一种在60GHz通信的高增益天线
宽频带高增益复合空馈滤波天线阵
宽频带高增益复合空馈滤波天线阵JIANG Ru-dan;WANG Lu【摘要】文中设计了一个高增益宽频带的复合空馈阵(Compound Air-fed Array,CAFA)天线及其馈电网络.该阵列天线由六个复合空馈子阵、按并馈方式组成,在保有较宽频带(相对带宽10％以上)的同时来获得较高的增益(20 dBi以上).经整体的全波仿真和样品的实验测试,结果基本上相吻合,在需求的18 GHz频段内,样机回波损耗实测达到10.5 dB、且增益优于23 dBi.该天线阵具有低剖面、馈电网络简单的特征,兼有\"滤波天线\"的概念,易于工程实现及集成.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2019(027)013【总页数】4页(P84-87)【关键词】天线;复合空馈阵;宽频带天线;阵列天线;滤波天线【作者】JIANG Ru-dan;WANG Lu【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TN82在无源系统中，滤波特性和辐射特性相集成的滤波天线[1-5]，其典型的集成方案主要是“滤波器+天线”的方案，但为获得较高的系统增益，通常使滤波器的插入损耗尽可能地小，并且使天线尺寸足够大，导致难以实现真正意义的系统集成。
复合空馈阵（Co-mpound Air-fed Array，CAFA）天线[4，6]，将设计反射阵或传输阵天线时的相位补偿概念注入Fabry-Perot天线[7-8]的设计中，在具有部分反射特性表面（Partially Reflective Surface，PRS）或者频率选择特性表面（Frequency Selective Surface，FSS）的盖板[4，6，8]和金属基板间形成谐振机制，在具有波长量级的低轮廓的同时，也具有频域滤波特性。
但其本质上利用了腔模式的谐振机理，这也限制了复合空馈阵天线的增益和口面效率，从而限制了其应用，虽然有很多提高增益的方法[4]，但增益和频带宽度的相互矛盾无法从根本上改变，所以利用CAFA天线作为单元，其盖板和基本通常为非强谐振的，即呈宽频带特性，在此基础上进行组阵[9-10]，在保有较宽频带的同时来获得较高的增益。
一种圆极化透镜天线
一种圆极化透镜天线王凯旭;黄衡【摘要】提出了一款宽频带高增益的圆极化毫米波天线.该天线由一个半球形的介质透镜圆顶以及一个圆柱形极化器结合而成,将传统的扩展半球介质透镜与介质极化器融合在一起,既能将线极化波转化成圆极化波(反之亦然),又能有效提高天线的增益.该设计与传统的级联结构(透镜级联极化器)不同,它能够用一个器件同时实现两个器件的功能,并且能大大减小系统的体积,降低插入损耗,减少生产成本.此外,该天线采用3D打印技术来实现,加工精度高并且容易生产,适合于毫米波天线的应用.经过验证,该天线的阻抗带宽能达到38％,轴比带宽为36％,圆极化增益达到22 dBic.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2018(033)004【总页数】5页(P387-391)【关键词】毫米波天线;宽带天线;圆极化天线;3D打印天线;透镜天线【作者】王凯旭;黄衡【作者单位】香港城市大学电子工程系国家毫米波重点实验室,香港999077;香港城市大学深圳研究院,深圳518057;香港城市大学电子工程系国家毫米波重点实验室,香港999077;香港城市大学深圳研究院,深圳518057【正文语种】中文【中图分类】TN822引言毫米波通信具有很宽的可用带宽(57～64 GHz),能够满足日益增长的高速无线通信的要求, 因此,近年来受到越来越多的关注．在毫米波无线通信系统中,天线扮演着关键的技术．首先,毫米波天线必须具有比较宽的带宽,才能覆盖所需的工作频段．其次,由于毫米波通信过程中有比较高的损耗,因此要求毫米波天线具有比较高的增益,才能实现比较远距离的通信．传统的毫米波高增益天线多采用天线阵列来实现,通过增加天线振子的数量来实现比较高的增益[1-4]．这种方式虽能够有效增加天线的增益,但是需要外加一套馈电网络给每个振子分别馈电．随着天线振子数量的增加,馈电网络也会变得复杂而庞大,更为重要的是,此时馈电网络的插入损耗也会随着增加,这样反而会降低天线的增益．除了天线阵列,在天线的前方增加一个透镜也是提高天线增益的有效方法[5-9]．由于透镜具有体积大的缺点,因此该方法在低频段比较少被采用．但是对于毫米波无线通信,由于工作频率在60 GHz, 工作波长很短,此时透镜的体积就可以大大减少,所以透镜天线在毫米波通信系统中被广泛采用．传统的透镜只能提高天线增益的能力,却不能起到实现圆极化的功能．为了实现圆极化,一般需要采用在底下添加一个圆极化天线源的方式．本文提出了一款新型的毫米波透镜天线,该透镜天线将极化器与传统的扩展半球介质透镜有效融合在一起,通过一个器件,同时实现透镜与极化器的功能,不仅能有效提高天线的增益,还能将线极化入射波转化为圆极化．1 天线结构与设计图1展示了天线的结构图,该天线在传统的扩展半球介质透镜上每隔相同的距离挖出一段长方形的槽.