文摘

提出了一种新的波指导结构。指导渠道开发完整的平面介质衬底和与电磁能带电磁带隙)(单位。隙以来这些蘑菇型单元计算通道工作频带的报道,这些单位是非常重要的在保证传输效率和消除渠道之间的耦合效应。这波指导的设计结构six-element漏波天线阵与一个完整的25.6毫米×80.6毫米大小,在Ku波段工作的12.0 GHz 12.8 GHz和实现带宽约为0.8 GHz,上涨11.36 dBi, ca。86.7%的效率在12.0 GHz。天线工作频带内,这种拓扑实现频率相关光束扫描的前进方向,为雷达应用程序,它提供了一个潜在上道路行驶速度与低成本检测。

1。介绍

现在,CMOS技术的发展使电路能够在更高的频率范围,比如mm-wave 30兆赫到300兆赫频段。利用载波频率的频域,宽带通信系统可以受益于大带宽和高数据率。然而,今天的挑战之一是传播这些波运营商在一个有限的距离从几厘米到米提供multi-gigabit通信链路(1]。微带等传统平面带线或共面波导将严重损失从电介质和指挥。相反,介质传输媒体总是喜欢物质损失较低,这使它成为理想的候选人低损耗,实惠,轻量级的波导通道(2]。

几十年前,介质传输线等古搏线和介质条传输损耗很低而闻名,但以牺牲一个复杂的机械结构和一个相当大的扩展字段到自由空间(3,4]。之后,接地绝缘棒和矩形条(所谓的图像指导)进行调查,也显示相当低衰减(5,6]。提出了一种无辐射介质波导(”)在94 GHz乐队工作空气孔低介电常数(7]。基片集成波导(SIW)已经获得了在毫米波范围广受欢迎,但它仍然面临着与导电损失包围金属屏蔽部分(8]。图像引导的新版本,称为衬底集成图像引导(SIIG),首次提出在9]。绝缘子薄层,它提供了一种新的介质传输线多层应用程序。比较这些不同的传播特性的输电线路提出了表1。

表1
比较不同的结构。

进一步扩展应用程序的范围,波指导渠道可以实现在全平面基板电磁能带电磁带隙)(单位(10]。EBG结构归类为一种超材料与人工或nonartificial周期单位。足够的设计参数,材料,形状,它们可以用来控制和调节平面基板中传播的电磁波。在平面天线的设计,这可以应用于抑制泄漏,避免相互之间的耦合通道(11]。

漏波天线(lwa)可以用一个简单的结构实现高方向性不需要复杂和昂贵的喂养网络(12),和光束扫描频率变化的能力13]。从lwa辐射产生的连续或定期从输电线路功率泄漏到外部区域。第一LWA在1940年代提出了开槽矩形波导的形式(14]。最近的进展都在关注平面lwa改善扫描范围和克服侧向方向(阻带的问题15,16]。

在这篇文章中,一个创新1 d拓扑,提出了漏波天线相结合的几个方面:是基于一个完全平面结构和非常低调的衬底介质波导形成基于此接地电磁带隙单位沿衬底结合蘑菇指导渠道这种波导作为进给机构漏波平面阵列(17]此外,专用CPW SIW过渡结构通过采用V槽实现平滑模式转换到引导通道

据作者所看到的,这是第一个结构描述的文献结合所有这些特性。这种拓扑提供了显著优势集成、制造和宽工作频带相比,传统的输电线路。

内容组织如下。首先,EBG-based介质波导是描述和验证了传播效率。然后,CPW SIW喂养拓扑是用来激发波导内的工作模式。最后,ku波段周期性漏波天线,它是由六个金属条的指导渠道,提出了。测量回波损耗,远场模式,实现收益与模拟,和良好的协议。

2。波指导结构

提出传输媒介的完整的拓扑如图1。它由三部分组成:中间指导渠道,电磁带隙单位。喂养的部分,虽然中间通道设计工作所需的频段,电磁带隙单位优化得到的阻带覆盖的频带。通过这种方式,可以抑制泄漏和通道耦合实现董事会层面介质内部连线设计。在这项工作中,所有的模拟执行在CST微波工作室。


