《電子技術(shù)應(yīng)用》
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毫米波天線在E頻段和V頻段的新發(fā)展
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
索艷春1,,李永紅1,,2,張恩鳳1
1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院,,山西 太原030051;2.山西科泰航天防務(wù)技術(shù)股份有限公司,,山西 太原030024
摘要: 在無線通信網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的今天,,持續(xù)的移動(dòng)寬帶的承載需求,,常規(guī)的微波頻譜資源已經(jīng)被迅速消耗殆盡,因此作為高頻段的毫米波天線有著廣泛的應(yīng)用前景,,該文對近年來E頻段和V頻段的天線的新發(fā)展做了詳細(xì)描述,。介紹了應(yīng)用于E頻段和V頻段的面天線、平面天線和行波天線的最新進(jìn)展,,并分析了這兩個(gè)頻段天線的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)難點(diǎn),。
關(guān)鍵詞: E頻段 V頻段 毫米波 天線
中圖分類號: TN82
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.02.001
中文引用格式: 索艷春,李永紅,,張恩鳳. 毫米波天線在E頻段和V頻段的新發(fā)展[J].電子技術(shù)應(yīng)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.
New development of millimeter-wave antenna in E-band and V-band
Suo Yanchun1,,Li Yonghong1,2,,Zhang Enfeng1
1.School of Instrument and Electronics,,North University of China,Taiyuan 030051,,China,; 2.Kotel Aerospace Defense Technology Co.,LTD,,Taiyuan 030024,,China
Abstract: With the rapid development of wireless communication network, the demand of mobile broadband increasing. The conventional microwave spectrum resources have been rapidly depleted. Therefore, as a high-frequency millimeter-wave antenna, it has a wide application prospect. The article make a detailed description of the new development E-band and V-band antenna in recent years. The latest development of surface, planar and traveling wave antennas for E-band and V-band are introduced, and the characteristics and designing difficulties of the two-band antennas are analyzed.
Key words : E-band;V-band,;millimeter wave,;antenna

0 引言

    近年來,隨著移動(dòng)通信,、衛(wèi)星通信等方面的迅猛發(fā)展,,對系統(tǒng)的容量要求越來越高。微波通信向更高頻段擴(kuò)展已成為必然趨勢?,F(xiàn)代通信系統(tǒng)正在向高頻微波特別是毫米波頻段發(fā)展,。毫米波屬于甚高頻段, 它以直射波的方式在空間進(jìn)行傳播,波束很窄,,具有良好的方向性,。

    毫米波的V頻段是指頻率在50~75 GHz的微波頻段,現(xiàn)代通信中,,主要是指60 GHz短距離無線通信,。其具有抗干擾性,、高安全性、高傳輸速率等特點(diǎn),。由于60 GHz頻段處于氧氣吸收作用的衰減峰,,無線信號在其附近衰減銳增,導(dǎo)致無法用于傳統(tǒng)的毫米波遠(yuǎn)距離的無線傳輸中,。在室內(nèi)環(huán)境中又因障礙物的影響致使信號衰減明顯,,因此,只能實(shí)現(xiàn)近距離的無線通信,。

    毫米波的E頻段是指頻率在60~90 GHz的微波頻段,,根據(jù)目前發(fā)布的頻譜分配建議,E頻段通信是指頻率在80 GHz的微波頻段,,總頻寬高達(dá)10 GHz,。因其頻帶資源豐富、傳輸容量大,、頻譜使用費(fèi)低廉以及高頻窄波束適應(yīng)密集部署等優(yōu)勢,,對運(yùn)營商來說將會(huì)是重要的無線傳輸手段。但由于其自由空間路徑損耗嚴(yán)重直接導(dǎo)致傳輸距離較短,。此外,,由于80 GHz頻段屬于高頻信號,雨衰的影響相對嚴(yán)重,,但大部分地區(qū)均可以接受,。所以環(huán)境對E頻段微波的影響有限,E頻段微波的應(yīng)用場景還是十分廣泛的,。

    對毫米波通信系統(tǒng)而言,,天線技術(shù)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,其要求天線具有小尺寸,、輕重量、高增益,、低成本等特性,,要求天線在寬頻范圍內(nèi)具有幾乎恒定的增益和高效率來完成可靠的信息傳輸。

1 研究概況

    毫米波的V頻段 60 GHz無線通信最初只應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,,無法大量用于民用領(lǐng)域中,。隨著電路集成工藝的最新發(fā)展,各國已經(jīng)開始將 60 GHz 短距通信技術(shù)轉(zhuǎn)向民用,。60 GHz短距通信技術(shù)由于能夠提供高達(dá)數(shù)吉比特的速率,,提供免許可的7 GHz帶寬的頻譜資源等優(yōu)勢,成為未來無線技術(shù)的最具潛力的備選技術(shù)之一,。

