60 GHz低损耗宽带的超表面天线阵列

柯翔敏，施晨昀，陈江，陈瑞虹

(1. 华侨大学 网络与教育技术中心，福建 厦门 361021；2. 南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210000)

在5G概念提出后，人们对于更高速率通信的需求日益迫切，其中，毫米波频段通信技术受到人们更多的关注.毫米波系统因为工作频段高，有着通信速率快、穿透性强，分辨率高的优点.天线作为毫米波无线通信系统最前端，是决定整个系统通信速率和通信带宽的重要组件.文献[1]提出一种基于低温共烧陶瓷(LTCC)工艺的高性能毫米波天线，但其造价高昂无法进行稳定量产.介质集成波导是毫米波天线的另一备选方案，但其本身的传输带宽较窄约为7%[2-3].文献[4]基于介质集成波导提出一种背腔宽带天线，但其纵向剖面为3.6倍的波导波长，不利于集成,且传输损耗随阵列尺寸增大而快速上升.

Kildal等[5]于2012年首次提出了间隙波导传输线概念.间隙波导传输线比等长度微带线和空气波导拥有更低的传输损耗，随后陆续报导了基于间隙波导的几种毫米波天线[6-7].但是，文献中为了天线宽带效果增设的附加结构依然具有高剖面的缺点.近年来关于宽带超表面天线的研究成果给出了可能的解决方案[8-10]，文献[7]基于文献[11-15]的研究成果，提出了适用于sub-6 GHz频段的宽带超表面，该天线具有超低剖面宽带特性.在此基础上，本文提出一种结合宽带超表面和间隙波导传输结构的毫米波天线阵列，并进行实际的安装测试.

1 天线主体结构

天线阵列分为辐射结构和馈电网络两部分,如图1所示.图1中：上部辐射结构由金属盖板上的耦合缝隙与顶层的超表面组成.馈电网络是间隙波导结构，它包含了一分二金属条带传输线和周期性金属柱构成的带阻结构.金属条带传输线末端为WR-15过度结构，能量从背面波导口馈送进入天线.天线阵列剖面为3.5 mm，约等于0.67 倍的波长(60 GHz).

(a) 天线结构示意图 (b) 实际加工的天线阵列图1 天线阵列的主体结构Fig.1 Main structure of antenna array

(a) 超表面顶层 (b) 超表面底层 图2 超表面的结构示意图Fig.2 Schematic diagram of super surface

1.1 超表面结构的设计

图2为超表面的结构设计，图3为超表面辐射体的特征模电流.图2中：ws为枝节宽度；wg为缝隙宽度；wc为中缝宽度；wf为馈电缝隙宽度；lf为馈电缝隙长度.由图2可知：超表面由13块间隔0.1 mm的矩形贴片(0.85 mm×0.85 mm)组成，超表面底层为馈电缝隙(2.5 mm×1 mm).通过电磁仿真可以发现，其表面电流幅度存在3个零点(图3(a))，验证了超表面结构引入的是准TM30的谐振模式.

超表面辐射体的特征模电流依次对应天线的正交特征模mode1 4，如图4所示.

(a) 天线表面电流 (b) 模式电流1 (c) 模式电流2

(d) 模式电流3 (e) 模式电流4图3 超表面辐射体的特征模电流Fig.3 Characteristic mode current of trans-supersurface radiator

图4 不同特征模电流的模式效率Fig.4 Mode efficiency of different characteristic mode currents

图4中：|ηMS|为模式效率；f为频率.由图4可知：mode 1与mode 2的中心点表面电流幅值最高，为法向辐射模式，而mode 3与mode 4的中心点为表面电流零点，是全向辐射模式.

