一種高增益5G毫米波縫隙天線的設(shè)計(jì)

胡 廣,李仲茂，邱 昕

(中國科學(xué)院微電子研究所 通信與信息工程研發(fā)中心，北京 100029)

0 引言

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，高速率、高質(zhì)量、低延遲的視頻和多媒體應(yīng)用對(duì)無線通信系統(tǒng)的帶寬提出了新的挑戰(zhàn)。目前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入第五代(5G)，提供5～50 Gb/s的傳輸速率以滿足不斷增長的大數(shù)據(jù)的需求[1]。無線電頻譜逐漸向3.6 GHz以上發(fā)展，特別是6 GHz以上的毫米波頻段近年來得到國內(nèi)外研究人員的高度關(guān)注[2]。5G毫米波通信在覆蓋范圍、設(shè)備連接數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)容量等方面能夠得到全面提升，可為各種高速數(shù)據(jù)傳輸提供有效的解決方案。2019年，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)將24，28，37，39和47 GHz分配為5G移動(dòng)通信毫米波頻段[3]。毫米波頻段相比于6 GHz以下低頻段的電磁波，具有信號(hào)傳輸損耗較大的問題。為克服上述缺陷，將具備高品質(zhì)因素、高功率容量、低損耗、低成本、高可靠性和高集成度等優(yōu)點(diǎn)的基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide，SIW)結(jié)構(gòu)引入到普通貼片天線結(jié)構(gòu)中[4]，即在介質(zhì)基板中按照一定排列方式形成周期性金屬化通孔，形成一種類似于介質(zhì)填充的矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[5]。為了更好地提高天線的增益和擴(kuò)展天線的阻抗帶寬，在天線結(jié)構(gòu)中引入SIW結(jié)構(gòu)成為近年來天線設(shè)計(jì)和研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]將SIW技術(shù)應(yīng)用于背腔縫隙天線的設(shè)計(jì)中，該結(jié)構(gòu)能夠有效解決傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)縫隙天線的質(zhì)量大、體積笨重且加工制作成本高昂等缺點(diǎn)。在天線上加載SIW技術(shù)可實(shí)現(xiàn)天線的高增益、寬頻帶和小型化[7-10]。此外，文獻(xiàn)[11-12]分別將半模和1/4模SIW結(jié)構(gòu)引入,實(shí)現(xiàn)天線的寬頻帶工作特性。為了獲得更好的阻抗匹配效果，將錐形微帶到SIW過渡形式的微帶網(wǎng)絡(luò)饋電應(yīng)用于陣列天線實(shí)現(xiàn)寬帶阻抗匹配[13]。文獻(xiàn)[14]通過采用超材料改善天線增益，并采用SIW結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電實(shí)現(xiàn)一款高增益的Ka波段漸變縫隙天線。文獻(xiàn)[6-14]采用SIW技術(shù)實(shí)現(xiàn)高增益和寬頻帶信號(hào)傳輸，但天線結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，導(dǎo)致加工成本較高，同時(shí)不利于與微波毫米波系統(tǒng)集成。

本文利用經(jīng)典縫隙微帶天線技術(shù)，通過加載SIW腔體結(jié)構(gòu)拓展天線工作帶寬，提出了一種應(yīng)用于5G毫米波通信的高增益寬帶基片集成波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計(jì)方案，采用三維電磁場仿真軟件進(jìn)行天線建模，并進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化。研究結(jié)果表明，該縫隙天線工作在28 GHz毫米波頻段，具有較好的輻射特性，且結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低，易于與電路集成，能夠應(yīng)用于毫米波移動(dòng)通信系統(tǒng)中。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)天線理論可知，縫隙天線的最初結(jié)構(gòu)形式為在同軸管、波導(dǎo)管或諧振腔的壁上開窄縫，使電磁波經(jīng)縫隙向外空間輻射電磁波能量[15]。而SIW的傳播特性與傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)相似，在SIW上開具備輻射特性的窄縫結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成SIW縫隙天線。經(jīng)典的SIW結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意

本文采用三維電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，仿真模型如圖2所示。天線二維平面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 天線仿真模型

(a)天線俯視圖

由圖3可以看出，SIW諧振腔、縫隙輻射面和饋電網(wǎng)絡(luò)集成在同一塊介質(zhì)基板上。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足微波毫米波電路或器件集成的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可有效地避免傳統(tǒng)金屬腔體天線體積笨重的缺點(diǎn)。