    1994年10月美國FCC發(fā)布了將40 GHz以上的部分毫米波頻譜應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的通告,。開放的頻譜范圍也從5 GHz帶寬擴(kuò)展后來的7 GHz帶寬,。此后從2000年到2006年間,日本,,澳大利亞等其他國家和地區(qū)也相繼開放60 GHz附近的頻譜資源,,在歐洲頻譜范圍甚至擴(kuò)展到了9 GHz的帶寬,且免許可,。

    相比國外60 GHz短距通信技術(shù)的日趨成熟,,而國內(nèi)參與相關(guān)技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)并不多且都正處于起步階段。

    毫米波的E頻段從目前已開放其使用的各國調(diào)研來看,,頻譜資源以象征性的低使用費(fèi)為主,。目前,在部分國家已經(jīng)開放了E頻段的使用,,各國運(yùn)營商也紛紛開始進(jìn)行其用于下一代無線網(wǎng)絡(luò)回傳的試驗(yàn),,都處于起步階段,有很大的發(fā)展空間,。

    由于毫米波信號的巨大路徑損耗,,毫米波天線必須能夠提供在大帶寬下的高增益和高效率。研究低成本,、小型化,、超輕、高增益并易集成易控的天線,,成為天線技術(shù)研究的主要難題,。

    本文將對近年來V頻段和E頻段的天線的新發(fā)展詳細(xì)描述。為了方便地認(rèn)識毫米波波段的各種天線,,將天線劃分為以下三種類型:面天線,、平面天線和行波天線。

2 面天線

    面天線包括反射面天線,、透鏡天線,、波導(dǎo)、喇叭天線,,在毫米波波段的尺寸較合適,,最為實(shí)用,其為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),,技術(shù)發(fā)展比較成熟,,設(shè)計(jì)方法與其他波段基本一致,只是機(jī)械公差有很大的進(jìn)展,。但也有通過改善其結(jié)構(gòu),、外形、或者與其他結(jié)構(gòu)集成來達(dá)到設(shè)計(jì)要求,。

    文獻(xiàn)[1]為E頻段的圓柱形反射面天線,,用于無線回程解決高數(shù)據(jù)速率通信,,如圖1,該天線為一二次反射面天線,,通過一個(gè)波紋線型帽型結(jié)構(gòu)饋電,,帽型結(jié)構(gòu)是通過工作在一矩形波導(dǎo)來饋電的,其特點(diǎn)是小型化,、高增益,,比圓形反射天線更容易制造也更便宜。與其他帽型結(jié)構(gòu)饋電的反射面天線相比,,該天線增益更高,,由于頂端沒有介質(zhì)制作成本更低。如圖2,,天線在中心頻率的方向性系數(shù)達(dá)到41.4 dBi,,口徑效率為60%。

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    文獻(xiàn)[2]為E頻段集成透鏡天線,,實(shí)現(xiàn)了二維全電子波束掃描功能,。設(shè)計(jì)天線為半徑為7.5 cm和12.5 mm的半球形石英透鏡,如圖3,,將16個(gè)二維排列的口徑耦合微帶天線單元和一個(gè)開關(guān)電路焊接在一個(gè)反饋PCB板上,,半徑為12.5 cm的集成透鏡天線覆蓋了從透鏡軸開始的范圍在立體角θ<18°的任何方向,在覆蓋區(qū)域方向性不低于20 dBi,,半徑為12.5 cm的集成透鏡天線有更大的覆蓋區(qū)域,,θ<27°,但是方向性較低,,為16 dBi,。仿真和實(shí)測吻合良好。

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    文獻(xiàn)[3]為集成錐形喇叭天線,,用于無線通信系統(tǒng)中,。主要特點(diǎn)是低成本、小型化,。天線從寬邊到基片輻射,,用SIW饋電,SIW末端的金屬表面上蝕刻橫向縫隙來驅(qū)動(dòng)喇叭天線,。天線用金屬化過孔來合成喇叭壁,,喇叭天線的開口從頂層到底層階梯式張開,。用多層PCB來制作天線原型來實(shí)現(xiàn)低成本,,用平面寬帶連接器實(shí)現(xiàn)SIW和共面波導(dǎo)的連接,易與共面波導(dǎo)集成,。帶寬為40%,,如圖4,,輻射效率大于81%,如圖5,,70~105 GHz,,增益在整個(gè)頻段內(nèi)相對恒定,10±1 dB,,測量的交叉極化在H面大于21 dB,,在E面大于36 dB,測量和仿真的|S11|在整個(gè)頻帶基本都小于-10 dB,。

