《电子技术应用》

毫米波天线在E频段和V频段的新发展

2017年电子技术应用第2期 作者:索艳春1,李永红1,2,张恩凤1
2017/3/10 14:56:00

索艳春1,李永红1,2,张恩凤1

(1.中北大学 仪器与电子学院,山西 太原030051;2.山西科泰航天防务技术股份有限公司,山西 太原030024)


    摘  要: 在无线通信网络高速发展的今天,持续的移动宽带的承载需求,常规的微波频谱资源已经被迅速消耗殆尽,因此作为高频段的毫米波天线有着广泛的应用前景,该文对近年来E频段V频段的天线的新发展做了详细描述。介绍了应用于E频段和V频段的面天线、平面天线和行波天线的最新进展,并分析了这两个频段天线的特点和设计难点。

    关键词: E频段;V频段;毫米波;天线

    中图分类号: TN82

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.02.001


    中文引用格式: 索艳春,李永红,张恩凤. 毫米波天线在E频段和V频段的新发展[J].电子技术应用,2017,43(2):13-17.

    英文引用格式: Suo Yanchun,Li Yonghong,Zhang Enfeng. New development of millimeter-wave antenna in E-band and V-band[J].Application of Electronic Technique,2017,43(2):13-17.

0 引言

    近年来,随着移动通信、卫星通信等方面的迅猛发展,对系统的容量要求越来越高。微波通信向更高频段扩展已成为必然趋势。现代通信系统正在向高频微波特别是毫米波频段发展。毫米波属于甚高频段, 它以直射波的方式在空间进行传播,波束很窄,具有良好的方向性。

    毫米波的V频段是指频率在50~75 GHz的微波频段,现代通信中,主要是指60 GHz短距离无线通信。其具有抗干扰性、高安全性、高传输速率等特点。由于60 GHz频段处于氧气吸收作用的衰减峰,无线信号在其附近衰减锐增,导致无法用于传统的毫米波远距离的无线传输中。在室内环境中又因障碍物的影响致使信号衰减明显,因此,只能实现近距离的无线通信。

    毫米波的E频段是指频率在60~90 GHz的微波频段,根据目前发布的频谱分配建议,E频段通信是指频率在80 GHz的微波频段,总频宽高达10 GHz。因其频带资源丰富、传输容量大、频谱使用费低廉以及高频窄波束适应密集部署等优势,对运营商来说将会是重要的无线传输手段。但由于其自由空间路径损耗严重直接导致传输距离较短。此外,由于80 GHz频段属于高频信号,雨衰的影响相对严重,但大部分地区均可以接受。所以环境对E频段微波的影响有限,E频段微波的应用场景还是十分广泛的。

    对毫米波通信系统而言,天线技术是系统实现的关键,其要求天线具有小尺寸、轻重量、高增益、低成本等特性,要求天线在宽频范围内具有几乎恒定的增益和高效率来完成可靠的信息传输。

1 研究概况

    毫米波的V频段 60 GHz无线通信最初只应用于军事领域,无法大量用于民用领域中。随着电路集成工艺的最新发展,各国已经开始将 60 GHz 短距通信技术转向民用。60 GHz短距通信技术由于能够提供高达数吉比特的速率,提供免许可的7 GHz带宽的频谱资源等优势,成为未来无线技术的最具潜力的备选技术之一。

    1994年10月美国FCC发布了将40 GHz以上的部分毫米波频谱应用于商业产品开发的通告。开放的频谱范围也从5 GHz带宽扩展后来的7 GHz带宽。此后从2000年到2006年间,日本,澳大利亚等其他国家和地区也相继开放60 GHz附近的频谱资源,在欧洲频谱范围甚至扩展到了9 GHz的带宽,且免许可。

    相比国外60 GHz短距通信技术的日趋成熟,而国内参与相关技术研究的机构并不多且都正处于起步阶段。

    毫米波的E频段从目前已开放其使用的各国调研来看,频谱资源以象征性的低使用费为主。目前,在部分国家已经开放了E频段的使用,各国运营商也纷纷开始进行其用于下一代无线网络回传的试验,都处于起步阶段,有很大的发展空间。

    由于毫米波信号的巨大路径损耗,毫米波天线必须能够提供在大带宽下的高增益和高效率。研究低成本、小型化、超轻、高增益并易集成易控的天线,成为天线技术研究的主要难题。

    本文将对近年来V频段和E频段的天线的新发展详细描述。为了方便地认识毫米波波段的各种天线,将天线划分为以下三种类型:面天线、平面天线和行波天线。

2 面天线

    面天线包括反射面天线、透镜天线、波导、喇叭天线,在毫米波波段的尺寸较合适,最为实用,其为传统结构,技术发展比较成熟,设计方法与其他波段基本一致,只是机械公差有很大的进展。但也有通过改善其结构、外形、或者与其他结构集成来达到设计要求。

