磁电偶极子天线学习1 一种60GHz 宽带圆极化口径耦合磁电偶极子天线阵列

摘要：

一种新型的圆极化口径耦合天线被提出。这种圆极化磁电偶极子天线由刻蚀在短路基片集成波导的一部分的宽臂上，并且很容易被集成基片。在工作频段内实现了宽于28.8%的阻抗带宽和宽带3-dB的25.9%的轴比和 $7.7 \pm 1.4 dBic$ 的增益。此外，因为圆极化辐射由两个正交的磁电偶极子的组合生成，天线单元在整个频带范围和两个平行面内为有着几乎一样的稳定的单向辐射方向图，这很有希望实现阵列应用。通过使用提出的圆极化磁电偶极子作为辐射单元，提出了一种60GHz毫米波段的8x8高增益宽带平面天线阵列。使用导电粘合剂薄膜的生产流程用来把打印的电路板层成功生产在一起来把所有印刷电路板层来实现三层几何形状，其具有低成本和大规模生产的优势。生产的样品的实测对于[S11<-10dB]阻抗带宽为18.2%.因为新天线单元的宽带轴比带宽性能，没有顺序馈电使用的情况下可以实现16.5%的宽AR带宽。由于毫米波段的全公共SIW馈网的低插损性能，可以实现高于26.1dBic和约为70%的良好辐射效率。

关键词：60-GHz,天线阵列，圆极化（CP），磁电（ME）偶极子，毫米波。

介绍：

在近些年来，因为在V-频段一系列工作的的新兴应用，有关60-GHz天线技术的研究已经引起了持续关注。为了补偿由大气层的氧损耗造成的巨大传播损耗，高增益特性的天线阵列通常被用于60GHz的无线应用。另一方面，在60GHz对于传播的研究证实了圆极化波比线极化波能提供更有前景的通信容量性能。因此，容易看出圆极化高增益天线阵列在60GHz是理想的候选者。

构建天线阵列的天线单元的选择在毫米波天线阵列的设计中起着很关键的作用。天线单元的特性显著影响了这个阵列的可获得性能。另一方面，阵列的生产复杂性直接受到单个单元几何形状的影响。就60GHz圆极化天线阵列而言，由于微带贴片天线和腔体天线的简单平面结构，他们被广泛应用于文献中。然而，大多数天线的3dB轴比带宽窄于10%，其在60GHz宽带应用中是不可避免的阻碍。其他有更宽的AR带宽的天线单元也在60GHz被报道。但是这些天线的尺寸在工作频率内通常大于或在一个波长附近。

为了克服单个天线单元的AR带宽限制，首次应用在顺序馈电的方案通过一组已经报道的设计，被设置在60GHz。可以获得高于20%的（AR）轴比带宽。然而，顺序馈电方法的使用显著提高了馈网的复杂性。可以看出带状线和共面波导(CPWs)被选用在大部分60GHz的宽带圆极化阵列上因为这些传输线的几何形状足够灵活，所以可以用来实现顺序馈电所需的相移。对于相对大带宽的包含波导结构的馈网，顺序馈电不容易实现。因此，目前为止，大多数已经报道的带有波导或基片集成波导(SIW)的馈网的的60GHz圆极化天线阵列仍存在低于或者大约10%的窄轴比带宽的问题。通过应用在[15]中磁电偶极子的idea，一种被指定为圆极化口径耦合的磁电偶极子在本文中被提出用于60GHz的应用。所提出的天线集成在一个单层的衬底，此衬底能够方便地被SIW的部分方便地集成。更为重要的是，它有着很宽的阻抗和(AR)轴比带宽，这使得没有顺序馈电的宽带圆极化天线阵列的设计成为了可能。一个8x8带有全公共SIW的高增益圆极化天线阵列被设计用来证明所提出的圆极化天线阵列的优势。可以实现宽带宽和良好的辐射性能。此外，由于SIW馈网的低插损，所提出天线的增益性能比大多数提出带有微带线或CPW(co-planar waveguide)的60GHz圆极化天线阵列有更高的性能。

文章架构如下：第二部分揭示了新型圆极化口径-耦合的磁电偶极子天线的几何形状和工作原理。第三部分讨论了8x8宽带高增益圆极化天线的设计过程和结果。第四部分最终给出了本文的结论。

