面向微波毫米波頻段協同的共口徑天線研究綜述

鄭少勇　向炳潔

【摘? 要】針對面向5G、6G等下一代移動通信系統中所需的微波毫米波頻段協同共口徑天線進行總結和展望。首先介紹了采用多端口的頻段協同共口徑天線的主要實現方式。其次，重點介紹系列單端口頻段協同天線的原理、實現方法以及性能指標，并進一步介紹對應頻段協同電路的實現。最后，對微波毫米波頻段協同天線的后續發展進行展望。

【關鍵詞】天線;共口徑;大頻率比;6G

0? ?引言

移動互聯網與物聯網的高速發展實現了人與人、物與物、人與物之間的全方位互聯，深刻影響著人類生活工作的方方面面。隨之帶來的移動數據流量爆炸性增長無疑對移動通信的傳輸帶寬、速率、容量提出了更高的要求，使得發展下一代無線通信成為一個必然趨勢。雖然多進多出（MIMO）、正交頻分復用（OFDM）和載波聚合（CA）這些技術在一定程度上增大了通信容量和通信速率，提高了頻譜資源利用率，緩解了頻譜資源的擁擠程度。但對于下一代無線通信系統中Tbps為單位的數據接入速率和物聯網中的大量接入終端，微波頻段的頻譜資源以及微波設備的絕對帶寬顯得捉襟見肘[1]。高頻毫米波頻譜資源豐富，采用毫米波工作不僅能夠有效緩解低頻頻譜資源緊張的現狀，而且可以實現極高速短距離通信，滿足系統容量和傳輸速率等方面的需求[2]。但是毫米波信號存在傳輸損耗大、繞射能力弱等缺點，在傳輸距離和信號覆蓋范圍上大大受限[3]，難以滿足移動無線通信中無縫連接、低時延、高可靠性等要求。因此可以預見，微波和毫米波協同工作制式將成為未來無線通信的必然趨勢[4]，這給下一代無線通信系統的實現帶來巨大挑戰。

作為無線通信系統中負責信號收發的關鍵器件，天線必須具備上述微波毫米波頻段協同工作的特性。因此，可以預見，微波毫米波頻段協同共口徑天線將在下一代移動通信中扮演重要角色。

1? ?多端口頻段協同天線

實現雙頻或者多頻天線的常見方法是利用諧振器的多模特性，但基于此方法的天線結構所具有的頻率比值通常小于3，遠遠小于同時覆蓋微波毫米波頻段所需要的頻率比值。因此實現能夠同時覆蓋微波毫米波頻段的雙頻共口徑天線最直接方法是將獨立工作在微波頻段和毫米波頻段的天線的兩個天線單元單獨放置，然后分別使用兩個獨立的饋電端口對兩個天線單元單獨進行饋電。

1.1? 傳統多端口大頻率比雙頻天線

Y P ZHANG等人將工作于毫米波頻段的微帶柵格天線和工作于微波頻段的折線微帶天線左右放置，通過兩個獨立端口分別對毫米波單元和微波單元進行饋電，使得天線能夠同時工作在2.4 GHz、5.2 GHz、60 GHz三個頻率點[5-6]。為了減小天線整體尺寸，K W LEUNG等人則將工作在微波頻段的矩形貼片天線和工作在毫米波頻段的基板集成介質諧振天線（Substrate-Integrated Dielectric Resonator Antenna）結合在一起。具體將矩形貼片中心掏空以預留空間放置毫米波單元，同時通過加載通孔和金屬過孔來確定介質諧振天線的尺寸大小并減小兩個天線單元之間的相互影響。毫米波單元通過地板上的耦合縫隙進行饋電，而微波單元則通過正交的探針饋電或者I型縫隙差分饋電，從而在微波頻段形成圓極化[7]或者線極化[8]的輻射特性。基于該設計方法，可在不改變毫米波頻段輻射特性的前提下根據設計需要靈活地選擇微波天線單元的輻射特性。

1.2? 基于結構復用的多端口大頻率比雙頻天線

為了進一步減小天線的整體尺寸，在微波天線結構和毫米波天線結構之間實現結構復用是一種有效的方法。

K W LEUNG團隊巧妙地將平行波導諧振天線和法布里-珀羅腔體天線進行了融合設計[9]，其結構主要由兩塊τ型金屬板垂直于地板平行放置組成，τ型金屬板通過頂端的τ型的條帶進行饋電，形成工作于微波頻段的平行平面波導諧振天線。與此同時，利用兩塊平行平板的中間區域形成法布里-珀羅腔體，通過L型和半圓的套筒饋電，在毫米波頻段形成輻射。由于兩個輻射單元之間有平面金屬板相互隔開，兩個頻段之間擁有較好的隔離效果。

