本文是一篇工程硕士论文，本文基于CSIW结构的三款不同的天线进行了一些研究，并提出了提高天线性能的多种方法。然而由于研究时间和实验条件有限，论文中仍然存在一些需要更加深入的问题去探讨和研究。
第一章 绪论
1.1课题研究的背景与意义
无线通讯是一种通讯方式，它利用电磁波在自由空间中的传播特性，实现信息的交流。经过一百多年的发展，这种通讯方法被深入研究，并且得到了广泛的应用。自20世纪初，意大利学者马可尼将天线系统从实验室付诸实践以来，人们开始使用无线技术，进一步研究和发展无线通信。随着社会需求的不断增长，通信所需的信号频率、频谱带宽和信息速率已今非昔比。目前，低于5GHz的频率资源正在逐渐被占用，因此出于发展的目的，迫切需要在厘米波和毫米波频段寻找移动通信技术进行新的研究。另一方面，电磁环境正变得极其复杂，工作频段也变得拥挤。因此，有必要开发同时拥有更高电磁兼容特性，更宽的工作带宽和更好的通信功能的电磁波设备。
天线是一种将电路中的电信号和空间中的电磁波双向转换的装置，在无线通信系统中的地位不可撼动。近几年来，由于基片集成波导技术[1]的提出，具有高Q因子、高功率能力、低导体损耗、易于与平面电路集成等特点，被用于各种平面微波元件和高频天线，为低成本结构。与传统的矩形波导相比，其特点非常突出。
天线的种类很多，这其中漏波天线和喇叭天线是最常见的标准天线类型。漏波天线具有较强的波束频率扫描特性，因此这类天线被广泛应用于卫星通信等系统中。漏波天线一般是具有周期结构的，天线可以有效地控制空间谐波，而且具备主波束随着频率变化从后向到前向的扫描能力。在此之前，基于金属波导的漏波天线有着很多缺点，比如体积庞大、很难与平面电路集成且加工处理的要求高。随着SIW研究的逐渐深入，利用此结构开发各种类型的漏波天线。因为SIW LWA没有表面波模式和杂散模式，然而这些模式在一些具有开放平面结构的LWAs中可以发现。由于其重量轻、低调、低成本、易于制造等显著的特点，SIW更加适合于设计漏波天线。
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1.2课题研究的历史与现状
1.2.1 类梳状线基片集成波导天线的研究现状
平面设备由于其低剖面、低重量、低成本和易于集成的优越特性引发人们的重点关注和深入研究。因此，目前发展了一些相关的技术，例如，微带、共面波导以及最近的基片集成波导技术，基片集成波导技术是在2003年由吴珂教授等首次提出，将传统的矩形波导的低损耗和高性能的优点结合，成功实现一个平面结构，简单的结构使得基于SIW结构设计天线成为众多学者研究的方向。
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基片集成波导技术作为微波和毫米波电路的良好候选方案，是允许无源波导组件集成的高质量、易于制造、低成本技术。然而，基础结构中的金属通孔连接了顶部和底部的导体，这使得很难在SIW上加载有源设备。作为SIW的改进技术，Chen和Eccleston在2008年提出了类梳状线基片集成波导技术[4]，SIW的金属通孔被波导边缘的四分之一波长的微带枝节线取代，如图1.1（a）的结构所示，这些枝节线在共振频率下同样可以形成PEC边界条件。由于微带枝节线没有连接到顶部和底部的导体，梳状枝节线阵列是加载在表面上，有源设备可以更容易在CSIW上实现。类梳状线基片集成波导在保留基片集成波导优良特性的同时，还可以克服其不能直流隔离的缺陷。类梳状线基片集成波导的优势在于其上下金属表面不再通过金属通孔连接，从而使连接在该导体与地面之间的有源设备能够采用直流偏置，即允许有源器件与波导结构集成在一起，而无需额外的射频扼流圈。在进行某些需要加载有源器件的设计时，类梳状线基片集成波导是比传统的基片集成波导更好的选择。
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第二章 类梳状线基片集成波导天线的基本理论
2.1基片集成波导结构
在过去的研究中，已经提出了一些SIW组件，包括滤波器、耦合器和天线。然而，这些组件必须与平面结构相互连接，以便提供测量手段，并允许SIW组件与有源电路完全集成。与传统的矩形波导相比，基片集成波导是由两排平行金属柱插入在一个基板中。如果正确选择柱子与其直径之间的距离，金属柱之间的能量泄漏可以忽略不计。
2.1.1 基片集成波导传输特性
SIW结构有着和矩形波导相似的传播特性，前提是金属柱的间距紧密，且忽略辐射能量从柱子之间泄漏。更具体地说，SIW模实际上与矩形波导的引导模的一个子集重合，即????????????0模，n为1，2，…。SIW具有宽带单模特性。这是因为双侧金属壁的合成是通过薄介电基板中的槽阵列的，这不允许TM和????????0????模式的引导。因此，与????????20模相关的????????10模保证了单模带宽。SIW不支持TM模式，主要是由于金属通孔之间的间隙。虽然横向磁场对纵向表面的电流起着决定性作用，但正是金属圆柱间的间隙，使得这种纵向表面的电流会被强烈的辐射所影响。特别是，基本模与矩形波导的????????10模相似，在侧壁上有垂直方向的电流密度。SIW结构的示意图如图2.1所示。波导两侧由两排平行的通孔阵列组成，它们划定了波导TE波的传播区域。结构中的参数“????????????????”、“s”和“d”，它们分别表示SIW的宽度、金属通孔的周期和直径，在下面将介绍具体的尺寸相关理论。
