论文总字数：25993字

摘 要

本文主要基于新型基片集成波导（SIW：Substrate Integrated Waveguide)技术，实现了小型化，高集成和低成本的滤波天线。

本文首先分别探讨了对称振子天线、基片集成波导和多节匹配器等基础技术，并以此为基础，设计出满足性能要求的集成平面滤波天线。整个无源器件集成在不超过40mm*85mm的PCB基板上，其材质为 Rogers 5880。整个系统的集成度非常高、损耗较低。

本设计中的天线类基于半波对称振子天线原理，结构简单，其中心频率为12GHz，带宽约为1GHz(S11,-10dB时)。滤波器为三阶基片集成波导感性窗滤波器，是基于最平坦低通滤波器原型变换而得到的。该滤波器设计完成的指标为：3dB通带的上边界频率为11.79 GHz，下边界频率为12.29GHz，带宽达到500 MHz，满足设计时规定的480MHz要求；阻带上界频率点为11.60 GHz，下频率为12.57 GHz，-10dB阻带小于预设的980MHz。天线、滤波器和传输微带线间采用三节宽带匹配器。匹配器带宽大于天线和滤波器的带宽，故能实现较好匹配。

平面滤波天线的实物测试得到-10dB的频点分别为11.757GHz和12.140GHz。-10dB带宽约为400MHz，虽然满足阻带的设计要求，但中心频率右侧通带宽度略有不足。

关键词：基片集成波导(SIW)；对称振子天线；滤波器；多节匹配器

Abstract

In this paper, based on the new substrate integrated waveguide (SIW: Substrate Integrated Waveguide) technology, a filtering antenna is achieved with miniaturization, high integration and low cost.

This paper first discusses the dipole antenna, SIW and multi-section matching and other basic technology. Based on this, the author designed the integrated planar antenna filter which fulfills the requirements of performance. Passive components are integrated on the whole 40mm * 85mm of PCB board, which is made of Rogers 5880. Integration of the entire system is very high, low loss.

The design of the antenna class based on a half-wave dipole antenna theory, of a structure simple. The center frequency is 12GHz, with a bandwidth of about 1GHz (when S11, -10dB). Filter is a third order SIW perceptual filter window, is based on the most flat low-pass filter prototype conversion. The filter completed the indicators: the boundary frequency 3dB pass band of 11.79 GHz, the lower boundary frequency 12.29GHz, with a bandwidth of 500 MHz, over 480MHz and meet the set requirements; the stop band boundary frequencies of 11.60 GHz, at a frequency of 12.57 GHz, -10dB stopband below a preset 980MHz. Between the antennas, microstrip transmission line and filter, there is a three-section broadband matcher. With match bandwidth greater than the antenna and filter bandwidth, it can achieve a better match.

Physical test plane filter frequency antenna to get -10dB respectively 11.757GHz and 12.140GHz. -10dB Bandwidth of approximately 400MHz, although resistance bands meet the design requirements, but the center frequency passband width slightly less than the right side.

Keywords: substrate integrated waveguide (SIW); dipole antenna; filter; Multi node matching device

目录

摘要 1

Abstract 2

第一章绪论 5

1.1 选题背景和意义 5

1.2 国内外发展现状 5

1.2.1引言 5

1.2.2基片集成波导国内外研究现状 6

1.2.3基片集成波导应用和基本天线结构 6

1.2.4总结 7

1.3 本文主要工作和安排 7

第二章对称振子天线设计 9

2.1天线的选择 9

2.2对称振子天线结构设计 10

2.3对称振子天线的主要参数 12

2.3.1对称振子天线的方向图 13

2.3.2天线的主瓣与旁瓣 15

2.3.3天线的方向系数 15

2.3.4天线的效率 17

2.3.5对称振子天线的输入阻抗 17

第三章基片集成波导滤波器设计 19

3.1基片集成波导的基本概念 19

3.2基片集成波导基本参数 19

3.3滤波器的基本参数 20

3.3.1滤波器低通原型到带通的变换 20

3.4基片集成波导带通滤波器设计 21

3.4.1确定带通滤波器的阶数 22

第四章多节匹配变换器设计 28

4.1多节匹配变换器基本原理 28

4.1.1四分之一波长变换器 28

3.1.2小反射理论与多节匹配变换器 29

4.2具体多节匹配器参数设计 31

第五章实物测试与分析 37

5.1测试设备 37

5.2各元件实物图 38

5.3 滤波天线实物测试分析 39

5.3.1滤波天线单端口S参数测量 39

5.3.2双端口天线测试 41

第六章全文总结 43

致谢 44

参考文献 45

第一章绪论

1.1 选题背景和意义

随着信息和通信技术的发展，通信工作频率不断提高，原先的无源天线和滤波器等器件由于体积大，损耗大，高频时性能差等原因已经不能适应要求了。同时，通信技术的发展对微波毫米波器件提出了小型化的要求，需要将多功能的元器件集成在一起，以满足多功能，小型化，低功耗，低成本和高频率的要求。通过使用基片集成波导结构可以把立体结构天线转化为平面天线。并且通过PCB板将平面天线，滤波器等元件集成在一起，可以大幅度提高系统的集成度，减小损耗。

