60-GHz LTCC 圆极化螺旋阵列天线

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        1  引言

        60-GHz无线短距离通信和现有的其他通信方式相比，具有更大的通信容量，通信保密等显著优点。如今60-GHz已经成为一个研究热点，特别是60-GHz天线的设计。现在的天线从传统的设计到片上天线，封装天线设计等。设计低损耗的60-GHz通常基于多层LTCC技术。利用各阵列单元馈电相位相差900来拓宽天线的带宽特别是圆极化带宽。利用过孔连接金属圆环来实现螺旋结构。
         
        2  阵列单元设计

        此圆极化阵列单元采用8个三分之一开口圆环，并且每个圆环两端加入两个小环以防止加工过程中通孔的位置不对导致连接不正确使得天线无法正常工作。各个圆环之间采用通孔连接来形成螺旋天线结构。馈电采用带状线通过通孔连接到辐射单元。这样使得馈电部分和天线辐射部分隔离，便于设计阵列时减少馈电网络对阵列的影响。
         
        天线单元结构如图1所示。整个设计的单元为20层。LTCC材料采用Ferro A6-M（介电常数εr为5.9，损耗正切角tanδ为0.002）。每层的厚度为0.1mm，金属的厚度为0.01mm，通孔的半径为0.05mm。阵列单元的尺寸如表I所示。

       

        图1  阵元结构图

        表I  天线阵元详细尺寸

符号	数值	单位
r1	0.3	mm
r2	0.15	mm
r3	0.1	mm
phi	120	degree
h1	0.5	mm
h2	0.3	mm
h3	0.1	mm
h4	0.2	mm

       

        图2  阵列单元的仿真结果

         
        阵元的仿真结果如图2所示表明此阵列单元具有48GHz到69GHz的阻抗带宽和51GHz到72GHz的轴比带宽。此天线性能完全满足60-GHz短距离通信的带宽要求。
         
        3  天线阵列

        如图3所示，我们通过带状线T-junction设计馈电网络，并且利用接地共面波导与带状线的转换器来便于利用探针测试。此阵列的尺寸为12×10×2 mm3。

       

        图3  阵列结构图

         
        4  天线测试

        我们通过矢量网络分析仪（Rohde & Schwarz vector network analyzer (VNA) ZVA75 up to 75 GHz）来测试天线的|S11|，图4为阵列的测试和仿真结果。测试结果表明阵列天线在|S11|小于-10dB的带宽为52.5GHz到65.5GHz。

       

        图4  测试和仿真的|S11|

         
        远场测试采用GSG探针贴着接地共面波导，标准喇叭作为发射天线，待测天线作为接受天线。圆极化性能通过标准喇叭旋转900来表征。图5为天线远场测试平台，标准喇叭离待测天线为15cm，满足远场测试要求。

       

        图5  天线远场测试图

         

        图6表明测试的阵列轴比（<3dB）带宽为54GHz到66GHz。阵列的增益测试和仿真结果如图7所示，结果显示阵列在60GHz时的增益为15.1 dBi。

       

        图6  阵列测试和仿真的轴比

       

        图7  阵列测试和仿真的增益

       

        xz-plane           yz-plane

        图8  阵列在55GHz的方向图

       

        xz-plane           yz-plane

        图9  阵列在60GHz的方向图

       

        xz-plane           yz-plane

        图10  阵列在64.5GHz的方向图

       

        图11  加工天线实物图

         
        5  讨论

        为了分析加工中出现的一些误差，主要是s参数误差，在此我们分析天线的金属宽度和通孔的位置对天线性能的影响。

       

        图12  金属厚度对天线的影响

       

        图13  通孔位置对天线的影响

         

        通过图12-13，可以看出金属厚度和通孔位置对天线的性能几乎没有影响。金属厚度的变化会改变天线的匹配，通孔的位置会使得天线的谐振频率稍微偏移，但整体来说天线的带宽基本保持不变。
         
        6  结论

        本文基于LTCC技术设计和加工4×4的圆极化螺旋阵列天线。测试结果表明此阵列天线具有较宽的阻抗带宽和轴比带宽。而且此阵列天线便于与其他LTCC电路集成。