一种新型毫米波磁电偶极子天线阵列设计

陆贵文 李明鉴



一种新型毫米波磁电偶极子天线阵列设计

陆贵文 李明鉴*

(香港城市大学毫米波国家重点实验室 中国香港)

该文将磁电偶极子天线作为辐射阵子，并应用一种共面波导馈电网络，研究并设计了一种新型4×4毫米波天线阵列。这种设计不仅具有很宽的阻抗带宽和增益带宽，而且价格低廉易于生产。仿真和测试结果表明，此天线阵列的相对阻抗带宽为54.5%, 3 dB增益带宽为37.1%，在工作频带内(40.2~70.0 GHz)，最大增益为18.1 dBi。而基于其他技术设计的4×4毫米波天线阵列(如微带天线、偶极子天线)工作频带宽度一般在20%左右，增益一般在16~17 dBi。所以该文提出的天线阵列设计具有明显的优势。另外，仿真设计结果和实测的电参数数据有较好的一致性。

毫米波天线阵列；磁电偶极子天线；宽带天线

1 引言

为了实现海量数据传输和弥补匮乏的可用频谱，提高载波频率是必然的解决方案。因此，毫米波技术(30~300 GHz)有可观的商用前景。随着毫米波技术的不断革新，多种技术被应用于不同的毫米波频段，例如39 GHz高速信息链、60 GHz短距传输信息链、77 GHz汽车雷达和94 GHz成像雷达。但是，由于毫米波具有较大大气传输损耗的固有物理特性，因此高增益天线阵列将更为广泛地应用于各类毫米波无线通信系统。

微带贴片天线阵列已被设计在毫米波频段，并且采用一些频带拓宽技术来满足不同应用的带宽需求，这些技术包括L形探针馈电[1]、U形槽贴片[2]、背腔结构[3,4]、口径耦合馈电[5]和高介电常数介质贴片[6,7]等。然而，为了实现这些宽带结构，其中大部分设计采用了低温共烧陶瓷技术(LTCC)来满足天线的多层结构设计需要。相比传统印刷电路板技术，这大大增加了生产成本。隙缝天线阵列作为一种传统的天线，是另一种毫米波天线设计方案。其中，文献[8]和文献[9]采用印刷电路板技术制作，成本较低，但它们带宽相对较窄，不能满足有些应用的要求。另外，一些其他种类的天线也被设计在毫米波频段，例如八木天线[11]、偶极子天线[12]、栅格天线[13]、螺旋天线[14]等。这些天线具有宽频带特性，但仍然结构相对复杂，不易于大规模生产。

磁电偶极子天线最初是由Luk等人[15]在2006年提出。这种天线结合了一个电偶极子和一个磁偶极子，来实现单向辐射。其中，电偶极子和磁偶极子分别由一个平面电偶极子和一个1/4波长短路微带贴片天线实现。这种天线具有许多优良的电特性，如较宽的频带、稳定的增益、低交叉极化、低后向辐射以及几乎相等的E面和H面辐射方向图。本文基于工作在微波频段的磁电偶极子天线设计了一种新型毫米波磁电偶极子天线阵列。此天线阵列设计工作在60 GHz，具有宽频带高增益等优点，并且采用传统印刷电路板技术制作，生产成本相对较低。

2 天线阵列设计

2.1 磁电偶极子工作原理

磁电偶极子的组合辐射原理如图1所示，电偶极子的电场辐射方向图在E面为“8”字形辐射在H面为“O”字形辐射，而磁偶极子的电场辐射方向图在E面为“O”字形辐射在H面为“8”字形辐射。磁电偶极子的方向图正是由两种辐射方向图合成，所以前向辐射会得到加强而后向辐射会相互抵消，可以得到心形方向图。故此，磁电偶极子具有低后向辐射的特点。