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    文獻(xiàn)[4]為方向性平面波導(dǎo)天線陣列,,特點(diǎn)為高增益和具有很好的方向性。天線包括兩部分:高斯喇叭輻射單元(如圖6)和混合饋電矩形波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò),,從而克服了空間限制,,減小插入損耗。天線尺寸小于25 cm×25 cm×9 cm,,工作在71~86 GHz,,為64×64陣列,增益高達(dá)43 dBi,,最小增益為40 dBi,,工作帶寬幾乎20%,S11小于-14 dB,。

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    文獻(xiàn)[5]為波紋槽天線陣列,。天線為高增益高效率16×16元槽陣列,工作在V頻段,。如圖7,,在天線饋電基片、腔基片和輻射槽基片之間不需要電連接,,而使用縫隙波導(dǎo)技術(shù)來減小設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本,。天線測量輻射效率達(dá)70%。

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3 平面天線

    平面天線包括微帶天線和印制天線,,由于體積小,、重量輕、易于集成等特點(diǎn)在毫米波段應(yīng)用特別廣泛,,形式種類也非常多,,各種陣列天線在無線通信的應(yīng)用尤其多,發(fā)展很迅速,。

    文獻(xiàn)[6]提出的微帶陣列主要的特點(diǎn)是低成本,、高增益、高效率,應(yīng)用于點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)中,,實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖8,。天線結(jié)構(gòu)分為兩層,上面一層是4×4圓貼片陣列,,下面一層是SIW饋電網(wǎng)絡(luò)和功率分配器組成的饋電網(wǎng)絡(luò),,通過在SIW的金屬上表面蝕刻縱向槽來對貼片陣列饋電,提高了天線效率,;用PCB來制作天線原型實(shí)現(xiàn)了低成本,;將四個(gè)1×4天線陣列之間的基片去掉來減小它們之間的耦合,也將整個(gè)天線的增益提高了1.6 dB,,將副瓣電平減小了1 dB,。增加貼片下面基板的厚度將天線增益提高了2 dB;槽和貼片之間的耦合比槽和空氣之間的耦合好,,從而提高了天線的帶寬,。最終測得天線帶寬為7.2%,81~86 GHz,,增益在整個(gè)頻段內(nèi)恒定,,為18±0.5 dBi,如圖9,,效率為90.3%,,如圖10。

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    文獻(xiàn)[7]為介質(zhì)加載的平面正反漸變槽天線,,如圖11,,主要特點(diǎn)是低成本、高增益,、高效率,。介質(zhì)加載是為了提高天線增益,SIW饋電結(jié)構(gòu)和介質(zhì)加載板都集成在一個(gè)平面單層基片上,,成本低,,易制作;用PCB板制造天線原型也實(shí)現(xiàn)低成本,。測量的單個(gè)單元天線的增益為14±0.5 dB,,80 GHz處的輻射效率為84.23%。用寬帶SIW功率分配器將天線制成1×4天線陣列,,測得的天線陣增益為19±1dB,。

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    文獻(xiàn)[8]為口徑耦合貼片天線,特點(diǎn)為低成本,、高效率,、寬帶寬,工作在58~65 GHz。如圖12,,天線為SIW饋電,用低成本的FR4和厚度為75 μm,、有彈性的Pyralux基片提高天線效率和帶寬,。先制作傳統(tǒng)的口徑耦合天線,使其基于FR4和有彈性的薄Pyralux基片,,得到很好的結(jié)果,,9.7%阻抗帶寬,60 GHz的最大增益為7.6 dBi,。之后制作一種基于SIW技術(shù)的縫隙耦合天線,,10%阻抗帶寬,60 GHz的最大增益為7.9 dBi,,由于后向輻射很低,,效率很高,實(shí)測和仿真結(jié)果非常吻合,。

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    文獻(xiàn)[9]為折疊偶極子陣列,,如圖13,工作在48~64 GHz,,天線特點(diǎn)為低成本,、高效率、強(qiáng)的方向性,。用低溫共燒陶瓷(LTCC)來實(shí)現(xiàn)低成本,;運(yùn)用新的結(jié)構(gòu)(一層覆蓋面和兩層分隔板)來提高性能,集成電路載體和天線用倒裝式芯片連接,,附加在覆蓋面上,。基片有兩個(gè)腔,,一個(gè)為無線電模具,,一個(gè)在天線陣列下面,這樣的結(jié)構(gòu)使得有更寬的帶寬和更高的效率,;無線電模具的底片被擴(kuò)展為天線陣列的一部分,,來反射回到前面的輻射,從而增加天線陣列的方向性,。整個(gè)頻段內(nèi),,s11小于-10 dB,效率90%,,增益10 dBi,,如圖14。

