60 GHz寬帶雙極化陣列天線研究

王 磊，劉 涓

(北京遙感設(shè)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(guān)注。天線技術(shù)作為無線通信的重要部分，對于60 GHz無線通信系統(tǒng)的天線研究顯得尤為重要。LTCC工藝具有優(yōu)秀的多層平面集成特性，利用多層加工特點，在不同層實現(xiàn)不同功能模塊，在三維垂直方向?qū)崿F(xiàn)互連，降低設(shè)計難度，實現(xiàn)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(fā)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(lǐng)域有著越來越多的應(yīng)用價值，包括頻率復(fù)用、收發(fā)一體化、極化分集、極化變捷、提高系統(tǒng)靈敏度等[1-7]。雙極化天線所特有的優(yōu)點廣泛應(yīng)用在如車輛防撞系統(tǒng)、地面/衛(wèi)星通信、電子偵察、電子對抗、無線電近感探測以及雷達系統(tǒng)等領(lǐng)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(shù)L型探針單元結(jié)構(gòu)、“立交橋”式復(fù)雜饋電網(wǎng)絡(luò)，以及加載等效腔體結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(shè)計

(a) 結(jié)構(gòu) Ⅰ

(b) 結(jié)構(gòu) Ⅱ

雙極化天線單元采用L型探針饋電貼片天線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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(zhì)層構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)以及下層的雙端口帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)，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(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu) 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(wǎng)絡(luò)上層的T型節(jié)實現(xiàn)，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(jié)實現(xiàn)，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?shù)男问剑环矫嫫鸬奖Ｗo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(jié)構(gòu)的天線單元的S參數(shù)仿真結(jié)果。對于天線結(jié)構(gòu)Ⅰ，如圖2(a)所示，其端口1作為天線激勵時，所對應(yīng)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(yīng)的|S22|均小于-10 dB。圖2(b)給出了天線結(jié)構(gòu)Ⅱ?qū)?yīng)不同端口激勵情況下的阻抗S參數(shù)仿真結(jié)果。當結(jié)果Ⅱ的天線單元從端口1激勵時，其對應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)所對應(yīng)的兩端口隔離程度仿真結(jié)果?？梢钥闯觯捎秒p饋電技術(shù)的結(jié)構(gòu)Ⅱ天線單元與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)Ⅰ

(b) 結(jié)構(gòu)Ⅱ

圖3 兩種雙極化天線單元端口隔離仿真對比結(jié)果

圖4為仿真的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)研究

由于LTCC介質(zhì)基板介電常數(shù)較高，且輻射貼片與天線金屬底板間基質(zhì)厚度相對于介質(zhì)波長較大，介質(zhì)中會有較大的表面波傳播，影響了天線的輻射特性?？紤]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(jié)構(gòu)來抑制表面波傳播，提高天線輻射特性。加載等效腔體結(jié)構(gòu)的雙極化天線單元如圖5所示。

圖6為不同等效腔體結(jié)構(gòu)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(jié)果。當?shù)刃惑w結(jié)構(gòu)尺寸較小的時候，垂直金屬通孔排柵與天線的L型探針結(jié)構(gòu)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(xiàn)了阻抗失配的情況。而當?shù)刃惑w結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸對天線結(jié)構(gòu)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(cè)視圖

(a) |S11|

(b)|S22|

圖7 等效腔體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)采用多層形式置于7層LTCC介質(zhì)厚度(厚度為0.7 mm)的帶狀線結(jié)構(gòu)當中。天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)及包含兩個端口GCPW-SL的三維轉(zhuǎn)換過渡結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖中藍色部分對應(yīng)饋電網(wǎng)絡(luò)1被置于整個多層帶狀線結(jié)構(gòu)的下層部分，距離帶狀線結(jié)構(gòu)下層金屬地板的距離為0.1 mm。圖中橙色部分對應(yīng)饋電網(wǎng)絡(luò)2置于整個多層帶狀線結(jié)構(gòu)的上層部分，距離帶狀線結(jié)構(gòu)下層金屬地板的距離為0.6 mm。

(a) 立體圖

(b) 俯視圖

(c) 側(cè)視圖

如圖10所示的綠色部分，兩個饋電網(wǎng)絡(luò)在走線時出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，利用LTCC技術(shù)多層布線的優(yōu)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(zhì)層來傳輸，完成交叉走線后，再通過垂直轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)回到原饋電網(wǎng)絡(luò)的傳輸層。

