一種新型毫米波磁電偶極子天線陣列設計

陸貴文 李明鑒

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一種新型毫米波磁電偶極子天線陣列設計

陸貴文 李明鑒*

(香港城市大學毫米波國家重點實驗室 中國香港)

該文將磁電偶極子天線作為輻射陣子，并應用一種共面波導饋電網絡，研究并設計了一種新型4×4毫米波天線陣列。這種設計不僅具有很寬的阻抗帶寬和增益帶寬，而且價格低廉易于生產。仿真和測試結果表明，此天線陣列的相對阻抗帶寬為54.5%, 3 dB增益帶寬為37.1%，在工作頻帶內(40.2~70.0 GHz)，最大增益為18.1 dBi。而基于其他技術設計的4×4毫米波天線陣列(如微帶天線、偶極子天線)工作頻帶寬度一般在20%左右，增益一般在16~17 dBi。所以該文提出的天線陣列設計具有明顯的優勢。另外，仿真設計結果和實測的電參數數據有較好的一致性。

毫米波天線陣列；磁電偶極子天線；寬帶天線

1 引言

為了實現海量數據傳輸和彌補匱乏的可用頻譜，提高載波頻率是必然的解決方案。因此，毫米波技術(30~300 GHz)有可觀的商用前景。隨著毫米波技術的不斷革新，多種技術被應用于不同的毫米波頻段，例如39 GHz高速信息鏈、60 GHz短距傳輸信息鏈、77 GHz汽車雷達和94 GHz成像雷達。但是，由于毫米波具有較大大氣傳輸損耗的固有物理特性，因此高增益天線陣列將更為廣泛地應用于各類毫米波無線通信系統。

微帶貼片天線陣列已被設計在毫米波頻段，并且采用一些頻帶拓寬技術來滿足不同應用的帶寬需求，這些技術包括L形探針饋電[1]、U形槽貼片[2]、背腔結構[3,4]、口徑耦合饋電[5]和高介電常數介質貼片[6,7]等。然而，為了實現這些寬帶結構，其中大部分設計采用了低溫共燒陶瓷技術(LTCC)來滿足天線的多層結構設計需要。相比傳統印刷電路板技術，這大大增加了生產成本。隙縫天線陣列作為一種傳統的天線，是另一種毫米波天線設計方案。其中，文獻[8]和文獻[9]采用印刷電路板技術制作，成本較低，但它們帶寬相對較窄，不能滿足有些應用的要求。另外，一些其他種類的天線也被設計在毫米波頻段，例如八木天線[11]、偶極子天線[12]、柵格天線[13]、螺旋天線[14]等。這些天線具有寬頻帶特性，但仍然結構相對復雜，不易于大規模生產。

磁電偶極子天線最初是由Luk等人[15]在2006年提出。這種天線結合了一個電偶極子和一個磁偶極子，來實現單向輻射。其中，電偶極子和磁偶極子分別由一個平面電偶極子和一個1/4波長短路微帶貼片天線實現。這種天線具有許多優良的電特性，如較寬的頻帶、穩定的增益、低交叉極化、低后向輻射以及幾乎相等的E面和H面輻射方向圖。本文基于工作在微波頻段的磁電偶極子天線設計了一種新型毫米波磁電偶極子天線陣列。此天線陣列設計工作在60 GHz，具有寬頻帶高增益等優點，并且采用傳統印刷電路板技術制作，生產成本相對較低。

2 天線陣列設計

2.1 磁電偶極子工作原理

磁電偶極子的組合輻射原理如圖1所示，電偶極子的電場輻射方向圖在E面為“8”字形輻射在H面為“O”字形輻射，而磁偶極子的電場輻射方向圖在E面為“O”字形輻射在H面為“8”字形輻射。磁電偶極子的方向圖正是由兩種輻射方向圖合成，所以前向輻射會得到加強而后向輻射會相互抵消，可以得到心形方向圖。故此，磁電偶極子具有低后向輻射的特點。

