0 引言

    近年來(lái)，隨著移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等方面的迅猛發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)的容量要求越來(lái)越高。微波通信向更高頻段擴(kuò)展已成為必然趨勢(shì)?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)正在向高頻微波特別是毫米波頻段發(fā)展。毫米波屬于甚高頻段, 它以直射波的方式在空間進(jìn)行傳播，波束很窄，具有良好的方向性。

    毫米波的V頻段是指頻率在50～75 GHz的微波頻段，現(xiàn)代通信中，主要是指60 GHz短距離無(wú)線通信。其具有抗干擾性、高安全性、高傳輸速率等特點(diǎn)。由于60 GHz頻段處于氧氣吸收作用的衰減峰，無(wú)線信號(hào)在其附近衰減銳增，導(dǎo)致無(wú)法用于傳統(tǒng)的毫米波遠(yuǎn)距離的無(wú)線傳輸中。在室內(nèi)環(huán)境中又因障礙物的影響致使信號(hào)衰減明顯，因此，只能實(shí)現(xiàn)近距離的無(wú)線通信。

    毫米波的E頻段是指頻率在60～90 GHz的微波頻段，根據(jù)目前發(fā)布的頻譜分配建議，E頻段通信是指頻率在80 GHz的微波頻段，總頻寬高達(dá)10 GHz。因其頻帶資源豐富、傳輸容量大、頻譜使用費(fèi)低廉以及高頻窄波束適應(yīng)密集部署等優(yōu)勢(shì)，對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)將會(huì)是重要的無(wú)線傳輸手段。但由于其自由空間路徑損耗嚴(yán)重直接導(dǎo)致傳輸距離較短。此外，由于80 GHz頻段屬于高頻信號(hào)，雨衰的影響相對(duì)嚴(yán)重，但大部分地區(qū)均可以接受。所以環(huán)境對(duì)E頻段微波的影響有限，E頻段微波的應(yīng)用場(chǎng)景還是十分廣泛的。

    對(duì)毫米波通信系統(tǒng)而言，天線技術(shù)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，其要求天線具有小尺寸、輕重量、高增益、低成本等特性，要求天線在寬頻范圍內(nèi)具有幾乎恒定的增益和高效率來(lái)完成可靠的信息傳輸。

1 研究概況

    毫米波的V頻段 60 GHz無(wú)線通信最初只應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，無(wú)法大量用于民用領(lǐng)域中。隨著電路集成工藝的最新發(fā)展，各國(guó)已經(jīng)開始將 60 GHz 短距通信技術(shù)轉(zhuǎn)向民用。60 GHz短距通信技術(shù)由于能夠提供高達(dá)數(shù)吉比特的速率，提供免許可的7 GHz帶寬的頻譜資源等優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái)無(wú)線技術(shù)的最具潛力的備選技術(shù)之一。

    1994年10月美國(guó)FCC發(fā)布了將40 GHz以上的部分毫米波頻譜應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的通告。開放的頻譜范圍也從5 GHz帶寬擴(kuò)展后來(lái)的7 GHz帶寬。此后從2000年到2006年間，日本，澳大利亞等其他國(guó)家和地區(qū)也相繼開放60 GHz附近的頻譜資源，在歐洲頻譜范圍甚至擴(kuò)展到了9 GHz的帶寬，且免許可。

    相比國(guó)外60 GHz短距通信技術(shù)的日趨成熟，而國(guó)內(nèi)參與相關(guān)技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)并不多且都正處于起步階段。

    毫米波的E頻段從目前已開放其使用的各國(guó)調(diào)研來(lái)看，頻譜資源以象征性的低使用費(fèi)為主。目前，在部分國(guó)家已經(jīng)開放了E頻段的使用，各國(guó)運(yùn)營(yíng)商也紛紛開始進(jìn)行其用于下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)回傳的試驗(yàn)，都處于起步階段，有很大的發(fā)展空間。

    由于毫米波信號(hào)的巨大路徑損耗，毫米波天線必須能夠提供在大帶寬下的高增益和高效率。研究低成本、小型化、超輕、高增益并易集成易控的天線，成為天線技術(shù)研究的主要難題。