它也可以看成是由顶部的半球透镜以及下边的圆柱形极化器组合而成．该天线的馈源位于透镜的下方,与透镜的距离为g,g的大小会影响天线的增益．此外,为了实现圆极化,馈源部分的线极化方向需要与长方形槽保持45°．整个天线采用3D打印技术加工而成, 3D 打印材料的介电常数是2.9, 损耗角正切是0.01．图1 天线结构图Fig.1 Configuration of the proposed antenna1.1 圆极化的实现图2给出了极化器结构的单元,极化器可以看成由很多个单元组成．从图2可以看到,每个单元由一片介质和一片空气组成,这种结构在x方向和y方向具有不同的介电常数εx和εy,其表达式为:(1)εy=ε0+ε0(εr-1)r．(2)式中,r=w2/(2w1+w2)．图2 极化器的单元结构图Fig.2 Schematic model of polarizer unit图3和图4分别展示了εx和εy的数值计算和仿真结果．其中虚线为数值计算的曲线,实线为软件HFSS的仿真结果．从图中可以看出,仿真结果与数值计算结果很吻合．此外,也可以看出εx 小于εy,即具有x极化方向的电磁波在介质中的传播速度要比y极化方向的电磁波的传播速度快．于是,它们穿过极化器的时候具有不同的相移特性,通过调节极化器的厚度,使得它们的相位差为90°,于是便可产生圆极化特性．图3 有效介电常数εx随不同填充比r 的变化规律Fig.3 Simulation and calculation effective dielectric constants εx versus different ratios r fordifferent εr图4 有效介电常数εy随不同填充比r 的变化规律Fig.4 Simulation and calculation effective dielectric constants εy versus different ratios r for different εr1.2 焦点的位置电磁波穿过传统的扩展半球形介质透镜的光路径如图5(a)所示,电磁波从焦点出发,在透镜表面发生折射,近光轴的电磁波经过折射后传播方向接近平行于z方向,从而提高天线的增益．而对于文中提出的圆极化透镜天线,电磁波穿越透镜时,发生了两次折射作用,第一次折射发生在极化器与半球透镜的交界处;第二次折射发生在透镜球面上．根据折射定律,可以得出sin φe/sin φr=n/ne.(3)式中,n和ne 分别是半球透镜和极化器的有效介电常数．由于极化器中有一部分是空气,故 n>ne,因此φe> φr,h1> h2. 从以上的分析可以看出,当在透镜的扩展部分挖出一些长方形槽时,不仅能实现圆极化特性,还能通过折射作用减小透镜的焦点距离,从而有效地减小透镜的体积、插入损耗,以及加工成本．(a) 传统透镜(a) Traditional lens(b) 圆极化透镜(b) Circular polarizing lens图5 电磁波在透镜中的传播路径图Fig.5 The path of the waves pass through the lens2 天线的加工与测试为了验证我们的分析,我们对该天线进行仿真与测试,通过优化之后,天线的具体参数如下:h=6.5 mm, R=10 mm, g=0.7 mm, w1=0.5 mm, w2=1 mm．然后采用3D 打印机对优化后的天线进行加工,加工之后的天线实物图如图6所示．天线的馈源我们采用WR15的开口波导,通过开口波导产生线极化辐射波．图6 加工之后的圆极化透镜以及天线馈源Fig.6 Prototype of the CP lens and the antenna source在天线回波特性的测试中,我们采用了安捷伦的网络分析仪E8361A进行试验测试;而对于天线远场特性(例如增益,轴比,方向图等)的测试则是采用NSI 2000 系统进行测试,由于试验仪器的限制,测试的频段只从50 GHz 到 67 GHz.图7展示了天线仿真与测试的匹配特性,可以看出仿真的阻抗带宽(小于-10 dB)从51 GHz 到75 GHz,测试的范围从51 GHz 到67 GHz．天线的阻抗带宽主要由馈源天线决定．图8展示了天线的轴比和增益特性,由图8可以看出:天线仿真的圆极化带宽(AR<3 dB)从50 GHz 到72 GHz,实测结果从 50 GHz 到67 GHz;天线的宽带圆极化特性主要是由极化器结构决定的;天线仿真的最大增益可以达到22 dBic,实测的增益可以达到21 dBic,增益的大小主要由半球透镜的半径决定,并且也受馈源位置的影响．图9比较了天线的方向性和增益,方向性比增益平均高了1.2 dB, 通过计算,可以看出天线的效率约为78%．在这个结构中,天线的损耗主要来源于3D 打印材料的损耗,由于我们采用的3D打印材料比较大,所以导致天线的损耗比较大,从而效率比较低．为了提高天线的效率,可以通过采用低损耗的3D打印材料来解决．图10 比较了在50 GHz 和60 GHz(φ=±45°)的方向图,可以看出,仿真和测试的方向图比较接近．而且在其中一个面的旁瓣比较大(约为-12 dB),这是由天线源的表面波导致的,可以通过减小表面波的方式来减小方向图的旁瓣．