圖1 磁電偶極子的輻射原理

2.2天線陣列結構

磁電偶極子天線陣列結構如圖2所示，包括了16個天線陣子和1個共面波導饋電網絡，這種饋電網絡不僅摒棄在T形結上使用空氣橋，而且可以提供成對的差分輸出[1]，更重要的是，這種共面結構的饋電網絡可以印制在不同厚度的基板上而正常工作。因此，采用這種饋電網絡激勵的磁電偶極子天線陣列就可以印制在單層基板上，且可以選用(0.787 mm)的相對較厚的基板便于實現磁電偶極子中的1/4波長短路微帶貼片天線部分。每一個天線陣子由一個L形探針饋電激勵，且探針的輸入端改進為共面波導傳輸線輸入，這是為了陣子可以和饋電網絡連結方便。其中，本文選用的天線陣子的初步工作發表在文獻[16]。另外，由于饋電網絡提供成對的差分輸出，在軸方向每對相鄰的陣子為相對放置且相隔距離為。在軸方向的陣子放置距離為。一個V波段連接頭(Southwest Microwave: 1892-04A-6)被安置在天線基板邊端，可將電信號通過一個渠化共面波導轉換過渡傳輸到饋電網絡。由于這個V波段連接頭上表面高過天線口徑面，所以在天線陣列與連接頭之間的基板被延長了一段長度()來減弱連接頭對天線的影響，而且基板的另一端也被延長()來保證輻射方向圖的對稱性。因此，天線基板的整體尺寸為(1++2×)×2×=29.71 mm×16 mm×0.787 mm。具體的尺寸如表1所示。

圖2 天線陣列結構

3 結果與分析

本設計在仿真的基礎上，加工了實物并對其進行了測量。天線實物通過使用矢量網絡分析儀Agilent E8361A在40~70 GHz 頻率范圍內對所設計天線的阻抗特性行了測量，并使用室內毫米波遠場輻射測量系統對其輻射特性進行了測量。

表1天線陣列參數(mm)

參數G1G2AdtLHVFwFlS1 數值17.2163.40.520.7875.7144.30.41.20.5 參數S2P1P2T1T2W1W2W3C1C2g 數值0.51.051.11.10.90.60.40.080.230.50.05

天線仿真和實測駐波比及增益如圖3所示。其仿真及實測的阻抗帶寬分別為51.8%(41.2~70.0 GHz)和54.5%(40.2~70.0 GHz)。在工作頻帶內，其3 dB增益帶寬為37.1%(45.6~66.4 GHz)，最大增益為18.1 dBi(60.2 GHz)。天線實物的輻射測量僅在50~70 GHz內完成，這是由于我們的輻射測試系統只能在這個范圍內使用。圖4為天線在50 GHz, 55 GHz, 60 GHz, 65 GHz的仿真及測試輻射方向圖。可以看到，方向圖展示了天線的單向輻射特性，且E面和H面比較對稱。在工作頻帶內，實測交叉極化基本小于-20 dB，仿真前后比大于20 dB。另外，由于在60 GHz的仿真天線輻射效率為76%，所以以1×2=17.2 mm×16.0 mm為天線口徑的實測口徑效率為61.4%。

圖3 仿真及實測天線駐波比及增益

4 結束語

本文通過結合工作在毫米波頻帶的磁電偶極子天線和一種共面波導饋電網絡，設計了一款新型寬頻毫米波天線陣列。仿真及實測結果證明此天線具有良好的阻抗特性和輻射特性，相對阻抗帶寬和3 dB增益帶寬均超過了37%，且最大增益也可達到18.1 dBi。更重要的是，此天線可采用印制電路板工藝實現，具有生產成本低，易于大規模生產的特點，可滿足未來工作在60 GHz無線通訊系統的需要。

圖4 仿真及實測天線輻射方向圖

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Novel Millimeter-wave Magneto-electric Dipole Antenna Array

Luk Kwai-man Li Ming-jian

(,,,)

This paper presents a new 4×4 millimeter-wave antenna array, which adopts the magneto-electric dipole as the radiating element and a type of coplanar waveguide feed network to excite the array. This design not only provides very wide impedance and gain bandwidths, but also has features of low cost and ease in fabrication. The simulated and measured results reveal that this array exhibits a wide impedance bandwidth of 54.5% and a wide 3 dB gain bandwidth of 37.1%. Over the operating frequency band (40.2~70.0 GHz), the maximum gain is 18.1 dBi. However, other 4×4 millimeter-wave antenna arrays, designed based on microstrip patch antenna or electric dipole antenna, have the operating bandwidth of about 20% and the gain of 16~17 dBi. Hence, the proposed antenna has an obvious advantage. In addition, the simulated and measured results have a good agreement.

Millimeter-wave antenna array; Magneto-electric dipole antenna; Wideband antenna

TN821

A

1009-5896(2015)10-2517-04

10.11999/JEIT150038

2015-01-08；改回日期：2015-06-03；

2015-07-18

李明鑒 mingjianli2@um.cityu.edu.hk

中國香港RGC項目(9041677(CityU 119511))

The RGC Item of Hong Kong (9041677(CityU 119511))

陸貴文： 男，1958年生，教授，博士生導師，研究方向為貼片天線、平面天線、介質諧振器天線及天線測量技術.

李明鑒： 男，1987年生，博士后，研究方向為寬帶天線、毫米波天線與陣列、圓極化天線.