77 GHz天线阵列的基片集成波导转接结构设计

微带线具有易集成、易共形等优点，但在毫米波频段，仍存在损耗较大、功率容量小的缺点。矩形波导具有功率容量大、损耗小等特点，在微波、毫米波电路和系统中被广泛应用。现在许多毫米波设备的输入输出端口均为波导形式[1-3]，因此，需要通过各种过渡形式才能与微带电路系统进行连接，如波导-微带过渡、波导-探针(同轴探针/微带探针)-微带过渡[4-5]，这些波导探针结构的缺点是结构复杂、损耗大。为了克服波导探针转接结构的这些缺点[6-7]，利用阻抗变换原理以及缝隙耦合技术，设计了一款77 GHz的小型化、宽频带、低损耗且结构简单的基片集成波导到标准波导WR-10的转接结构，并将转接结构应用于基片集成波导馈电的介质谐振天线阵列。

1 基片集成波导转换结构设计

1.1 基片集成波导特性分析

为了消除基片集成波导周期结构所引起的能带或阻带效应，设计时取过孔直径为0.25 mm，过孔中心间距为0.5 mm。利用等效波导法对基片集成波导进行分析，可得基片集成波导的工作频率、TE10模阻抗为：

 

(1)

 

(2)

当工作频率为77 GHz时，利用介质基板罗杰斯RT/Duriod 5880(εr=2.2，tan δ=0.000 9)设计基片集成波导到标准波导WR-10的转接结构。根据式(1)可求得基片集成波导宽度w=2.36 mm。由式(2)可知，基片集成波导主模TE10模的阻抗与标准波导WR-10主模特性阻抗更接近。因此，采用基片集成波导设计转接结构，更易实现阻抗匹配。

最大功率(PS/rpm) ...............................................521/8250

1.2 基片集成波导到标准波导WR-10转换结构设计

设计的标准波导WR-10转接结构如图1所示。在基片集成波导上利用短路探针构成封闭的谐振腔，先结合环形缝隙设计转换结构。通过在基片集成波导结构上开纵向缝隙形成并联电导，并开横向缝隙增加串联阻抗，进一步改善转接结构的阻抗匹配。3种转接结构的波导转接结构参数如表1所示。

波导转接结构的仿真结果如图2所示。从图2可看出，3种转接结构在76.0～78.5 GHz回波损耗均小于-15 dB，其中结构1、结构2的反射系数均小于-20 dB，3种转接结构的带内插入损耗均小于0.8 dB。3种波导转换结构的仿真结果如表2，分别对转接结构的工作带宽、插入损耗进行对比。从表2可看出，3种转接结构的阻抗带宽均超过6 GHz，其中结构3的带宽可达6.8 GHz，且在工作带宽内，3种转接结构的带内插入损耗均小于0.8 dB。

  

图1 基片集成波导到波导转接结构图Fig.1 The structure of the SIW to WR

 

表1 波导转接结构参数Tab.1 The parameter of SIW to WR mm

  

结构参数lcl1l2l3l4ux参数值4.222.001.700.500.901.20结构参数wcw1w2w3w4vy参数值3.371.200.900.200.202.11

2 基片集成波导仿真分析

2.1 基片集成波导到标准波导WR-10转换结构仿真分析

表1中显示的是关于混合式教学方式在中小学应用的文献被引频率排名前6的文章。被引量最高的是《电子白板在中小学应用的现状和趋势》，此文介绍了电子白板在中小学教学中的应用情况与电子白板没有普及的原因。对中小学教师的混合式教学理念的培养也是研究的一个热门话题[8]。从图1可以看出将混合式教学用于教师的培训和中小学教师信息化培养是学者关注的一个方面，《基于混合式学习理论的中小学教师信息化教学能力培养模式研究》一文，主要关注的是基于混合式教学探索出一套将各种培训形式有机结合，以提高教师信息教学能力的混合式培养模式，提高教师信息化教学的实践能力[9]。

  

图2 3种转接结构的仿真结果Fig.2 The simulated results of three conversion structures

 

表2 3种波导转换结构仿真结果Tab.2 The simulation results of three conversion structures

  

转接结构f/GHzS11/dBS21/dB结构175.2～81.6-10-0.73结构275.2～81.7-10-0.70结构374.9～81.7-10-0.76

初始设计主要考虑波导转换结构参数对回波损耗S11和插入损耗S21的影响，但并未考虑标准波导WR-10长度的影响。因此，在一个波导波长范围内进行优化(波导初始长度为10 mm)，仿真结果如图5所示。从图5可看出，标准波导的长度对整个波导转换结构的回波损耗和插入损耗的影响较小。

