一種在60GHz通信的高增益天線

1、一種用于60GHz通信的高增益、介質(zhì)加載采用基片集成波導(dǎo)技術(shù)的對(duì)線性漸變開(kāi)槽天線摘要60GHz帶寬有提供高速的通信能力。此文章證明了一種能為對(duì)線性變槽天線（ALTSA）提供高增益的基片集成波導(dǎo)（SIW）的存在。為了獲得高增益，給ALTSA上加了介質(zhì)加載，并使用了溝槽結(jié)構(gòu)。使用SIW技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高效、簡(jiǎn)潔和低成本的平面設(shè)計(jì)。本文使用了一種電磁場(chǎng)仿真工具來(lái)設(shè)計(jì)和模擬這個(gè)天線。首先設(shè)計(jì)一個(gè)ALTSA單元，然后在1*4的ALTSA陣列上加上SIW功分器。為了使設(shè)計(jì)可行，制作和測(cè)量了原型。測(cè)量結(jié)果非常符合仿真值，從而證實(shí)了這個(gè)設(shè)計(jì)。測(cè)得1*4ALTSA陣列在整個(gè)60GHz帶寬（5764GHz）的回波損耗優(yōu)

2、于12dB，增益為23.10.5dBi。1. 介紹近些年對(duì)在高速通信中極大帶寬的需求越來(lái)越高。而60GHz帶寬（5764GHz）可以為高速無(wú)線通訊以每秒幾千兆的速度傳輸高容量未壓縮數(shù)據(jù)。由于在毫米波頻段的微帶線相關(guān)損耗非常高，因此需要更多的有效的技術(shù)，比如SIW。SIW有傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)低損耗、高品質(zhì)因數(shù)、完全屏蔽和處理高功率情況的特點(diǎn)，也有低成本、平面電路設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。報(bào)道表明，已經(jīng)有大量的研究者從事SIW相關(guān)工作多年。天線容易在60GHz帶寬受到大氣吸收而衰減，這就要求在使用高增益天線時(shí)要減少這類損耗。錐形縫隙天線（TSA）因其寬帶寬、高回波損耗和高增益而被經(jīng)常使用。對(duì)線性漸變槽線天線（ALTS

3、A）是TSA的一種類型，在反方向的錐形介質(zhì)板的上表面和底部金屬部分使用對(duì)極幾何設(shè)計(jì)。研究者設(shè)計(jì)了一種帶寬為450GHz的反極向天線。天線在帶寬內(nèi)的增益312dBi。本文作者設(shè)計(jì)了一種在60GHz處增益可達(dá)18.75dBi的對(duì)費(fèi)米漸變槽線天線。在張成浩的的文章里，他介紹了一種新穎的技術(shù)，即讓ALTSA和SIW的上表面和下表面的錐形邊緣的饋線重合來(lái)克服阻抗失配。有溝槽結(jié)構(gòu)的TSA被用來(lái)減小天線寬度以極小化任何對(duì)輻射方向圖的重要影響，使得陣列天線尺寸更加緊湊。而且，溝槽結(jié)構(gòu)可以提高天線增益，減小旁瓣電平和交叉極化，由此提高天線總性能。TD介紹設(shè)計(jì)了一種有矩形波紋的帶有三角功分器的ALTSA陣列。1*

4、12陣列的增益為19.25dBi。DM介紹了一種有半圓形溝槽的ALTSA，它在7GHz的增益為12.4dBi。介質(zhì)加載，通過(guò)在天線前端放置電介質(zhì)板作為一個(gè)引導(dǎo)結(jié)構(gòu)都可以增強(qiáng)天線增益。平面SIW喇叭天線上的介質(zhì)加載被用來(lái)使E面波束寬度變窄，同時(shí)提高增益。NG設(shè)計(jì)了一種帶有SIW喇叭結(jié)構(gòu)和矩形介質(zhì)加載的高增益ALTSA陣列，其1*4ALTSA陣列的增益為191dBi。在這篇文章里，在波紋狀A(yù)LTSA前端用一個(gè)帶有半圓形頂層介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)的矩形代替了傳統(tǒng)矩形或橢圓形結(jié)構(gòu)，以獲得60GHz帶寬的高增益天線。用HFSS軟件來(lái)仿真天線。用Rogers RT/Duroid 5880材質(zhì)的介質(zhì)板，其介電常數(shù)為2