    本文將對(duì)近年來(lái)V頻段和E頻段的天線的新發(fā)展詳細(xì)描述。為了方便地認(rèn)識(shí)毫米波波段的各種天線，將天線劃分為以下三種類型：面天線、平面天線和行波天線。

2 面天線

    面天線包括反射面天線、透鏡天線、波導(dǎo)、喇叭天線，在毫米波波段的尺寸較合適，最為實(shí)用，其為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，技術(shù)發(fā)展比較成熟，設(shè)計(jì)方法與其他波段基本一致，只是機(jī)械公差有很大的進(jìn)展。但也有通過(guò)改善其結(jié)構(gòu)、外形、或者與其他結(jié)構(gòu)集成來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

    文獻(xiàn)[1]為E頻段的圓柱形反射面天線，用于無(wú)線回程解決高數(shù)據(jù)速率通信，如圖1，該天線為一二次反射面天線，通過(guò)一個(gè)波紋線型帽型結(jié)構(gòu)饋電，帽型結(jié)構(gòu)是通過(guò)工作在一矩形波導(dǎo)來(lái)饋電的，其特點(diǎn)是小型化、高增益，比圓形反射天線更容易制造也更便宜。與其他帽型結(jié)構(gòu)饋電的反射面天線相比，該天線增益更高，由于頂端沒有介質(zhì)制作成本更低。如圖2，天線在中心頻率的方向性系數(shù)達(dá)到41.4 dBi，口徑效率為60%。

    文獻(xiàn)[2]為E頻段集成透鏡天線，實(shí)現(xiàn)了二維全電子波束掃描功能。設(shè)計(jì)天線為半徑為7.5 cm和12.5 mm的半球形石英透鏡，如圖3，將16個(gè)二維排列的口徑耦合微帶天線單元和一個(gè)開關(guān)電路焊接在一個(gè)反饋PCB板上，半徑為12.5 cm的集成透鏡天線覆蓋了從透鏡軸開始的范圍在立體角θ<18°的任何方向，在覆蓋區(qū)域方向性不低于20 dBi，半徑為12.5 cm的集成透鏡天線有更大的覆蓋區(qū)域，θ<27°，但是方向性較低，為16 dBi。仿真和實(shí)測(cè)吻合良好。

    文獻(xiàn)[3]為集成錐形喇叭天線，用于無(wú)線通信系統(tǒng)中。主要特點(diǎn)是低成本、小型化。天線從寬邊到基片輻射，用SIW饋電，SIW末端的金屬表面上蝕刻橫向縫隙來(lái)驅(qū)動(dòng)喇叭天線。天線用金屬化過(guò)孔來(lái)合成喇叭壁，喇叭天線的開口從頂層到底層階梯式張開。用多層PCB來(lái)制作天線原型來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本，用平面寬帶連接器實(shí)現(xiàn)SIW和共面波導(dǎo)的連接，易與共面波導(dǎo)集成。帶寬為40%，如圖4，輻射效率大于81%，如圖5，70～105 GHz，增益在整個(gè)頻段內(nèi)相對(duì)恒定，10±1 dB，測(cè)量的交叉極化在H面大于21 dB，在E面大于36 dB，測(cè)量和仿真的|S11|在整個(gè)頻帶基本都小于-10 dB。

    文獻(xiàn)[4]為方向性平面波導(dǎo)天線陣列，特點(diǎn)為高增益和具有很好的方向性。天線包括兩部分：高斯喇叭輻射單元（如圖6）和混合饋電矩形波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，從而克服了空間限制，減小插入損耗。天線尺寸小于25 cm×25 cm×9 cm，工作在71～86 GHz，為64×64陣列，增益高達(dá)43 dBi，最小增益為40 dBi，工作帶寬幾乎20%，S11小于-14 dB。

    文獻(xiàn)[5]為波紋槽天線陣列。天線為高增益高效率16×16元槽陣列，工作在V頻段。如圖7，在天線饋電基片、腔基片和輻射槽基片之間不需要電連接，而使用縫隙波導(dǎo)技術(shù)來(lái)減小設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本。天線測(cè)量輻射效率達(dá)70%。

