一种在60GHz通信的高增益天线讲解

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

2.1SIW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。