5、.2，厚度為0.254mm。2. 天線設(shè)計(jì)2.1 SIW的設(shè)計(jì)如圖1，SIW的介質(zhì)底板上有并排的兩排金屬孔，用來(lái)作為連接上下平行的金屬平板的波導(dǎo)，用來(lái)隔離上下金屬平面的矩形波導(dǎo)。然而，雖然SIW和矩形波導(dǎo)有電相似性，有相似的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)計(jì)不合理的話容易出現(xiàn)滲漏問(wèn)題。在設(shè)計(jì)SIW初期，研究者就規(guī)劃了一下設(shè)計(jì)規(guī)則和方程。通孔的直徑D波長(zhǎng)/5，它們之間的距離S2*D。SIW的寬度Wsiw=2.39mm,Dvia=0.4mm,S=0.7mm.圖2展示了SIW的電場(chǎng)分布。2.2 介質(zhì)加載的ALTSAALTSA是TSA的一種。Y報(bào)道說(shuō)TSA對(duì)厚度t和介電常數(shù)非常敏感，因此TSA的介質(zhì)板頻率0.005f。AL

6、TSA基本上通過(guò)增加頂部和底部斑紋的長(zhǎng)度，采用試誤法用電磁場(chǎng)仿真工具進(jìn)行優(yōu)化。ALTSA在一定長(zhǎng)度產(chǎn)生最高增益，SIW饋點(diǎn)和天線在上下表面斑紋重合處阻抗匹配。微帶傳輸線通過(guò)微帶線的阻抗匹配向SIW過(guò)渡，SIW向微帶線同理。本文設(shè)計(jì)和仿真了平面ALTSA（Pl-ALTSA），褶皺ALTSA（Cor-ALTSA）和介質(zhì)加載的褶皺ALTSA（Diel-ALTSA）。圖3是不同類型的介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)。本文應(yīng)用了半圓頂形介質(zhì)加載的矩形結(jié)構(gòu)。圖4是Diel-ALTSA的電路示意圖。首先設(shè)計(jì)了Pl-ALTSA，然后變?yōu)橛锌淘谏舷旅孢吘壍牟y結(jié)構(gòu)溝槽的Cor-ALTSA，最后在Cor-ALTSA前端增加電介質(zhì)板變

7、為Diel-ALTSA。下圖是其尺寸。3. 仿真與測(cè)量3.1 單個(gè)天線單元圖5為介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度對(duì)天線增益的影響。天線上的介電負(fù)載結(jié)構(gòu)影響天線增益，由圖可知矩形介電負(fù)載和半圓頂形介質(zhì)加載矩形有相似的增益，而半圓頂形介質(zhì)加載矩形比傳統(tǒng)橢圓介質(zhì)負(fù)載增益高，最大差距約0.76dB。因此本文選擇半圓頂形介質(zhì)加載矩形結(jié)構(gòu)的天線。需要注意的是天線和介質(zhì)負(fù)載要使用相同的介質(zhì)基板，有助于制造實(shí)物。圖6顯示天線中的電場(chǎng)分布，可見(jiàn)天線前端的介質(zhì)材料作為導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。圖7為模擬出來(lái)ALTSA的回波損耗。由圖可見(jiàn)Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA在整個(gè)60GHz頻段的回波損耗大于10dB，它的變化

8、是由于在平面ALTSA上增加了波紋和介電加載結(jié)構(gòu)，60GHz處Diel-ALTSA的回波損耗大于23dB。圖8為E面輻射方向圖，顯示Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA在E面的-3dB波束寬度分別為22.6,19.5和17；同時(shí)，Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA的旁瓣電平分別為-13dB，-15dB和-17dB；它們的交叉極化電平分別優(yōu)于14dB，21dB和22dB。圖9為模擬的H面輻射方向圖，Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA在H面的-3dB波束寬度分別為29.5，33.1和25.2；同時(shí)，Pl-ALTSA，Cor-AL