3 平面天線

    平面天線包括微帶天線和印制天線，由于體積小、重量輕、易于集成等特點(diǎn)在毫米波段應(yīng)用特別廣泛，形式種類也非常多，各種陣列天線在無(wú)線通信的應(yīng)用尤其多，發(fā)展很迅速。

    文獻(xiàn)[6]提出的微帶陣列主要的特點(diǎn)是低成本、高增益、高效率，應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)中，實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖8。天線結(jié)構(gòu)分為兩層，上面一層是4×4圓貼片陣列，下面一層是SIW饋電網(wǎng)絡(luò)和功率分配器組成的饋電網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)在SIW的金屬上表面蝕刻縱向槽來(lái)對(duì)貼片陣列饋電，提高了天線效率；用PCB來(lái)制作天線原型實(shí)現(xiàn)了低成本；將四個(gè)1×4天線陣列之間的基片去掉來(lái)減小它們之間的耦合，也將整個(gè)天線的增益提高了1.6 dB，將副瓣電平減小了1 dB。增加貼片下面基板的厚度將天線增益提高了2 dB；槽和貼片之間的耦合比槽和空氣之間的耦合好，從而提高了天線的帶寬。最終測(cè)得天線帶寬為7.2%，81～86 GHz，增益在整個(gè)頻段內(nèi)恒定，為18±0.5 dBi，如圖9，效率為90.3%，如圖10。

    文獻(xiàn)[7]為介質(zhì)加載的平面正反漸變槽天線，如圖11，主要特點(diǎn)是低成本、高增益、高效率。介質(zhì)加載是為了提高天線增益，SIW饋電結(jié)構(gòu)和介質(zhì)加載板都集成在一個(gè)平面單層基片上，成本低，易制作；用PCB板制造天線原型也實(shí)現(xiàn)低成本。測(cè)量的單個(gè)單元天線的增益為14±0.5 dB，80 GHz處的輻射效率為84.23%。用寬帶SIW功率分配器將天線制成1×4天線陣列，測(cè)得的天線陣增益為19±1dB。

    文獻(xiàn)[8]為口徑耦合貼片天線，特點(diǎn)為低成本、高效率、寬帶寬，工作在58～65 GHz。如圖12，天線為SIW饋電，用低成本的FR4和厚度為75 μm、有彈性的Pyralux基片提高天線效率和帶寬。先制作傳統(tǒng)的口徑耦合天線，使其基于FR4和有彈性的薄Pyralux基片，得到很好的結(jié)果，9.7%阻抗帶寬，60 GHz的最大增益為7.6 dBi。之后制作一種基于SIW技術(shù)的縫隙耦合天線，10%阻抗帶寬，60 GHz的最大增益為7.9 dBi，由于后向輻射很低，效率很高，實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果非常吻合。

    文獻(xiàn)[9]為折疊偶極子陣列，如圖13，工作在48～64 GHz，天線特點(diǎn)為低成本、高效率、強(qiáng)的方向性。用低溫共燒陶瓷（LTCC）來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本；運(yùn)用新的結(jié)構(gòu)（一層覆蓋面和兩層分隔板）來(lái)提高性能，集成電路載體和天線用倒裝式芯片連接，附加在覆蓋面上?；袃蓚€(gè)腔，一個(gè)為無(wú)線電模具，一個(gè)在天線陣列下面，這樣的結(jié)構(gòu)使得有更寬的帶寬和更高的效率；無(wú)線電模具的底片被擴(kuò)展為天線陣列的一部分，來(lái)反射回到前面的輻射，從而增加天線陣列的方向性。整個(gè)頻段內(nèi)，s11小于-10 dB，效率90%，增益10 dBi，如圖14。

    文獻(xiàn)[10]為基于基片集成波導(dǎo)的槽天線，工作在V頻段。相比傳統(tǒng)槽波導(dǎo)陣列天線，該天線具有更高的增益和更寬的帶寬。如圖15，天線的不同諧振頻率的諧振槽沿著基片集成波導(dǎo)的不同位置排列，通過(guò)最小化不同諧振槽激勵(lì)電壓的變化，來(lái)提高天線的帶寬和增益。 天線的阻抗帶寬分別為20.8%，22.4%，18.8%，峰值增益為18.3，19.9和22.8 dBi。