基片集成波导技术是近些年提出的一种重要的新型导波结构。它与传统金属波导有着类似的性能。各类导波结构一般可以分为平面结构和立体结构。传统的平面结构波导由于高频时导体损耗和介质损耗影响性能，所以难以适应毫米波频段的应用；而非平面结构的金属波导由于体积较大和易受干扰而难以集成。基片集成波导正好解决上上述两种问题，其基本结构为在介质基片上等距且成排的打金属化通孔形成类似金属波导的电壁，为高频段金属波导结构的良好替代。

本课题中，利用基片集成波导技术实现了中心频率12GHz的感性窗带通滤波器，并且与平面对称振子天线集成，完成低轮廓滤波天线系统。该系统可以获得较低的损耗和很小的体积。

1.2 国内外发展现状

1.2.1引言

通信系统中天线和滤波器处于不可或缺的重要地位。天线基本功能是将电磁波和导波电流进行相互转化。天线发射信号时，把高频电流转换为电磁波；反之，则把电滋波转换为高频电流。而滤波器可以在保证通带内信号质量的前提下，用来滤除信道外其他无关频率的干扰，将输入或输出信号经过过滤而得到纯净的交流电，对通信质量的保证有极其重要的作用。但是，随着通信频率的升高，在毫米波段，天线和滤波器性能受到影响产生偏差，难以适用于毫米波段。利用基片集成波导技术可以有效解决这些问题。基片集成波导的基本原理是在PCB基片上打上成排成列的相距一定距离的金属圆柱孔，构成一种类似于波导金属壁的结构，该结构具有低损耗、高功率容量的特性。利用基片集成波导设计的天线和滤波器可以实现平面集成，极大缩小了体积，降低了成本。同时利用基片集成波导可以减小介质损耗，有效提高增益。利用基片集成波导技术，涌现出许多改进的天线和滤波器结构，如V型开槽天线结构，平面缝隙天线结构以及基片集成波导感性金属通孔滤波器结构，感性窗结构的滤波器结构等。本文着重梳理国内围绕外基片集成波导技术的研究和相关应用，并进行了简单的归纳总结。

1.2.2基片集成波导国内外研究现状

基片集成波导概念的提出最早可追溯到1998 年，由Hirokawa和 Uchimura分别提出。他们通过研究证明，金属通孔的阵列和金属壁具有相似的微波结构，可以把电磁波波限制在一定的空间和一定的传播方向内，由此产生了一种新的通过金属通孔阵列实现的结构^[1]。2001年，吴柯和Deslandes进一步研究了基片集成波导的等效阻抗结构，并设计出它与其他平面微波电路的转换连接结构。他们还利用在基片集成波导上开空气通孔形成了另一类非辐射介质的基片集成波导。基片集成波导的传播特性与矩形波导基本相同。而且这种结构集成起来即为方便，缩减了微波毫米波的波导器件即建立在其系统上的其他器件的尺寸和成本；并且使得这些器件易于大量制造，具有更高的可靠性^[2]。现在的基片集成波导技术已经可以达到100GHz、200GHz甚至更高的频段。2008年，刘冰，洪伟等人提出了一种新型的半模基片集成波导的结构。该结构主要基于基片集成波导的对称结构。利用双排金属孔的对称性，可以只保留一排金属孔，利用单排金属孔和地之间形成的波导腔，可以几乎保留其原有性能。但同时其体积可有效减少50％，进一步缩小了微波和毫米波器件的体积则可以用于集成更高频的系统。例如，可以用于小型化的HMSIW的T型连接设计， HMSIW多路功率分配器设计等^[3]。2008年，朱红兵，汤红军等人基于矩形金属波导-多层基片结构，提出了基片集成波导(RWG-MLSIW)的分层基片技术，该结构可有效实现了宽带功率分配和功率合成。RWG-ML-SIW结构组成十分简单,其基本原理是在矩形金属波导内插入一系列基片集成波导片，形成一个个波导腔结构。这种方式的设计的功率分配器和合成器插入损耗低，且带宽较宽。在文章中，他们实际设计并制作了一个X波段四路功率放大器, 该功放能在8.5～12.4GHz频段内输出最大功率达8.6W,合成效率大于50%,其中在11GHz频点上合成效率可达73%。测试结果表明基片集成波导分层基片技术可方便地用于微波与毫米波固态功率放大器设计^[4]。2013年，吴柯等人研究了了基片集成波导新的发展方向。文章指出，到目前为止，所提出的各种各样的基于基片集成波导技术设计的无源和有源元器件已经十分完善了，它们已经极大限度地集成在低成本基片片载系统(SoS)上。未来可以进一步改进的空间在于利用创新型基片集成波导的波束形成技术，将基片集成电路扩展到三维空间可以得到更高维度电路系统的集成，以及在相同的基片上各种不同的波导结构进行混合集成来实现多功能化^[5]。