图1
EBG-based介质波导。
2.1。介质引导通道

最初的电介质形象指导(挖),如图2,设计一块低损耗高介电常数罗杰斯RT 6010衬底(0.0023 11.4介电常数、损耗角正切,厚度2.54毫米)。高介电常数材料选择有更高的领域集中在波导核心。退化Ex11模式,一个平行的电场可以避免金属地面。因此,只有Ey11模式(图3(一个))剩下的主导模式和传播通道(内部数据3 (b),图4前两个模式的插入损失。可以看出一个单模传输取得低于14.5 GHz。


图2
基于图像指南(一个= 8.8毫米,b= 2.54毫米,l= 30毫米)。
(一)
(一)
(b)
(b)
图3
Ey 11介质的图像模式指南:(一)端口模式场和(b)传播模式。

图4
传输效率的两种模式((1)和(2)表示 和 ,接地挖的)。
2.2。电磁带隙装置固有模式的分析

在许多情况下,电磁带隙结构的固有模式分析是基于Bloch-Floquet定理,它描述了波在介质无限传播周期单元组成的细胞。传播常数和频率之间的关系可以由色散图给出。

为一个二维周期性结构,可以由从色散图Γ(0,0),去X(0,π),然后米(π,π)和回Γ,显示在图5(一个)。在这项工作中,蘑菇型使用单位(也见图5(一个)),由一个中心广场补丁用金属通过连接到地面。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
电磁带隙单元(a)蘑菇状广场的大小d= 2.8毫米,组成一个正方形块大小= 2.0毫米,在中间连接到地面通过半径为r= 0.3毫米。点在布里渊区中定义的路径也表示。(b)边界条件的模拟。

为了模仿的周期性结构,侧墙的边界条件定义为周期性边界。春秋国旅的固有模式解算器不支持开放的边界条件,顶部和底部双方导电性被定义为,见图5 (b)。同时,考虑到领域主要集中在衬底,衬底上方,空气界面,空气层的适当的高度,即。,超过10倍衬底厚度、收益率正确的固有模式的场分布。

色散图绘制在图6。如前所述,它包含三个间隔(Γ来X,X来米,米来Γ)来描述所有可能的传播方向xy飞机。在每一个方向,相位的变化从0到π,并计算每个固有模式的截止频率。


图6
电磁带隙单位的色散图光截止频率(红线)。

众所周知,电磁带隙结构的蘑菇型允许TM波的传播在低频率和TE波在高频率18]。第一个模式因此TM模式,它开始作为一个向前传播TEM模式以非常低的频率和波数低,变化成一个TM表面波。模式2、3和4是混合模式,开始TE波在一个非常低波数和转变成TM波在高频率。

图7介绍了电场分布yz飞机的第一个四个固有模式。我们可以看到,模式2是正交于波导内的传输模式,模式2不会兴奋,可以被忽视的因素。与此同时,由于介质内的传输方式图像引导的慢波相速度慢光,频率带隙也应该低于光的频率线(19),见图6。因此,这种周期结构的带隙从6.5 GHz 15.0 GHz。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图7
剖视图的电场分布的四个固有模式yz飞机。(一)模式1。2 (b)模式。(c)模式3。4 (d)模式。
2.3。供给结构

为了实现平滑模式转换的喂养指导渠道结构,一个数据SIW(基片集成波导)过渡通过V槽用于激发内部的传输方式引导通道(图8)。完整的喂养结构循序渐进的设计过程,最后得到的每个部分组装在一起。列出的参数进行了优化,以确保可以满足不同部位的工作频带。其中,锥形CPW的尺寸和V-slot扮演关键角色确定频率范围和传输效率。此外,这种平面结构是很重要的MMIC芯片和同轴电缆之间的连接。锥形CPW饲料线与地面是用来匹配SIW和结果,在宽带过渡20.,21]。波导内的基本模式类似于TE10模式,而截止频率可以计算截面尺寸和设计参数的金属通过如下(22]: SIW得到的等效波长 在哪里 衬底材料的相对介电常数, 是指金属通过的两行之间的距离,d通过的直径,p代表定期通过之间的距离,c是光速。图中列出的设计参数8,我们可以得到 和 。在12.8 GHz的频率上限,计算等效波长 。因此,这些计算结果表明,只能传播的主导模式在SIW的操作频率范围内,12.0到12.8 GHz。


图8
食结构( = 11.35, 1 = 1.3, 2 = 3.2,年代1 = 0.8,年代2 = 1.8,d1 = 2,d2 = 1.4,dv = 5.6, dx = 3.4, dz = 10.4, = 3.6博士p= 0.8,r= 0.3。单位:毫米)。

