一种在60GHz通信的高增益天线讲解

发布时间:2021-09-17 22:51:15

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*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 *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、*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*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。 *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*行的金属*板的 波导,用来隔离上下金属*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*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*峁构挡鄣 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*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*分别为-13dB, -15dB 和-17dB;它们的交叉极化电*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*分别为-13dB, -12dB 和-15dB; 它们的交叉极化电*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*和 E 面、H 面 的交叉极化电*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* 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*,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*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*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。


相关文档

  • 一种在60GHz通信的高增益天线分解
  • 一种在60GHz通信的高增益天线
  • 无线电通信天线增益
  • 天线增益、传输环境与通信距离的关系
  • 一种新型高增益超宽带(UWB)宽槽天线阵的设*步
  • 一种高增益并行激励全向天线设计
  • 无线电通信天线增益的计算
  • 无线电通信天线增益(free)
  • 天线增益对传播距离影响
  • 猜你喜欢

  • 广州市海珠区瀛洲肖穗五金铸造厂企业信用报告-天眼查
  • 2018-2018节约用电倡议书-推荐word版 (4页)
  • 哈尔滨工业大学2000年研究生入学考试《金属学与热处理》试题
  • 上海市人民政府关于对本市烟花爆竹实行安全管控的通告
  • 2018年最新人教版PEP小学英语五年级下册教案(全册)
  • 2017-2023年中国保健品产业发展前景及供需格局预测报告(目录)
  • 2014年月历( word版 可记事可完美打印)
  • 保持党的纯洁性 提升纪检监察工作水*
  • 实用的金工实习心得体会
  • 5年级每日一练0319
  • 过电流保护实验指导书
  • 救助贫困学生倡议书范文
  • 人美版小学美术三年级上册《第6课红色的画》word教案 (3)
  • 爱我洪泽演讲稿
  • 2018年中考英语总复*第2部分语法突破专题3代词精讲课件3
  • 九年级历史上册 第18课 美国的独立教案 新人教版
  • 最新整理小学五年级语文五年级语文《口语交际讲民间故事》教案设计.docx
  • 桑植县第一中学初中部2014年七年级上册地理期中考试试卷
  • 高职院校行业文化导向型英语教学模式研究——以黎明职业大学为例
  • 河北科技大学优秀毕业生简约创意粉笔手绘论文答辩ppt模板
  • 关于cmd输入python查看版本号与安装版本不一致的奇怪现象
  • 生命的起源:一项新的理论表明,物理学找到了答案
  • 盘口数据分析
  • 孩子们——李娟散文专题阅读
  • 五年级下册第三单元作文:竞选班长演讲发言准备稿_2
  • 青岛加强电子政务整合提升政府管理服务水平
  • 红色胎记的症状一般有哪些
  • 浙江农林大学精美毕业论文答辩PPT模板
  • 什么的花花语是无忧无虑开心快乐的
  • 无法在Web服务器上启动调试。
  • 如何从altium Designer pcb导出pdf的方法步骤
  • 关于“人力资本理论的新思想”等若干则逸
  • 写秋天的诗有哪些
  • 小学五年级诗歌:建国60周年作文:祖国我走在你历史的长河里
  • 2008年上半年预备党员入党思想汇报
  • “风神初振”的初唐诗ppt7(课件+试题,打包13套) 苏教版2
  • 武定县动物疫病预防控制中心(企业信用报告)- 天眼查
  • 一套价值8800元的EXCEL教程,包你一学就会[1]
  • 商业地产核心问题培训教程资料
  • 湖南师范大学公派出国境学*本科生选课计划表
  • 关于工作态度的总结3篇
  • 2019年高三数学(理科)一轮复*(教师用)北师大版第2章第7节函数的图像Word版含解析
  • 电脑版