3 天線陣列仿真分析

所提出的采用LTCC技術(shù)加載等效腔體結(jié)構(gòu)的60 GHz頻段寬帶雙極化天線陣列結(jié)構(gòu)如圖11所示。16個輻射單元被放置在天線陣列結(jié)構(gòu)的上層，利用了五層LTCC結(jié)構(gòu)。緊湊的多層饋電網(wǎng)絡(luò)被置于天線結(jié)構(gòu)的下層，利用七層LTCC結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，該等效腔體結(jié)構(gòu)的邊長尺寸為2.7 mm。陣列單元的中心間距優(yōu)化后為3.8 mm，約為0.76λ0，其中λ0為真空中60 GHz對應(yīng)的波長。該天線陣列除去兩個GCPW-SL轉(zhuǎn)換過渡結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的雙極化天線陣列的立體圖與截面圖。結(jié)構(gòu)Ⅰ，如圖12(a)所示，為沒有等效腔體結(jié)構(gòu)加載的雙極化天線陣列。結(jié)構(gòu)Ⅱ，如圖12(b)所示，為加載等效腔體結(jié)構(gòu)的雙極化天線陣列。兩種天線陣列除有無加載等效腔體結(jié)構(gòu)外，其他尺寸參數(shù)均相同。

圖10 饋電網(wǎng)絡(luò)交叉過渡結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 加載等效腔體結(jié)構(gòu)的60 GHz寬帶雙極化天線陣列結(jié)構(gòu)圖

從圖13仿真的兩種天線陣列分別對應(yīng)的兩個端口的|S11|和|S22|對比結(jié)果可見，是否加載等效腔體結(jié)構(gòu)，對天線陣列的無論是端口1還是端口2饋電所對應(yīng)的阻抗特性影響很小。對于加載等效腔體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)Ⅱ所對應(yīng)的天線陣列，當端口1激勵時，其對應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)的天線陣列兩端口隔離度|S21|的仿真對比結(jié)果。加載了等效腔體結(jié)構(gòu)的天線陣列與沒有加載的天線陣列分別對應(yīng)的兩個端口之間的隔離度相差很小。對于加載等效腔體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(nèi)|S21|的值小于-25 dB。

圖12 有無加載等效腔體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)兩種不同情況下雙極化天線陣列兩個端口分別對應(yīng)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(jié)構(gòu)的天線陣列(結(jié)構(gòu)Ⅱ)增益約為18.5 dBi，相比與沒有加載等效腔體結(jié)構(gòu)的天線陣列(結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的天線陣列(結(jié)構(gòu)Ⅱ)增益約為17.8 dBi，相比與沒有加載等效腔體結(jié)構(gòu)的天線陣列(結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)Ⅰ，加載了等效腔體結(jié)構(gòu)的天線陣列結(jié)構(gòu)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(nèi)結(jié)構(gòu)Ⅱ具有更平緩的增益帶寬特性。

對有無加載等效腔體結(jié)構(gòu)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(jié)果如圖16所示。通過加載等效腔體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(zhì)表面的電場分布進行仿真，來分析等效腔體結(jié)構(gòu)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(zhì)基板上，特別是介電常數(shù)較高的情況下，天線內(nèi)部會產(chǎn)生較大的表面波傳播效應(yīng)，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(zhì)基板頂層電場分布的仿真結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的天線陣列頂層介質(zhì)基板表面電場分布，通過加載等效腔體結(jié)構(gòu)，在天線單元之間形成了一個電壁，阻擋介質(zhì)內(nèi)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(jié)構(gòu)的雙極化天線陣列基板介質(zhì)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(jié)構(gòu)的雙極化天線陣列基板介質(zhì)頂層表面電場分布

5 結(jié)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(shù)L型探針天線單元結(jié)構(gòu)、“立交橋”式復(fù)雜饋電網(wǎng)絡(luò)，以及加載等效腔體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)天線與芯片的AiP系統(tǒng)封裝集成，滿足寬帶無線通信系統(tǒng)或毫米波雷達系統(tǒng)高性能、高集成度、小型化的應(yīng)用需要。