基于基片集成电路的TEM模/非TEM模导波结构混合集成机理研究及在雷达前端中的应用

As one of the last under-developed frequency band in electromagnetic spectrum, millimeter-wave technology plays an important role in national defense, aeronautics, communication and so on. The development of wave-guiding structures is its corner stone. Classic planar transmission lines such as microstrip uses (quasi)TEM mode for wave guiding. Because of the current singularities at the edge of strip and its semi-open structure, the losses are high and quality factor (Q) is low, rendering it inappropriate for high-Q components such as antennas and filters. Rectangular waveguide uses non-TEM mode for propagation. Though it is a high Q, low loss structure, it is also bulky and difficult to integrate. Substrate integrated circuits (SICs) is a possible candidate to combine the merits of above two different structures, and remove their drawbacks partly at least if not completely. The purpose of this research project is based on that point of view and will study the waveguiding mechanism of substrate integrated image guide and the attenuation characteristics of substrate integrated waveguide at millimeter wave frequency band. The proposal will investigate the components adaptation to waveguiding structures by exploiting the optimal guidelines to integrate TEM/non-TEM waveguiding structures together on the same piece of substrate. Upon doing so, we will be able to generate components with innovated characteristics. Upon a proposed new radar architecture, the leakage problem associated with continuous-wave radar will be ameliorated. In conclusion, this proposal will provide theoretical and experimenntal support for integration of a complete radar front end system on substrate.

作为电磁频谱资源中最后一个没有被完全开发的频段，毫米波技术在国防、航天、无线通信等重要领域不可或缺，决定其发展的瓶颈在于导波结构的进步。经典的平面传输线如微带，采用（准）TEM模式导波，由于导带边缘会出现强电流奇义性且结构半开放，因而损耗较大、Q值较低，不适宜于天线、滤波器等高Q值元器件。采用非TEM模式导波的结构如金属波导虽然可以减小损耗、增加Q值，但是体积较大，且无法集成。而采用基片集成电路有望能融合两种导波结构各自优点。本课题即以此为出发点，研究在毫米波波段基片集成介质波导的导波机理和基片集成波导的损耗特性，探索如何在同一片介质基片上增强导波结构对电路功能的适变性，寻求合理混合采用TEM模/非TEM模导波结构的规律，充分发挥各自的优点，减小乃至去除各自缺点，从而创造出具有新型特性的毫米波雷达组件和天线，并通过改进的雷达结构改善单片集成连续波雷达的泄露问题，为实现单片集成提供支持。

本课题针对采用（准）TEM模导波结构和非TEM模导波结构各自的自限性及特适性，以及在单元电路设计理论中采用单一导波结构所带来的元件功能非自洽，开展了采用融合TEM模和非TEM模、介质/金属混合导波结构的基片集成电路导波机理及其在微波毫米波元器件与天线设计中的自适性研究。.本课题研究认为，采用TEM模的导波结构和采用非TEM模（如TE模）的导波结构，各自具有不同的优势与适用范围。如，采用（准）TEM模导行的导波结构设计天线，其显著的优点是由于没有截止频率，导波传播类似于行波，因而可以用来设计带宽达到数个倍频程的超宽带天线，如本课题所研究的Vivaldi天线与阵。但是由于导行电磁波需要2个或以上导体，因而天线的体积往往会和所辐射的电磁波的波长相比拟因而体积偏大。.与之相对应的，采用非TEM模导行的电磁结构，由于仅需一个导体结构就可以支持导波模式的传播，往往具有较小的体积和较高的Q值，因而适于设计微波毫米波集成电路和微波毫米波集成天线，比如本课题所研究的驻波馈电基片集成电小天线与槽天线（阵）。.而更为先进的设计理念是在具体的微波毫米波集成电路与天线设计中，通过匹配导波结构特适性与电路功能具适性，获得优良的电路性能与表征。例如：本课题所研究的和差支路分别采用（准）TEM模和非TEM模的180度混合环，由于馈电支路的导波模式彼此正交，因而环具有天然的高隔离度，适宜于设计混频器。又如：本课题所研制的直接耦合基片集成波导滤波器，既实现了滤波结构的小型化，也实现了谐振元件的高Q值，从而确认了基片集成波导滤波器是一种具有真正实用价值的微波毫米波元件。.与此同时，本课题尝试了将多种试制的混合集成元器件用于不同的雷达系统，通过具体的实践应用检验所试制的微波毫米波元件的效能，验证其能满足工程实践的需求。.本项目共发表14篇论文，其中第一作者论文8篇，申请发明专利3项，授权发明专利1项、实用新型专利2项，在研究内容和成果形式上完成了计划书的要求。