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    文獻(xiàn)[10]為基于基片集成波導(dǎo)的槽天線,工作在V頻段,。相比傳統(tǒng)槽波導(dǎo)陣列天線,,該天線具有更高的增益和更寬的帶寬。如圖15,,天線的不同諧振頻率的諧振槽沿著基片集成波導(dǎo)的不同位置排列,,通過最小化不同諧振槽激勵(lì)電壓的變化,來提高天線的帶寬和增益,。 天線的阻抗帶寬分別為20.8%,,22.4%,18.8%,,峰值增益為18.3,,19.9和22.8 dBi。

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4 行波天線

    行波天線分兩類,,一類為電流行波天線,,如長線行波天線、“V”形天線,,偶極子加載天線等,。一類為場行波天線,如八木天線,,背射天線等,。毫米波行波天線的結(jié)構(gòu)很靈活,它們可以構(gòu)成陣列并具有優(yōu)異的掃描特性,。如今毫米波波段微帶準(zhǔn)八木天線,、八木天線陣列、背射天線,、螺旋天線應(yīng)用較多,,發(fā)展迅速。

    文獻(xiàn)[11]為短背射天線,,工作在55.7~100 GHz,,與之前的傳統(tǒng)后背射天線相比,有更寬的帶寬,,更高的增益,。如圖16,天線由E面矩形波導(dǎo)饋電,,蝴蝶偶極子比直偶極子激勵(lì)提高了效率,,副反射器用兩個(gè)簡單的易于精確制造的印刷條代替位于在和蝴蝶偶極子激勵(lì)器相同的基片的背面。增益為13.8~18.5 dBi,,在85 GHz達(dá)到峰值,,駐波比小于2(絕大多數(shù)頻帶內(nèi)小于1.5),,阻抗帶寬大于54%,最大寬邊增益大于19 dBi,。

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    文獻(xiàn)[12]為平面準(zhǔn)八木天線,,工作在60~80 GHz,比傳統(tǒng)八木天線更緊湊,,適合低成本,、低介電常數(shù)材料制造。天線用折疊偶極子驅(qū)動(dòng),,在低介電常數(shù)基片上實(shí)現(xiàn),用低成本厚膜實(shí)現(xiàn),;與標(biāo)準(zhǔn)八木天線相比,,減小了驅(qū)動(dòng)器長度,允許在低介電常數(shù)基片上陣列單元之間更緊密,,折疊偶極子驅(qū)動(dòng)得到4:1的阻抗范圍,,輸入阻抗和諧振頻率可以通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)折疊偶極子的參數(shù)來調(diào)節(jié),使得單個(gè)單元的最優(yōu)化有更多的調(diào)節(jié)空間,,單元的工作帶寬近似為1.3:1,。測量的阻抗帶寬是21%,在60~76 GHz實(shí)現(xiàn)增益為3~5 dBi,,前后比仿真結(jié)果在60~80 GHz大于12 dB,。

    文獻(xiàn)[13]為可重構(gòu)八木偶極子天線,天線的工作頻率從57~66 GHz無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和E頻段71~86 GHz,。天線被印刷在一個(gè)石英基板上與射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)集成在一起,。包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)偶極子,兩個(gè)引向偶極子和一個(gè)截?cái)嗟仄矫孀龇瓷淦?。通過控制加載在驅(qū)動(dòng)和引向偶極子單元上的射頻微機(jī)電系統(tǒng),,就實(shí)現(xiàn)了天線的工作頻率從57~66 GHz無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和E頻段71~86 GHz之間的切換。天線的端射方向圖在兩個(gè)頻段都保持好的性能,。如圖17,,天線增益在低頻段在5.5和6.7 dBi之間變化,在高頻段在6.5 dBi和9.1 dBi之間變化,。

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    文獻(xiàn)[14]為具有階梯型引向器的準(zhǔn)八木天線,。天線在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過將準(zhǔn)八木天線的單級傳統(tǒng)引向器改為梯形多級引向器,,天線的增益增加2.2~3.4 dBi,,帶寬增加了30%。天線在60 GHz的增益達(dá)到11.7 dBi,,帶內(nèi)交叉極化小于-15 dB,,平面尺寸也很小,,9.2 mm×10 mm。

5 結(jié)論

    在無線通信網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的今天,,毫米波天線有著廣泛的應(yīng)用前景,,經(jīng)過大量收集整理E頻段和V頻段毫米波天線,可以看出近年來,,各種材料,、各種形式、各種結(jié)構(gòu)的平面天線發(fā)展迅速,,性能較好,,適合很多場合使用,有廣泛的應(yīng)用前景,。其中,,平面天線由于其尺寸小、易于集成等特點(diǎn)應(yīng)用尤其廣泛,。

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索艷春1,,李永紅1,,2,張恩鳳1

(1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院,,山西 太原030051,;2.山西科泰航天防務(wù)技術(shù)股份有限公司,,山西 太原030024)

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