1、本科毕业论文（20 届）X 波段基片集成波导裂缝天线的设计与仿真所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要随着通信、航空和航天事业的迅猛发展，对减少微波设备的体积和重量、实现微波电路集成化的要求越来越高。近年来，新型微波传输结构基片集成波导以其品质因数高，易于设计、加工、集成，质量轻，体积小等优点在微波/毫米波集成电路中得到越来越广泛的应用。天线是无线电系统中的一个关键器件，基片集成波导技术在天线设计中也成功的发挥了作用，体现了它的优势。基于基片集成波导技术的基片集成波导裂缝天线不但具有副瓣电平低、口面场效率高、功率容量大等优良电气性能，并且具有厚度
2、小、质量轻、结构紧凑、性能稳定、抗风力强、安装拆卸快捷等多种特点，因此，有着广泛的应用前景。本文采用理论设计和 HFSS 仿真软件优化设计相结合的方法设计工作在 X波段的基片集成波导裂缝天线。为此，首先自学了 HFSS 仿真软件的使用方法,然后，研究了基片集成波导微带线转换器的设计方法；根据矩形波导裂缝天线理论和基片集成波导与矩形金属波导之间的等效关系，研究了基片集成波导裂缝天线的设计方法，并对单个缝隙的电参数进行了分析，在此基础上，设计了一款基片集成波导裂缝天线单元。为了提高天线的增益，本文进而设计了一款口径面分布为泰勒分布的四元基片集成波导裂缝天线阵。首先根据泰勒分布对激励的要求，使用 M
3、ATLAB 软件编程，计算了裂缝阵的等效导纳分布，进而计算出缝隙的对应偏置量。然后，使用 HFSS 软件对天线阵进行建模和仿真，并对其进行参数扫描和结构优化，最终使天线阵的性能指标达到了设计要求。关键词：基片集成波导；裂缝天线阵；泰勒分布；HFSS；MATLABABSTRACTWith the rapid development of the communication technology and the aerospace business, it is more and more important to reduce the volume and weight of the micro
4、wave equipment and achieve microwave integrated circuits. Substrate integrated waveguide is a new type of microwave transmission structure, which has a lot of advantages, such as high quality factor, easy to design, processing, integration, light weight ,small volume, and so on. In recent years, sub
5、strate integrated waveguide was used more and more widely in microwave/millimeter wave integrated circuit applications. Antenna is a key device in the radio system, and substrate integrated waveguide technique plays an important role in antenna design, which embodies its advantages successfully. Sub
6、strate integrated waveguide slot antenna based on substrate integrated waveguide technique not only has a lot of excellent electrical properties, such as low side lobe level, aperture field with high efficiency, large capacity of power, but also has the advantages of a small thickness, light weight,