图7 天线的回波特性Fig.7 Reflection coefficient图8 轴比和增益Fig.8 Axial ratio and gain图9 方向性与增益Fig.9 Directivity and gain(a) 50 GHz(b) 60 GHz图10 电磁波在透镜中的传播路径图Fig.10 The path of the waves passthrough the lens3 结论本文提出了一款新型的圆极化透镜天线,通过在传统的扩展半球介质透镜开槽的方式,能够将传统的透镜改造成具有圆极化功能的透镜天线．与之前的圆极化透镜相比,这种结构能够在实现高增益的同时,达到比较宽的轴比带宽．并且具有比较小的体积,能够减小插入损耗．此外,使用3D打印技术进行加工,能够将该设计应用于毫米波通信频段．由于材料的损耗比较大,该结构的增益很难进一步提高,下一步的工作可以通过采用薄透镜的方式来减小介质损耗,从而有效提高天线的增益．参考文献【相关文献】[1] MIURA Y, HIROKAWA J, ANDO M, et al. Double-layer full-corporate-feed hollow-waveguide slot array antenna in the 60 GHz band[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2011, 59(8): 2844-2851.[2] LI Y J, LUK K M. Low-cost high-gain and broadband substrate integrated waveguide fed patch antenna array for 60-ghz band[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2014, 62(11): 5531-5538.[3] WONG H, LUK K M, CHAN C H, et al. Small antennas in wireless communications[J]. Proceeding of IEEE, 2012, 100(7): 2019-2121.[4] LI Y J, LUK K M. A 60-GHz wideband circularly polarized aperture-coupled magneto-electric dipole antenna array[J]. IEEE transactions on antennas and propagations, 2016, 64(4): 1325-1333.[5] MIRBEIK A, TAVASSOLI V, AYAZI F, et al. Three-dimensional, ultra-wideband micromachined millimeter-wave hemispherical shell antenna: theoretical concept and calibration[J]. IET microwaves, antennas & propagation, 2015, 10(5): 525-535.[6] DANCILA D, VALENTA V, BUNEA A C, et al. Differential microstrip patch antenna as feeder of a hyper-hemispherical lens for F-band MIMO radars[C]//Global Symposium on Millimeter Waves (GSMM) & ESA Workshop on Millimetre-Wave Technology and Applications, 2016: 1-4.[7] PARK K Y, WIWATCHARAGOSES N, CHAHAL P. Wafer-level integration of micro-lens for THz focal plane array application[C]//IEEE 63rd Electronic Components and Technology Conference, 2013: 1912-1919.[8] GHEETHAN A A, DEY A, MUMCU G. Passive feed network designs for microfluidic beam-scanning focal plane arrays and their performance evaluation[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2015, 63(8): 3452-3464.[9] NGUYEN N T, SAULEAU R, PEREZ C J M. Very broad-band extended hemispherical lenses: role of matching layers for bandwidth enlargement[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2009, 57(7): 1907-1913.。