第二部分：圆极化口径耦合磁电偶极子天线

A.几何形状

SIW馈电的圆极化口径耦合磁偶极子天线的几何形状如图1所示。天线的详细尺寸如图2所示。一个SIW的短路部分被设置在基底2来给天线馈电。一个刻蚀在金属地面上的尺寸为（5mmx5mm(60GHz尺寸 $1\lambda_{0} \times 1\lambda_{0}$ )）的横向槽被用来激励天线结构。整个辐射结构被实施在基片1上，辐射结构由四个纵向的金属探针和四个横向的水平贴片构成。平面的电偶极子归因于两组水平贴片，同时磁偶极子由贴片之间的口径构成。众所周知，圆极化天线由两组相同幅度和相位差90度的正交模式激励。然而，槽1只能激励垂直于它的电偶极子和平行于它的磁偶极子，正如文献[16]所分析的，其联合在一起来实现了线极化的磁电偶极子模式。为了实现圆极化辐射，一个额外的金属贴片引入在本设计中，其用于连接坐落在对角位置的两个贴片部分。此外，另外一对贴片部分的内角被部分切角了。通过对天线结构进行调整，从槽1出来的部分输入能量可以被耦合激励对角方向的另一个磁电偶极子模式。如第二部分B和C模块所示，通过调整水平贴片的部分口径可以在两个模式之间实现90度相位差。在本设计中，使用了两个相对介电常数为2.2和厚度为0.787mm的Rogers 5880 印刷电路板。在全波电磁求解器Ansoft HFSS的帮助下设计这个天线。

B.工作原理

为了说明所提出的圆极化口径耦合的磁电偶极子天线的工作机理，天线的仿真电流分布和口径上的电场如图3所示。在时间t=0和 $T/2$ 时（其中T是一个周期），贴片的绝大部分电流沿着y方向。电流的幅度沿着y方向正弦分布，这揭示着在y方向的电偶极子被激励了。另一方面，沿着x方向在口径部分上的电场分布也很明显，这意味着x方向上的等效磁偶极子在同一时间被激励。

相似地，在t=T/4和3T/4时。可以看到在x方向的电偶极子和在y方向的磁偶极子都被很强地激励。

根据在[18]和[19]中的分析，在交叉位置同时激励电偶极子和磁偶极子可以实现具有低后瓣特性的理想单向辐射。因此，在本设计中，y方向的磁偶极子和x方向的电偶极子将会生成xoz极化的定向辐射，同时x方向的磁偶极子和y方向的电偶极子将会生成yoz极化的定向辐射。这有助于正交辐射的两组组合被以T/4的延时激励，对应着 $90^{\circ}$ 。此外，两个组合的幅度彼此相似，如图3所示。因此，可以期待对于此设计的定向圆极化辐射。

C.参数分析

所提出天线的工作原理已经在以上部分得到解释。以下将讨论参数的一系列分析来揭示天线的设计流程。当连接两个对角线贴片部分之间的长条在生成圆极化辐射起到关键作用时，它的尺寸P和口径在x方向和y方向的宽度 $G_{1}$ 和 $G_{2}$ 首次被研究。在此之后，平面贴片尺寸 $L_{1}$ 和 $L_{2}$ 的影响和四个垂直柱的位置 $S_{1}$ 和 $S_{2}$ 都被研究了。没有研究过的天线尺寸，被列在表I。

P对于 $S_{11}$ 的影响和所提出天线的轴比如图4所示。通过调整P,天线的轴比（AR）性能变化得很快，这提升了条片生成圆极化辐射的功能。此外，当P从0.2变化到0.3，天线的阻抗匹配并没有被显著影响。不同尺寸 $G_{1}$ 和 $G_{2}$ 的圆极化口径耦合磁电偶极子天线的仿真 $S_{11}$ 和轴比分别如图5和6所示。可以看出随着 $G_{1}$ 的增加，阻抗带宽的更低端和3dB轴比带宽的更高端明显移动到高频处。相对地，阻抗带宽的更高端和3dB轴比带宽的更低端被 $G_{2}$ 显著影响。基于以上讨论，可以推断通过调整 $G_{1}$ 和 $G_{2}$ ，可以确定3dB轴比带宽和阻抗带宽的频率范围。通过良好地调整P的值可以实现更好的AR性能。

尺寸的微扰是生成圆极化辐射的一种广泛应用方法。如图7所示，通过微扰 $L_{1}$ 和 $L_{2}$ 的尺寸，3dB轴比带宽的低端可以移动到更低的频率，同时轴比的主要部分也不会恶化。此外，天线的阻抗匹配性能也有一定提升。然后，垂直探针位置的微扰如图8所示，轴比的W型曲线宽得更多了，这揭示着获得了更宽的3dB轴比。与此同时，天线的 $S_{11}$ 变化不大。

根据以上的参数研究，基本的准则是选择在[16]中给出的整个天线单元类似的尺寸。良好的阻抗匹配和轴比性能可以通过调整条片的宽度，两个口径的宽度，平面贴片的长度和垂直柱的位置实现。