7、 compact structure, high strength, stable performance, easy installation and other characteristics, therefore, it has a broad prospect of application.In this paper, the method of theory design combined with software simulation by HFSS was used to design a substrate integrated waveguide slot antenna
8、which works in X-band. In order to achieve that, the first task was to study the HFSS simulation software and the next was to research the design method of converter between substrate integrated waveguide and micro-strip line. According to the theory of rectangular waveguide slot antenna and the equ
9、ivalent relationship between the substrate integrated waveguide and the rectangular metal waveguide, the method of how to design the substrate integrated waveguide slot antenna was studied. Then the electrical parameters of a single slot were analyzed, and on this basis, a substrate integrated waveg
10、uide slot antenna unit was finished. In order to improve the gain of the antenna, a quaternary substrate integrated waveguide slot antenna array with Taylor-distribution caliber surface was designed. First, according to the requirement of the Taylor distribution on incentives, used MATLAB software p
11、rogramming to calculate the equivalent admittance distribution of the slot array and the corresponding offset of aperture. Then, using HFSS software to model the antenna array, make simulation, carry on the scanning parameter and make structure optimization. Finally, the performances of the antenna
12、meet the design requirements.Key words: Substrate Integrated Waveguide; Slot Antenna Array; Taylor Distribution; HFSS; MATLAB X 波段基片集成波导裂缝天线的设计与仿真1目 录第 1 章 绪论 -11.1 基片集成波导裂缝天线的研究背景及意义 -11.2 基片集成波导裂缝天线的研究概况 -21.3 本文的主要工作和结构安排 -5第 2 章 天线和波导的基本理论 -72.1 天线的基本理论 -72.2 波导的基本理论 -92.2.1 矩形波导简介 -92.2.2 基片集成波
13、导结构简介 -102.3 本章小结 -11第 3 章 基片集成波导裂缝天线设计的基础知识 -133.1 基片集成波导的研究方法 -133.1.1 基片集成波导和矩形波导的等效 -133.1.2 HFSS 软件简介 21 -143.2 基片集成波导开缝原则 -153.3 宽边纵缝的等效导纳 -163.4 线天线阵 -173.5 谐振式波导裂缝天线阵 -183.6 本章小结 -19第 4 章 X 波段基片集成波导裂缝天线的设计和仿真 -214.1 基片集成波导 微带线转换器的设计 -214.2 X 波段基片集成波导裂缝天线单元设计 -244.2.1 理想裂缝天线 -244.2.2 裂缝天线的电参数
