一化电导与偏置的关系曲线2. 结果分析图3-8和3-9为缝隙谐振长度与缝隙偏置、归一化电导与缝隙偏置的关系曲线。从仿真的结果来看:(1)耦合结构的导纳值和缝隙谐振长度与偏移量成正比;(2)不同的偏置对应不同的耦合结构的归一化电导值。因此通过控制偏移量可实现基片集成波导天线阵阵元的幅度加权。以上两条曲线是设计基片集成波导缝隙天线阵的基础。§4.1缝隙阵列天线的分类为了增强缝隙天线的方向性,可在波导壁上按一定规律开多条缝隙构成缝隙阵列天线。由于波导场分布的特点,使阵元的位置比较灵活,所以缝隙天线阵元的形式是多种多样的。根据波导内传输电磁波的形式又可将缝隙阵列分为谐振式缝隙天线阵和非谐振式缝隙天线阵。§4.1.1谐振式缝隙阵如果波导内传播驻波型电磁波,并且保证各缝隙得到同相激励,那么这种缝隙阵称为谐振式缝隙阵。这种天线阵的特点是相邻缝隙间的间距为g λ或2g λ,g λ是波导波长。当相邻缝隙间的距离为2g λ时,由距离引起的相位差为π,如果使缝隙分布在波导中心线的两边,则引起的相位差也为π,最后的结果使得缝隙的相位差变为零,各缝隙达到同相激励。为了能在长度一定的波导壁上刻蚀更多的缝隙单元以提高阵列天线的方向性,同时也为了避免相邻缝隙间距g d λλ>=而导致出偏置长度Dx (mm )缝隙归一化电导缝隙归一化电导与偏置长度Dx 的关系现栅瓣的情况,相邻缝隙的间距大小一般取为2g λ。波导短路端与最近的缝隙的距离一般取4g λ的奇数倍,从而使波导内形成驻波型电磁波。谐振式缝隙阵是侧射阵,最大辐射方向指向阵面的法线方向。当工作频率偏离谐振频率时,缝隙间距将不再是2g λ或g λ时,从而不能保证各缝隙是同相激励,产生的相位差引起主瓣最大辐射向相位滞后的方向倾斜。更为糟糕的是,阻抗匹配也会发生较为严重变化,整个天线的性能大幅下降,由此可见其受工作频率的影响比较大,故谐振式缝隙阵是窄带的。§4.1.2非谐振式缝隙阵 非谐振式缝隙阵列的缝隙间距大于2g λ或小于2g λ即2g d λ≠。这种天线的终端需要接一个匹配负载,从而使波导传播处于行波状态,刻蚀的缝隙由行波作激励,这样天线便可以在较宽的频带范围内保持良好的匹配。由于缝隙间距不等于2g λ,各缝隙单元不同相,具有线性相位差。方向图的主瓣偏向激励或负载端,最大辐射方向与波导阵面法线的夹角为:⎪⎭⎫ ⎝⎛=d πλφθ2arcsin 0(4-1) πλπφ±=g d 20为相邻缝隙的激励相位差,π±为缝隙的位置产生的附加相位差,d 为相邻缝隙的间距。非谐振式缝隙阵列的优点是频带较宽,然而效率较低,匹配负载的吸收功率通常为总输入功率的5%~10%。§4.2波导缝隙阵的设计方法前文阐述了缝隙特性,对于波导缝隙阵的设计,缝隙的偏置,谐振电导以及谐振长度,对天线来说都是很重要的参量。天线阵的设计,通常用到下面一些指标:旁瓣电平、波束宽度、输入驻波比等等。波导缝隙阵的设计也须考虑满足设计要求。口径场的分布可由对副瓣电平、波束宽度进行综合的方法确定。缝隙位置由阵元间隔以及是否出现栅瓣的关系来控制。毗邻的缝隙间距应比一个波导波长小,以避免栅瓣的产生。对一个波导谐振缝隙阵,要求口径照度在整个口径上是同相位的。为满足抑制栅瓣和得到同相辐射,缝隙之间的间距在同一波导上的谐振阵上,应等于沿波导中心线具有半个波导波长。对非谐振缝隙波导阵的阵元间距应比谐振阵的稍大或稍小。谐振电导或者谐振电阻由已定的口径照度来确定。为得到最佳带宽特性,不论是谐振的或者是非谐振的天线阵,缝隙都应设计在中心频率上谐振。 §4.2.1泰勒综合由切比雪夫综合法[15]得到的切比雪夫阵列的方向图是最佳的,即在相同阵列长度情况下对给定的副瓣电平,其主瓣宽度是最窄的,或对给定的主瓣零点宽度,。
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The Research of Broadband Millimeter-Wave Vivaldi Array Antenna Using SIW TechniqueLi Bin Dong Liang Zhao Jiao-cheng(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100)Abstract-A compact millimeter wave Vivaldi antenna array printed on thick substrate and fed by a substrate integrated waveguide (SIW) structure was proposed in this paper. It consists ofa compact SIW binary divider, which has minimize significantly the feed structure insertion losses and achieve a broadband performance in millimeter wave range, and four-elements printed Vivaldi array. The whole antenna array was designed, fabricated, and thoroughly investigated. The whole antenna and feed net were designed, fabricated on single substrate, which takes the advantages of small size, low profile, low cost and high performance etc. The simulation results show that the design is effective and right.I.I NTRODUCTIONThe Vivaldi array antenna with broadband capability [1] plays a increasingly important position in radar, communication and electronic counter measures (ECM) fields[2,3], which the performance and design have been making an intensive study since 1980s’. With the development of planar integrated circuits, the planar Vivaldi array antenna which is light in weight, low in cost, and intergraded easily, has attracted considerable attention in antenna design filed. The planar Vivaldi array antenna has been based on structure of microstrip[4] or stripline[5], which have been restricted at relatively low frequencies for transmission loss or complex structure. For example, Yang et al.[4] developed a Vivaldi array antenna to cover the 8~12GHz bandwidth, but it was based on the microstrip technology and demonstrated an high insertion loss (over 3.5 dB) for feeding network. Schaubert et al [5] has designed a Vivaldi array antenna with stripline-fed, which has a relatively low insertion loss, but its structure has become very complex.Substrate integrated waveguide (SIW) technology has been proposed for many years [6][7]. Due to the advantages of this technology, such as low cost, high Q-factor, low insertion loss, easy to be integrated and high density layout, SIW is widely used in many areas, for example, planar slot antenna array [8], filter [9], diplexer, hybrid coupler[10], power splitter [11]and so on. The whole SIW structure is composed by metallized via array, so it can be realized accurately by PCB or LTCC technology and can be combined seamlessly with microstrip circuit, which is