60 GHz寬帶雙極化陣列天線研究

王 磊，劉 涓

(北京遙感設備研究所， 北京 100854)

0 引言

60 GHz毫米波無線通信頻段，作為一個寬帶且無需申請的通信頻段可用于高速短距離無線通信，目前受到了廣泛的關注。天線技術作為無線通信的重要部分，對于60 GHz無線通信系統的天線研究顯得尤為重要。LTCC工藝具有優秀的多層平面集成特性，利用多層加工特點，在不同層實現不同功能模塊，在三維垂直方向實現互連，降低設計難度，實現小型化。

雙極化天線是指可以同時形成一對極化正交、頻率相同工作模式的天線，能發射和接收兩個正交極化的電磁波。雙極化天線在無線通信領域有著越來越多的應用價值，包括頻率復用、收發一體化、極化分集、極化變捷、提高系統靈敏度等[1-7]。雙極化天線所特有的優點廣泛應用在如車輛防撞系統、地面/衛星通信、電子偵察、電子對抗、無線電近感探測以及雷達系統等領域。

本文提出了一種用于60 GHz頻段無線通信的基于LTCC工藝的4×4寬帶雙極化陣列天線。所提出的陣列天線通過采用雙饋技術L型探針單元結構、“立交橋”式復雜饋電網絡，以及加載等效腔體結構，使該毫米波雙極化天線陣列具有緊湊的體積、寬帶工作頻段、良好的輻射特性、較高的增益、平緩的頻帶內增益帶寬、較高的端口隔離以及較低的交叉極化電平。

1 天線單元研究

1.1 天線單元設計

(a) 結構 Ⅰ

(b) 結構 Ⅱ

雙極化天線單元采用L型探針饋電貼片天線結構，該結構具有很寬的阻抗帶寬特性。如圖1所示，天線單元由12層LTCC介質層構成，總厚度為1.2 mm，分為3個部分，分別是頂層的矩形輻射貼片結構、中間層的由垂直金屬通孔和金屬條帶組成的L型探針饋電結構以及下層的雙端口帶狀線饋電網絡，尺寸為3.8 mm×3.8 mm×1.2 mm。分別對比采用兩種饋電形式的天線性能，一種是兩個位置相正交的L型探針分別與兩個輸入端口的帶狀傳輸線相連接，如圖1(a)所示的結構 Ⅰ。另一種情況采用4個L型探針分別放置在4個相互正交的方向的雙饋形式，如圖1(b)所示的結構 Ⅱ，其中位置在一條水平線上的一對L型探針(A和C),其相位相差180°，兩個探針之間的相位差通過饋電網絡上層的T型節實現，作為端口1；另一對L型探針(B和D)則通過連接下層T型節實現，作為端口2。此外，在每個信號金屬通孔的四周放置連接上下金屬底板的接地金屬通孔，形成了一種類似同軸線傳輸的形式，一方面起到保護信號強度與完整性的作用，另一方面也可以降低信號金屬通孔之間的耦合影響，提高天線的隔離度。

圖2分別給出了采用兩種不同饋電結構的天線單元的S參數仿真結果。對于天線結構Ⅰ，如圖2(a)所示，其端口1作為天線激勵時，所對應的天線阻抗帶寬(|S11|<-10 dB)的頻率范圍從51.5 GHz到70 GHz。而當從端口2激勵天線單元時，頻率范圍從53.5 GHz一直到仿真上限75 GHz所對應的|S22|均小于-10 dB。圖2(b)給出了天線結構Ⅱ對應不同端口激勵情況下的阻抗S參數仿真結果。當結果Ⅱ的天線單元從端口1激勵時，其對應的天線阻抗帶寬(|S11|<-10 dB)的頻率范圍從52.5 GHz到68.5 GHz。而當天線從端口2激勵時，其對應的阻抗帶寬(|S22|<-10 dB)的頻率范圍從53.5 GHz到72.5 GHz。圖3給出了兩種天線結構所對應的兩端口隔離程度仿真結果。可以看出，采用雙饋電技術的結構Ⅱ天線單元與結構Ⅰ天線單元相比，隔離程度提到了10 dB，|S21|的值小于-25 dB。

(a) 結構Ⅰ

(b) 結構Ⅱ

圖3 兩種雙極化天線單元端口隔離仿真對比結果

圖4為仿真的結構Ⅱ天線單元在60 GHz頻點處通過兩個不同端口饋電所形成的兩個主要面(XoZ平面和YoZ平面)的方向圖。當天線采用端口1激勵時，其XoZ平面的3 dB半功率波束寬度(HPBW)約為110°，而YoZ平面的3 dB波束寬度約為90°。當天線采用端口2激勵時，其XoZ平面的3 dB波束寬度約為80°，YoZ平面的半功率波束寬度約為120°。結構Ⅱ天線單元具有較為對稱的方向圖，其仿真的增益為5.4 dBi。

