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毫米波无线通信的平面高增益介电加载指数锥形槽天线
摘要：一个新的并且即将到来的应用是使用毫米波（MmW）天线进行高日期速率的点对点连接，以服务于千兆位（Gi-Fi）无线通信。衬底集成波导（SIW）的概念和指数锥形缝隙（ETS）天线一起使用可设计出高增益，高效的平面介电负载天线，用于60GHz的MmW Gi-Fi无线通信。SIW用于向天线馈电，并且在天线前面利用介电负载来增加增益。装有电介质的ETS天线和紧凑的SIW馈电均在单个基板上制造，从而实现了低成本和易于制造。使用印刷电路板工艺制造带有椭圆形介质负载的天线。测得的天线增益为11.4 dB，而60 GHz时的辐射效率为96.84％。得到的测量结果与模拟结果进行比较。
关键词：指数锥形缝隙天线、介电加载、衬底集成波导、60 GHz
1.简介
MmW技术系统和应用程序一直是全球研究人员在技术会议和商业会议室中进行的最新主题讨论之一[1, 2]。人们对这种令人难以置信的特定电磁波越来越感兴趣而且频谱被弥合电子和无线通信之间差距的能力所推动。60 GHz技术在当前的无线通信系统上提供了各种补偿。最近标志着60 GHz技术引起广泛关注的决定因素之一是由于高达7 GHz的巨大无限制带宽[3， 4]。这种巨大的带宽在容量和灵活性方面都具有巨大的潜力，这使60 GHz技术对于令人难以置信的Gi-Fi无线应用具有吸引力。
具有出色设计的天线可以改善无线通信的性能，尤其是在MmW频率下。由于对低成本，小尺寸和轻量的要求，许多类型的天线结构被认为不适合60 GHz应用。此外，还要求60 GHz天线在宽频率范围内以恒定增益和高效率运行。最近，平面集成天线 技术[5]由于射频前端电路和系统中集成的趋势，已经为MmW应用开发了。随着无 线系统的工作频率进入MmW范围以提供每秒千兆比特的服务，用于消费类设备的高 增益天线的需求日益增长。所需的天线必须与集成电路兼容，并具有高增益和较小的旁瓣。当天线集成到消费设备中时，它还应具有体积小，生产成本低的优点[6]。
传统的波导技术仍然是设计基于高性能MmW的无线系统的主流。但是它们的相对 较高的成本和难以集成的特性阻止了它们在低成本，大量应用中的使用。此外，传 统的波导技术无法用于减轻重量和体积[7]。SIW技术的概念使得可以在基板中实现 波导，并提供了一种使用常规低成本印刷电路技术将波导与MmW平面电路集成的复 杂方法。特别是，近年来，已经报道了许多基于SIW的缝隙天线[8–10].这些天线由 单层电介质基板组成，并从一端通过共面馈电网络馈电，这大大增加了天线的尺寸。此外，微带馈线和接点的辐射严重地影响了缝隙天线的低旁瓣水平。
因此，这项工作的目标是解决在利用SIW技术设计介电负载的ETS天线以实现Gi- Fi无线通信时面临的挑战，特别是在使用3D电磁软件CST Microwave Studio的60 GHz频率下，并与Ansys HFSS进行比较验证了设计过程。
介电加载指数锥形槽天线设计
ETS天线也称为喇叭形缺口天线，是满足所有要求的最有前途的天线之一[11].它基本上是带有端火辐射的平面行波天线。该天线具有宽带宽，低交叉极化和高度指向性的特点，因此是MmW应用的首选。这种天线类型的主要优点是，使用具有介电负载的指数锥形轮廓可以实现较宽的带宽和最大增益[12].所提出的介电方案提供了一种有趣的选择。该天线通过使用单个基板集成在一起。它易于制造，结构紧凑[13].为了消除波导中的高阶模，限制了基板的厚度。
天线前面的负载电介质平板可以看作是由指数耀斑激发的电介质导引结构，从而导致更宽的波束宽度和最大增益。具有介电负载的紧凑型MmW天线可实现宽带性能， 并具有与其他同类产品相比的多项优势，例如相对较低的插入损耗，更好的VSWR， 良好的设计公差和电路尺寸紧凑性[14, 15]。
2.1用等效SIW替换波导
在毫米波频率处，波导装置是优选的，但是制造工艺具有挑战性。因此，SIW技术使在衬底中实现波导成为可能，并提供了将波导与MmW平面电路集成的复杂方法[16–19].在SIW设计中，需要满足以下条件:
金属化通孔直径为 dlt;kg/2
通孔之间的间距为 Plt;2d
SIW的物理宽度为 a=ad (d2/0.95p)