在图9的电场分布结构的不同部分。传播TE10在SIW远与主导模式 模式挖掘,提供一个平滑的模式转换。模拟年代参数(图10)表明,合理的传动效率是实现所需的频率范围。为了说明电磁带隙单位的影响,反射和传输参数给出了原始介质波导的这个数字,没有这些单位相比。清楚地看到,这些蘑菇单位的存在能产生一波引导通道,此外,消除一系列的共振结构,给它一个更稳定的年代21在操作乐队比原始介质波导。虽然有一些涟漪出现在年代11性能,它仍然保持低于-10分贝的目标频率范围(12.0 - 12.8 GHz)即使与电磁带隙单位没有结构。


图9
模式转换的喂养指导渠道结构。结构的长度l= 71.2毫米。

图10
比较模拟波导的反射和传输参数实现电磁带隙单位和与原介质波导。

3所示。漏波天线阵

基于提出的介质波导,ku波段周期性漏波天线阵设计和图所示11。它包含六个金属条顶部接口。


图11
的配置提出ku波段周期性漏波天线阵(La = 4,佤邦= 0.8,Pa = 12, da = 13.4,单位:毫米)。

制造原型和测量在消声室如图设置12。回波损耗是衡量网络分析仪和同意满意模拟(图13)。反射系数低于-10分贝12.0 - -12.8 GHz的频率范围,证明这个天线样机可以有效地在这个乐队。同时,模拟收益率,在12.5 GHz,辐射总能量的79.9%左右。


图12
远场测量设置与原型制作的。

图13
的比较年代参数和辐射效率,红线年代参数和蓝色的辐射效率,实线代表的模拟结果,虚线代表了测量。

在图14,极地辐射模式是绘制在不同的频段,12.0 GHz, 12.5 GHz, 12.8 GHz,主声束方向的82°,65°,52°,分别指示扫描在远期象限。这些频率的主瓣大小是11.36 dBi, 11.97 dBi,和11.71 dBi,分别。


图14
模拟辐射模式E-plane (yOz平面);Cpol指co-polarization (Eθ)组件。

在图15在12.0 GHz,规范化的远场模式,12.5 GHz,和12.8 GHz绘制XOY和YOZ飞机合作和交叉极化分量,分别。在XOZ飞机,由于主光束从正常的方向前进,见图14co-polarizations也减少很多,12.5 GHz和12.8 GHz的频率。尽管如此,仍有良好的测量和模拟结果之间的协议co-polarized组件。随着测量容易受小辐射的影响给电缆在一个相当低的大小,观察到在图存在很大差异12。然而,可以看到类似的趋势之间的交叉极化分量的测量和模拟结果。


图15
辐射模式12.0 GHz, 12.5 GHz, 12.8 GHz合作和交叉极化组件;红色和蓝色线代表测量和模拟结果,分别。意味着。有限公司,意味着。Xrefer to the measured co-polarization and cross-polarization components, respectively, while Sim.Co and Sim.X represent the simulated results.

在XOY飞机,侧向方向的辐射光束大小接近的YOZ飞机在12.0 GHz,主声束方向接近侧向在这个频率点。然而,随着频率的增加,主光束开始远离法线方向倾斜,导致最大价值的事实XOY飞机下降很多在12.5 GHz和12.8 GHz的XOZ飞机。

给出了最大实现收益表2模拟和测量;这个乐队认为获得几乎是常数。最大的变化是大约0.5 dB。同时,测量增益约1.5 - 2.0 dB低于模拟。这部分是由于导体损失许多焊接,很难考虑的模拟。

表2
实现增益和辐射效率在不同频率点。

4所示。结论

电磁带隙单位是本文用来生成一个引导通道平面板。这些单位是至关重要的,确保传输效率和消除渠道之间的耦合效应。平面拓扑结构提供了一个潜力巨大的pcb的实际应用和扩展设计一系列six-element期刊漏波。与低调(80.6×25.6毫米),辐射效率高(86.7%),和一个合理的增益性能(11.36 dB)结合频率相关光束扫描30度的方向前进,这对雷达天线拓扑可以应用程序涉及的目标跟踪和速度检测道路。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这部分工作是支持中国奖学金委员会在授予201406960007和f·w·o .博士后奖学金(没有。12 o1217n)。