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一种在60GHz通信的高增益天线

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。天线在带宽内的增益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。在张成浩的的文章里，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。
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。

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。

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，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带宽内有相似特性。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型连接器的室内远场暗室测得连接天线的辐射方向图。从图15可看出在60GHz带宽内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带宽内的增益差不多齐平，从图15得在60GHz带宽内仿真增益为230.4dBi，测量增益为23.10.5dBi。

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
在这篇文章中，展现了一种在60GHz通信的高增益、通过介质加载采用基片集成波导技术的对线性渐变槽线天线。设计原型被加工制作得以验证，并且仿真和测量结果有很好的一致性。设计的天线在60GHz带宽内有很好的回波损耗。1*4ALTSA阵列有宽带宽、高增益、简单结构、重量轻和便于在低成本的PCB板上制作，因此这是一个在高速通信的60GHz波段可行的方法。