采用金屬過孔均勻地分布在天線介質(zhì)基板的邊緣，該結(jié)構(gòu)形式束縛電磁波的傳輸路徑，形成一種類似于金屬波導(dǎo)類型的傳輸線，最終以等效電壁的形式構(gòu)成諧振腔體。同時(shí)，在腔體內(nèi)部分別刻蝕雙倒“L”和“十”字型縫隙，實(shí)現(xiàn)能量向外輻射。天線的諧振頻率由SIW諧振腔和縫隙的尺寸決定。

為了擴(kuò)展天線的工作帶寬，天線饋電方式采用階梯漸變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)阻抗變換。采用50 Ω微帶線和SIW腔體進(jìn)行阻抗匹配，整個(gè)微帶天線的平面尺寸為19 mm×24 mm，采用介電常數(shù)為2.2，損耗正切角tanδ為0.000 9，厚度h為0.254 mm的Rogers 5880作為介質(zhì)基板。選擇該種材質(zhì)，是因?yàn)檫@種介質(zhì)基板性能相對(duì)穩(wěn)定、損耗較小，能夠滿足毫米波頻段電磁信號(hào)的傳輸需求。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為了盡量減小構(gòu)成諧振腔體的金屬化通孔所造成的能量泄露，金屬化通孔的設(shè)計(jì)必須滿足式(1)[16]，同時(shí)考慮到通孔和直徑加工工藝的極限，取金屬通孔的直徑d=0.5 mm，相鄰?fù)字g的距離S=0.6 mm。

SIW諧振腔需要支持多種諧振模式，在特定的工作模式下，SIW腔體的幾何尺寸與本征諧振頻率的關(guān)系需滿足[17-18]：

(1)

(2)

Weff=Wc-1.08(d2/s)+0.1(d2/W2)，

(3)

Leff=Lc-1.08(d2/s)+0.1(d2/Lc)，

(4)

式中，m，n，p為正整數(shù)；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；εr為相對(duì)介電常數(shù)；Lc為腔體的長度；Wc為腔體的寬度；Leff為腔體的等效長度；Weff為腔體的等效寬度；d為金屬通孔的直徑；S為金屬通孔中心間距；h為介質(zhì)基板的厚度。

2 天線參數(shù)優(yōu)化

利用三維電磁仿真軟件對(duì)天線模型進(jìn)行仿真分析。通過對(duì)天線各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)掃描，分析參數(shù)變化對(duì)天線諧振工作頻率的影響，最終得到天線的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

天線的整體尺寸可以根據(jù)所需的工作頻率計(jì)算得到。通過各參數(shù)掃描，研究其對(duì)阻抗匹配的影響，最終確定最優(yōu)結(jié)果。

Wf表示天線饋線的寬度，采用控制單一變量的方法對(duì)天線的饋線參數(shù)Wf進(jìn)行選擇，保持其他參數(shù)不變。Wf分別取0.90，1.03，1.25 mm進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，饋線寬度Wf對(duì)天線的工作帶寬影響較小，影響天線的阻抗匹配程度，其大小決定天線工作頻率處的端口回波損耗的大小。通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在饋線寬度Wf=1.03 mm時(shí)，天線回波損耗最小且滿足工作頻率的設(shè)計(jì)要求。采用同樣的方法分別對(duì)“十”字縫隙的L1和W1進(jìn)行參數(shù)掃描分析，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 饋線寬度對(duì)天線諧振頻率的影響

(a)L1對(duì)天線諧振頻率的影響

由圖5可以看出，天線輻射面上部的“十”字縫隙的長度L1和寬度W1均對(duì)天線回波損耗S11的大小和諧振頻率均產(chǎn)生較大的影響。隨著L1的增大，天線諧振頻率向低頻方向移動(dòng)，其大小隨之變小。隨著W1的增大，天線諧振頻率向高頻方向移動(dòng)，其大小也隨之變小。通過不斷調(diào)節(jié)“十”字縫隙的其他參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)天線工作在5G毫米波的工作頻段，并滿足天線對(duì)通信帶寬的要求。天線SIW腔體結(jié)構(gòu)對(duì)天線回波損耗的影響如圖6所示。

圖6 SIW結(jié)構(gòu)對(duì)天線回波損耗的影響

由圖6可以看出，基于SIW技術(shù)的縫隙天線較傳統(tǒng)縫隙天線工作帶寬更寬，且?guī)?nèi)端口的回波損耗更小，提高了天線的工作性能。

為了進(jìn)一步研究天線縫隙及SIW結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射特性的影響，對(duì)天線表面輻射貼片及漸變微帶饋電的電流分布進(jìn)行仿真。圖7給出了天線諧振頻率28.07 GHz時(shí)不同電相位下電場強(qiáng)度的分布圖，可以看出電場主要分布在天線饋線、“十”縫隙和雙倒“L”處，驗(yàn)證天線沿縫隙進(jìn)行能量傳播的理論。