9、TSA和Diel-ALTSA的旁瓣電平分別為-13dB，-12dB和-15dB；它們的交叉極化電平分別高于14dB，21dB和22dB。我們發(fā)現(xiàn)溝槽使E面波束寬度減小卻使H面波束寬度增加。因此證明Diel-ALTSA的波束寬度最窄，旁瓣電平和E面、H面的交叉極化電平最低。圖10顯示了Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA在60GHz帶寬的前后比（F/B）。F/B比率是描述定向天線性能中常見(jiàn)的一個(gè)有效參數(shù)。在高定向天線中，它用來(lái)描述將所有輻射能量匯聚到前端，以保持最小化能量偏移至后方。對(duì)Pl-ALTSA來(lái)說(shuō)F/B比率靠近11dB-12.5dB，然而F/B比率在Cor-ALTS

10、A和Diel-ALTSA情況下還會(huì)增加。Cor-ALTSA下為21dB-25dB之間，Diel-ALTSA時(shí)為22.5dB-26dB之間。因此，Diel-ALTSA下的F/B比率最高。圖11展示了Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA在60GHz帶寬下的增益，分別為14.4dB，17.10.5dB，因此可得Diel-ALTSA較Pl-ALTSA和Cor-ALTSA有更好的表現(xiàn)。3.2 天線陣列SIW功分器被用來(lái)設(shè)計(jì)1*4Diel-ALTSA陣列。SIW功分器對(duì)每4個(gè)ALTSA來(lái)說(shuō)都提供相同的幅度和相位。圖12是SIW功分器的E面輻射圖。圖12中Ws=8.56mm，La=0.

11、95mm，Lb=0.15mm，Lc=0.32mm，Le=0.25mm。而直徑Da=0.3mm，Db=0.3mm，Dc=0.6mm，Dd=0.4mm。四個(gè)天線被功分器合并以實(shí)現(xiàn)天線陣列。圖13是SIW功分器仿真的S參數(shù)?？梢?jiàn)S11在57-64GHz間低于-10dB，同時(shí)，S21、S31、S41和S51在60GHz帶寬內(nèi)有相似特性。圖14為制作的天線陣列。ALTSA陣列的尺寸為78.3mm*43.7mm*0.254mm。圖15是仿真測(cè)量得到的1*4Diel-ALTSA陣列的回波損耗和增益。天線陣列的S11參數(shù)和增益是用MVNA 8-350探針臺(tái)測(cè)得的。會(huì)在有V型連接器的室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)暗室測(cè)得連接天線的輻

12、射方向圖。從圖15可看出在60GHz帶寬內(nèi)仿真和測(cè)得的回波損耗大于12dB，60GHz處大于24dB，表明測(cè)量和仿真的結(jié)果有很好的一致性。更發(fā)現(xiàn)在60GHz帶寬內(nèi)的增益差不多齊平，從圖15得在60GHz帶寬內(nèi)仿真增益為230.4dBi，測(cè)量增益為23.10.5dBi。圖16為仿真和測(cè)量的E面輻射方向圖。仿真得E面波束寬度為7，測(cè)得的為8，仿真和測(cè)量的E面旁瓣電平為-15dB。相似的，從圖17得仿真的H面波束寬度為25，測(cè)量的為27，H面旁瓣電平為-14dB。仿真和測(cè)量的細(xì)微差別可歸因于制造公差。因此可得，仿真和實(shí)物的結(jié)果有很好的一致性。表2為此天線和其他60GHz天線陣列對(duì)比表。在這些年間設(shè)計(jì)了許多60GHz帶寬相關(guān)的陣列天線。大趨勢(shì)為低成本、重量輕和高增益的天線陣列。有SIW饋點(diǎn)的ALTSA可以滿足這些要求。從圖表可得，雖然循環(huán)加載偶極子天線陣的最高增益可達(dá)25.2dBi，但是在陣列中使用的單元數(shù)目為50個(gè)，相同的，達(dá)到17.5dBi的天線陣的單元數(shù)為16，而在此文中，達(dá)到