14、 -254.2.3 基片集成波导裂缝天线单元设计 -274.3 X 波段基片集成波导裂缝天线阵的设计 -314.3.1 基片集成波导裂缝天线阵的设计步骤和仿真结果 -314.3.2 基片集成波导裂缝天线阵的仿真结果分析 -364.4 本章小结 -37结论 -39参考文献 -41致 谢 -43附 录 -45X 波段基片集成波导裂缝天线的设计与仿真2X 波段基片集成波导裂缝天线的设计与仿真第 1 章 绪论1.1 基片集成波导裂缝天线的研究背景及意义传统矩形波导具备机械强度大、能量损耗低、品质因数高、功率容量大等优点，因而在大功率微波电路系统中被广泛使用。但是矩形波导是立体结构，体积较大，很难将其与
15、微波/毫米波电路进行加工集成。而且，随着工作频率的提高，尺寸很小的封闭系统单模波导不仅加工困难，功率容量也越来越小，壁电流的损耗越来越大。所以，在毫米波、亚毫米波波段后必须另找传输系统，基片集成波导便应运而生。基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide， SIW）是通过在介质基板上开两排金属化通孔阵而形成的一类新型波导结构 1-4。SIW 和矩形波导的传播特性相似，在介质基片上金属通孔形成的阵列起到矩形波导中金属侧壁的作用，能够将电磁能量约束在一定的空间范围内，防止能量的泄漏。SIW 是一种能够代替传统矩形金属波导的类波导结构，通常使用PCB、LTCC 等集成工
16、艺加工而成。SIW 的应用使现有微波/ 毫米波波导器件的尺寸大大减小，重量也有了明显的减轻，制作成本更加低廉，加工工艺简单，产品误差小可靠性高，能够进行大批量的生产。随着通信、航空和航天事业的迅猛发展，对微波设备的体积和重量、微波电路集成化程度的要求越来越高，可以满足这些要求的 SIW 迅速地成为微波集成电路领域的一个研究热点。波导裂缝天线是微波通信系统中应用广泛的一类天线，具有主瓣宽度窄、副瓣电平低、性能稳定可靠等优良性能。但是由于传统的金属矩形波导具有重量重、体积大、加工误差大、可重复性差、造价昂贵等问题，使得矩形波导裂缝天线难以大规模批量生产。若把矩形波导裂缝天线的设计概念借用到 SIW
17、 裂缝天线上，则可以克服这些问题，从而设计出高性能的裂缝天线阵列。在微波通信天线领域，SIW 技术逐步有效地发挥了它的作用，体现了它的优势。SIW 裂缝天线不但具有主瓣宽度窄、副瓣电平低、口面场效率高、功率容量大等优良电气性能，而且还具有尺寸小、重量轻，发射接收信号强度高、性能稳定，安装拆卸方便简单等多种特点。在大量科研人员的努力下，SIW 裂缝天线的理论方面考虑的更全面，设计方案更加多元化，制造工艺越来越精准完善，应用更加广泛。X 波段基片集成波导裂缝天线的设计与仿真31.2 基片集成波导裂缝天线的研究概况早在 20 世纪 40 年代末，国外的学者已经开始对波导缝隙天线展开研究。受当时计算工
18、具的限制，无法完成对多个缝隙的分析计算，所以最初一段时间只是研究单个缝隙。而后由于计算工具的逐步开发和计算方法的逐步完善，对于裂缝天线的研究越来越深入。Watson 最早开始了波导裂缝天线的研究和设计5,Stevenson 使用已有的理论和方法对辐射裂缝完成了更细致的分析 6。Stegen在波导宽边纵向裂缝方面进行了深入研究，通过大量的实验结果总结出波导宽边缝隙的归一化导纳经验公式 7。在此基础上，Oline 研究了包括波导壁厚在内的一系列因素存在的情况下，利用变分法对缝隙的阻抗特性进行了全面的分析 8。 1973 年 T.Vu.Khac 首次使用矩量法研究了波导宽边纵向缝隙 9。基于 Oli
19、ne的方法，Das 在 1984 年发表了一篇针对波导窄边缝隙进行理论分析的论文，计算了波导上窄边缝隙的谐振长度和谐振导纳 10。1978 年开始到 1986 年，R.S.Elliott 在忽略波导壁厚等一系列因素影响的假设下，使用等效磁流片计算缝隙间互耦的方法，先后对辐射缝隙间外部互耦以及波导内部高次模的影响进行了研究，得到了缝隙有源导纳的表达式和用于波导裂缝阵列设计的三个设计方程 11。由于这种设计方式的理论比较完善，步骤简明易操作，使之称为天线设计的主流方法，在此基础上，更多的设计方案陆续被发展出来。直到 20 世纪 70 年代，国内才开始对波导裂缝天线进行研究。1976 年，我国学者钟
