毫米波基片集成波导滤波天线三维建模及应用研究

Compared with those traditional designs, where filters and antennas are designed separately and connected together at a common reference impedance (e.g. 50 Ω), the filtering antenna has great advantages in reducing the loss and minimizing the size of the whole system; meanwhile, more possibilities for the compact and low-loss design of the filtering antennas have been provided by the substrate-integrated waveguide (SIW) technologies. At present, It is still in the initial stage of the filtering antenna design method which uses the antenna not only as a radiator but also the last resonator of the filter. In view of this point, this project aims at conducting the research on the 3-D modeling of high-performance millimeter-wave filtering antennas and arrays with multi-mode SIW cavities and novel radiators and resonators using the above design method. The main contents of this project are included as follows:based on multi-mode cavities, try to design SIW cavity-backed slot filtering antennas with features of broad-band, multi-frequency, high-selectivity and diplexer function; try to apply high-efficiency radiators such as dielectric resonator antenna (DRA)、dielectric-loaded SIW cavity antenna to millimeter-wave filtering antenna's designs; try to design millimeter-wave filtering antenna arrays with linear and circular polarization based on the above research, extract their equivalent circuit models, give their synthesis methods and do experiments to verify those designs.

与天线和滤波器分离设计，再将两者分别匹配到50Ω传输线并进行连接的传统设计相比，滤波天线在降低系统损耗、减小器件尺寸等方面有着明显优势；低损耗的基片集成波导(SIW)更为毫米波滤波天线的设计提供了广阔可能。当前，利用谐振天线既作为辐射单元又作为滤波天线中滤波器谐振单元这种方法来设计毫米波滤波天线方面，还处于初始阶段。本课题将结合这一设计理念，采用三维结构电路，开展基于SIW技术的毫米波滤波天线及阵列研究。深入探讨高性能背腔缝隙滤波天线、采用具有较高效率辐射器的滤波天线以及滤波天线阵列的设计方法。主要内容包括：利用SIW谐振腔的多模特性，设计具有宽带、多频、高带外抑制以及双工能力等性能的SIW背腔缝隙滤波天线；利用在毫米波波段辐射效率较高的介质谐振器天线、介质加载SIW谐振腔天线等天线形式，设计新型毫米波滤波天线；将毫米波滤波天线的设计拓展到不同极化的阵列，完成以上器件的建模、分析与测试。

本项目主要围绕基于基片集成波导谐振器，利用它的高频损耗小，自封装，特别是易于进行三维互联的特性，开展了工作在毫米波波段的新型三维滤波天线及天线阵列的系列研究工作。首先进行了滤波天线单元方面的研究：引入多个与谐振器带内谐振模式耦合的带外谐振模式，形成交叉耦合，并结合三维互联，首次设计出了只需要一个谐振器，就能够实现两个带外传输零点的高带外抑制缝隙背腔滤波天线。同时进行了理论公式推导，指导该滤波天线的耦合方式设计，从而使得其两个带外传输零点能够关于天线的通带对称；在使用缝隙背腔天线作为辐射器的基础上，首次研究了介质谐振器天线的外部品质因数与其各个参数之间的关系，从而成功解决了如何利用介质谐振器天线作为辐射器，进行滤波天线设计的问题。在对滤波天线单元进行设计的基础上，研究了能够实现不同功能的滤波天线阵列：首先研究了如何利用交叉耦合，在滤波天线阵列中实现带外传输零点，并通过公式推导，指导如何进行耦合能够使得带外传输零点关于通带对称设置；接着通过研究双模谐振腔内传输模式的电场分布特性，设计了一种能够实现单脉冲比较器功能的谐振器，并将其成功运用于单脉冲滤波天线阵列的设计；利用低温共烧陶瓷（LTCC）工艺能够多层层叠并互联的优势，结合第五代移动通信（5G）中的实际需求，设计了一种能够实现双极化辐射的滤波天线2×2子阵列，且具有隔离度高、交叉极化小等优异性能。本项目还利用基片集成波导技术，实现了多种具有优异性能的滤波电路与其它无源器件的一体化设计。. 在国家自然科学基金的支持下，本项目进展顺利，圆满完成研究计划。发表国外期刊论文8篇，申请中国发明专利5项，其中1项获得授权。本项目取得的各项成功形式均超过预期指标。研究得出的结论与设计方法具有良好的理论和实际应用价值。