W波段高增益平面天线及阵列研究

发布时间：2019-03-18 14:52

【摘要】：针对现有W波段天线受到高的损耗、表面波等影响,以及市场对高集成和低成本天线系统的需求,为了实现高增益、高效率、高集成以及高可靠性的平面天线及阵列,本论文定量分析了传统面传输线以及新型的间隙波导(Gapwaveguide,GWG)在W波段的损耗特性,以此为基础,研究了基于低温共烧陶瓷(Low temperature co-fired ceramic,LTCC)技术的W波段高性能宽带、低损耗微带线-矩形波导转换器,用于W波段高效率天线系统的设计。深入研究了基于LTCC工艺和传统印刷电路板(Printed circuit board,PCB)工艺的W波段宽带、高增益的平面天线单元,并结合低损耗GWG传输线、宽带低损耗的转换器以及高增益天线单元,实现了高增益、高效率的平面阵列天线。本文主要工作如下:1.W波段传输线特性研究以及高性能微带线-矩形波导转换器设计:研究了传统面传输线在W波段的损耗特性。分别设计了基于LTCC工艺的和PCB工艺的W波段低损耗GWG传输线,用于满足W波段大型阵列天线对低损耗馈电网络的需求。基于上述GWG传输线设计了低损耗的GWG功分器网络,并与基片集成波导(Substrate integrated waveguide,SIW)功分器网络进行了性能比较。设计了基于LTCC技术的用于测试传输线、天线性能以及天线封装的宽带、低损耗微带线-矩形波导转换器,给出了转换结构的等效电路,提取了腔体间的耦合系数,分析了安装误差对转换器性能的影响,并通过加工测试验证了其传输特性。2.基于LTCC技术的W波段高性能封装天线研究:提出了一种新型的LTCC封装天线(Antenna in packaging,AiP)模型,以满足恶劣环境对模块化、高机械强度的封装需求。基于此AiP模型设计了一种高性能的LTCC封装天线模块,此模块解决了传统金属封装对天线电磁性能的屏蔽问题,并提高了封装的性能。对W波段金丝互连进行了特性分析,且实现了 W波段有源芯片的封装模块,实验验证了此芯片封装模块良好的性能。基于上述封装天线模块以及有源芯片的封装设计,实现了高性能的W波段有源封装天线,为W波段的高集成系统的设计提供了有价值的参考。3.基于LTCC技术的GWG馈电的W波段高增益阵列天线研究:设计了一种基于LTCC技术的W波段高增益线极化天线阵列,通过在介质填充金属腔中设计一个引向器,实现了高增益的LTCC天线单元。设计了低损耗的垂直的双层SIW-GWG混合馈电网络,双层馈电网络减小了阵列面积。为了提高了阵列性能,采用了低损耗的GWG馈电网络对阵列进行馈电。设计了一种完全由SIW馈电的阵列天线用于与SIW-GWG混合馈电网络馈电的阵列进行性能比较。设计了宽带、低损耗的垂直SIW-SIW转换结构,SIW-GWG转换结构以及矩形波导-GWG转换结构,用于阵列中不同层间以及不同类型传输线间的能量转换。基于上述线极化天线,通过在金属腔表面设计引向器,实现了高增益的圆极化天线单元,并实现了圆极化的阵列天线。通过实物测试,证实了提出的LTCC线极化天线和圆极化天线优异的宽带、高增益的辐射特性。4.W波段高次模腔激励的高效率天线子阵及其阵列研究:提出了一种高次模腔激励的缝隙天线子阵,使用高次模腔激励天线子阵,减少了馈电网络数目,减小了馈电损耗,提高了天线效率。同时,降低了天线以及馈电网络的复杂度,降低了 W波段对PCB工艺高加工精度的要求,降低了加工成本。为了进一步提高天线性能,采用了低损耗的GWG馈电网络对阵列馈电。设计了低损耗宽带的GWG-矩形波导的转换结构,用于天线的测量。基于上述线极化天线,通过在四个矩形辐射缝隙处加载"L"形探针,实现了高增益的圆极化天线子阵,然后再结合低损耗的GWG馈电网络实现了高增益高效率的W波段圆极化天线阵列。通过实验验证了提出的基于传统PCB工艺的线极化和圆极化天线的高效率辐射特性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN822

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本文编号：2442961