  

图3 基片集成波导与WR-10波导主模电场分布Fig.3 The E-filed distribution of the SIW and WR-10

  

图4 基片集成波导转接结构磁场分布Fig.4 The H-filed distribution of the SIW to WR-10

2.2 WR-10波导长度对仿真结果影响分析

基片集成波导和标准波导WR-10的电场、磁场分布如图3、4所示。从图3、4可看出，基片集成波导和标准波导WR-10的传导模仍为TE10模，除在基片波导边缘和波导场分布有较小差别，转接结构对基片集成波导和波导场分布影响较小。

云南省佛教道教活动场所实现全部挂牌 省民族宗教委贯彻落实国家宗教事务局要求，在佛教道教活动场所开展挂牌工作。截至目前，云南省2946处佛教及道教活动场所实现全部挂牌。此次悬挂统一标识牌，是云南省依法管理宗教事务的具体举措，在标识牌上增加宗教活动场所统一社会信用代码是云南省宗教政务信息向社会主动公开的一大举措，标志着云南省宗教活动场所法治化管理进入一个新阶段。

  

图5 波导长度对仿真结果的影响Fig.5 The simulated results of the length of WR

3 转换结构应用介质谐振天线阵列

3.1 基片集成波导馈电的介质谐振天线阵列

为了进一步验证基片集成波导转接结构设计的正确性，使用基片集成波导馈电的128单元介质谐振天线阵列，其结构如图6所示，并与基片集成波导转接结构进行联合仿真[8-10]。其中介质谐振天线阵列的馈电网络使用介质基板为罗杰斯RT/Duriod 5880，厚度为0.254 mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.000 9。天线单元采用介质为罗杰斯RT/Duriod 6010，厚度为0.635 mm，相对介电常数为10.2，损耗角正切为0.002 3。阵列单元横向和纵向间距分别为0.42λ和0.6λ。

  

图6 基片集成波导馈电的介质谐振天线阵列Fig.6 The DRA array fed by SIW

3.2 转换结构应用于介质谐振天线

加载基片集成波导转接结构的介质谐振天线阵列如图7所示。反射系数的仿真结果对比如图8(a)所示。从图8(a)可看出，未加载转接结构的天线阵列在76.7～78.3 GHz频带反射系数小于-10 dB，加载转接结构的介质谐振天线阵列在77.0～79.6 GHz频带反射系数小于-10 dB。对比介质谐振天线阵列加载与未加载转接结构的反射系数可知，加载转接结构的介质谐振天线阵列带宽有所增加，这是因为转接结构本身工作带宽大、反射小。辐射方向图的对比如图8(b)、(c)所示。从图8(b)、(c)可看出，加载转接结构的介质谐振天线阵列的增益为26.1 dB，方位面3 dB波束宽度为8.4°，副瓣电平为-15.5 dB，俯仰面3 dB波束宽度为9.5°，副瓣电平为-16.7 dB，加载转接结构的介质谐振阵列天线副瓣比传统阵列副瓣更低。与未加载转接结构的介质谐振天线阵列相比，其增益、波束宽度和副瓣电平基本未发生变化。

  

图7 加载基片集成波导馈电的介质谐振天线阵列Fig.7 The structure of the loaded DRA array

  

图8 加载与未加载的介质谐振天线阵列的方向图Fig.8 The radiation pattern of loaded and unloaded DRA array

4 结束语

为满足W波段测试需求，采用阻抗变换原理及缝隙耦合技术，设计了一款77 GHz的基片集成波导与标准波导WR-10的转接结构，其工作频率覆盖76～81 GHz，满足汽车雷达自动驾驶的应用频率要求。将其应用于基片集成波导馈电的介质谐振天线阵列进行验证，仿真结果表明，加载转接结构的介质谐振天线阵列的带宽比未加载转接的带宽有所增加。加载转接结构的介质谐振天线阵列增益为26.1 dB，方位面3 dB波束宽度为8.4°，副瓣电平为-15.5 dB，俯仰面3 dB波束宽度为9.5°，副瓣电平为-16.7 dB，加载转接结构的介质谐振阵列天线副瓣比传统阵列副瓣更低。与未加载转接结构的介质谐振天线阵列仿真结果相比变化较小，可满足测试要求。

参考文献:

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[4] 王俐聪，杨晓明，丁勇，等.一种宽频带低插损的波导-微带转换器的设计[J].制导与引信，2017,38(1):24-28.

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