一种60GHz微带阵列天线的设计优化

0
-5
参考文献所给出结果 本文利用FEKO仿真结果
30
20
参考文献所给结果 本文利用FEKO仿真结果
-10
反射系数 [dB]
10
-15
增益 [dBi]
58 59 60 61 62
0
-20
-10
-25
-20
-30
-30 -180
-120
0
0
60
120
180
频率 [GHz]
[deg]
图9 反射系数曲线对比
6 参考文献
[1] Zhang Y P, Sun M, Guo L H. “On-Chip Antennas for 60-GHz Radios in Silicon Technology”. IEEE Transactions on Electron Devices, 2005, Volume: 52, No. 7: 1664-1668. [2] Kärnfelt C, Hallbjörner P, Zirath H, etc.. “High Gain Active Microstrip Antenna for 60-GHz WLAN/WPAN Applications”. IEEE Transaction On Microwave Theory and Techniques, 2006, Volume: 54, NO. 6: 2593-2603. [3] Zhang B, Zhang Y P. “Analysis and Synthesis of Millimeter-Wave Microstrip Grid-Array Antennas”. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2011, Volume: 53, No. 6: 42-55. [4] Hayashi Y, Sakakibara K, Nanjo M, etc.. “Millimeter-Wave Microstrip Comb-Line Antenna Using Reflection-Canceling Slit Structure”. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 2011, Volume: 59, No. 2: 398-406. [5] Chahat N, Zhadobov M, Anwar S, etc.. “60-GHz Textile Antenna Array for Body-Centric Communications”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, Volume: 61, No. 4: 1816-1824. [6] Lu B, Luo J, Zhang L, Wang Y, etc.. “A 60GHz Microstrip Antenna Array Based on PCB/Polypropylene Composite Substrate”. Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT), 2012 IEEE 11th International Conference. Piscataway, N.J.: IEEE, 2012. 1-3. [7] Chen I S, Chiou H K, Chen N W. “V-band on-chip Dipole Based Antenna”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2009, volume:57, No.10: 2853–2861. [8] Zhang B, Zhang Y P. “A Circularly-Polarized Microstrip Grid Array Antenna for 60 GHz Radios”. Microwave Conference Proceedings (APMC), 2010 Asia-Pacific. Piscataway, N.J.: IEEE, 2010. 2194-2197. [9] Biglarbegian B, Fakharzadeh M, Busuioc D, etc.. “Optimized Microstrip Antenna Arrays for Emerging Millimeter-Wave Wireless Applications”. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011, Volume: 59, No. 5: 1742-1747.
0 -2 -4 -6
本文利用FEKO仿真结果
反射系数 [dB]
-8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 57 58 59 60 61 62 63
轴比
频率 [GHz]
频率 [GHz]
图7 轴比图
图8 反射系数图
4 结果验证
为验证本文仿真设计与优化计算方法的正确性与有效性，我们利用FEKO对参考文献[9] 中所设计的模型重新进行了建模分析， 并将仿真所得结果与参考文献所给出的结果进行了对 比，其中反射系数对比图如图9所示，可以看出两者曲线走势基本相同，特别是得到的天线 谐振点较为一致。我们还将增益方向图进行对比，如图10所示，可以看出，在 = 0o时，仿 真结果与参考文献所给结果吻合较好。根据以上对比结果知道，我们使用FEKO软件进行此 类天线仿真计算的各类设置是基本准确有效的。
13.0