well suitable for millimeter-wave integrate system design and manufacture.In this paper, a compact millimeter wave vivaldi antenna array with SIW feeding network was presented, which can achieve a broadband performance and offer several advantages over other counterparts such as relatively low insertion loss, good design tolerance and circuit size compactness at the millimeter wave (MMW) range. This antenna configuration can be easily adapted to millimeter wave applications with a conventional low-cost PCB fabrication process. The simulation results indicate that the antenna has good performance in all Ka-band.II.D ESIGN OF BROADBAND MILLIMETER WAVEVIVALDI ANTENNA ELEMENTSIW structures are fabricated on printed circuit boards, which is similar as conventional metallic waveguide structure. The metal layer on surface can be viewed as upper and lower wallof waveguide, and the two lines of metalized via can be viewed as two side-wall of waveguide. Utilizing SIW technology, a number of UWB antenna structure can be used [12].The uniplanar tapered slot antenna also called Vivaldi antenna, which can be easily integrated with the rest of the circuits on a single substrate, has been implemented in many applications [4] since these years for its salient features such as narrow beam width, high element gain, wide bandwidth, and small transverse spacing between array elements. Therefore, it has been widely applied in the development of millimeter-wave integrated circuits and systems.A novel SIW feeding architecture based on the scheme of Vivaldi antenna is proposed and demonstrated with excellent performances in millimeter-wave ka-band. The Vivaldi antenna element is generally easier to match over awideband due to the relatively large tapered slot. Instead of using the wideband balun, a SIW has been employed to feed a Vivaldi antenna. The millimeter-wave Vivaldi antenna by using SIW technology design detailed of the single elementFig.1 millimeter-wave Vivaldi antenna Element structureThe vivadli antenna is assumed to befabricated on Rogers 5880 substrate with athickness of 0.508mm and a relative permittivityof 2.2. The SIW structure is designed to supportTE10 mode in the operating frequency band.This structure is simulated by using AnsoftHFSS and the simulation results are depicted inFig.2. After optimization with Ansoft HFSS, thegeometry parameters for a millimeter-waveVivaldi antenna Element for the 26.5–40 GHzfrequency band are decided as follow: The SIWwide is 4.8mm, the metalized via hole’s diameteris 0.25mm, the space between the via holes is0.5mm, the fifty ohm micorstrip line width is1.6mm,the port width of microstrip matchingsegment is 2.1mm, and the Vivaldi edge curvefunction is y=±0.2e (0.2659x).(a) Electric field distribution in 35GHz(b) VSWR(c) Patterns in different frequency pointFig.2 Simulation results of Vivaldi antenna elementFig.2 (a) shows the field distribution whenantenna working in 35GHz. From the figure,electromagnetic field enter form SMA port andtransmit to SIW feeding port through microstripmatching part then go to Vivaldi antenna.Fig.2(b) is the VSWR curve adjusting to thefrequency change, which is less than 2 infrequency range of 26.5~40GHz. Fig.2 (c) givesthe different work frequency patterns Thesimulation results indicate that the gain in eachfrequency point is a high level, which is form6dB to 10dB, and the 3dB beam width isrelatively wide. So this kind of element issuitable for array design.III.D ESIGN OF BROADBAND MILLIMETER WAVEPOWER DIVISION NETWORKThe developed binary feed networkconstruction is based on the extensive use ofoptimized compact T-junction designs. Basicrules of T-junction designs were previouslydeveloped by [12] through direct translationfrom its metallic waveguide version [13,14] toSIW. The SIW T-power-division is combined ofSIW T-junction and the pin, which the pin hasbeen realized by metalized vias. In thisimplementation, an equivalent “a” dimension ofSIW has been selected to give a relatively widebandwidth for a single stage T-junction, as wellas an acceptable insertion loss. Next, the