(a) 端口1：水平極化

(b) 端口2：垂直極化

1.2 天線單元加載等效腔體結構研究

由于LTCC介質基板介電常數較高，且輻射貼片與天線金屬底板間基質厚度相對于介質波長較大，介質中會有較大的表面波傳播，影響了天線的輻射特性。考慮到雙極化天線具有正交的極化波傳播特點，本文采用在輻射貼片四周加載等效腔體結構來抑制表面波傳播，提高天線輻射特性。加載等效腔體結構的雙極化天線單元如圖5所示。

圖6為不同等效腔體結構尺寸對天線單元分別從兩個端口激勵下阻抗帶寬影響的仿真對比結果。當等效腔體結構尺寸較小的時候，垂直金屬通孔排柵與天線的L型探針結構較近，天線的阻抗特性受到很大影響，兩個端口激勵分別均出現了阻抗失配的情況。而當等效腔體結構尺寸較大的時候，兩個端口的阻抗匹配特性雖然較好，但其阻抗帶寬也隨著等效腔體尺寸的增大反而減小。圖7為不同等效腔體結構尺寸對天線結構兩端口隔離影響的對比，等效腔體的尺寸對端口隔離度的影響很小，原因是隔離度主要由L型探針之間的耦合所決定。

(a) 立體圖

(b) 俯視圖

(c) 側視圖

(a) |S11|

(b)|S22|

圖7 等效腔體結構尺寸對雙極化天線單元端口隔離度影響

圖8為仿真的加載等效腔體結構的天線單元在60 GHz頻點處兩個不同端口激勵所形成的XoZ平面和YoZ平面方向圖。通過減小表面波傳播帶來的損耗、壓縮方向圖波束寬度以及改善前后瓣比值，在保證天線具有較寬帶寬的情況下，改善了天線的輻射特性，提高了天線的增益。

(a) 端口1

(b) 端口2

2 雙極化多層饋電網絡研究

本文所提出的雙極化天線陣列采用16個雙極化天線單元形成二維均為分布的4×4形式排列。天線陣列饋電網絡采用多層形式置于7層LTCC介質厚度(厚度為0.7 mm)的帶狀線結構當中。天線陣列的饋電網絡及包含兩個端口GCPW-SL的三維轉換過渡結構如圖9所示。圖中藍色部分對應饋電網絡1被置于整個多層帶狀線結構的下層部分，距離帶狀線結構下層金屬地板的距離為0.1 mm。圖中橙色部分對應饋電網絡2置于整個多層帶狀線結構的上層部分，距離帶狀線結構下層金屬地板的距離為0.6 mm。

(a) 立體圖

(b) 俯視圖

(c) 側視圖

如圖10所示的綠色部分，兩個饋電網絡在走線時出現交叉現象，利用LTCC技術多層布線的優良特性，采用類似立交橋形式，在傳輸線交叉的位置通過垂直金屬通孔將其中一部分傳輸線過渡到其他介質層來傳輸，完成交叉走線后，再通過垂直轉換結構回到原饋電網絡的傳輸層。

3 天線陣列仿真分析

所提出的采用LTCC技術加載等效腔體結構的60 GHz頻段寬帶雙極化天線陣列結構如圖11所示。16個輻射單元被放置在天線陣列結構的上層，利用了五層LTCC結構。緊湊的多層饋電網絡被置于天線結構的下層，利用七層LTCC結構。在每個天線單元輻射貼片的四周加載由金屬通孔排柵和頂層金屬條帶組成的等效腔體結構，該等效腔體結構的邊長尺寸為2.7 mm。陣列單元的中心間距優化后為3.8 mm，約為0.76λ0，其中λ0為真空中60 GHz對應的波長。該天線陣列除去兩個GCPW-SL轉換過渡結構，天線陣列的尺寸為15.4 mm×15.4 mm×1.2 mm。

圖12是分別為無加載和有加載等效腔體結構的雙極化天線陣列的立體圖與截面圖。結構Ⅰ，如圖12(a)所示，為沒有等效腔體結構加載的雙極化天線陣列。結構Ⅱ，如圖12(b)所示，為加載等效腔體結構的雙極化天線陣列。兩種天線陣列除有無加載等效腔體結構外，其他尺寸參數均相同。

圖10 饋電網絡交叉過渡結構示意圖

圖11 加載等效腔體結構的60 GHz寬帶雙極化天線陣列結構圖

從圖13仿真的兩種天線陣列分別對應的兩個端口的|S11|和|S22|對比結果可見，是否加載等效腔體結構，對天線陣列的無論是端口1還是端口2饋電所對應的阻抗特性影響很小。對于加載等效腔體結構的結構Ⅱ所對應的天線陣列，當端口1激勵時，其對應的阻抗帶寬(|S11|<-10 dB)的頻率范圍從54.5 GHz到66 GHz，相對于中心頻率60.25 GHz的相對阻抗帶寬為19.1%。而當端口2激勵時，相應的阻抗帶寬(|S22|<-10 dB)的頻率范圍從54 GHz到69 GHz，相對于中心頻率61.5 GHz的相對阻抗帶寬為24.4%。