一种小型超宽带微带天线
图 5 介电常数为 4． 4 和 2． 55 时 S11 的比较结果
图 6 所示为天线采用介电常数为 4． 4 的板材， 厚度分别为 1． 1mm 、0． 95mm 和 0． 85mm 时的回波 损耗的比较，从图中可看出不同的板材厚度对天线 高低端性能会产生不同的影响。
图 7 天线实物图
图 6 厚度为 1． 1mm 、0． 95mm 和 0． 85mm 时 S11 的比较结果
图 2 馈线背面开窗和没开窗的 S11 的比较结果
果，从图中可以看出，在整个工作频带内天线的平均 增益在 4dB 以上，只有在低端有几个频段的增益在 4dB 以下，但是也基本都在 3dB 以上。图 4 所示为 天线在 3． 4GHz、7． 17GHz、10． 8GHz 这 3 个频点的 辐射方向图。从图中可以看出，在整个频带范围内 天线都能保持比较稳定的辐射方向。
2 仿真结果
利用 CST 软件对这种小型化超宽带微带天线 进行了性能仿真和优化。经过优化仿真得到一个带 宽在 2． 15 ～ 13． 47GHz 范围内回波损耗均在 － 10dB 以下的小型化 UBW 微带天线。
图 2 所示为在天线尺寸完全相同的情况下馈线 背面开窗和没开窗情况下回波损耗的仿真结果比 较。从图 2 可以看出，馈线背面有开窗口的情况比 没有开窗口的情况，在 2． 15 ～ 13． 47GHz 频带范围 内回波损耗更好，特别是随着频率越来越高效果也 越明显，因此可以得出，在馈线底面开窗口能较好地 改善天线在高频段的回波损耗特性，天线能得到更 宽的频带。
小于 2； 增益基本稳定在 3 ～ 6dB 之间； 并且该天线
具有比较稳 定 的 辐 射 特 性。 与 文 献［10］中 带 宽 为
126% （ 2． 4 ～ 10．ห้องสมุดไป่ตู้6GHz） 的天线相比，有更小的尺寸
《微波技术与天线》题集
《微波技术与天线》题集一、选择题（每题2分，共20分）1.微波的频率范围是：A. 300 MHz - 300 GHzB. 300 kHz - 300 MHzC. 300 GHz - 300 THzD. 300 Hz - 300 kHz2.微波在自由空间传播时，其衰减的主要原因是：A. 散射B. 反射C. 绕射D. 折射3.下列哪种天线常用于微波通信？A. 偶极子天线B. 螺旋天线C. 抛物面天线D. 环形天线4.微波传输线中，最常用的传输线是：A. 同轴线B. 双绞线C. 平行线D. 光纤5.微波器件中，用于反射微波的器件是：A. 微波晶体管B. 微波二极管C. 微波反射器D. 微波振荡器6.在微波电路中，常用的介质材料是：A. 导体B. 绝缘体C. 半导体D. 超导体7.微波集成电路（MIC）的主要优点是：A. 高集成度B. 低功耗C. 低成本D. 大尺寸8.微波通信中，用于调制微波信号的常用方法是：A. 调幅B. 调频C. 调相D. 脉冲编码调制9.下列哪种效应是微波加热的主要机制？A. 热辐射效应B. 电磁感应效应C. 介电加热效应D. 光电效应10.在雷达系统中，发射天线的主要作用是：A. 接收目标反射的微波信号B. 发射微波信号照射目标C. 处理接收到的微波信号D. 放大微波信号二、填空题（每空2分，共20分）1.微波的波长范围是_____至_____毫米。
2.微波在自由空间传播时，其传播速度接近光速，约为_____米/秒。
3.抛物面天线的主要优点是具有较高的_____和_____。
4.微波传输线中，同轴线的内导体通常采用_____材料制成。
5.微波器件中，用于产生微波振荡的器件是_____。
6.微波加热中，被加热物体必须是_____材料。
7.微波集成电路（MIC）是在_____基片上制作的微波电路。
8.雷达系统中，接收天线的主要作用是_____。
9.微波通信中，为了减小传输损耗，通常采用_____方式进行传输。
一种使用新型巴伦的双频宽带准八木天线
一种使用新型巴伦的双频宽带准八木天线赵廷辉;熊阳;余贤【摘要】准八木天线具有较好的方向性,但其带宽还不能满足实际应用需要.为解决双频带准八木天线带宽较低的问题,提出了一种新型双频准八木天线,其具有相对带宽较大的两个工作频带,并可以应用于定向WLAN/Wimax通信系统.该天线采用喇叭形巴伦来增加带宽,采用多支节结构的两对辐射偶极子来激发两个不同的频率.低频辐射偶极子采用阶梯阻抗来减小物理尺寸,通过合理配置两对辐射偶极子和反射器可以获得良好的辐射特性.使用Ansoft HFSS对天线进行优化,并制作了实物.实验测量结果显示该天线S11＜-10 dB的频段为2.36～2.8 GHz和3.3～3.8 GHz,前后比均在10 dB以上,带内增益分别在6 dB和8 dB以上.【期刊名称】《电声技术》【年(卷),期】2017(041)006【总页数】5页(P47-51)【关键词】双频天线;准八木天线;喇叭形连接结构【作者】赵廷辉;熊阳;余贤【作者单位】南开大学,天津300350;南开大学,天津300350;南开大学,天津300350【正文语种】中文【中图分类】TN82近年来，随着无线通信的快速发展，尤其是无线局域网络(WLAN) 和全球微波互联接入(WiMAX)的持续发展,对拥有大的阻抗带宽和良好辐射特性的双频或多频天线的需求急剧上升[1-3]。