其中kg是引导波长，ad是介电填充通孔之间的距离。SIW结构如图2所示。1 其中金属通孔充当波导的侧壁，而基板的金属盖和接地平面形成波导壁。可以很好地抑制两个金属通孔阵列之间的波传播，这两个金属通孔可以视为非辐射电壁。两个通孔之间的每个间隙
可以将其视为支撑和防止波导从基板掉落的插座。间隙的大小对于最大限度地减少横向辐射损失至关重要。SIW（a）的物理宽度的计算值是2.0mm，金属化通孔直径（d）是0.30mm，通孔之间的间隔（P）是1.0mm。
2.2微带向SIW过渡
微带线用于将功率传输到天线。该传输线连接到底层的馈电波导。微带线和SIW之 间的过渡对于实现良好的阻抗匹配和较小的回波损耗至关重要。建议使用锥形过渡， 在大多数应用中[20]。为了实现从微带到SIW的良好过渡，首先，必须计算SIW的引导阻抗，其公式为
Zg=ZTE(pi;b2/8a)
为了计算引导阻抗（Zg），还需要计算TE模式的波阻抗（Zte），由下式给出根据以上公式
其中kg是引导波长，k是自由空间波长，c是传播常数。上图SIW 的TE模式的引导阻抗1 在60 GHz时，计算得出的频率为38X。基于计算的引导阻抗， 可以通过计算和仿真来优化从50 X微带线到38 X微带线的过渡。50 X微带线的宽度为2 mm，38 X微带线的宽度为5 mm，过渡长度为8 mm。
基于计算的参数，图2显示了50 X微带到设计SIW的过渡模型。
其反射系数和透射系数的仿真结果如图3所示。60 GHz处的反射和透射系数值分别为-4.47和-16.66 dB。根据此结果，最大功率从microstip到SIW，并通过抑制在它们之间实现了良好的阻抗匹配高阶模式。
2.3天线设计
ETS天线的辐射锥形轮廓由指数函数描述。天线通过微带线激励到SIW过渡。过渡建设平面高增益介电加载指数锥形槽，图3微带到SIW跃迁的反射率和透射系数充分利用了微带放射状短截线的宽带特性，将其用作虚拟宽带短路。微带线实际上 被分流到带状线金属化层的后半部分，而前半部分用作微带线的接地金属层。有必 要将输入馈送微带线的阻抗转换为过渡的输入阻抗。因此，线性微带锥度用作输入 阻抗变压器[21].代替使用宽带巴伦，SIW已被用来为天线供电。
为了符合天线板尺寸和缝线参数，使用以下指数锥度曲线定义方程[22, 23]
Y1=C1eax C2
其中“a”是指数锥度的开度，C1和C2可以通过锥度P1（x1，y1）和P2（ x2，y2），
C1=(Y2-Y1)/(eax2-eax1)
C2=(Y1eax2-Y2eax1)/(eax2-eax1)
电磁波沿着逐渐分离的金属化锥度移动，直到分离使得该波与天线结构分离并辐射为自由距基板末端的距离。天线的E平面是包含辐射的EM波的电场矢量的平面。对于ETSA， 这与基板平行，随后在辐射之前将电场附着到水平分离的锥度。H平面（包含辐射 的EM波的磁性成分的平面）垂直于基板，垂直于电场旋转
天线长度LA，孔径宽度WA和基板厚度t都直接影响ETSA的辐射性能。喇叭角是线性锥形设计所独有的，它决定了天线的输入阻抗。方向性随着天线长度LA的增加而增加。对于三到八个波长的长度，根据以下等式，增加是线性的，
D=10LA/
天线的性能取决于（10）中给出的厚度t和介电常数er[24]。
fsubsted=
为了增强性能，它应该在以下给定的范围内
0.005lt;fsubstedlt;0.03
天线基板中的EM表面波附着到天线中的金属锥度。首先，当对于大多数锥度轮廓而言，间距适度较小时，EM波将紧密地束缚在锥度上。随着锥度间距的增加，EM波越来越少地附着在金属锥度上。这一直持续到达到半个波长的锥度分离并且EM波开始向自由空间辐射为止。这意味着在任何ETSA设计中，孔径宽度WA必须大于半个波长才能有效辐射。
图4、5、6 分别示出了基于模型的基于SIW的ETS天线的布局，该天线分别没有矩形，椭圆形和椭圆形介电负载。图8带有椭圆介电负载的天线的模拟3D辐射方向图。
表1 显示了使用以上公式获得的天线参数。曲率的形状在两个主要区域影响行波。首先是锥度的起点，其次是锥度的宽端。在这两个地方，都可能发生行波反射。因此，颈部更平滑的锥度可最大程度地减少颈部的反射。[25, 26].可以使用较高的“a”值来实现。H平面中的光束宽度可以通过H平面中的光斑来控制。E平面中的光束宽度由E平面中受限制的耀斑确定。在某些应用中，还希望在E平面上具有更宽的 波束宽度。为此，在天线前面放置一块绝缘板。该平板用作E平面中的电介质引导 结构。在H平面中，对于具有最大增的天线，沿H平面的耀斑相位分布几乎均匀， 没有介电负载。