此外，該團隊還利用底部空心的介質諧振器來實現了微波頻段和毫米波頻段的輻射集成[10]。首先，通過外部的條帶來激勵整個介質諧振器實現微波頻段的輻射。對于毫米波頻段，利用四分之一波長厚度的介質材料作為部分反射表面（Partial Reflective Surface）與空氣腔體以及地板一起構成了法布里-珀羅腔體，通過地板縫隙進行激勵。上述兩個設計巧妙地實現了毫米波單元和微波單元的結構復用，有效減小了這類天線的整體尺寸。

1.3? 基于SIW的多端口大頻率比雙頻天線

基板集成波導（SIW， Substrate-Integrated Waveguide）縫隙天線由于其損耗小、平面集成度高等優點，在毫米波頻段被廣泛使用。此外，基板集成波導結構具有天然的高通特性，可用以增強兩個天線單元之間在微波頻段的隔離度。例如，Y J LI團隊使用左右分布的2個L型走線的基板集成波導縫隙天線來分別覆蓋28 GHz和38 GHz的毫米波頻率[11]。在上述兩個毫米波天線單元中間使用微帶單極子天線，單極子天線與SIW上層的金屬層發生相互耦合作用，從而額外形成了3個圓環電流和1個倒F天線，因此該設計可以工作在7個頻點，其中5個位于sub 6G的微波頻段，2個位于28 GHz和38 GHz的毫米波頻段。為進一步實現結構復用，該團隊還提出了一種具有雙傳輸（quasi-TEM和TE10-like）模式的復合微帶傳輸線[12]：該結構由兩層介質基板組成，其中上層為SIW層，而下層為底部附銅的普通介質板。在毫米波頻段，利用SIW縫隙天線進行輻射;在微波頻段，整個SIW層類似于具有一定厚度和寬度的微帶，與下層地板構成了傳統的微帶傳輸線，通過在傳輸線周圍加載寄生貼片來形成微波的輻射。而Y J CHENG團隊采用SIW縫隙天線陣列作為毫米波天線單元，與此同時由于在微波毫米波頻段下，器件的電尺寸具有較大差異，因此在微波頻段，整個SIW層等效為具有一定厚度的貼片天線[13]。為了增強兩個端口在毫米波頻段的隔離，在微波天線單元的饋線上引入了緊湊型微帶諧振單元（Compact Micro-strip Resonant Cell）來充當低通濾波器，以阻止微波饋電端口的毫米波信號進入到毫米波天線單元。此外，通過折疊貼片天線[14]，可以進一步實現天線小型化。

2? ? 單端口大頻率雙頻天線

上文所提到的天線結構都具有兩個或者兩個以上的饋電端口分別對微波單元和毫米波單元進行饋電，而在無線通信系統中，同一個制式的標準通常需要同一條射頻鏈路進行數據傳輸，使得上述多饋電端口的設計在實際應用中受到了限制。基于此背景，本節提出了基于單饋電端口的具有大頻率比的雙頻共口徑天線。

由于在雙饋電端口的結構可以對微波單元的饋電端口只輸入對應微波頻率的信號，而對毫米波單元的饋電端口只輸入對應毫米波頻率的信號，兩個天線單元之間的影響較小。而在單饋電端口結構中，微波信號和毫米波信號需要同時從同一端口輸入，因此單饋電端口的大頻率比雙頻共口徑天線的設計難點主要在于如何消除兩個天線單元之間的相互影響。

C H CHAN等人通過在饋電端口與天線單元之間引入對應頻率的濾波器來消除微波和毫米波信號之間相互影響[15]。在該設計中，微波天線單元和毫米波天線單元分別位于饋電端口兩端，在饋電端口和微波天線單元之間同樣引入了緊湊微帶諧振單元作為低通濾波器來濾除饋電端口中毫米波信號部分，只允許微波波段信號通過到達微波貼片天線輻射單元;而在饋電端口和毫米波天線單元之間引入縫隙耦合饋電方法充當高通濾波器，來濾除饋電端口中微波信號部分，只允許毫米波波段信號通過到達毫米波短路貼片天線輻射單元。因此只有對應頻率的信號進入到對應的輻射單元，消除了兩個天線單元之間的相互影響。但結構中引入了額外的濾波器結構，增大了天線尺寸。