锥形微带过渡结构[29]被广泛采用的原因有几个：微带线被广泛使用；该过渡覆盖了SIW的完整带宽，与其他微带过渡[30-33]或共面过渡[34,35]相比，性能更好。由于其结构非常简单，过渡过程的损失很低，且微带中的电磁场与CSIW中的电磁场分布匹配的非常好。本次设计基于锥形微带过渡结构实现微带与CSIW中的电磁场分布过渡。由于SIW和CSIW结构类似，故本次讨论基于SIW和锥形微带过渡结构，而过渡结构还包括其他几种，包括共面波导馈电、接地共面波导馈电，如图2.3所示。由于共面波导的特性，与有功电路的集成是容易的，直接集成CPW和SIW的好处是减少尺寸和降低损耗。CPW适用于厚基板，因为它的电性能不依赖于基板厚度，接地共面波导的基板厚度则会由于传输损耗而增加。
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第三章 基于弯折类梳状线基片集成波导的H面喇叭天线 ......................... 17
3.1 H面喇叭天线的设计理论 ........................................... 17
3.1.1 基于SIW的H面喇叭天线的设计理论 ..................................... 17
3.1.2 基于CSIW的H面喇叭天线的设计理论 ................................. 19
第四章 基于CSIW的定频波束扫描漏波可重构天线 .................................. 29
4.1 基于CSIW的定频波束扫描漏波可重构天线的设计理论 ..................... 29
4.1.1 缝隙漏波天线 ......................................... 29
4.1.2 可重构特性......................................... 31
第五章 基于CSIW的频率可重构天线设计 .......................... 42
5.1 天线结构的设计 ............................................... 42
5.1.1 天线基础结构设计 ..................................... 42
5.1.2 天线结构设计理论 .................................... 43
第五章 基于CSIW的频率可重构天线
5.1天线结构的设计
5.1.1 天线基础结构设计
所呈现的 CSIW 天线的配置和尺寸如图5.1所示。枝节线宽度、周期和介质基板的特性是符合CSIW的设计原则的， 其中近距离实现耦合用于将天线与50????微带线相匹配馈电。值得注意的是，由于扩展地平面的存在，其结构与开放式波导并不完全相同，实际上它可以看作是一个半开放式的波导。
工程硕士论文参考
天线采用Taconic RF-35介质基板，厚度h为1.524mm，相对介电常数????????为3.5，损耗角正切tan????为0.0018。天线底面全部覆铜，采用微带线馈电。天线的等效电路模型如图5.2所示，在这个图中，G是与每个单元有关的介质和辐射损耗的模型，????????是模拟了近距离实现耦合。其中每个单元即以每个枝节线的周期为单元的结构模型。在等效电路模型中，顶层金属表面和地面之间形成了并联电容????????。并联电感????????是y方向上贴片的电流流动和枝节线中的电流形成的，最终，x方向的贴片上的电流形成了串联电感????????，由于单元结构周期为s，为对称结构，故等效为????????的一半的串联电感。利用基于传输线的理论，得到了下图的7个单元的天线基础结构的等效电路模型。
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第六章 总结与展望
6.1论文工作总结
七文结合类梳状线基片集成波导结构，在分析CSIW相关理论基础和天线的主要特性参数的基础上，设计了三款结构不同的天线，主要的研究贡献和创新分为以下几方面：
首先提出了基于CSIW结构的平面喇叭天线，在天线结构内部添加金属通孔阵列和一组矩形缝隙，对天线表面波的传播速度调整，达到相位矫正的目的，分析阵列和缝隙的位置对天线性能参数的影响，同时采用弯折的梳状微带线一定程度上减小天线横向尺寸，在辐射场中由于相同的相位，可以提高天线的增益，天线的最高增益为9.04dBi，在33.2GHz处实现，2.31GHz的阻抗带宽，包括工作频带内的32GHz-34.31GHz。
接着提出基于CSIW结构的定频波束扫描漏波天线，在阵列天线表面刻蚀14组矩形缝隙，在缝隙中加载一组恒定电容和PIN二极管，其中电容将射频信号有效地与直流信号隔离，PIN二极管则通过其导通或断开的不同配置，改变天线表面电流分布，根据漏波天线的特性，在固定频率下，通过不同的二极管状态配置，实现广域的波束扫描，最终实现了至少140°的扫描范围。天线加工测试后，辐射角的扫描范围为112°，四种状态配置下的天线增益为6dBi左右，展现了固定频率下的波束扫描能力。
最后提出基于CSIW结构的频率可重构天线，巧妙的利用CSIW结构的四分之一波长的梳状枝节线，当其电长度为四分之一波长时，等效于人工电侧壁，若电长度发生变化，则天线对应的频率也会发生变化。在梳状线阵列上加载两排PIN二极管，其加载位置也会在一定程度上影响谐振频率的变化范围。通过参数优化分析后，确定二极管的加载位置，最终天线的频率变化范围为1GHz，同时增益保持在6dBi左右，H面和E面的远场方向图在不同状态配置下基本保持一致。
参考文献（略）