一种高增益5G毫米波缝隙天线的设计

胡 广,李仲茂，邱 昕

(中国科学院微电子研究所 通信与信息工程研发中心，北京 100029)

0 引言

随着社会的高速发展，高速率、高质量、低延迟的视频和多媒体应用对无线通信系统的带宽提出了新的挑战。目前移动通信网络进入第五代(5G)，提供5～50 Gb/s的传输速率以满足不断增长的大数据的需求[1]。无线电频谱逐渐向3.6 GHz以上发展，特别是6 GHz以上的毫米波频段近年来得到国内外研究人员的高度关注[2]。5G毫米波通信在覆盖范围、设备连接数量、数据传输速率和系统容量等方面能够得到全面提升，可为各种高速数据传输提供有效的解决方案。2019年，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)将24，28，37，39和47 GHz分配为5G移动通信毫米波频段[3]。毫米波频段相比于6 GHz以下低频段的电磁波，具有信号传输损耗较大的问题。为克服上述缺陷，将具备高品质因素、高功率容量、低损耗、低成本、高可靠性和高集成度等优点的基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)结构引入到普通贴片天线结构中[4]，即在介质基板中按照一定排列方式形成周期性金属化通孔，形成一种类似于介质填充的矩形波导结构[5]。为了更好地提高天线的增益和扩展天线的阻抗带宽，在天线结构中引入SIW结构成为近年来天线设计和研究的热点。文献[6]将SIW技术应用于背腔缝隙天线的设计中，该结构能够有效解决传统金属波导缝隙天线的质量大、体积笨重且加工制作成本高昂等缺点。在天线上加载SIW技术可实现天线的高增益、宽频带和小型化[7-10]。此外，文献[11-12]分别将半模和1/4模SIW结构引入,实现天线的宽频带工作特性。为了获得更好的阻抗匹配效果，将锥形微带到SIW过渡形式的微带网络馈电应用于阵列天线实现宽带阻抗匹配[13]。文献[14]通过采用超材料改善天线增益，并采用SIW结构进行馈电实现一款高增益的Ka波段渐变缝隙天线。文献[6-14]采用SIW技术实现高增益和宽频带信号传输，但天线结构较为复杂，导致加工成本较高，同时不利于与微波毫米波系统集成。

本文利用经典缝隙微带天线技术，通过加载SIW腔体结构拓展天线工作带宽，提出了一种应用于5G毫米波通信的高增益宽带基片集成波导缝隙天线设计方案，采用三维电磁场仿真软件进行天线建模，并进行仿真分析及优化。研究结果表明，该缝隙天线工作在28 GHz毫米波频段，具有较好的辐射特性，且结构简单、加工成本低，易于与电路集成，能够应用于毫米波移动通信系统中。

1 天线结构设计

根据天线理论可知，缝隙天线的最初结构形式为在同轴管、波导管或谐振腔的壁上开窄缝，使电磁波经缝隙向外空间辐射电磁波能量[15]。而SIW的传播特性与传统的金属波导相似，在SIW上开具备辐射特性的窄缝结构，进而形成SIW缝隙天线。经典的SIW结构示意如图1所示。

图1 基片集成波导结构示意

本文采用三维电磁仿真软件对天线进行结构建模，仿真模型如图2所示。天线二维平面结构如图3所示。

图2 天线仿真模型

(a)天线俯视图

由图3可以看出，SIW谐振腔、缝隙辐射面和馈电网络集成在同一块介质基板上。该结构设计能够满足微波毫米波电路或器件集成的设计要求，同时可有效地避免传统金属腔体天线体积笨重的缺点。

采用金属过孔均匀地分布在天线介质基板的边缘，该结构形式束缚电磁波的传输路径，形成一种类似于金属波导类型的传输线，最终以等效电壁的形式构成谐振腔体。同时，在腔体内部分别刻蚀双倒“L”和“十”字型缝隙，实现能量向外辐射。天线的谐振频率由SIW谐振腔和缝隙的尺寸决定。

为了扩展天线的工作带宽，天线馈电方式采用阶梯渐变结构实现阻抗变换。采用50 Ω微带线和SIW腔体进行阻抗匹配，整个微带天线的平面尺寸为19 mm×24 mm，采用介电常数为2.2，损耗正切角tanδ为0.000 9，厚度h为0.254 mm的Rogers 5880作为介质基板。选择该种材质，是因为这种介质基板性能相对稳定、损耗较小，能够满足毫米波频段电磁信号的传输需求。

在结构设计过程中，为了尽量减小构成谐振腔体的金属化通孔所造成的能量泄露，金属化通孔的设计必须满足式(1)[16]，同时考虑到通孔和直径加工工艺的极限，取金属通孔的直径d=0.5 mm，相邻通孔之间的距离S=0.6 mm。

SIW谐振腔需要支持多种谐振模式，在特定的工作模式下，SIW腔体的几何尺寸与本征谐振频率的关系需满足[17-18]：

(1)

(2)

Weff=Wc-1.08(d2/s)+0.1(d2/W2)，

(3)

Leff=Lc-1.08(d2/s)+0.1(d2/Lc)，

(4)

式中，m，n，p为正整数；μr为相对磁导率；εr为相对介电常数；Lc为腔体的长度；Wc为腔体的宽度；Leff为腔体的等效长度；Weff为腔体的等效宽度；d为金属通孔的直径；S为金属通孔中心间距；h为介质基板的厚度。