根据特征模理论，辐射结构的特征电流可以被视为几个正交电流对叠加的结果[12].即

ImJn=λn·ReJn,

(1)

(2)

式(1),(2)中：Re和Im分别为特征输入阻抗实部和虚部；Jn为特征表面电流；λn为特征电流的本征值；|ηMS|为模式效率，当其大于0.8时，表示所对应的模式为主要工作模式.对上部辐射结构利用特征模工具计算模式效率，并按照谐振频点由低到高进行模式分类.

由图4可知：位于超表面下方的缝隙谐振为49.8～56.6 GHz，准TM30模式即mode 1的谐振为53.0～70.0 GHz；当工作频率大于65 GHz时，作为mode 1的正交特征模的mode 2与高阶全向辐射模式mode 4也开始辐射.考虑到天线交叉极化电平与天线辐射方向图的稳定性，天线应当工作于49.8～65.0 GHz的频带范围内.

1.2 间隙波导功分器的设计

间隙波导功分器中，通过调整周期性金属柱的尺寸和分布距离可以在特定频段内形成人造磁导体.根据微波理论，人造磁导体等效微波开路可以屏蔽电磁波泄露，并降低传输损耗.图5为周期性单元禁带图.图5中：β为相移常数；f为频率;电磁波能量在传输线上方0.1 mm厚度的空气层中传播，其他方向传播的能量都会被周期性单元屏蔽，而周期性单元能提供的禁带为48.0～67.0 GHz.

间隙波导功分器的基本形式，如图6所示，其由传统的一分二金属脊线和人造磁导体填充结构共同组成.具体的尺寸参数如下：枝节宽度(Ws)为0.86 mm；枝节长度(Ls)为0.68 mm；变换端宽度(Wt)为

图5 周期性单元禁带图 图6 间隙波导功分器Fig.5 Stopband diagram of periodic structure Fig.6 Gap waveguide power divider

0.8 mm；变换端长度(Lt)为2.2 mm；传输线宽度(WT)为0.34 mm；缝隙中心距离(Wa)为5.15 mm.传输线末端为一阻抗变换结构，用于调整功分器和馈电缝隙之间的阻抗匹配.

当电磁波能量传输至传输线末端时，能量透过上方金属层的缝隙与微带超表面进行耦合，进而辐射到空间中.间隙波导与其他传输结构的60 GHz单位长度传输损耗对比，如表1所示.表1中：f为工作频率.由表1可知：间隙波导的传输损耗相比微带线降低了87%，与矩形波导的传输损耗最为接近，且无需精密焊接，制造成本下降50%以上.

表1 不同传输类型的传输损耗对比Tab.1 Comparison of transmission loss ofdifferent transmission types

2 天线阵列性能对比

使用HFSS对天线阵列进行有限元仿真，得到阵列的匹配带宽在49.0～64.0 GHz,如图7～10所示.由图7～10所示可知：实际测量结果显示天线能够工作在48.5～64.8 GHz，与仿真结果一致性较好，覆盖了5G 毫米波通信的无授权频段.实测天线增益在工作频段内可达11.8 dB，且交叉极化电平在-25 dB.基本满足室内短距离通信的需求.

图7 天线的工作带宽 图8 天线的阵列增益Fig.7 Operating band of proposed antenna Fig.8 Realized gain of antenna array

图9 XOZ平面方向图 图10 YOZ平面方向图Fig.9 Radiation pattern (XOZ plane) Fig.10 Radiation pattern (YOZ plane)

表2 不同设计的天线性能对比Tab.2 Antenna performance comparison of different designs

文中所设计的天线阵列与参考文献中的天线性能对比，如表2所示.由表2可知：相比较其他文献提供的天线阵列，文中所提出的天线阵列具有宽带、低剖面的优势.

3 结束语

基于特征模理论，提出一种60 GHz毫米波天线阵列，并对天线性能和表面辐射做出预测.天线具有低损耗，宽带的特点.经过实测验证,该天线能够工作于48.5～64.8 GHz的范围，覆盖了57.0～64.0 GHz的无授权通信频段,且具有11.8 dB的增益，结果与理论分析结果吻合.