2.1? “信號導向”工作原理

為實現對兩個工作在不同頻段的單元進行有效饋電的通用方法，S Y ZHENG團隊提出了“信號導向”（Signal Routing）概念，可以將微波信號和毫米波信號分別單獨“導入”到對應的天線輻射單元之中[16]。其具體結構如圖1所示，該結構主要由上層（Substrate I）微帶傳輸線線和下層（Substrate II）介質集成波導（SIW）構成。其中上下兩層使用的板材均為羅杰斯RT/Duroid 5880，其介電常數為2.2，其仿真結果如圖2所示。

從圖中可知，如果移走SIW層而保留地板層的縫隙，在25 GHz到35 GHz的頻率范圍內，該模型的回波損耗均小于1 dB，意味著在該頻率范圍內幾乎所有能量都不能通過微帶線到達輸出端口，這說明縫隙耦合可以阻止毫米波信號從微帶線進入到Port 2。與此對應，當SIW層位于地板下方時，在28.9 GHz 到32.4 GHz的范圍內，該模型回波損耗都優于-15 dB，并且插入損耗都小于0.5 dB，因此耦合縫隙實現了微波信號和毫米波信號分離的作用，微波頻段的信號直接通過微帶傳輸線到達Port 2，而毫米波信號需要經過進入SIW層后才到達Port 2。因此如果用上層微帶傳輸線為微波波段天線單元饋電，而使用下層SIW層為毫米波天線單元饋電，將可以消除兩個天線單元之間的相互影響。基于上述“信號導向”結構，該團隊針對不同應用場景實現了兩款微波毫米波頻段協同天線。

2.2? 大頻率比雙頻天線設計I

天線I結構如圖3所示，由工作在微波頻段的環形天線和毫米波頻段的SIW縫隙天線構成。為保證一定的工作帶寬，環形天線工作在TM12模式，而SIW縫隙天線則工作在TE110和TE120模式。在基板II的底部，50 Ω微帶線通過位于地板的縫隙對SIW縫隙天線進行饋電，并進一步延伸至金屬過孔處，通過金屬過孔對環形天線饋電。

天線I的S參數如圖4所示。從圖4中可以看出，在微波頻段，仿真和測試-10 dB阻抗匹配帶寬（|S11|<-10 dB）分別為2.8%（5.74 GHz～5.9 GHz）和3.1%（5.76 GHz～5.94 GHz），在毫米波頻段仿真和測試的阻抗帶寬分別為6.4%（29 GHz～30.9 GHz）和8.1%（28.6 GHz～31 GHz）。該設計在兩個頻段最大輻射方向都指向Z軸，具有相同的輻射特性。

2.3? 大頻率比雙頻天線設計II

在特定應用場景下，兩個頻段所需要的輻射特性可能是不一樣的，因此天線需要在微波和毫米波頻段實現不同的輻射特性。譬如，微波頻段具有全向圓極化的輻射特性，而在毫米波波段具有定向線極化的特性。為滿足上述需求，該團隊設計了天線II，其結構如圖5所示。微波天線單元采用金屬過孔和枝節線加載的圓形貼片天線，毫米波天線單元仍然使用SIW縫隙天線。與天線I不同的是，天線II中，毫米波天線單元與微波天線單元左右放置，兩者的金屬地板通過并行微帶線相互連接。同樣的，在介質基板II的底部，50 Ω的微帶線先通過縫隙耦合對毫米波單元饋電，緊接著通過金屬過孔對微波單元進行饋電。

天線II在S參數的仿真和測試結果如圖6所示，測試結果顯示，該設計在微波頻段-10 dB阻抗匹配帶寬為18.8%（5.44 GHz～6.57 GHz），在毫米波段-10 dB阻抗匹配帶寬為5.6%（29.2 GHz～30.9 GHz）。圖6（c）給出了該天線在θ=30°的角度上左旋圓極化增益隨頻率的變化。