1.2.3基片集成波导应用和基本天线结构

多种金属波导天线均可经过基片集成波导适当改造形成平面结构。1.SIW缝隙天线：利用其电结构和金属波导的相似性，我们可以把基片集成波导完全集成在介质基片上。这样就可以继承传统缝隙天线的优点，同时克服了金属波导的体积大和损耗大的缺点，该结构能够集成于同一块PCB介质基片上，适合大规模生产，尤其适合于高频微波毫米波系统的设计。为了提高天线的工作带宽和增益，可以采用了双平衡馈点电SIW阵列天线的结构，或是采用平衡式馈电方式，同时结合SIW 馈电系统的设计方法。2.低轮廓微带天线。Dashti 和 H. Neshati提出了一种圆极化和线极化微带天线相结合的的集成模型。利用半模基片集成波导（HMSIW）腔激励，该结构可以有效减少该天线尺寸。混合天线可以集成在PCB基板上，且具有高增益，低交叉极化等优良性能^[6]。3.SIW天线阵列。由于天线体积的缩减，天线阵列的设计也更易实现。天线阵列的优点在于可以有效获得高增益和高方向性。通过在基片集成波导上成排开槽，调整其宽度和相互间位置就可以改变耦合系数，以此来构建波导缝隙阵天线。

基片集成波导结构的一个重要应用就是设计高 Q 值的器件，比如滤波器。早在2003年，Deslandes和吴柯就提出了通过在基片集成波导中加入金属通孔阵列，将它们和各种传统电路集成在同一PCB基片上，构成波导滤波器。这样的好处在于缩减体积和重量，降低成本，易于大规模生产制造。文章也给出了该方法实现的一个三阶切比雪夫滤波器，其具有1 dB的插入损耗和17dB回波损耗的优良性能^[7]。2005年，张玉林，洪伟等人给出了计算SIW腔体外在品质因数、腔体间耦合系数k的一般数值方法，并在文章中运用该方法通过有限频域差分（FDFD）计算了非封闭腔体的特征值。我们也可以通过该方法利用相对带宽、中心频率等参数计算出滤波器的腔体间耦合系数k和品质因数，这样就可以确定滤波器的物理参数^[8]。2006年，汤红军和洪伟提出了一种紧缩结构的新型毫米波基片集成波导滤波器。可以将传统滤波器的长度从23.1mm压缩到新型滤波器的12mm，在结构紧缩的同时该滤波器也具有较好的选择性，阻带外衰减也比传统滤波器更快。SIW滤波器现在已经向双模，多模方向发展^[9]。

1.2.4总结

从发展历程来看，毫米波电路器件小型化、多功能和低成本是必然的趋势。基片集成波导技术的出现适应了这一发展需要。并且随着半模基片集成波导等技术的发展，进一步的小型化成为可能。基片集成波导结构的主要应用有滤波器，T 型接头，双工器，功率分配器等，它们品质因数较高；也可以在基片集成波导上设计缝隙阵天线。平面结构的滤波器和天线又可以进一步集成，滤波天线的设计已有出现。2007年，洪伟，汤红军等人提出了一个具有滤波和辐射的集成模块，该模块通过在光圈喇叭天线缝隙处覆盖基片集成波导（SIW）腔频率选择表面（FSS）来实现^[10]。该模块有带通滤波器和喇叭天线的功能，因此它被称为一个“滤波天线”。它非常适合于应用在军事平台，因为FSS可以用于天线和雷达的雷达散射截面（RCS）降低。总之，基片集成波导对微波毫米波电路系统的小型化和损耗减小具有重要意义。

1.3 本文主要工作和安排

本文主要介绍了基片集成波导、多节匹配器以及对称振子天线的基本概念，主要通过具体设计基片集成波导带通滤波器、对称振子天线和二项式多节匹配器的的过程，将相关理论应用到实际中，并通过HFSS对设计结果进行仿真结果，利用矢网分析仪进行实物测试分析。具体内容安排如下：

第一章阐述了本课题的研究背景，主要阐述了基片集成波导与几种天线结构的提出，发展和实际应用。

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