    文献[1]为E频段的圆柱形反射面天线,用于无线回程解决高数据速率通信,如图1,该天线为一二次反射面天线,通过一个波纹线型帽型结构馈电,帽型结构是通过工作在一矩形波导来馈电的,其特点是小型化、高增益,比圆形反射天线更容易制造也更便宜。与其他帽型结构馈电的反射面天线相比,该天线增益更高,由于顶端没有介质制作成本更低。如图2,天线在中心频率的方向性系数达到41.4 dBi,口径效率为60%。

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    文献[2]为E频段集成透镜天线,实现了二维全电子波束扫描功能。设计天线为半径为7.5 cm和12.5 mm的半球形石英透镜,如图3,将16个二维排列的口径耦合微带天线单元和一个开关电路焊接在一个反馈PCB板上,半径为12.5 cm的集成透镜天线覆盖了从透镜轴开始的范围在立体角θ<18°的任何方向,在覆盖区域方向性不低于20 dBi,半径为12.5 cm的集成透镜天线有更大的覆盖区域,θ<27°,但是方向性较低,为16 dBi。仿真和实测吻合良好。

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    文献[3]为集成锥形喇叭天线,用于无线通信系统中。主要特点是低成本、小型化。天线从宽边到基片辐射,用SIW馈电,SIW末端的金属表面上蚀刻横向缝隙来驱动喇叭天线。天线用金属化过孔来合成喇叭壁,喇叭天线的开口从顶层到底层阶梯式张开。用多层PCB来制作天线原型来实现低成本,用平面宽带连接器实现SIW和共面波导的连接,易与共面波导集成。带宽为40%,如图4,辐射效率大于81%,如图5,70~105 GHz,增益在整个频段内相对恒定,10±1 dB,测量的交叉极化在H面大于21 dB,在E面大于36 dB,测量和仿真的|S11|在整个频带基本都小于-10 dB。

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    文献[4]为方向性平面波导天线阵列,特点为高增益和具有很好的方向性。天线包括两部分:高斯喇叭辐射单元(如图6)和混合馈电矩形波导网络,从而克服了空间限制,减小插入损耗。天线尺寸小于25 cm×25 cm×9 cm,工作在71~86 GHz,为64×64阵列,增益高达43 dBi,最小增益为40 dBi,工作带宽几乎20%,S11小于-14 dB。

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    文献[5]为波纹槽天线阵列。天线为高增益高效率16×16元槽阵列,工作在V频段。如图7,在天线馈电基片、腔基片和辐射槽基片之间不需要电连接,而使用缝隙波导技术来减小设计复杂度和成本。天线测量辐射效率达70%。

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3 平面天线

    平面天线包括微带天线和印制天线,由于体积小、重量轻、易于集成等特点在毫米波段应用特别广泛,形式种类也非常多,各种阵列天线在无线通信的应用尤其多,发展很迅速。

    文献[6]提出的微带阵列主要的特点是低成本、高增益、高效率,应用于点对点通信系统中,实际结构如图8。天线结构分为两层,上面一层是4×4圆贴片阵列,下面一层是SIW馈电网络和功率分配器组成的馈电网络,通过在SIW的金属上表面蚀刻纵向槽来对贴片阵列馈电,提高了天线效率;用PCB来制作天线原型实现了低成本;将四个1×4天线阵列之间的基片去掉来减小它们之间的耦合,也将整个天线的增益提高了1.6 dB,将副瓣电平减小了1 dB。增加贴片下面基板的厚度将天线增益提高了2 dB;槽和贴片之间的耦合比槽和空气之间的耦合好,从而提高了天线的带宽。最终测得天线带宽为7.2%,81~86 GHz,增益在整个频段内恒定,为18±0.5 dBi,如图9,效率为90.3%,如图10。

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    文献[7]为介质加载的平面正反渐变槽天线,如图11,主要特点是低成本、高增益、高效率。介质加载是为了提高天线增益,SIW馈电结构和介质加载板都集成在一个平面单层基片上,成本低,易制作;用PCB板制造天线原型也实现低成本。测量的单个单元天线的增益为14±0.5 dB,80 GHz处的辐射效率为84.23%。用宽带SIW功率分配器将天线制成1×4天线阵列,测得的天线阵增益为19±1dB。