D.性能

设计的最终尺寸列在表II中。图9给出了仿真的 $S_{11}$ 和所提出的单馈圆极化磁电偶极子天线的轴比。其有着宽于28.8%(52.4-70GHz)的 $S_{11}<-10dB$ 的阻抗带宽。此设计的仿真3-dB轴比带宽为25.9%(52.4-68GHz)。如图10所示，仿真的增益在整个频带内由6.2到9.1dBic。

不同频点的圆极化磁电偶极子天线的仿真方向图如图11所示。辐射方向图在整个频带内的不同频点是对称且稳定的。在两个正交面上天线有着几乎一致的辐射方向图，这证明了磁电偶极子天线的优势。交叉极化水平低于-13dB.仿真的前后比在工作频带的主要部分大于20dB。在工作频带的低端附近，前后比下降到了15dB。

E.比较

在文献中用于构建60GHz圆极化天线单元和此设计的比较如表III所示。首先，可以看出大部分天线单元有着单层结构，单层结构具有在毫米波段易于集成和生产的优势。传统的尺寸微扰的贴片和腔体天线存在窄阻抗和3-dB轴比带宽的问题。尽管应用U型槽天线可以获得很宽的轴比带宽，但是3-dB轴比带宽仍然很窄。在[12]中的螺旋天线有着宽的阻抗和轴比带宽，但是十层的复杂几何结构显著增加了生产的难度。与以上已经报道的设计相比，本文提出的设计在阻抗带宽和轴比带宽上有着显著的优越性。此外高增益性能和在两个正交面上几乎一致的对称单向辐射方向图使得其对于阵列设计很具有希望。

第三部分：8x8宽带高增益圆极化天线阵列

通过使用第二部分中的圆极化口径耦合磁电偶极子天线，一种8x8的宽带高增益圆极化天线阵在此部分被设计来证明所提出的天线单元的优势。

A.天线阵列的几何尺寸

此8x8圆极化口径耦合磁电偶极子天线阵列的整体几何形状如图12所示，其包含3层层压厚度为0.787mm的和相对介电常数为2.2的Rogers 5880PCB。阵列的辐射单元被设计在基片1上，同时用于激励天线单元的槽1被分别刻蚀在基片1的底部金属层和基片2的顶部金属层。由于SIW的宽度，在单层中无法坐落下整个全公共馈网。因此，馈网被分为用在基片2和基片3的两部分。应用于给天线单元馈电的短路SIW坐落在基片2上。四个彼此相对的馈电SIW部分被联合在一起组成一个2x2子阵列的馈网。SIW馈网的剩余部分被设置在基片3上，其用于从输入端分离能量到2x2的子阵列。刻蚀在基片2的底部金属层和基片3的顶部金属层的槽2被用于耦合两层之间的能量。为了方便测量，一种宽带的SIW到波导过渡[20]被放置在基片3上。SIW的延伸部分被用于连接过渡端和天线阵列的输入端口。

带有详细尺寸的2x2子阵列的结构如图13所示意。如图13(b)所示的子阵列的X型馈网可以把从槽2出来的能量在整个工作频带分为四个部分。值得一提的是在天线环境中天线单元的尺寸被轻微调谐，这是为了获得好的阻抗匹配和辐射性能。天线阵列的最终尺寸列在表IV中。

B.生产和实测

如[21]和[22]所提,通过应用口径耦合作为天线阵列不同层之间的连接，在不同层之间不再需要盲孔或者掩孔。因此，尽管整个阵列有着多层结构，它也可以应用标准单层PCB设施来实现。阵列的每层，首先被分别制造，然后所有层被堆叠在一块来实现所设计的结构。铝固定物在以往的设计中用来固定所有层。证实了良好的性能。然而，在层间的空气间隙在实际应用中仍然是一个不可预测的难题，这将增加装配的难度，为了避免这个缺点，罗杰斯COOLSPAN导热导电胶[23]，一种填银的导电胶，被用于一起构成天线阵列的3个PCB层。

如图14所示，两层厚度为0.05mm的连结胶被添加在3层PCB层之间。刻蚀在两层胶上的槽1和槽2使用了激光烧结。两层铝固物在加热过程中被用于打印3层PCB。在15分钟的加热后，固定层可以被移除并且生产的样品如图15(a)所示。整个生产过程很容易控制并且有着低成本的优点，这对于生产多层毫米波天线阵列是一个很有希望的方法。值得一提的是导电导热胶的存在在阵列设计过程中已经被考虑了，这就避免了对于设计性能的可能影响。

天线阵列的S参数由有着两个端口的AGILENT矢网E8361A测量。如图15(b)所示，一种NSI 2000近场测试系统被用于测试辐射性能。阵列的增益与标准的增益喇叭比较给出。

C.实测结果

所提出的圆极化磁电偶极子的天线阵列的实测和仿真 $\left| S_{11} \right|$ 如图16所示，吻合良好。可以看到在频率上有着0.3GHz的轻微移动，其主要由生产容差造成。实测和仿真的 $\left| S_{11} \right| < -10dB$ 的带宽分别为18.2%（55.4-66.5GHz）和18.4%（55.7-67GHz）。