平面印刷准八木天线具有结构紧凑、低剖面、重量轻、增益高和轴向辐射模式等特点而得到广泛的应用[4-12]。
一些研究人员引入开口环双模谐振器来实现双频,该天线的性能与谐振器的特性有关[4]。
一些研究者将低频偶极子作为高频的反射器，用高频偶极子作为低频引向器[5],这类天线增加了电容来调节阻抗匹配，虽然节省了空间，但大大增加了设计难度。
另外一些研究将偶极子上开了两个L形槽来激发不同的频率,并且使用双模谐振器来实现对双频的引向[6]。
然而，这些天线的共同特点就是它们的频带都很窄，这也是八木天线的特点之一。
60ghz频段无线电设备射频技术要求及测试方法
60ghz频段无线电设备射频技术要求及测试方法一、射频技术要求1.瑞利准则：60GHz频段的传播特性与其他低频段频率不同，能够实现高速率和短距离的数据传输。
然而，由于瑞利准则的影响，60GHz频段的信号很容易受到障碍物和传播损耗的影响，因此必须有良好的空间规划和反射率。
2. 多径干扰管理：由于60GHz频段的多径干扰较严重，需要采用合适的技术手段进行多径干扰的管理，如波束成形（beamforming）和多用户MIMO（多输入多输出）等技术。
3.模拟前端技术：由于60GHz频段的波长较短，导致射频前端的损耗较大。
因此，需要采用高增益和低噪声的射频前端设计，以提高接收灵敏度和传输距离。
4.自适应调制与编码：考虑到60GHz频段容易受到信号衰落的影响，在射频技术上需要采用自适应调制与编码技术，以提高信号的容错性和可靠性。
二、测试方法1.信号质量测试：通过测量射频设备在60GHz频段的信号质量参数，如信噪比、信号衰减等，评估其性能。
可以使用频谱分析仪、信号源和功率计等设备进行测量。
2.数据传输性能测试：通过在实际环境下进行数据传输测试，评估60GHz频段无线电设备的传输速率、传输距离和传输可靠性等性能指标。
测试中可以使用特定应用程序或测试设备，并测量数据传输速率、传输延迟和误码率等参数。
3.多径干扰测试：通过在复杂的环境中进行多径干扰测试，评估60GHz频段无线电设备对多径干扰的抵抗能力。
可以使用多径信道仿真工具或特定的测试设备，进行多径干扰测试，并评估设备的传输质量和性能。
4.障碍物穿透测试：由于60GHz频段的信号容易受到障碍物的影响，测试时需要模拟不同类型的障碍物（如墙壁、家具等）对信号的衰减程度。
可以使用射频信号发生器、功率计和频谱分析仪等设备进行测试，并评估设备在不同障碍物条件下的传输性能和覆盖范围。
总结：60GHz频段的无线电设备在射频技术要求上需要考虑瑞利准则、多径干扰管理、模拟前端技术和自适应调制与编码等因素。
60GHz无线系统中干扰抑制及资源调度中期报告
60GHz无线系统中干扰抑制及资源调度中期报告摘要：60GHz无线系统具有宽带、高速、低功耗等优势，被广泛应用于高清视频传输、无线乘车等领域。
然而，由于60GHz信号衰减迅速、传输距离短、受障碍物干扰较大等特点，其干扰抑制及资源调度等问题亟待解决。
本文从这些问题的研究现状入手，介绍了相关技术和方法，并提出了需要进一步研究的方向。
关键词：60GHz；干扰抑制；资源调度；中期报告一、研究背景60GHz无线系统是指在60GHz频段进行通信的无线系统，具有宽带、高速、低功耗等优势，被广泛应用于高清视频传输、无线乘车等领域。
由于60GHz信号衰减迅速、传输距离短、受障碍物干扰较大等特点，其干扰抑制及资源调度等问题亟待解决。
二、研究现状2.1 干扰抑制干扰是60GHz无线系统中不可避免的问题，主要有同频干扰和异频干扰两种。
同频干扰是指同一频段内的信号之间的相互干扰，而异频干扰是指不同频段之间的信号之间的相互干扰。
目前，针对60GHz无线系统的干扰抑制主要采用以下两种技术：（1）智能天线技术智能天线技术是指通过使用可控制的天线，来达到减少干扰的目的。
适当调整天线的方向和增益，可以减少同频干扰和外界干扰。
鉴于60GHz信号传输距离短，智能天线技术对于60GHz无线系统中干扰抑制具有重要意义。
（2）MIMO技术MIMO技术是指多输入多输出技术，即多个天线同时收发多个信号，从而提高系统的容量和可靠性。
MIMO技术可以减小同频干扰和多径干扰，提高系统性能。
2.2 资源调度资源调度是指对系统中的带宽、功率、天线方向等资源进行优化配置，以提高系统性能。
由于60GHz无线系统的特殊性，其资源调度方面存在较多挑战，包括以下几个方面：（1）多用户接入60GHz无线系统中多用户接入的问题比较突出，需要采用合适的调度算法对资源进行分配，以达到最大化系统容量和最小化用户之间的干扰。
（2）天线功率控制60GHz信号距离短，天线功率控制是影响系统性能的一个关键因素。
基于缝隙耦合的微带天线设计
Ｌｕ ＳｉｗｅｉꎬＳｈａｎ ＺｈｉｙｏｎｇꎬＣｈｅｎｇ ＹｕｎｐｅｎｇꎬＯｕ Ｙａｎｇ
( Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＤｏｎｇｈｕａ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈａｎｇｈａｉ ２０１６００ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ａｎｔｅｎｎａꎬｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎꎬｇｌｏｂａｌ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ａｎｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｌｏ￣ ｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ ( ＷＬＡＮ) ꎬｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｄｅｍａｎｄｉｎｇꎬｓｕｃｈ ａｓ ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ. Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ａｎｔｅｎｎａ ｉｓ ｓｍａｌｌ ｉｎ ｓｉｚｅꎬ ｌｏｗ ｉｎ ｐｒｏｆｉｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｉｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ. Ｉｔ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｍａｓｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎꎬｂｕｔ ｉｔｓ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｉｓ ｎａｒｒｏｗ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒａｎｇｅ ｉｓ ｌｉｍｉｔｅｄ. Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒꎬａ ｃｏｍｐａｃｔ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｐａｔｃｈ ａｎｔｅｎｎａ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ. Ｔｈｅ ａｎｔｅｎｎａ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ Ｌ￣ｓｌｏｔｓ ａｎｄ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｓｌｏｔｓ. Ｔｈｅ ｓｉｍｕ￣ ｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｔｅｎｎａ － １０ ｄＢ ｃａｎ ｒｅａｃｈ １００％ ꎬａｎｄ ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｉｓ １. ５ ＧＨｚ ~ ４. ３ ＧＨｚꎻ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｒａｔｉｏ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｉｓ ３. ４ ＧＨｚ ~ ３. ８ ＧＨｚꎬａｎｄ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｉｓ １１％ . Ｔｈｅ ｇａｉｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｒａｎｇｅ ｉｓ ａｌｌ ｏｖｅｒ ３ ｄＢꎻｔｈｅ ｗｉｄｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｇａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ ｒａｎｇｅꎬｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎꎬＢｌｕｅｔｏｏｔｈꎬａｎｄ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ＷＬＡＮ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: ＷＬＡＮꎻ ｂｒｏａｄｂａｎｄꎻ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｐａｔｃｈ ａｎｔｅｎｎａꎻ ｇａｉｎꎻ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ
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一种用于60GHz通信的高增益、 介质加载采用基片集成波导技术的 对线性渐变开槽天线
摘要——60GHz带宽有提供高速的通信能力。此文章证明了一种能为对线性变槽天线（ALTSA）提供高增益的基片集成波导（SIW）的存在。为了获得高增益，给ALTSA上加了介质加载，并使用了沟槽结构。使用SIW技术实现了高效、简洁和低成本的平面设计。本文使用了一种电磁场仿真工具来设计和模拟这个天线。首先设计一个ALTSA单元，然后在1*4的ALTSA阵列上加上SIW功分器。为了使设计可行，制作和测量了原型。测量结果非常符合仿真值，从而证实了这个设计。测得1*4ALTSA阵列在整个60GHz带宽（57——64GHz）的回波损耗优于12dB，增益为23.10.5dBi。
1. 介绍 近些年对在高速通信中极大带宽的需求越来越高。而60GHz带宽（57——64GHz）可以为高速无线通讯以每秒几千兆的速度传输高容量未压缩数据。由于在毫米波频段的微带线相关损耗非常高，因此需要更多的有效的技术，比如SIW。SIW有传统矩形波导低损耗、高品质因数、完全屏蔽和处理高功率情况的特点，也有低成本、平面电路设计的优势。报道表明，已经有大量的研究者从事SIW相关工作多年。天线容易在60GHz带宽受到大气吸收而衰减，这就要求在使用高增益天线时要减少这类损耗。锥形缝隙天线（TSA）因其宽带宽、高回波损耗和高增益而被经常使用。对线性渐变槽线天线（ALTSA）是TSA的一种类型，在反方向的锥形介质板的上表面和底部金属部分使用对极几何设计。研究者设计了一种带宽为4——50GHz的反极向天线。天线在带宽的增益3——12dBi。本文作者设计了一种在60GHz处增益可达18.75dBi的对费米渐变槽线天线。在成浩的的文章里，他介绍了一种新颖的技术，即让ALTSA和SIW的上表面和下表面的锥形边缘的馈线重合来克服阻抗失配。有沟槽结构的TSA被用来减小天线宽度以极小化任何对辐射方向图的重要影响，使得阵列天线尺寸更加紧凑。而且，沟槽结构可以提高天线增益，减小旁瓣电平和交叉极化，由此提高天线总性能。TD介绍设计了一种有矩形波纹的带有三角功分器的ALTSA阵列。1*12阵列的增益为19.25dBi。DM介绍了一种有半圆形沟槽的ALTSA，它在7GHz的增益为12.4dBi。介质加载，通过在天线前端放置电介质板作为一个引导结构都可以增强天线增益。平面SIW喇叭天线上的介质加载被用来使E面波束宽度变窄，同时提高增益。NG设计了一种带有SIW喇叭结构和矩形介质加载的高增益ALTSA阵列，其1*4ALTSA阵列的增益为191dBi。 . . .. . . .. .专业 . .
在这篇文章里，在波纹状ALTSA前端用一个带有半圆形顶层介质加载结构的矩形代替了传统矩形或椭圆形结构，以获得60GHz带宽的高增益天线。用HFSS软件来仿真天线。用Rogers RT/Duroid 5880材质的介质板，其介电常数为2.2，厚度为0.254mm。 2. 天线设计 2.1 SIW的设计
如图1，SIW的介质底板上有并排的两排金属孔，用来作为连接上下平行的金属平板的波导，用来隔离上下金属平面的矩形波导。然而，虽然SIW和矩形波导有电相似性，有相似的优点，但设计不合理的话容易出现渗漏问题。在设计SIW初期，研究者就规划了一下设计规则和方程。通孔的直径D波长/5，它们之间的距离S2*D。SIW的宽度Wsiw=2.39mm,Dvia=0.4mm,S=0.7mm.图2展示了SIW的电场分布。
2.2 介质加载的ALTSA ALTSA是TSA的一种。Y报道说TSA对厚度t和介电常数非常敏感，因此TSA的介质板频率0.005f。
ALTSA基本上通过增加顶部和底部斑纹的长度，采用试误法用电磁场仿真工具进行优化。ALTSA在一定长度产生最高增益，SIW馈点和天线在上下表面斑纹重合处阻. . .. . . .. .专业 . .
抗匹配。微带传输线通过微带线的阻抗匹配向SIW过渡，SIW向微带线同理。本文设计和仿真了平面ALTSA（Pl-ALTSA），褶皱ALTSA（Cor-ALTSA）和介质加载的褶皱ALTSA（Diel-ALTSA）。图3是不同类型的介质加载结构。本文应用了半圆顶形介质加载的矩形结构。图4是Diel-ALTSA的电路示意图。首先设计了Pl-ALTSA，然后变为有刻在上下面边缘的波纹结构沟槽的Cor-ALTSA，最后在Cor-ALTSA前端增加电介质板变为Diel-ALTSA。下图是其尺寸。
3. 仿真与测量 3.1 单个天线单元
图5为介质加载结构长度对天线增益的影响。天线上的介电负载结构影响天线增益，由图可知矩形介电负载和半圆顶形介质加载矩形有相似的增益，而半圆顶形介质加载矩形比传统椭圆介质负载增益高，最大差距约0.76dB。因此本文选择半圆顶形介质加载矩形结构的天线。需要注意的是天线和介质负载要使用相同的介质基板，有助于制造实物。图6显示天线中的电场分布，可见天线前端的介质材料作为导向结构。 . . .. . . .. .专业 . .