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    文献[8]为口径耦合贴片天线,特点为低成本、高效率、宽带宽,工作在58~65 GHz。如图12,天线为SIW馈电,用低成本的FR4和厚度为75 μm、有弹性的Pyralux基片提高天线效率和带宽。先制作传统的口径耦合天线,使其基于FR4和有弹性的薄Pyralux基片,得到很好的结果,9.7%阻抗带宽,60 GHz的最大增益为7.6 dBi。之后制作一种基于SIW技术的缝隙耦合天线,10%阻抗带宽,60 GHz的最大增益为7.9 dBi,由于后向辐射很低,效率很高,实测和仿真结果非常吻合。

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    文献[9]为折叠偶极子阵列,如图13,工作在48~64 GHz,天线特点为低成本、高效率、强的方向性。用低温共烧陶瓷(LTCC)来实现低成本;运用新的结构(一层覆盖面和两层分隔板)来提高性能,集成电路载体和天线用倒装式芯片连接,附加在覆盖面上。基片有两个腔,一个为无线电模具,一个在天线阵列下面,这样的结构使得有更宽的带宽和更高的效率;无线电模具的底片被扩展为天线阵列的一部分,来反射回到前面的辐射,从而增加天线阵列的方向性。整个频段内,s11小于-10 dB,效率90%,增益10 dBi,如图14。

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    文献[10]为基于基片集成波导的槽天线,工作在V频段。相比传统槽波导阵列天线,该天线具有更高的增益和更宽的带宽。如图15,天线的不同谐振频率的谐振槽沿着基片集成波导的不同位置排列,通过最小化不同谐振槽激励电压的变化,来提高天线的带宽和增益。 天线的阻抗带宽分别为20.8%,22.4%,18.8%,峰值增益为18.3,19.9和22.8 dBi。

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4 行波天线

    行波天线分两类,一类为电流行波天线,如长线行波天线、“V”形天线,偶极子加载天线等。一类为场行波天线,如八木天线,背射天线等。毫米波行波天线的结构很灵活,它们可以构成阵列并具有优异的扫描特性。如今毫米波波段微带准八木天线、八木天线阵列、背射天线、螺旋天线应用较多,发展迅速。

    文献[11]为短背射天线,工作在55.7~100 GHz,与之前的传统后背射天线相比,有更宽的带宽,更高的增益。如图16,天线由E面矩形波导馈电,蝴蝶偶极子比直偶极子激励提高了效率,副反射器用两个简单的易于精确制造的印刷条代替位于在和蝴蝶偶极子激励器相同的基片的背面。增益为13.8~18.5 dBi,在85 GHz达到峰值,驻波比小于2(绝大多数频带内小于1.5),阻抗带宽大于54%,最大宽边增益大于19 dBi。

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    文献[12]为平面准八木天线,工作在60~80 GHz,比传统八木天线更紧凑,适合低成本、低介电常数材料制造。天线用折叠偶极子驱动,在低介电常数基片上实现,用低成本厚膜实现;与标准八木天线相比,减小了驱动器长度,允许在低介电常数基片上阵列单元之间更紧密,折叠偶极子驱动得到4:1的阻抗范围,输入阻抗和谐振频率可以通过适当的调节折叠偶极子的参数来调节,使得单个单元的最优化有更多的调节空间,单元的工作带宽近似为1.3:1。测量的阻抗带宽是21%,在60~76 GHz实现增益为3~5 dBi,前后比仿真结果在60~80 GHz大于12 dB。

    文献[13]为可重构八木偶极子天线,天线的工作频率从57~66 GHz无线个人区域网和E频段71~86 GHz。天线被印刷在一个石英基板上与射频微机电系统开关集成在一起。包括一个驱动偶极子,两个引向偶极子和一个截断地平面做反射器。通过控制加载在驱动和引向偶极子单元上的射频微机电系统,就实现了天线的工作频率从57~66 GHz无线个人区域网和E频段71~86 GHz之间的切换。天线的端射方向图在两个频段都保持好的性能。如图17,天线增益在低频段在5.5和6.7 dBi之间变化,在高频段在6.5 dBi和9.1 dBi之间变化。

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    文献[14]为具有阶梯型引向器的准八木天线。天线在传统设计的基础上,通过将准八木天线的单级传统引向器改为梯形多级引向器,天线的增益增加2.2~3.4 dBi,带宽增加了30%。天线在60 GHz的增益达到11.7 dBi,带内交叉极化小于-15 dB,平面尺寸也很小,9.2 mm×10 mm。

5 结论

    在无线通信网络高速发展的今天,毫米波天线有着广泛的应用前景,经过大量收集整理E频段和V频段毫米波天线,可以看出近年来,各种材料、各种形式、各种结构的平面天线发展迅速,性能较好,适合很多场合使用,有广泛的应用前景。其中,平面天线由于其尺寸小、易于集成等特点应用尤其广泛。

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