一種在60GHz通信的高增益天線

1、一種用于60GHz通信的高增益、介質加載采用基片集成波導技術的對線性漸變開槽天線摘要60GHz帶寬有提供高速的通信能力。此文章證明了一種能為對線性變槽天線（ALTSA）提供高增益的基片集成波導（SIW）的存在。為了獲得高增益，給ALTSA上加了介質加載，并使用了溝槽結構。使用SIW技術實現(xiàn)了高效、簡潔和低成本的平面設計。本文使用了一種電磁場仿真工具來設計和模擬這個天線。首先設計一個ALTSA單元，然后在1*4的ALTSA陣列上加上SIW功分器。為了使設計可行，制作和測量了原型。測量結果非常符合仿真值，從而證實了這個設計。測得1*4ALTSA陣列在整個60GHz帶寬（5764GHz）的回波損耗優(yōu)

2、于12dB，增益為23.10.5dBi。1. 介紹近些年對在高速通信中極大帶寬的需求越來越高。而60GHz帶寬（5764GHz）可以為高速無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損耗非常高，因此需要更多的有效的技術，比如SIW。SIW有傳統(tǒng)矩形波導低損耗、高品質因數(shù)、完全屏蔽和處理高功率情況的特點，也有低成本、平面電路設計的優(yōu)勢。報道表明，已經(jīng)有大量的研究者從事SIW相關工作多年。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板的上表面和底部金屬部分使用對極幾何設計。研究者設計了一種帶寬為450GHz的反極向天線。天線在帶寬內的增益312dBi。本文作者設計了一種在60GHz處增益可達18.75dBi的對費米漸變槽線天線。在張成浩的的文章里，他介紹了一種新穎的技術，即讓ALTSA和SIW的上表面和下表面的錐形邊緣的饋線重合來克服阻抗失配。有溝槽結構的TSA被用來減小天線寬度以極小化任何對輻射方向圖的重要影響，使得陣列天線尺寸更加緊湊。而且，溝槽結構可以提高天線增益，減小旁瓣電平和交叉極化，由此提高天線總性能。TD介紹設計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。介質加載，通過在天線前端放置電介質板作為一個引導結構都可以增強天線增益。平面SIW喇叭天線上的介質加載被用來使E面波束寬度變窄，同時提高增益。NG設計了一種帶有SIW喇叭結構和矩形介質加載的高增益ALTSA陣列，其1*4ALTSA陣列的增益為191dBi。在這篇文章里，在波紋狀ALTSA前端用一個帶有半圓形頂層介質加載結構的矩形代替了傳統(tǒng)矩形或橢圓形結構，以獲得60GHz帶寬的高增益天線。用HFSS軟件來仿真天線。用Rogers RT/Duroid 5880材質的介質板，其介電常數(shù)為2

5、.2，厚度為0.254mm。2. 天線設計2.1 SIW的設計如圖1，SIW的介質底板上有并排的兩排金屬孔，用來作為連接上下平行的金屬平板的波導，用來隔離上下金屬平面的矩形波導。然而，雖然SIW和矩形波導有電相似性，有相似的優(yōu)點，但設計不合理的話容易出現(xiàn)滲漏問題。在設計SIW初期，研究者就規(guī)劃了一下設計規(guī)則和方程。通孔的直徑D波長/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的電場分布。2.2 介質加載的ALTSAALTSA是TSA的一種。Y報道說TSA對厚度t和介電常數(shù)非常敏感，因此TSA的介質板頻率0.005f。AL

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

7、為Diel-ALTSA。下圖是其尺寸。3. 仿真與測量3.1 單個天線單元圖5為介質加載結構長度對天線增益的影響。天線上的介電負載結構影響天線增益，由圖可知矩形介電負載和半圓頂形介質加載矩形有相似的增益，而半圓頂形介質加載矩形比傳統(tǒng)橢圓介質負載增益高，最大差距約0.76dB。因此本文選擇半圓頂形介質加載矩形結構的天線。需要注意的是天線和介質負載要使用相同的介質基板，有助于制造實物。圖6顯示天線中的電場分布，可見天線前端的介質材料作為導向結構。圖7為模擬出來ALTSA的回波損耗。由圖可見Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA在整個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構，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，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，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的一個有效參數(shù)。在高定向天線中，它用來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Pl-ALTSA來說F/B比率靠近11dB-12.5dB，然而F/B比率在Cor-ALTS

10、A和Diel-ALTSA情況下還會增加。Cor-ALTSA下為21dB-25dB之間，Diel-ALTSA時為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功分器被用來設計1*4Diel-ALTSA陣列。SIW功分器對每4個ALTSA來說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。四個天線被功分器合并以實現(xiàn)天線陣列。圖13是SIW功分器仿真的S參數(shù)?？梢奡11在57-64GHz間低于-10dB，同時，S21、S31、S41和S51在60GHz帶寬內有相似特性。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探針臺測得的。會在有V型連接器的室內遠場暗室測得連接天線的輻

12、射方向圖。從圖15可看出在60GHz帶寬內仿真和測得的回波損耗大于12dB，60GHz處大于24dB，表明測量和仿真的結果有很好的一致性。更發(fā)現(xiàn)在60GHz帶寬內的增益差不多齊平，從圖15得在60GHz帶寬內仿真增益為230.4dBi，測量增益為23.10.5dBi。圖16為仿真和測量的E面輻射方向圖。仿真得E面波束寬度為7，測得的為8，仿真和測量的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，測量的為27，H面旁瓣電平為-14dB。仿真和測量的細微差別可歸因于制造公差。因此可得，仿真和實物的結果有很好的一致性。表2為此天線和其他60GHz天線陣列對比表。在這些年間設計了許多60GHz帶寬相關的陣列天線。大趨勢為低成本、重量輕和高增益的天線陣列。有SIW饋點的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25.2dBi，但是在陣列中使用的單元數(shù)目為50個，相同的，達到17.5dBi的天線陣的單元數(shù)為16，而在此文中，達到