SIW波导裂缝天线阵列研究(3)

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1.1 研究背景及现状

1.1.1 天线简介

Antenna 作为天线的英文单词本来的含义是“触角”，是一些动物感知外部世界的一种器官，这种含义已被应用了百万年之久。然而在过去的一个世纪里，天线已然成为连接外部世界与通信系统的关键部件[1]。

自从赫兹发明天线以来，天线在日常生活中扮演着日益重要的角色，如今已成不可或缺的关键器件；可以说天线到处都是:从工作场所到家用电器，船舶、卫星和飞船外表面上，甚至可以由个人自由携带[1]。伴随着微波技术的演进，研究人员设计出了不同材质、不同结构的高性能、多用途的天线。天线为了满足广播、通信、雷达、导航等无线通信系统在不同阶段的技术需求而不断壮大，现在已经组成了种类繁多的天线家族[27]。下面，本文对于阵列天线相关内容进行简要概述。

1.1.2 阵列天线

我们知道天线单元的增益是非常有限的，在某些特定情况下，我们可能会需要特殊波束的天线。我们将工作在相同频率且按照某种特定方式进行空间排布的多个天线单元的组合，称为天线阵列。我们将阵列单元排列在同一条直线上的结构称为线阵；构成天线阵的天线辐射单元称为阵元,影响阵列电参数的主要变量有四个：即单元位置、单元个数、单元的激励相位以及激励幅度[26]。

天线阵的主要作用有：（1）改善、加强辐射场的定向性（增益）。（2）增强辐射场的场强。阵列的工作原理可以理解为电磁波（电磁场）在空间上的矢量叠加。叠加结果不仅与电磁波的振幅大小有关，而且与在叠加区域内两列电磁波的相位差有关。由方向图乘积定理我们可以知道，阵列总的方向函数等于天线阵元方向函数乘以阵因子的方向函数。

1.1.3 行波天线与驻波天线

我们可以依据天线上电流的分布，将天线分为两大类：行波天线、驻波天线。行

波天线上电流呈行波分布，我们可将多个阵元组成较长的阵列以辐射大部分的功率能量，达到减小反射系数的目的。行波天线的工作频带一般相对较宽。且主瓣方向（最大增益指向）会随着频率变化发生偏移。驻波天线上电流一般呈驻波分布，其输入阻抗曲线带有明显的谐振选择特性，所以其工作频带一般相对较窄。

1.1.4 基片集成波导发展概述

随着通信行业的不断发展，已有的频谱资源已无法适应现代通信技术的应用需求，目前的通信研究正向微波尤其是毫米波频段演进。基本元器件工作频段不断上移，同时，现代电子系统正不断向体积小、重量轻、集成度高和性能好等趋势演进[19]。

微波、毫米波平面技术对于系统级电路系统应用非常关键。一方面，微带线的平面结构适合高频段应用，但是泄漏较大。另一方面波导结构又不适合平面结构的转接。因此，人们希望能够研发既结合金属波导和微带线等平面传输线优点，又能克服各自缺点的新型波导结构。符合这种技术要求的平面导波结构将具备重要的理论创新意义以及实际应用价值[19]。

基片集成波导（SIW）正是近几年来提出的一种可以满足上述条件，结合金属波导和微带线等平面传输线优点的新型导波结构，它可以等效为一个大宽高比的介质填充矩形波导。1998 年，Hirokawa[2]和 Uchimum[3]各自独立提出了一种由金属通孔阵列构成的波导形式，他们发现金属通孔的阵列可以束缚电磁能量并在一定空间内向前传播，这与金属理想电壁类似。Wu[5]利用空气孔的性质，设计了另一种非辐射基片集成介质波导。与此同时，Deslandes[4]又进一步研究了其它平面微波电路到基片集成波导的转接过渡结构，在此基础上东南大学毫米波国家重点验室的洪伟教授等对 SIW 进行大量的研究分析，发现如果将 SIW 中缝等效为理想磁壁，可以进一步缩小导波结构体积[7]，这一改进结构称为半模基片集成波导（HMSIW）。后来，洪伟教授的团队又深入研究了 HMSIW 的性质并对其结构进行改进优化，提出了折叠半模基片集成波导