φ=0°

天線增益、輻射效率和輻射方向圖作為衡量天線收發(fā)信號(hào)能力的重要指標(biāo)，是天線性能的重要參數(shù)之一。鑒于實(shí)驗(yàn)條件限制，只對(duì)天線的增益、輻射效率及輻射方向圖進(jìn)行三維電磁場仿真。天線增益和輻射效率隨頻率變化仿真曲線如圖8所示。

圖8 天線增益和輻射效率變化曲線

在天線回波損耗S11≤-10 dB的頻率范圍內(nèi)，天線增益是不斷上升的。在諧振工作頻率28.07 GHz處增益為9.43 dBi，頻帶內(nèi)增益最小為8.33 dBi，整個(gè)工作頻段內(nèi)天線具備高增益特性，可有效保證通信信號(hào)的高速傳輸。天線在諧振工作頻率28.07 GHz處的XOZ面和YOZ面的主極化和交叉極化的遠(yuǎn)場增益輻射方向圖如圖9所示。

(a)XOZ面

由方向圖可以看出，天線具備較好的全向電磁波輻射特性。天線在XOZ面和YOZ面的主極化方向圖在±15°基本上是一致的，且XOZ面和YOZ面的半功率波束寬度分別達(dá)到39.43°和99.10°。此外，XOZ面交叉極化處于很低的水平，而YOZ面交叉極化水平略高，電平為-20 dB。因此，所設(shè)計(jì)的天線在YOZ面具有更好的交叉極化水平。

除了上述分析的參數(shù)，天線結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)對(duì)天線的性能也有一定影響，最終利用電磁仿真軟件對(duì)天線的其他參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到天線各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 天線實(shí)測和性能分析

為了驗(yàn)證天線的性能指標(biāo)情況，根據(jù)表1各個(gè)參數(shù)值加工制作天線PCB，天線測試接頭選擇型號(hào)為1492-02A-5，西南微波公司研制的end-launch connector，該款接頭內(nèi)芯的直徑為2.40 mm，工作上限頻率為50 GHz，且具備較低的插入損耗和回波損耗特性，完全能夠滿足天線工作頻率的測試需求，實(shí)物裝配如圖10所示。

圖10 天線實(shí)物

采用安捷倫網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀對(duì)天線端口進(jìn)行回波損耗測試，結(jié)果如圖11所示。

圖11 天線仿真和實(shí)測回波損耗

測試結(jié)果顯示，回波損耗小于-10 dB以下，工作帶寬為27.2～28.7 GHz，相對(duì)帶寬為4.73%。相較于仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)天線的實(shí)測回波損耗較大，諧振頻率出現(xiàn)一定的偏差。

存在偏差的原因可能是天線加工的尺寸精確度、介質(zhì)基板介電常數(shù)不均勻和測試環(huán)境(線纜損耗等)等因素所致。但實(shí)測結(jié)果變化趨勢與仿真結(jié)果總體上基本吻合，偏差在可接受的范圍內(nèi)，且-10 dB阻抗帶寬滿足5G毫米波通信對(duì)工作帶寬的要求，測試的結(jié)果基本驗(yàn)證了仿真的正確性。

4 結(jié)束語

本文基于SIW結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一款低剖面背腔式縫隙天線。天線采用SIW作為諧振腔體，在腔體內(nèi)部采用雙倒“L”和“十”字型縫隙加載，通過調(diào)節(jié)天線各結(jié)構(gòu)參數(shù)使天線工作在5G毫米波通信頻段。研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的天線諧振工作頻率為28.07 GHz，回波損耗S11≤-10 dB帶寬覆蓋27.38～28.60 GHz 5G毫米波通信頻段，相對(duì)帶寬達(dá)到4.36%，在諧振工作頻率處的增益達(dá)到9.42 dBi。通過對(duì)天線進(jìn)行實(shí)物加工、裝配和測試分析，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合。與傳統(tǒng)金屬腔體天線相比，本文設(shè)計(jì)的天線剖面低、增益高、輻射特性好、結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低，可廣泛地應(yīng)用于5G毫米波移動(dòng)通信系統(tǒng)。