2 天线参数优化

利用三维电磁仿真软件对天线模型进行仿真分析。通过对天线各结构参数进行参数扫描，分析参数变化对天线谐振工作频率的影响，最终得到天线的各个结构参数。

天线的整体尺寸可以根据所需的工作频率计算得到。通过各参数扫描，研究其对阻抗匹配的影响，最终确定最优结果。

Wf表示天线馈线的宽度，采用控制单一变量的方法对天线的馈线参数Wf进行选择，保持其他参数不变。Wf分别取0.90，1.03，1.25 mm进行仿真，仿真结果如图4所示。

由图4可以看出，馈线宽度Wf对天线的工作带宽影响较小，影响天线的阻抗匹配程度，其大小决定天线工作频率处的端口回波损耗的大小。通过仿真结果发现，在馈线宽度Wf=1.03 mm时，天线回波损耗最小且满足工作频率的设计要求。采用同样的方法分别对“十”字缝隙的L1和W1进行参数扫描分析，仿真结果如图5所示。

图4 馈线宽度对天线谐振频率的影响

(a)L1对天线谐振频率的影响

由图5可以看出，天线辐射面上部的“十”字缝隙的长度L1和宽度W1均对天线回波损耗S11的大小和谐振频率均产生较大的影响。随着L1的增大，天线谐振频率向低频方向移动，其大小随之变小。随着W1的增大，天线谐振频率向高频方向移动，其大小也随之变小。通过不断调节“十”字缝隙的其他参数可以实现天线工作在5G毫米波的工作频段，并满足天线对通信带宽的要求。天线SIW腔体结构对天线回波损耗的影响如图6所示。

图6 SIW结构对天线回波损耗的影响

由图6可以看出，基于SIW技术的缝隙天线较传统缝隙天线工作带宽更宽，且带内端口的回波损耗更小，提高了天线的工作性能。

为了进一步研究天线缝隙及SIW结构对天线辐射特性的影响，对天线表面辐射贴片及渐变微带馈电的电流分布进行仿真。图7给出了天线谐振频率28.07 GHz时不同电相位下电场强度的分布图，可以看出电场主要分布在天线馈线、“十”缝隙和双倒“L”处，验证天线沿缝隙进行能量传播的理论。

φ=0°

天线增益、辐射效率和辐射方向图作为衡量天线收发信号能力的重要指标，是天线性能的重要参数之一。鉴于实验条件限制，只对天线的增益、辐射效率及辐射方向图进行三维电磁场仿真。天线增益和辐射效率随频率变化仿真曲线如图8所示。

图8 天线增益和辐射效率变化曲线

在天线回波损耗S11≤-10 dB的频率范围内，天线增益是不断上升的。在谐振工作频率28.07 GHz处增益为9.43 dBi，频带内增益最小为8.33 dBi，整个工作频段内天线具备高增益特性，可有效保证通信信号的高速传输。天线在谐振工作频率28.07 GHz处的XOZ面和YOZ面的主极化和交叉极化的远场增益辐射方向图如图9所示。

(a)XOZ面

由方向图可以看出，天线具备较好的全向电磁波辐射特性。天线在XOZ面和YOZ面的主极化方向图在±15°基本上是一致的，且XOZ面和YOZ面的半功率波束宽度分别达到39.43°和99.10°。此外，XOZ面交叉极化处于很低的水平，而YOZ面交叉极化水平略高，电平为-20 dB。因此，所设计的天线在YOZ面具有更好的交叉极化水平。

除了上述分析的参数，天线结构的其他参数对天线的性能也有一定影响，最终利用电磁仿真软件对天线的其他参数进行优化，得到天线各个结构参数，如表1所示。

表1 天线结构参数

3 天线实测和性能分析

为了验证天线的性能指标情况，根据表1各个参数值加工制作天线PCB，天线测试接头选择型号为1492-02A-5，西南微波公司研制的end-launch connector，该款接头内芯的直径为2.40 mm，工作上限频率为50 GHz，且具备较低的插入损耗和回波损耗特性，完全能够满足天线工作频率的测试需求，实物装配如图10所示。

图10 天线实物

采用安捷伦网络矢量分析仪对天线端口进行回波损耗测试，结果如图11所示。

图11 天线仿真和实测回波损耗

测试结果显示，回波损耗小于-10 dB以下，工作带宽为27.2～28.7 GHz，相对带宽为4.73%。相较于仿真结果，可以发现天线的实测回波损耗较大，谐振频率出现一定的偏差。

存在偏差的原因可能是天线加工的尺寸精确度、介质基板介电常数不均匀和测试环境(线缆损耗等)等因素所致。但实测结果变化趋势与仿真结果总体上基本吻合，偏差在可接受的范围内，且-10 dB阻抗带宽满足5G毫米波通信对工作带宽的要求，测试的结果基本验证了仿真的正确性。

4 结束语

本文基于SIW结构设计出一款低剖面背腔式缝隙天线。天线采用SIW作为谐振腔体，在腔体内部采用双倒“L”和“十”字型缝隙加载，通过调节天线各结构参数使天线工作在5G毫米波通信频段。研究结果表明，所设计的天线谐振工作频率为28.07 GHz，回波损耗S11≤-10 dB带宽覆盖27.38～28.60 GHz 5G毫米波通信频段，相对带宽达到4.36%，在谐振工作频率处的增益达到9.42 dBi。通过对天线进行实物加工、装配和测试分析，实测结果与仿真结果较为吻合。与传统金属腔体天线相比，本文设计的天线剖面低、增益高、辐射特性好、结构简单、加工成本低，可广泛地应用于5G毫米波移动通信系统。