图17显示了天线阵列的实测和仿真轴比。实测和仿真的3dB轴比带宽分别为16.5%（56-66GHz）和18.9%（55.4-67GHz），其覆盖了从57到66GHz上的整个60GHz频带。此外，天线阵列的增益性能也如图17所示。实现了高于26.1dBic的实测增益，其与仿真结果接近。在整个55-66GHz的工作频带上的实测增益变化低于1.3dB。通过比较实测增益和仿真方向性，所提出的天线阵列的辐射效率在60GHz处为75%。阵列的损耗主要来自于平行SIW馈电网络，其如[22]中所给约为1dB。此外，考虑30.6 x 34mm^2的阵列尺寸，阵列的口径效率在60GHz处为95.8%。

如图18所示，天线阵列在55,60,65GHz的实测辐射方向图和仿真结果一致。由于测试系统的限制，高于 $\pm 60^\circ$ 的角度范围不可用。获得了对称的单向辐射方向图。此外，在yoz面上的副瓣等级略微不对称，这由不对称性造成，例如在垂直平面上的馈电波导和实测系统。

D.比较与讨论

所报道的60-GHz圆极化天线阵列的性能被总结在表V来与此设计的结果比较。在阻抗带宽方面上，由于平面馈网的使用和宽带天线单元的使用，大部分设计可以覆盖从57-66GHz的60GHz频带。然而，由于传统贴片天线和腔体天线的窄带设计，两个设计的阻抗带宽低于10%。如前面所提，大部分已报道的60GHz圆极化阵列需要应用顺序馈电的方案来扩宽阵列的3dB轴比带宽由于单个辐射单元的窄轴比带宽限制。带状线和共面波导(Co-Planar Waveguide(CPW))被用于构建顺序馈电的整个馈网。可以实现高达22%的宽的轴比带宽。然而，可以看到顺序馈电并不由使用SIW和波导馈网的报道设计实现。因为波导结构的宽度导致在顺序馈电中的所需相移很难(stiff严格)实现。因此，这些设计仍有着窄大约或者低于10%的轴比带宽的缺点。在本设计中，通过使用有着宽轴比带宽的圆极化口径耦合磁电偶极子天线，可以获得18.2%的宽带3dB轴比带宽，其与顺序馈电的所报道的圆极化阵列十分具有可比性并且能成功覆盖整个60GHz频带。

辐射和口径效率在大多数文献中并不可用。然而，他们遵循以下公式：

$\bf{G = D_{max} \times \epsilon_{aper} \times \epsilon_{rad}} (1)$

其中， $\bf{G , D_{max} , \epsilon_{aper} , \epsilon_{rad}}$ 分别是增益，对于混合辐射口径的最大可实现方向性，口径效率和辐射效率。 $D_{max}$ 由天线阵列的工作频率和阵列尺寸决定。实测增益和阵列尺寸可以在文献中找到。可以看到使用顺序馈电的天线阵列的 $\epsilon_{aper} \times \epsilon_{rad}$ 乘积通常低于60%,其主要由于工作在毫米波段包含带状线和CPWs的馈网的插损造成。与这些设计相比，由包含SIW的波导组成的馈网馈电的天线阵列获得了优于70%的效率，这显示了在毫米波段波导馈电网络的优势。值得一提的是，大部分已经报道的使用顺序馈电的圆极化阵列保持了一个4x4的尺寸。对于大尺寸的阵列，例如8x8或者16x16,馈网的损耗将进一步衰减天线阵列的辐射性能。由于[14]中的设计的差的阻抗匹配，它的效率只有45.3%。因为好的辐射的口径效率。本工作可以实现高达26.1dBic的增益。

结论

提出了一种新型的圆极化口径耦合磁电偶极子天线。通过引入金属带来连接坐落在对角位置的两个贴片部分，两个有着相似幅度和90度相差的正交磁电偶极子模式可以成功在单个馈电天线单元实现。实现了宽的3dB轴比和阻抗带宽和好的辐射方向图。基于此新型辐射单元，设计，制造并实测了一种8x8高增益宽带圆极化平面天线阵列。导电胶膜 (Conductive Adhesive Films)成功把三个PCB层连接在一起，这将是一种有着在毫米波段实现大规模制造的低成本制造方案。因为所提出的天线单元的宽轴比带宽，阵列的轴比带宽与那些没有使用顺序馈电的60GHz阵列设计显著提升。此外，由于使用低插损的SIW馈电网络，可以实现高增益和好的辐射效率。所提出的新型天线和阵列设计将是未来毫米波无线应用的具有吸引力的备选。