本文利用FEKO仿真结果
12.9
增益 [dBi]
12.8
12.7
12.6
57
58
59
60
61
62
63
频率 [GHz]
图3 三维增益图
图4 增益图
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图5 yoz面方向图
图6 xoz面方向图
4.0
本文利用FEKO仿真结果
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 57 58 59 60 61 62 63
3 天线仿真结果
我们采用FEKO软件对优化设计后的2×2微带贴片阵列天线模型进行了仿真计算， 在仿 真中我们采用了同轴探针馈电方式。所得结果如下：天线三维增益图如图3所示，天线增益 图如图4所示， 天线增益最大值为12.94dBi， 此时接近60GHz频点， yoz面方向图如图5所示， xoz面方向图如图6所示，可见在多个方向上具有较好的辐射特性。为展示所设计天线圆极 化特性，这里还给出轴比曲线，可以看出在60GHz频点附近轴比值接近1.0。如图7所示， 可以看出其实现了圆极化特性，还给出反射系数曲线，如图8所示，图中反射系数最小值为 -20.4dB，也落在60GHz频段，并可得-10dB反射系数带宽大于5GHz，相比于参考文献[9]天 线带宽有所提高。
2 天线设计
本文优化设计了 2×2微带贴片阵列天线,在天线设计过程中采用电磁仿真软件 —— FEKO进行仿真计算，其中对每付矩形贴片单元进行了切角处理，如图1所示，通过改变其 表面电流分布以实现期望的圆极化特性。随后通过调整贴片单元间距，可减小整体尺寸， 经综合设计后得到了所设计天线模型，最终的微带贴片阵列天线结构如图2所示。所采用 基片材料的相对介电系数r = 2.2，损耗角正切= 0.001，介质板长a = 10.50 mm，宽b = 10.50 mm， 厚度h = 0.25 mm， 选取金作为微带线的材料。 天线的其他具体尺寸选取如下： W2 = 0.15 mm，W3 = 0.30 mm，D = 0.4125 mm，S = 3.65 mm，A = 3.05 mm，W1 = 1.18 mm，W0 = 1.50 mm，L1 = 1.18 mm，L0 = 1.50 mm。仿真时，采用特性阻抗为50的同轴 线作为馈线对微带阵列天线进行探针馈电，这里也将所有的天线参数尺寸进行罗列，如表 1中所示，总体相对于参考文献[9]中的天线结构而言更加小型化。
图10 增益方向图对比 （ = 0o）
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5 结论
本文优化设计出了一款以60GHz为中心频点的2×2微带矩形切角贴片阵列天线，并使 用FEKO软件进行优化设计，天线增益可达12.94dBi，且实现了圆极化特性，拓展了带宽， 同时也减小了天线整体尺寸，以满足未来无限通信系统对于收发天线的高增益、圆极化、宽 频带和小型化要求。
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一种 60 GHz 微带贴片阵列天线的优化设计 Optimal Design of One Microstrip Patch Array Antenna Operating at 60 GHz Frequency Band
姬帅豪 张舸 浦实 郭茜茜 （武汉理工大学 武汉市 430070）
Key words: 60 GHz, microstrip patch, corner cut, array antenna, FEKO
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1 引言
随着现代社会的发展，现在大规模使用的频段如2.4 GHz已拥挤不堪，这使得频带宽度 无法进一步拓展， 数据传输速率得不到本质改善， 人们迫切地想开发新频段来改善这些情况。 而60GHz频段因为其丰富的频谱资源、高数据传输速率、高安全性等特点，成为未来无线 通信系统计划选取的主要工作频段之一，被认为是未来10年中最具前途的无线通信频段。 随着60GHz毫米波无线通信系统各项关键技术的研究日渐成熟，国内外的学者对这一工作 频段收发天线的研究也逐渐增多，其中有准八木贴片天线与倒F形天线结构[1]，其增益分别 达到了19dBi和12.5dBi，测量带宽分别为12.5GHz和10GHz；还有单支、双支串行级联微带 矩形贴片组成阵列天线的结构[2]，其中单支串行级联结构天线的增益为13.4dBi，而双支串 行级联结构天线的增益可达14.6dBi；另有采用栅格阵列结构形式的微带天线[3]，其增益达 到13.5dBi，阻抗带宽可实现8.7GHz，栅格整体长度为11.085mm，宽度为4.85mm，在此结 构基础上，又将四个栅格阵列再次组阵构成圆极化的微带阵列天线[8]，轴比带宽达7GHz， 在60GHz频点增益为15.5dBi；再有就是梳形微带天线[4]，其梳形辐射单元与微带馈线成45o 夹角，不同辐射单元尺寸呈现渐变形态，其增益达到了20.3dBi；其他还有基于纺织材料基 片的微带天线[5]，其增益可达9.3dBi；也有基于FR-4的4×4微带贴片阵列天线[6]，尺寸为12 ×12mm2，其增益达到15.79dBi，带宽为4.47GHz；还有采用V形结构的偶极微带天线[7]， 但增益仅为4.4dBi。综合衡量各类参量，本文基于参考文献[9]中所提出的一种结构较为简单 的2×2微带贴片阵列天线结构，对其在60GHz工作频段内进行了优化设计，减小了设备尺 寸、实现了圆极化、宽频带等特性，并且保持了较高增益。