图7为模拟出来ALTSA的回波损耗。由图可见Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA在整个60GHz频段的回波损耗大于10dB，它的变化是由于在平面ALTSA上增加了波纹和介电加载结构，60GHz处Diel-ALTSA的回波损耗大于23dB。
图8为E面辐射方向图，显示Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA在E面的-3dB波束宽度分别为22.6,19.5和17；同时，Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA的旁瓣电平分别为-13dB，-15dB和-17dB；它们的交叉极化电平分别优于14dB，21dB和22dB。图9为模拟的H面辐射方向图，Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA在H面的-3dB波束宽度分别为29.5，33.1和25.2；同时，Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA的旁瓣电平分别为-13dB，-12dB和-15dB；它们的交叉极化电平分别高于14dB，21dB和22dB。我们发现沟槽使E面波束宽度减小却使H面波束宽度增加。因此证明Diel-ALTSA的波束宽度最窄，旁瓣电平和E面、H面的交叉极化电平最低。 . . .. . . .. .专业 . .
图10显示了Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA在60GHz带宽的前后比（F/B）。F/B比率是描述定向天线性能中常见的一个有效参数。在高定向天线中，它用来描述将所有辐射能量汇聚到前端，以保持最小化能量偏移至后方。对Pl-ALTSA来说F/B比率靠近11dB-12.5dB，然而F/B比率在Cor-ALTSA和Diel-ALTSA情况下还会增加。Cor-ALTSA下为21dB-25dB之间，Diel-ALTSA时为22.5dB-26dB之间。因此，Diel-ALTSA下的F/B比率最高。图11展示了Pl-ALTSA，Cor-ALTSA和Diel-ALTSA在60GHz带宽下的增益，分别为14.4dB，17.10.5dB，因此可得Diel-ALTSA较Pl-ALTSA和Cor-ALTSA有更好的表现。 3.2 天线阵列
SIW功分器被用来设计1*4Diel-ALTSA阵列。SIW功分器对每4个ALTSA来说都提供相同的幅度和相位。图12是SIW功分器的E面辐射图。图12中Ws=8.56mm，. . .. . . .. .专业 . .
La=0.95mm，Lb=0.15mm，Lc=0.32mm，Le=0.25mm。而直径Da=0.3mm，Db=0.3mm，Dc=0.6mm，Dd=0.4mm。四个天线被功分器合并以实现天线阵列。
图13是SIW功分器仿真的S参数。可见S11在57-64GHz间低于-10dB，同时，S21、S31、S41和S51在60GHz带宽有相似特性。图14为制作的天线阵列。ALTSA阵列的尺寸为78.3mm*43.7mm*0.254mm。图15是仿真测量得到的1*4Diel-ALTSA阵列的回波损耗和增益。天线阵列的S11参数和增益是用MVNA 8-350探针台测得的。会在有V型连接器的室远场暗室测得连接天线的辐射方向图。从图15可看出在60GHz带宽仿真和测得的回波损耗大于12dB，60GHz处大于24dB，表明测量和仿真的结果有很好的一致性。更发现在60GHz带宽的增益差不多齐平，从图15得在60GHz带宽仿真增益为230.4dBi，测量增益为23.10.5dBi。 . . .. . . .. .专业 . .
图16为仿真和测量的E面辐射方向图。仿真得E面波束宽度为7，测得的为8，仿真和测量的E面旁瓣电平为-15dB。相似的，从图17得仿真的H面波束宽度为25，测量的为27，H面旁瓣电平为-14dB。仿真和测量的细微差别可归因于制造公差。因此可得，仿真和实物的结果有很好的一致性。
表2为此天线和其他60GHz天线阵列对比表。在这些年间设计了许多60GHz带宽相关的阵列天线。大趋势为低成本、重量轻和高增益的天线阵列。有SIW馈点的ALTSA可以满足这些要求。从图表可得，虽然循环加载偶极子天线阵的最高增益可达25.2dBi，但是在阵列中使用的单元数目为50个，相同的，达到17.5dBi的天线阵的单元数为16，而在此文中，达到23.6dBi的天线阵单元只有4个。 4. 总结