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1、南京邮电大学 硕士学位论文 新型波导微带线功率分配器的设计与应用 姓名：仇智 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：程勇 20100301 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 本文主要研究了一类利用微带贴片辐射原理进行设计的波导一微带线变换以及功率 分配器结构。提出了贴片直接耦合式的四路功率分配器、缝隙耦合式的同向二路功率分配 器以及缝隙耦合式的四路功率分配器三种新型的波导一微带线功率分配器形式。其中对缝 隙耦合式同向二路功率分配器结构进行了较为详细的参数讨论，设计并加工了一工作中心 频率为1 2 5 G H z 的实例。实测结果显示，所设计的功率分配器在中心频率处的反射
2、系数达 到了一3 0 d B 以下，对于各微带的传输系数均保持在- 4 d B 以上，带宽约为8 0 0 M H z ( 6 3 ) ， 具有良好的传输特性。 利用缝隙耦合式同向二路功率分配器作为馈电网络，设计了一个由波导馈电的串行角 馈贴片阵列天线。该阵列天线的工作中心频率为1 2 5 G H z ，具有分为两列的1 2 个方形角馈 贴片单元，并采用均匀馈电作为馈电方式。经过仿真优化后，该阵列的最大增益达到了 1 8 2 8 d B i ，其旁瓣电平均在一1 3 d B 以下，交叉极化电平均被抑制在- 2 0 d B 以下。中心频率 处的端口反射系数则达到了一3 0 d B 以下。上述结果完
3、全满足预期指标要求。 关键字：波导；微带线；变换器；功率分配器；缝隙耦合 南京邮电大学硕士研究生学位论文 A b s t r a c t A b s t r a c t Af o u r 。w a yw a v e g u i d et om i c r o s t r i pl i n e sp o w e rd i v i d e ru s i n gp a t c hd i r e c tc o u p l i n g ，a n e q u i d i r e c t i o n a lt w o 。w a yw a v e g u i d et om i c r o s t r i p
4、l i n e sp o w e rd i v i d e ru s i n gs l o tc o u p l i n ga n da f o u r - w a yw a v e g u i d et om i c r o s t r i pl i n e sp o w e rd i v i d e ra r ep r o p o s e di nt h i st h e s i s As a m p l eo ft h e e q u i - d i r e c t i o n a lt w o - w a yp o w e rd i v i d e rt h a tw o r k i
5、n ga tac e n t e rf r e q u e n c yo f12 5 G H zw a s d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d T h em e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o w nt h a tt h ep o w e rd i v i d e rh a da r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n tt h a tb e l o w 一3 0 d Ba tt h ec e n t e rf r e q u e n c yo f1 2 5 G H
6、 z T h eb a n d w i d t ho ft h e r e t u ml o s sb e l o w - 15 d Ba c h i e v e da b o u t8 0 0 M H z ( 6 3 ) ，o v e rw h i c ht h et r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t o f e a c hm i c r o s t r i pl i n ek e p ta b o v e 一4 d B A w a v e g u i d e f e dm i c r o s t r i pp a t c ha n t e
7、 n n aa r r a yi sa l s op r o p o s e d ，u s i n gt h ee q u i d i r e c t i o n a l t w o w a yw a v e g u i d et om i c r o s t r i pl i n e sa si t sf e e dn e t w o r k T h i sa n t e n n aa r r a yi sc o m p o s e do f t w os e r i e sf e dl i n e a ra r r a y s ，e a c ho ft h e mh a v e6c o m
8、 e r f e ds q u a r ep a t c h e s ，a n da l lt h ep a t c h e s a r ee x c i t e di nau n i f o r mw a y T h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r e s e n t e dt h a tt h em a x i m u mg a i na c h i e v e d 18 2 8 d B i ，w h i l et h el e v e lo fs i d el o b e sw e r ek e p tb e l o w 一13 d B T h