3 仿真和测量结果讨论
如图3所示，使用3D电磁软件CST Microwave Studio对天线结构进行了模拟，没有介电负载。4，增益为7.2 dB，主瓣方向为810，回波损耗为-12.07 dB，VSWR为1.66，旁瓣电平为-4.0 dB。矩形和椭圆形的电介质负载放置在天线喇叭口的前面， 以增加增益，降低天线的旁瓣电平，并且相应的结构如图1和2所示。图5 和图6 结果表明，与相同长度的矩形介质负载相比，椭圆介质负载提供了更高的增益。当介电负载的长度为4 mm时，矩形和椭圆形的增益分别为8.3和10.2 dB。此外，还研究了矩形和椭圆形介电负载。表2 显示了60 GHz下介电负载的性能比较[27]，在高增益应用中很有用。但是，在使用SIW技术的电介质负载天线中，在60 GHz时，主瓣方向较宽，增益稍高。
具有椭圆介电负载的天线的3D辐射方向图，S11参数的仿真结果如图2和3所示。图8 和图9 a，b与没有介质负载的天线相比，椭圆介质负载的天线的增益增加了4.2 dB，S11 参数减小了-0.16 dB，主瓣方向增加了240，旁瓣电平较小[27].从这些结果可以看出椭圆形介电负载天线在60 GHz时主瓣方向略宽的情况下可获得更高的增益。
使用3D电磁软件CST对具有椭圆介电负载的天线的性能比较以及与HFSS的比较， 验证了基于天线增益，S11和VSWR的设计过程。可以看出，增益S11和VSWR在仿真结果中有很好的一致性。这两个模拟值之间的细微差别基本上是由于CST和HFSS中采用了两种不同的数值方法。此外，还分析了具有椭圆介电负载的天线效率，发现辐射效率为96.84％，总效率为91.05％。
不具有介电负载和椭圆形介电负载且尺寸优化的天线在Rogers RT Duroid 5880 高频基板上制造，厚度为0.787毫米，相对介电常数为2.2，相对磁导率为1，损耗角正切为0.0009。天线的顶边有辐射杂散，另一边是地平面。图中显示了没有电介质负载和椭圆电介质负载的ETS天线的制造天线的照片。
使用带探针台的矢量网络分析仪MVNA-8-350测量天线S11参数和增益。具有椭圆介电负载的天线的仿真和测量S11参数如图1所示。11.在测量值和模拟值之间观察到细微的差异。天线的实测S11与模拟S11之间的差异是由微带到SIW的过渡引起的。
具有椭圆介电负载的天线的仿真和测量增益如图1和2所示。12 和13.天线的测得增益最大值也非常接近，在60 GHz时为11 dB，模拟的最大增益为11.4 dB。测量结果表明，天线的带宽覆盖了3.33 GHz以上，而在这样宽的天线带宽内，天线的增益几乎保持恒定。仿真结果表明，金属损耗和介电损耗不会对天线的带宽和匹配条件有影响，但它们会将测得的天线增益降低0.4 dB。模拟增益和测量增益之间的明显差异可能是由于消声室内天线参考的校准链接公差范围所致。
天线在谐振频率下的辐射方向图如图2所示。14.辐射方向图的测量是在传统的远场消声室内进行的，该消声室内使用V型连接器连接天线。由于连接器相对于天线的尺寸较大，因此未将后部辐射图纳入结果。但是，在仿真结果中观察到了类似的效果，最重要的是，天线的辐射行为与仿真结果非常相似。
4 结论
与较低频率的无线电技术相比，MmW技术的使用为短距离千兆位无线通信系统提供了许多优势。此外，提出了微带线与SIW之间的一种新适应方法，该方法主要用于MmW Gi-Fi无线通信应用中。具有仿真波导的SIW技术可用于消除来自馈电的有害辐射，特别是与使用微带线构建的类似结构相比时。提出，设计，制造和测量了一种基于SIW的具有介电负载的ETS天线的新型配置。建议的天线测得的天线增益为11.4 dB，回波损耗为-12.23 dB，VSWR为1.64，主瓣方向在60 GHz时为1040。还可以观察到，通过适当选择介电结构及其参数，可以稍微增加增益。
对于给定的天线，可以实现更宽的主瓣方向。仿真结果与测量结果之间的合理一致性表明，设计的椭圆介电负载天线可用于多种无线应用。
参考文献：
1. Ra
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资料编号：[238923]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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