spacingbetween the combining stages was judiciously selected to achieve a wideband, compact, 1 to 4 power divider in two stages connected in cascade, shown in Fig.3(a). Fig.3(b) shows that the VSWR of the divider is less than 2.5 in frequency range of 26.5~40GHz. The simulation results of divider show that the insertion loss is less than 1.5dB, and the phase balance is less than ±5º in all work frequency, which are shown in Fig.3(c) and (d).This insertion loss is much lower than similar measurements reported by [10]. As mentioned in [16], this type of SIW feeding network can provide a balanced power division over a wide band. Both the balanced power split and low insertion loss should assist with increasing the gain and overall efficiency of the antenna array.(a)1 to 4 wideband power divider structure(b)VSWR(c) Four ports output amplitude(d) Four Ports output phaseFig.3 The simulation results of SIW broadband powerdivider networkIV.F OUR ELEMNTS ARRAY DESIGNThe Vivaldi antenna array is designed andsimulated to operate over a 26.5 to 40GHzfrequency range. It was printed on a 0.508mmthick Rogers RT/duroid 5880 substrate with adielectric constant of 2.2 and a loss tangent of0.001. Fig.4 shows the simulation structuremodel of the four-element Vivaldi array, wherefour Vivaldi antenna elements are fed using aSIW structure feeding network.Fig.4 the antenna simulation structure modelAn E-plane uniform distribution, with abinary feed network, has been chosen to allow auniform excitation over the required wideband.The gain of array increases as the elementsspacing increases. If the antenna has the gratinglobes occurred, the antenna gain drops quickly.The optimum design would be to set the spacingbetween the elements to 0.9λ at the highestoperating frequency. No grating lobes wouldthen appear over the operating band whileachieving the maximum possible gain.The simulation input VSWR and radiationpatterns are shown in Fig. 5(a), (b), (c) & (d).The input VSWR of the array is, for the mostpart, better than 2 over a 13.5GHz bandwidth,which is acceptable. A gain of 12 dB is thelowest over the 13.5GHz bandwidth for thefour-element array. The efficiency of the Vivaldiarray has exceeded 75%. The conductor loss hasbeen significantly reduced in this case. Thereduction in the radiation efficiency is actuallydue to reflection loss rather than conductor loss.(a)Simulation result of VSWR(b) 26.5 GHz pattern(c) 34 GHz pattern(d) 39 GHz patternFig.5 The simulation results of SIW millimeter wavebroadband Vivaldi array antennaV.C ONCLUSIONPerformance of Vivaldi antenna arrays can beenhanced using low-loss feed networks in millimeterwave. SIW technology with emulated waveguides canbe utilized to minimize such losses, especially whencompared to similar structures built using microstriplines. In our implementation, a millimeter wavebroadband Vivaldi array antenna base on SIWstructure was designed and simulated. The simulationresults show that the design is effective and right.The developed Vivaldi antenna array in millimeterwave frequency has high gain, narrow beam width,and a relatively wide bandwidth. The technology isextremely useful for high resolution radar、passiveelectronic detection r and active electronic interferingdue to its low insertion loss and wide bandwidthperformance.R EFERENCES[1] Ehud Gazit. “Improved Design of the Vivaldi Antenna.”IEEE Proceeding ,1988 135 (2) :89~92.[2] Schaubert D H. “Wide Band Phased Arrays of VivaldiNotch Antenna”. IEEE Trans. AntennaPropgat. ,1997 1 :14~17.[3]HiroshiU, Takeshi T, FujiiM. “Development of aintegrated waveguide”, IEEE Trans on MicrowTheory Tech, 1998, 46 (12) : 2438~2443.[4]Cassivi Y, Perregrini L, Arcioni P, BressanM, Wu K.“Dispersion characteristics of substrate integratedrectangular rwaveguide”, IEEEMicrowave WirelessCompon Lett, 2002, 12 (9) : 333~335.[5] Wu, L.-S., R. Wang, and X.-L. Zhou, “Compact foldedsubstrate integrated waveguide cavities and bandpassfilter,” Progress In Electromagnetics Research, PIER84, 135–147, 2008.[6].Zhang, X.-C., Z.-Y. Yu, and J. 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