基于人工电磁结构的毫米波平面宽带喇叭天线技术研究

Due to the advantages of simple configuration, and high power capacity, and etc., microwave horn antenna is one of the most widely researched and employed microwave antennas. However, the requirements in geometrical configuration, manufacturing process and cost severely restrict its application in millimeter-wave band. Therefore, the millimeter-wave planar wideband substrate integrated waveguide (SIW) horn antenna based on metamaterial is proposed. In order to realize the wideband design of planar SIW horn antenna, a generalized transmission line model composed by SIW horn antenna, metamaterial and free space is built in this project. In the research process, through utilizing the anisotropic metamaterial, a generalized requirement for realizing impedance-matching can be obtained, namely the requirement for permittivity and permeability tensors. This project can be divided into three aspects, namely low profile impedance-matching technology, conformal impedance-matching technology and technology of designing array antennas and feeding source, which will provide a new approach for realizing novel millimeter-wave horn antenna. The millimeter-wave planar wideband horn antenna will greatly satisfy the development and utilization of millimeter-wave spectrum resources in the communication industry, while the advantages of low cost, low complexity, wide bandwidth and high conformal capability are maintained. In a word, this project not only exhibits important value in theoretical research, but also shows promising prospect in engineering application.

微波喇叭天线具有构造简单、功率容量大等显著优点，是微波领域研究和应用最广泛的天线之一，然而其尺寸构造和工艺成本的要求严重地限制了在毫米波频段的应用推广。因此本项目提出基于人工电磁结构的毫米波平面宽带基片集成波导（substrate integrated waveguide, SIW）喇叭天线技术。为了实现SIW喇叭天线的宽带化设计，本项目构建由SIW喇叭天线-人工电磁结构-自由空间构成的广义传输线模型，以各向异性人工电磁结构为研究核心，推导实现阻抗匹配的一般条件，即对人工电磁结构的电磁参数张量要求，从低剖面阻抗匹配技术、共形阻抗匹配技术和阵列、馈源的综合设计技术等多个角度为发展新型毫米波喇叭天线开辟新的研究途径。毫米波平面宽带喇叭天线在满足通信行业对于毫米波频率资源开发和利用的同时，具有低成本、低复杂度且宽带易共形等优势。总之，本项目既具有重要的理论研究价值，同时具有广阔的工程应用前景。

本项目的研究目标是研究在常规条件（低剖面、单层PCB等）下SIW喇叭天线阻抗匹配的工作机理，并在此基础上利用超材料提出低成本、低复杂度、适用于毫米波系统的平面宽带SIW喇叭天线技术。首先开展了ENZ（epsilon-near-zero，ENZ）近零超材料加载的平面喇叭天线技术研究。通过加载理想ENZ材料后相对带宽提升至47.9%，极大地提高了其阻抗带宽；进一步采用短路的金属化通孔等效ENZ材料，最终天线的反射系数在16.2GHz到20.7GHz频段范围内均小于-10dB，相对阻抗带宽达到24.4%；其次开展基于表面波激励的宽带平面喇叭天线技术研究。设计了一种基于加载超材料的表面波激励的宽带平面基片集成波导喇叭天线。在宽频带范围内，扩展后的平面喇叭孔前基板的等效介电常数可以有效地减小到接近空气，降低了传统平面SIW喇叭天线的阻抗失配。结果表明，天线的工作频率为12.3~15.8GHz，相对阻抗带宽为24.6%；最后，开展平面喇叭天线作为馈源技术的研究。首先提出了一种多波束传输阵列天线的设计方法，其由一个四层矩形单元的传输阵列和一个位于同一介质基板上的七单元基片集成波导喇叭天线构成：在16-24GHz范围内，SIW喇叭天线的回波损耗均小于-10dB，满两个正交平面内的方向图在主波束范围内重合且对称性较好，且半功率波束宽度为35°左右，满足阵列对馈源天线的波束宽度的设计要求；其次针对平面伦伯透镜对馈源的平面化、宽带化要求，设计一种能够巧妙实现阻抗匹配与满足透镜折射率分布的渐变式喇叭天线，实现了平面一体化宽带伦伯透镜天线的设计，该天线的实测反射系数在17-19GHz时有所改善，天线的反射系数在16.2-28GHz频段内均小于-10dB，展现出良好的阻抗匹配效果。研究成果可为面向毫米波通信的宽带、小型化、圆极化设计提供重要的理论依据，在毫米波馈源设计以及机载/弹载通信领域都具有重要的理论意义和广阔的应用前景。