3? ?單端口大頻率比雙頻器件

為配合上文所提出的具有大頻率比的共口徑雙頻天線，需要對射頻前端的其他無源器件，如濾波器、耦合器等也進行相應的大頻率比的設計。

3.1? 大頻率比雙頻濾波器設計

圖7所示為一款具有大頻率比值的雙頻濾波器[17]。其上層部分由SIR帶通濾波器串聯低通濾波器組成，以防止毫米波頻段的信號直接從微帶線傳輸到Port 2，而下層為三階圓形SIW腔體，通過地板上的縫隙為毫米波信號提供通路。

其仿真測試結果如圖8所示。實測結果顯示，兩個通帶的中心頻率分別為2.37 GHz和29.84 GHz，對應的3 dB帶寬分別為19.41%和6.5%，通帶中心頻率處的插入損耗分別為0.75 dB和1.74 dB。兩個通帶之間實現了較好的阻帶抑制，在3.25 GHz～28.2 GHz這個頻率范圍內，抑制水平均大于23 dB。

3.2? 獨立可調雙頻濾波器設計

基于上述結構，S Y ZHENG團隊還實現了一款具有超大頻率比并且單獨可控的雙頻濾波器[18]。該電路具體結構如圖9所示，其中微波部分仍然采用SIR結構，通過可變電容實現微波段工作頻率的可控，而毫米波部分采用3階矩形腔體，通過調整金屬柱的高度實現毫米波段工作頻率的可控。

該結構的仿真結果如圖10所示，在微波頻段調節變容二極管的電容值，變化范圍為0.3 pF～1.4 pF，隨著Cv取值的增大，微波頻帶的中心頻率向低頻移動，可調范圍為1.2 GHz～1.6 GHz，而毫米波通帶特性基本不變，中心頻率固定在31 GHz附近。同樣的，固定變容二極管的容值為0.5 pF，改變金屬圓柱的插入深度，變化范圍為0～0.8 mm，隨著圓柱插入深度h0的增大，毫米波通帶中心頻率向低頻移動，可調范圍為29.5 GHz～32.5 GHz，而微波頻段的通帶特性基本不變，中心頻率固定在1.5 GHz附近。

3.3? 大頻率比雙頻耦合器設計

除了濾波器，無線通信系統通常需要耦合器等功率分配器件來為天線提供所需的幅度和相位特性，因此S Y ZHENG團隊還提出了具有大頻率比的雙頻耦合器[19]。其結構如圖11所示，其中上層為工作在0.9 GHz的微帶分支線耦合器，而下層為工作在30 GHz的基板集成波導耦合器。其性能如圖12所示，該耦合器在微波段和毫米波段分別具有20.7%（0.789 GHz～0.96 GHz）和6.1%（29 GHz～30.8 GHz）的工作帶寬。

3.4? 大頻率比雙頻多功能器件設計

為適應不同應用場景，文獻19還提出了具有大頻率比而具有不同功能的雙頻功率分配器件，其結構如圖13所示，其中上層保留了原有的分支線耦合器，而將下層的結構改用為功分器，從而在微波頻段起到耦合器的功能，而在毫米波頻段起到功分器的功能。其測試仿真結果如圖14所示，在微波頻段，該器件實現了耦合器的功能，工作帶寬為20.7%（0.78 GHz～0.96 GHz）;在毫米波頻段，該器件實現了功分器的功能，工作帶寬為14.9%（16.7 GHz～30.8 GHz）。

4? ?結束語

本文總結了微波毫米波頻段協同共口徑天線的發展現狀。首先對多端口頻段協同共口徑天線進行歸納總結，進一步對單饋電端口頻段協同共口徑天線的工作原理和實現方式進行了詳細的闡述，并在此基礎上介紹了具有大頻率比的雙頻濾波器、雙頻耦合器和雙頻多功能器件。

微波毫米波頻段協同天線需要同時覆蓋兩個頻段，噪聲、互耦等干擾帶來的影響加劇，而濾波特性的集成可有效提升天線的抗干擾性能和集成度，因此濾波集成將會是這類天線的關鍵研究方向之一。此外，下一代移動通信對天線的工作頻率和輻射特性提出了更高要求，因而頻率和輻射特性的可重構將是這類天線的另一重要研究方向。

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作者簡介

鄭少勇：副教授，博士生導師，現任職于中山大學電子與信息工程學院，研究方向為5G無線通信關鍵組件、無線能量傳輸、電磁能量回收、差分演化算法等。

向炳潔：碩士畢業于中山大學，現任中山大學電子與通信工程學院研究助理，主要研究方向為微波毫米波電路與天線。