图1 磁电偶极子的辐射原理

2.2天线阵列结构

磁电偶极子天线阵列结构如图2所示，包括了16个天线阵子和1个共面波导馈电网络，这种馈电网络不仅摒弃在T形结上使用空气桥，而且可以提供成对的差分输出[1]，更重要的是，这种共面结构的馈电网络可以印制在不同厚度的基板上而正常工作。因此，采用这种馈电网络激励的磁电偶极子天线阵列就可以印制在单层基板上，且可以选用(0.787 mm)的相对较厚的基板便于实现磁电偶极子中的1/4波长短路微带贴片天线部分。每一个天线阵子由一个L形探针馈电激励，且探针的输入端改进为共面波导传输线输入，这是为了阵子可以和馈电网络连结方便。其中，本文选用的天线阵子的初步工作发表在文献[16]。另外，由于馈电网络提供成对的差分输出，在轴方向每对相邻的阵子为相对放置且相隔距离为。在轴方向的阵子放置距离为。一个V波段连接头(Southwest Microwave: 1892-04A-6)被安置在天线基板边端，可将电信号通过一个渠化共面波导转换过渡传输到馈电网络。由于这个V波段连接头上表面高过天线口径面，所以在天线阵列与连接头之间的基板被延长了一段长度()来减弱连接头对天线的影响，而且基板的另一端也被延长()来保证辐射方向图的对称性。因此，天线基板的整体尺寸为(1++2×)×2×=29.71 mm×16 mm×0.787 mm。具体的尺寸如表1所示。

图2 天线阵列结构

3 结果与分析

本设计在仿真的基础上，加工了实物并对其进行了测量。天线实物通过使用矢量网络分析仪Agilent E8361A在40~70 GHz 频率范围内对所设计天线的阻抗特性行了测量，并使用室内毫米波远场辐射测量系统对其辐射特性进行了测量。

表1天线阵列参数(mm)

参数G1G2AdtLHVFwFlS1 数值17.2163.40.520.7875.7144.30.41.20.5 参数S2P1P2T1T2W1W2W3C1C2g 数值0.51.051.11.10.90.60.40.080.230.50.05

天线仿真和实测驻波比及增益如图3所示。其仿真及实测的阻抗带宽分别为51.8%(41.2~70.0 GHz)和54.5%(40.2~70.0 GHz)。在工作频带内，其3 dB增益带宽为37.1%(45.6~66.4 GHz)，最大增益为18.1 dBi(60.2 GHz)。天线实物的辐射测量仅在50~70 GHz内完成，这是由于我们的辐射测试系统只能在这个范围内使用。图4为天线在50 GHz, 55 GHz, 60 GHz, 65 GHz的仿真及测试辐射方向图。可以看到，方向图展示了天线的单向辐射特性，且E面和H面比较对称。在工作频带内，实测交叉极化基本小于-20 dB，仿真前后比大于20 dB。另外，由于在60 GHz的仿真天线辐射效率为76%，所以以1×2=17.2 mm×16.0 mm为天线口径的实测口径效率为61.4%。

图3 仿真及实测天线驻波比及增益

4 结束语

本文通过结合工作在毫米波频带的磁电偶极子天线和一种共面波导馈电网络，设计了一款新型宽频毫米波天线阵列。仿真及实测结果证明此天线具有良好的阻抗特性和辐射特性，相对阻抗带宽和3 dB增益带宽均超过了37%，且最大增益也可达到18.1 dBi。更重要的是，此天线可采用印制电路板工艺实现，具有生产成本低，易于大规模生产的特点，可满足未来工作在60 GHz无线通讯系统的需要。

图4 仿真及实测天线辐射方向图

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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

李明鉴 mingjianli2@um.cityu.edu.hk

中国香港RGC项目(9041677(CityU 119511))

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

陆贵文： 男，1958年生，教授，博士生导师，研究方向为贴片天线、平面天线、介质谐振器天线及天线测量技术.

李明鉴： 男，1987年生，博士后，研究方向为宽带天线、毫米波天线与阵列、圆极化天线.