4 行波天線

    行波天線分兩類，一類為電流行波天線，如長(zhǎng)線行波天線、“V”形天線，偶極子加載天線等。一類為場(chǎng)行波天線，如八木天線，背射天線等。毫米波行波天線的結(jié)構(gòu)很靈活，它們可以構(gòu)成陣列并具有優(yōu)異的掃描特性。如今毫米波波段微帶準(zhǔn)八木天線、八木天線陣列、背射天線、螺旋天線應(yīng)用較多，發(fā)展迅速。

    文獻(xiàn)[11]為短背射天線，工作在55.7～100 GHz，與之前的傳統(tǒng)后背射天線相比，有更寬的帶寬，更高的增益。如圖16，天線由E面矩形波導(dǎo)饋電，蝴蝶偶極子比直偶極子激勵(lì)提高了效率，副反射器用兩個(gè)簡(jiǎn)單的易于精確制造的印刷條代替位于在和蝴蝶偶極子激勵(lì)器相同的基片的背面。增益為13.8～18.5 dBi，在85 GHz達(dá)到峰值，駐波比小于2(絕大多數(shù)頻帶內(nèi)小于1.5)，阻抗帶寬大于54%，最大寬邊增益大于19 dBi。

    文獻(xiàn)[12]為平面準(zhǔn)八木天線，工作在60～80 GHz，比傳統(tǒng)八木天線更緊湊，適合低成本、低介電常數(shù)材料制造。天線用折疊偶極子驅(qū)動(dòng)，在低介電常數(shù)基片上實(shí)現(xiàn)，用低成本厚膜實(shí)現(xiàn)；與標(biāo)準(zhǔn)八木天線相比，減小了驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度，允許在低介電常數(shù)基片上陣列單元之間更緊密，折疊偶極子驅(qū)動(dòng)得到4:1的阻抗范圍，輸入阻抗和諧振頻率可以通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)折疊偶極子的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，使得單個(gè)單元的最優(yōu)化有更多的調(diào)節(jié)空間，單元的工作帶寬近似為1.3:1。測(cè)量的阻抗帶寬是21%，在60～76 GHz實(shí)現(xiàn)增益為3～5 dBi，前后比仿真結(jié)果在60～80 GHz大于12 dB。

    文獻(xiàn)[13]為可重構(gòu)八木偶極子天線，天線的工作頻率從57～66 GHz無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和E頻段71～86 GHz。天線被印刷在一個(gè)石英基板上與射頻微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)集成在一起。包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)偶極子，兩個(gè)引向偶極子和一個(gè)截?cái)嗟仄矫孀龇瓷淦?。通過(guò)控制加載在驅(qū)動(dòng)和引向偶極子單元上的射頻微機(jī)電系統(tǒng)，就實(shí)現(xiàn)了天線的工作頻率從57～66 GHz無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和E頻段71～86 GHz之間的切換。天線的端射方向圖在兩個(gè)頻段都保持好的性能。如圖17，天線增益在低頻段在5.5和6.7 dBi之間變化，在高頻段在6.5 dBi和9.1 dBi之間變化。

    文獻(xiàn)[14]為具有階梯型引向器的準(zhǔn)八木天線。天線在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)將準(zhǔn)八木天線的單級(jí)傳統(tǒng)引向器改為梯形多級(jí)引向器，天線的增益增加2.2～3.4 dBi，帶寬增加了30%。天線在60 GHz的增益達(dá)到11.7 dBi，帶內(nèi)交叉極化小于-15 dB，平面尺寸也很小，9.2 mm×10 mm。

5 結(jié)論

    在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的今天，毫米波天線有著廣泛的應(yīng)用前景，經(jīng)過(guò)大量收集整理E頻段和V頻段毫米波天線，可以看出近年來(lái)，各種材料、各種形式、各種結(jié)構(gòu)的平面天線發(fā)展迅速，性能較好，適合很多場(chǎng)合使用，有廣泛的應(yīng)用前景。其中，平面天線由于其尺寸小、易于集成等特點(diǎn)應(yīng)用尤其廣泛。

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作者信息:

索艷春1，李永紅1，2，張恩鳳1

（1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原030051；2.山西科泰航天防務(wù)技術(shù)股份有限公司，山西 太原030024）