基片集成波导传输特性及阵列天线的理论与实验研究.pdfVIP

基片集成波导传输特性及阵列天线的理论与实验

研究

一、本文概述

SIW基本原理与传输特性分析：本文将对SIW的基本构造、工作

原理进行详尽阐述，包括其矩形金属槽孔阵列与介质基片共同构成封

闭传输通道的特点，以及由此带来的与传统金属波导相近的电磁场分

布特性。我们将通过精确的电磁场解析模型和数值仿真方法（如时域

有限差分法、有限元法等），系统性地揭示SIW的传输特性，如截止

频率、模式特性、色散关系、功率容量、插入损耗等关键参数，并对

比分析其相对于传统金属波导及微带线结构的优势与局限。

SIW结构优化与特性调控：进一步，本文将探讨多种SIW结构优

化策略与特性调控手段，如改变槽孔尺寸、间距、填充因子，引入弯

曲、分支、过渡等复杂结构，以及利用高介电常数、低损耗材料等，

以实现特定频段的匹配、拓宽带宽、抑制寄生模式、减小尺寸等目标。

相关优化方案将结合仿真验证与实验测量，确保理论设计与实际性能

的一致性。

SIW阵列天线设计理论：在理论层面，我们将详细阐述基于SIW

技术的阵列天线设计原理，包括单元天线设计、馈电网络布局、辐射

模式合成、阵列增益计算、方向图综合等关键技术。特别关注SIW在

实现高密度集成、简化馈电结构、控制互耦效应等方面的优势，以及

如何利用SIW特有的传输特性来优化阵列性能。

SIW阵列天线实验研究：实验部分，本文将设计并制作若干款具

有代表性的SIW阵列天线样机，涵盖线性、平面以及三维立体构型，

覆盖不同的工作频段和应用场景。通过网络分析仪、暗室测试系统等

专业设备，对样机的反射系数（S11）、增益、轴比、方向图等关键

性能指标进行实测，对比验证理论设计与仿真结果的准确性，并对可

能存在的偏差进行深入分析与讨论。

应用前景与挑战探讨：本文将总结SIW技术在阵列天线领域的应

用前景，探讨其在5G6G通信、雷达探测、卫星通信、无线能量传输

等前沿领域的发展潜力，同时指出目前面临的技术挑战，如高

二、基片集成波导的基本原理

基片集成波导（SubstrateIntegratedWaveguide，SIW）是一

种在介质基片中刻蚀出波导结构的电磁波传输介质。与传统的金属波

导相比，基片集成波导具有重量轻、损耗低、易于与微带线集成等优

点。基片集成波导的结构通常由一个金属层夹在两个介质基片之间构

成，金属层上刻蚀有特定的波导形状，如矩形、圆形或椭圆形等。

基片集成波导的工作原理基于电磁波在波导结构中的传播特性。

当电磁波在波导内传播时，波导的边界条件会限制电磁波的传播模式，

使得只有特定的模式能够存在于波导中。这些模式的传播特性，如传

播常数、衰减系数等，取决于波导的尺寸、形状以及介质材料的特性。

阵列天线是将多个天线单元按照一定的几何图形排列组合而成

的天线系统。通过合理设计阵列天线的结构和馈电网络，可以实现对

天线辐射方向图的调控，以达到所需的覆盖范围和方向性。基片集成

波导在阵列天线中的应用，可以实现天线的小型化和集成化，提高天

线的性能和效率。

在实验研究中，通过测量基片集成波导的传输特性，如S参数等，

可以分析波导的传输损耗、阻抗匹配等性能。同时，通过搭建阵列天

线实验平台，可以验证理论分析的正确性，并进一步优化天线设计。

三、基片集成波导的传输特性分析

基片集成波导（SubstrateIntegratedWaveguide,SIW）是一

种新型微波传输线，其结构特点是采用金属化过孔在介质基片上形成

封闭的金属波导结构。这种设计使得SIW既具有传统金属波导的屏蔽

效果好、损耗低的特点，又便于与微波集成电路（MIC）和单片微波

集成电路（MMIC）集成，因此在微波毫米波集成电路设计中得到了广

泛应用。

在分析SIW的传输特性时，首先需要了解其传输模式。对于矩形

SIW，其传输模式主要包括TE模式和TM模式。TE模式具有无电磁场

分量垂直于传输方向的特性，因此在微波传输中应用较为广泛。对于

TE模式，其传输特性主要由波导的尺寸、介质的介电常数以及频率

决定。

根据电磁场理论和波动方程，可以建立描述SIW传输特性的方程。

对于TE模式，其传输方程可以表示为：

[frac{partial2E_z}{partialx2}