圖14為有無加載等效腔體結構的天線陣列兩端口隔離度|S21|的仿真對比結果。加載了等效腔體結構的天線陣列與沒有加載的天線陣列分別對應的兩個端口之間的隔離度相差很小。對于加載等效腔體結構的結構Ⅱ天線陣列所仿真的50 GHz到70 GHz范圍其|S21|的值幾乎都在-20 dB以下，且從58 GHz到65 GHz范圍內|S21|的值小于-25 dB。

圖12 有無加載等效腔體結構的雙極化天線陣列

(a) 端口1

(b) 端口2

圖14 有無加載等效腔體結構的雙極化天線陣列隔離度仿真對比

圖15為仿真的在無加載和有加載等效腔體結構兩種不同情況下雙極化天線陣列兩個端口分別對應的增益特性比較。對于端口1激勵的情況下，由圖15(a)可見在60 GHz頻點處加載等效腔體結構的天線陣列(結構Ⅱ)增益約為18.5 dBi，相比與沒有加載等效腔體結構的天線陣列(結構Ⅰ)在60 GHz頻點處的15.9 dBi增益，大約高出了2.6 dBi。對于天線陣列通過端口2激勵的情況下，由圖15(b)可見，在60 GHz頻點處加載等效腔體結構的天線陣列(結構Ⅱ)增益約為17.8 dBi，相比與沒有加載等效腔體結構的天線陣列(結構Ⅰ)在60 GHz頻點處的14.3 dBi增益，大約高出了3.5 dBi。相比與結構Ⅰ，加載了等效腔體結構的天線陣列結構Ⅱ在兩個端口分別激勵下增益均有所提升，大約為3 dBi，同時，在阻抗帶寬內結構Ⅱ具有更平緩的增益帶寬特性。

對有無加載等效腔體結構的雙極化天線陣列在60 GHz頻點兩個端口分別激勵的方向圖特性進行對比分析，兩個主要輻射面(XoZ平面和YoZ平面)的方向圖對比結果如圖16所示。通過加載等效腔體結構，天線陣列輻射最大方向輻射強度增強，減小后瓣輻射以及降低旁瓣電平。

(a) 端口1

(b) 端口2

(a) 端口1：水平極化波

(b) 端口2：垂直極化波

4 加載等效腔體結構天線陣列性能提高的原理分析

采用HFSS軟件，對雙極化天線陣列在兩個端口分別激勵不同極化波的情況下頂層介質表面的電場分布進行仿真，來分析等效腔體結構加載來提高天線陣列性能的原理。當天線被置于一個相對于工作波長較大的介質基板上，特別是介電常數較高的情況下，天線內部會產生較大的表面波傳播效應，導致天線的輻射特性受到很大的影響。圖17和圖18是對雙極化陣列在端口1激勵水平極化波模式和端口2激勵垂直極化波模式在60 GHz頻點處介質基板頂層電場分布的仿真結果。從圖17(a)和圖18(a)可以看出，在沒有加載等效腔體的天線陣列單元之間存在很大的來源于表面波的電場，特別是沿著極化方向上，天線之間的相互耦合影響較大，導致天線單元輻射貼片結構固有的電場分布受到表面波的嚴重影響，特別是分布在陣列周邊的天線單元，使得整個天線陣列的輻射特性惡化。圖17(b)和圖18(b)為加載等效腔體結構的天線陣列頂層介質基板表面電場分布，通過加載等效腔體結構，在天線單元之間形成了一個電壁，阻擋介質內部表面波的傳播，天線單元的電場分布明顯改善；同時又降低了天線陣列中單元之間的互耦影響，使得天線陣列的輻射特性得到大幅度提高。

圖17 仿真的端口1激勵水平極化波情況下無加載與有加載等效腔體結構的雙極化天線陣列基板介質頂層表面電場分布

圖18 仿真的端口2激勵水平極化波情況下無加載與有加載等效腔體結構的雙極化天線陣列基板介質頂層表面電場分布

5 結束語

本文提出了一種基于LTCC工藝的60 GHz頻段寬帶雙極化4×4陣列天線。通過采用雙饋技術L型探針天線單元結構、“立交橋”式復雜饋電網絡，以及加載等效腔體結構，實現具有體積緊湊、工作頻帶寬、增益較高、增益帶寬平緩、端口隔離度高、交叉極化電平低等特點的寬帶雙極化天線陣列。此外，分析了加載等效腔體結構對雙極化天線陣列性能的影響。所提出的60 GHz寬帶雙極化陣列天線可實現天線與芯片的AiP系統封裝集成，滿足寬帶無線通信系統或毫米波雷達系統高性能、高集成度、小型化的應用需要。