毫米波基片集成介质谐振器天线研究

The recent years have witnessed a significant focus and interest paid towards the development of dielectric resonator antennas (DRAs). They have been widely investigated for their small size, high radiation efficiency, and flexible excitation scheme. Most important of all, the DRA is free from metallic loss and surface wave loss. These favorable characteristics make them attractive for a wide variety of wireless applications from microwave frequency to millimeter wave bands. However, the discrete elements of the DRAs are not suitable for the system integration applications. Nowadays, it is a trend to realize integration designs for DRA, in which the integrated DR will be used to replace the discrete one. The new model and design method for the integrated DRA are the key scientific issues. This project will focus on a kind of millimeter wave substrate integrated dielectric resonator antenna (SIDRA), and mainly research the following theory and key techniques. Firstly, an efficiency numerical modeling algorithm applicable to typical SIDRA structures using the FDTD method will be investigated. The influences of the model parameters on the antenna performances will be explored, and a physically realized SIDRA model for high performance will be constructed. Secondly, the co-design of the effective medium, that is, the millimeter wave electrically small periodic structures suitable for PCB or LTCC process used as the boundary for the SIDRA, will be investigated, along with its electromagnetic property and truncation error for the excited modes. Thirdly, the mutual coupling between the elements of SIDRA array will be analyzed based on the equivalent circuit model of SIW-SIDRA, and the decoupling structures will be constructed for high performance SIDRA arrays.

介质谐振器天线（DRA）克服了表面波和导体损耗，同时具有体积小、辐射效率高、馈电简单等优点，近年来一直是国内外研究的热点。然而，其分立的单元形式不便于系统集成，限制了其应用。目前，DRA正在向集成化方向发展，DR由分立形式向集成结构转变。集成环境下的DRA模型和设计方法是其集成化的关键科学问题。本项目针对毫米波基片集成介质谐振器天线（SIDRA）的理论和关键技术展开研究，具体包括：1）面向典型单元形状研究SIDRA的高效FDTD数值建模，确立模型参数影响其性能的条件和规律，构建物理可实现的SIDRA模型；2）研究满足SIDRA模型需求的等效边界媒质、即适于PCB、LTCC工艺的毫米波电小尺寸周期结构的协同设计方法，同时确定其不同激励模式下的电磁特性及其截断条件；3）建立SIW-SIDRA等效电路模型，基于此模型研究SIDRA阵列单元间的互耦机理及去耦方法，实现高性能毫米波SIDRA阵列。

介质谐振器天线（DRA）克服了表面波和导体损耗，在毫米波频段其具有很大的优势和应用潜力。伴随着新材料开发和加工工艺的进步，DRA正在向集成化和多功能一体化方向发展。低剖面、集成化DRA建模和设计方法研究是其中要解决的关键科学问题。本项目针对毫米波基片集成介质谐振器天线（SIDRA）的基础理论和关键技术展开研究。利用空气孔周期结构构建等效电磁媒质，研究了SIDRA不同谐振模式的辐射特性及等效媒质截断条件，建立SIDRA理论模型和协同集成设计方法。主要研究内容和重要结果有：（1）建模提取了空气孔周期结构介质基片的等效介电常数，给出了等效介电常数拟合计算公式，为构建高性能SIDRA提供了集成边界协同设计和计算方法，实现了SIDRA模型需求的等效电磁媒质；（2）在Ka波段分别研究设计了线极化SIDRA单元及阵列天线，分析了SIDRA单元之间电场耦合、磁场耦合基本特性。天线实测结果验证了SIDRA模型及周期结构等效媒质的正确性、有效性和可行性；（3）在Ka波段研究设计了宽带SIDRA，构建了SIW-SIDRA等效电路模型，其10-dB阻抗带宽拓展至24%。相对于常规SIDRA，在不增加天线尺寸面积的前提下，使得天线带宽扩展2倍以上；（4）在V波段研究设计了圆极化SIDRA阵列天线，构建了阵列天线的等效电路模型，给出了一种利用接地金属化通孔减小阵列单元间互耦的方法，使得互耦降低约10dB。同时，该阵列天线具有优良的辐射特性，辐射效率达80%；（5）在X波段研究设计了一种半模基片集成波导（HMSIW）背腔自双工天线，端口隔离度达30dB，有效提高了无线系统前端的集成度；同时，该天线可以用作SIDRA自双工天线的馈电网络。项目研究成果提供了一种毫米波DRA集成设计理论和方法；该SIDRA及其阵列可以利用PCB或LTCC工艺进行加工制作，具有低剖面、高辐射效率、低成本、易于加工集成等优点。同时，其可以与其他有源/无源元件实现协同设计，对于DRA的系统集成应用和毫米波电路的系统级封装均具有重要意义。