9、ec r o s sp o l a r i z a t i o nl e v e li s s u p p r e s s e db e l o w 一2 0 d B K e y w o r d s ：w a v e g u i d e ；m i c r o s t r i pl i n e ；t r a n s i t i o n ；p o w e rd i v i d e r ；s l o tc o u p l i n g 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 现今社会中，雷达传感器类器件被广泛应用在民用和军事领域n 1 ，如防盗系统，交通 领域中的
10、防撞系统以及军事上的导弹雷达系统等。 雷达传感器的前端调制模块通常由位于器件表面传感器头部的天线和位于器件内部 的微波电路所组成。例如车载雷达感应器一般由下面部分构成：一个放置在传感器开放端 的天线口1 及其内部的微波电路。其中，为了实现雷达感应器的低成本以及小型化的考虑， 微带天线是置于传感器开放端的天线的一个理想的选择，常用的是微带阵列天线1 ，而在 电路部分则通常选取微带电路。 尽管微带线以及由其所组成的电路具有体积小、重量轻、易于制作且方便集成的优点， 但同时也存在损耗较大的缺点。电路整体完全利用微带线设计会造成较大的传输损耗，因 此在这样的配置下，一种有效的解决办法是主电路传输线使用
11、波导，而波导的终端分别连 接微带线天线以及微波电路，即微带天线和电路主要通过波导相连接。这样做的原因是波 导虽然较微带线体积较大但能实现较小的传输损耗，而仅仅在主电路的传输部分应用波导 作为微波传输线并不会显著地增加器件的体积，这样设计能够使雷达传感器在保证器件低 成本和小型化的情况下，实现较好的性能。 微带线和波导虽然同为微波传输线，但是在外形和传输特性上都有显著的差别，所以 不可能实现两者的直接相连，便需要在中间加入波导一微带线变换器，因此，设计出具有 良好电气性能以及结构简单的波导一微带线变换器是非常必要的。 若干种类型变换器已经被提出并加以探讨。其中包括：脊形波导型n 儿引、探针馈电型
12、 蜘吲、鳍线型嘲呻1 、准八木天线型1 以及缝隙耦合型“2 m 叭H 1 等。这些类型的变换结构都具 有较好的传输性能，但结构上均有一定的限制和复杂度。例如对于脊形波导，在脊形渐变 阶梯的设计中需要较高精度，以实现较好的匹配；探针馈电、鳍线型或准八木天线形式可 采用标准的矩形波导进行设计，因此不存在上述情况，但如果采用探针馈电结构，为了防 止能量泄露，需要在探针所在介质板上方加上一长度为四分之一波长的金属盖；鳍线型则 需要将整块介质板伸入波导中进行能量耦合，常用的做法是将波导分为两半将介质板夹在 中间进行实现：准八木天线形式不需要进行上述两种工作，比起上述几种传统形式较为简 单，但仍然需要一块
13、伸入波导的金属块为印刷有八木微带天线的介质板进行支撑；缝隙耦 l 塑塞塑皇奎堂堡主竺塞生堂堡堡壅蔓二兰堑堡 合形式也是一种较为简单的形式，其无需对波导进行改造，也不需要加上额外的金属器件， 但需要将一块介质板密封在波导腔内，同样为装配工作造成了一定的困难。因此，上述结 构的变换结构尽管具有良好的电器性能，但大多需要改变波导的形状或是要求高精度的加 工和装配，这不但会增加成本，在频率较高时也难以保证系统工作的稳定性和一致性。解 决上述问题的一种方法便是尽量减少变换系统的组成结构、降低装配难度并尽可能保证传 输线原来的状态而避免改造。 值得注意的是，上文所提到的缝隙耦合形式仅存在装配上的不足，其它
14、两点问题在该 形式上不存在。在对其变换原理进行研究和分析的基础上，近年来一种新型的波导一微带 线变换器结构被提出n 钔n 引。这种形式由波导和盖在其一端的介质板组成，介质板无需塞入 波导内部，能量的耦合和性能的调整主要通过设置在介质板上的一块金属贴片尺寸调整实 现。具有结构简单，易于装配的特点，因此也具有较低的制造成本。 1 2 本文主要工作 本文主要对一类利用微带贴片天线辐射原理设计的波导一微带线变换以及功率分配 器结构进行了研究。本文主要工作如下： ( 1 ) 提出了三种新型波导一微带线功率分配器结构，其分别为：贴片耦合式四路功 率分配器、缝隙耦合式同向二路功率分配器以及缝隙耦合式四路功率
15、分配器： ( 2 ) 对缝隙耦合式同向二路功率分配器进行了详细的参数讨论，并设计加工了一工 作中心频率为1 2 5 G H z 的实物样品。 ( 3 ) 将缝隙耦合式同向二路功率分配器作为馈电网络，设计了一工作中心频率为 1 2 5 G H z 的波导馈电的串行角馈方形贴片阵列。 1 3 内容安排 本文第一章为绪论。介绍了本文的研究背景与意义、主要工作以及文章内容上的安排。 在第二章我们将对波导一微带线变换器的基本概念以及常见设计方法作相关介绍。 第三章主要介绍对贴片直接耦合式的变换以及功率分配器的设计研究工作。提出了贴 片直接耦合式四路功率分配器结构。 第四章首先叙述了对一种基本缝隙耦合式变
16、换器的改进。随后以其为基础提出了缝隙 耦合式的同向二路功率分配器以及四路功率分配器结构。其中对同向二路功率分配器结构 参数与性能调试之间的关系进行了较为详细的讨论，同时设计加工了_ 工作中心频率为 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 2 5 6 H z 的实物样品，给出了实测结果与仿真结果的比较和说明。 第五章利用所提出的缝隙耦合式同向二路功分器作为馈电网络，设计了一工作中心频 率为1 2 5 6 H z 的波导馈电串行角馈微带阵列。 望。 第六章为工作总结与课题展望。本章将对全文工作进行总结以及提出对未来工作的展 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章波导一微带线变换器慨述 2 1 前言 第二章波导一微带线变换器概述 波导和微带线作为两种重要的传输线形式，广泛地被运用在微波工程的各个领域。其 中波导体积较大，但有着较小的传输损耗：微带线作为一种半开放式的结构，传输损耗与 前者相比要大，但由于其体积小，重量轻，且便于集成和加工，常用来设计微带集成电路 和微带天线。在
