平面毫米波背腔缝隙天线及其馈电研究

摘要

当前，随着宽频带多媒体应用的多样化，终端设备尤其是手持设备之间的海量数据交互日趋频繁，这对无线高速数据的传输又提出了全新的挑战。对于高密集度的本地无线通信而言，60GHz频段附近拥有约8GHz的高速大容量传输带宽，更重要的是60GHz毫米波由于其传输过程中独特的衰减特性以及对障碍物的敏感性使得它非常适合短距离的高速无线通信。
　　基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide:SIW）技术是近年来新提出的可实现毫米波电路平面化的毫米波电路和系统集成方案。它可以利用普通的PCB、LTCC以及薄膜电路工艺，通过在双面敷铜的低损耗介质基片的两层金属之间引入周期性的金属化过孔来实现，其功能相当于传统的金属波导。SIW不仅保持了传统金属波导的高品质因数、低插损、低辐射等特性，还具有低剖面、低成本、易于与平面电路集成等优点，可以有效地实现无源器件和有源电路之间的集成，使毫米波系统小型化。半模基片集成波导（Half-Mode Substrate Integrated Waveguide:HMSIW）技术是基于基片集成波导而提出的，它可以在不影响基片集成波导的传输性能的前提下将尺寸缩小至其一半，使电路更加紧凑。
　　本文主要是基于SIW技术以及HMSIW技术来设计工作于60GHz毫米波频段的新型背腔缝隙天线。同时基于这两种新型天线，从天线馈电网络的角度提出并设计了一款差分馈电式背腔缝隙天线及其阵列。本文的主要工作如下：
　　（1）在60GHz毫米波频段，基于基片集成波导技术设计了一款背腔缝隙天线。该天线的阻抗带宽为0.6GHz，辐射效率超过81％，最大增益为5.39dBi@59.5GHz，此外这款天线具有极低的交叉极化水平。
　　（2）在60GHz毫米波频段，基于基片半模集成波导技术设计了一款背腔缝隙天线。该天线的阻抗带宽为1.91GHz，辐射效率超过93%，最大增益为5.05dBi@60.5GHz，此外这款天线的尺寸较于前者大大缩小，但其交叉极化水平较高。
　　（3）在60GHz毫米波频段，综合上两款天线的设计思想，提出并设计了一款差分馈电方式的背腔缝隙天线，其中差分信号是通过180°环形功率分配器获得的。该天线的阻抗带宽为1.83GHz，辐射效率也超过了93%，而最大增益则高达7.35dBi@60.5GHz。在此基础上，本文还设计了天线的阵列形式，包括二单元线阵列以及2×2形式的面阵列，其增益分别达到了10.47dBi@60GHz和12.92dBi@60GHz，其中2×2形式的面阵列还具有极低的交叉极化水平和天线前后比。
　　（4）在60GHz毫米波频段，出于后续对天线测试的考虑，提出并设计了一种探针型的波导到微带的转换结构，其性能在55GHz~65GHz内可满足传输要求。

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第一章 绪论

1.1 60GHz无线通信的相关背景

1.2 60GHz毫米波天线的研究现状

1.3 基片集成波导技术的研究现状

1.4 本文的主要工作内容

第二章 天线基本理论

2.1 天线

2.2 天线的基本参数

2.3 天线的场区

第三章 基于SIW及HMSIW技术的背腔缝隙天线

3.1前言

3.2基于SIW技术的背腔缝隙天线

3.3基于HMSIW技术的背腔缝隙天线

第四章 基于SIW技术的差分馈电式背腔缝隙天线

4.1前言

4.2 馈电网络的设计

4.3基于MixedSIW技术的背腔缝隙天线

4.4 MixedSIW-CBSA的阵列设计

4.5 小结

第五章 60GHz波导转微带结构的设计

5.1 前言

5.2 波导转微带结构的设计

5.3波导转微带结构与MixedSIW-CBSA的综合设计

5.4 小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

附 录：作者在读期间发表的学术论文、发明专利及参加的科研项目