20、顺时提出了关于波导窄边缝隙阵列天线的设计方法，讲述了详细的设计过程 12,成为设计的经典方法。吕善伟、任济时等学者通过大量的分析计算，对辐射缝隙及耦合缝隙进行了深入研究 13；彭仲秋学者在交叉波导耦合缝隙馈电方式下分析了辐射缝隙上的感应场 14；还有大量的科研人员在裂缝天线的理论研究、设计方案、数值计算、软件仿真、加工制造等方面做了大量的工作，促进了裂缝天线的迅速发展和广泛应用。下面介绍近几年来广泛研究的几种裂缝天线。1、基片集成波导横向缝隙漏波天线当电磁波沿行波结构传播时不断地产生辐射，则所辐射的波称为漏波，将这种结构称为漏波天线。SIW 横向缝隙漏波天线是一种新型的 SIW 裂缝天线，电磁
21、波工作在 模，是通过在 SIW 上表面开一组周期性排列的横向缝隙来切割上壁电流线而实现的，如图 1.1 所示 15。SIW 横向缝隙漏波天线结构简单，而且很容易用微带线馈电。X 波段基片集成波导裂缝天线的设计与仿真4(a)(b)图 1.1 横向缝隙基片集成波导漏波天线此种结构中电磁波能够以三种模式传播，分别是漏波模式、适当的波导模式以及类表面波模式。漏波模式是一个衰减模式，决定了与其相似的矩形波导中电磁波的截止频率。适当的波导模式是一个绑定模式，在无损结构里没有衰减。这两种模式都可以在波导内部储能，表现了封闭波导内部的扰动。而类表面波模式将电磁能量储存在波导表面。当天线辐射不太靠近端射时，它可
22、以作为一个漏波天线，电磁波工作在漏波模式；当该天线辐射邻近端射时，它成为一个面波天线，电磁波工作在类表面波模式。文献15中设计的为一个均匀裂缝的 SIW 漏波天线。这种类型的天线具有窄波束和宽阻抗带宽的特性。2、两层基片集成波导裂缝天线基于单层 SIW 的裂缝天线已经被广泛应用，基于两层 SIW 的裂缝天线也被深入研究。在文献16中，天线通过耦合裂缝来完成两个 SIW 之间的过渡，减小天线馈电网络的尺寸，使其可以被集成在裂缝阵列天线的不同层的底部。采用的过渡方式允许连接在两个 SIW 的矩形裂缝位于同一平面，其结构如图1.2 所示。X 波段基片集成波导裂缝天线的设计与仿真5(a) (b)图 1
23、.2 两层基片集成波导缝隙天线耦合缝隙过渡方式两层 SIW 裂缝天线上表面单个缝隙图如图 1.3 所示。耦合程度和回波损耗由缝隙位置（distx）、缝隙长度（longx）和宽度（longy）决定。文献16中设计的天线的上层为天线阵列，下层为耦合缝隙位于末端模式的馈电网络。这类天线在保证高增益、低损耗等优良性能的情况下可以有效地减小 SIW 的尺寸。. 图 1.3 两层基片集成波导缝隙天线上表面单个缝隙图3、双频段基片集成波导裂缝天线随着无线通信的发展，多频段天线越来越受到青睐。实现多频段天线的方法就是将多个类型的缝隙有效组合起来。从理论知识可知，一个缝隙的天线有一个特定的辐射频带，所以，将多个
24、类型的缝隙有效组合起来就可以得到多频段天线。文献17中设计的是一种双波段 L 形 SIW 缝隙天线。L 形结构采用沿纵向和横向方向的两种不同缝隙一起馈电的方式，其结构如图 1.4 所示。X 波段基片集成波导裂缝天线的设计与仿真6( a ) 纵 向 缝 隙 图 ( b ) 横 向 缝 隙 图（ c ） L 形 缝 隙 天 线 图图 1.4 L 形缝隙天线这类天线由纵向缝隙和横向缝隙组合在一起馈电，从而使天线可以工作在两个频段，形成了低成本、高效率的双频裂缝天线。1.3 本文的主要工作和结构安排本文主要研究工作在 X 波段的 SIW 裂缝天线的分析及设计方法，结合HFSS 软件以及 MATLAB
25、软件进行仿真和设计。概述了 SIW 裂缝天线的研究背景和发展现状；详细讲述了 SIW 和矩形波导两者之间的联系及等效转换方法；分析了单个缝隙的电参数，在此基础上设计了 SIW 裂缝天线单元，进而设计出四元 SIW 裂缝天线。本文分为 4 个章节来讲述所做的研究工作，具体安排如下：第 1 章首先概述了 SIW 裂缝天线的研究背景和研究意义，对其发展进程做了大概的描述；然后讲述了本文的主要工作和结构安排。第 2 章详细介绍了天线、矩形波导以及 SIW 的基本理论。包括天线分析过程中会用到的一些电参数、矩形波导的结构、SIW 的结构和优点。第 3 章为 SIW 裂缝天线的设计基础。详细介绍了 SIW 缝隙天线的研究方法，SIW 的开缝原则，裂缝的等效导纳，线阵天线阵和谐振式波导缝隙天线阵。总结出了 SIW 裂缝天线的基本设计方案和详细的设计步骤。第 4 章为 SIW 裂缝天线的设计和仿真过程，包括 SIW微带线转换器的设计、SIW 裂缝天线单元的设计和四元 SIW 裂缝天线阵的设计；最后分析了部分参数对 SIW 裂缝天线阵性能的影响，并对仿真结果进行了讨论。
