60GHz串并联混合馈电毫米波平面阵列天线设计.pdf

第2 2 卷第2 期2023年6 月济源职业技术学院学报Journal of Jiyuan Vocational and Technical CollegeVol.22No.2Jun.202360 GHz串并联混合馈电毫米波平面阵列天线设计况富强“,王东霞（济源职业技术学院a.信息技术管理中心；b.人工智能学院，河南济源459 0 0 0）摘要：本文设计了一种6 0 GHz串并联混合馈电毫米波平面阵列天线，并采用了切比雪夫综合法将其主副瓣电平比控制在-2 6 dB以下，为了获得更高的增益采用8 10 个阵元组阵。该毫米波平面天线阵列的谐振带宽为57.46 GHz61.87GHz,工作带宽达4.41GHz。在6 0 GHz处工作，平面阵列天线增益最高达15.8 7 dB，半功率波束宽度为12.7 8。该阵列天线在6 0 GHz毫米波通信系统中可以实现超高速无线传输，预计也是未来无线短距离通信技术的研究热点。关键词：平面阵列天线；毫米波；切比雪夫综合法D0I:10.3969/j.issn.1672-0342.2023.02.011中图分类号：TN820.12毫米波天线技术是目前发展极为迅速且重要的前沿研究领域，在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学、临床医学和波谱学方面都有重大的意义。在当前无线通信频谱资源越来越紧张且数据传输速率越来越高的必然趋势下,6 0 GHz频段无线短距通信技术也越来越受到关注，成为未来无线通信技术中最具潜力的技术之一。6 0 GHz毫米波通信技术能够实现设备间数个Gbps的超高速无线传输。毫米波与较低频段的微波相比，有其独特的优势：可利用的频谱范围宽，信息容量大;易实现窄波束和高增益的天线，因而分辨率高,抗干扰性好；穿透等离子体的能力强；多普勒频移大,测速灵敏度高。本文设计了一种串并联混合馈电的毫米波平面阵列天线，主要工作频段是6 0 GHz，由8 0 个微带贴片组成，设计方案易于加工、集成和组阵，以实现高增益特性。一、天线单元结构设计（一）天线单元基本参数估算天线结构如图1所示，采用矩形贴片作为辐射贴片,辐射贴片的长度为L,宽度为W。介质材料选用损耗较低的RogersR03003,介电常数为3，损耗角正切为0.0 0 13,介质基板厚度为0.2 54mm。收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 4作者简介：况富强（19 8 5一），男，河南信阳人，助教，研究方向为天线与微波电路。58文献标识码：A辐射贴片的周长理论上接近一个介质波长，考虑到辐射贴片的边缘效应，矩形贴片天线的长度可由下列公式进行估算1-2 ，CL=0.5入g-2 L=-2L,2f/8-1/28,+12入8e(8。+0.3)(W/H +0.2 6 4)L=0.412 H(8。-0.2 58)(W/H +0.8)8.+1 8.-1-1/28=+22公式中入。表示导波波长，8。为有效介电常数,入。为自由空间波长，8，为相对介电常数,H表示介质板厚度，W表示辐射贴片宽度，c为真空中光速，f表示天线工作频率为6 0 GHz，L表示等效辐射缝隙宽度。根据上述公式（1）到（5）可计算出天线的参数L为1.33mm,W为1.7 6 8 mm,导波波长为3.1mm,有效介电常数为2.6 4,然后进行优化调整，优化后天线单元尺寸参数如表1所示。文章编号：16 7 2-0 342(2 0 2 3)0 2-0 0 58-0 7(1)(2)，(3)(4)10H(1+W(5)况富强，王东霞：6 0 CHz串并联混合馈电毫米波平面阵列天线设计LW1.42.67天线单元模型如图1所示，由于微带馈线与辐射贴片单元共面，易于集成加工，因此对阵列单元采用微带线馈电比较方便。馈电结构采用微带线对宽边中央馈电，保持两边对称，馈线与贴片处于同一平面,背面为参考接地面。图中SY1为介质基板边沿与辐射贴片边沿之间的距离，SX、SY分别为介质基板的宽度与长度。SYISY图1天线单元结构图500.00400:00(1表1天线单元尺寸woSX0.1644SXWWOmmSYH50.254（二）天线单元性能分析对图1中的天线单元结构进行仿真计算，需要优化确定天线的边缘阻抗。通过调节L与W的大小来改变毫米波天线单元的边缘阻抗，调节wO的宽度实现输人阻抗与天线的边缘阻抗匹配。为了后续设计毫米波天线阵列打下基础，需要先将天线单元在6 0 GHz处的边缘阻抗优化到纯阻抗的程度，也就是保持虚部阻抗小于5dB。天线单元的边缘阻抗，运算时可以通过将波端口嵌人到天线边缘来得到。天线单元的输入阻抗实部和虚部随工作频率的变化如图2（a）、图2（b)所示。从图中可以选择一个比较合适的参数值L和W，通过两个图对比,可以看到当L=1.4mm且W=2.67mm时，在6 0 GHz处天线的输入阻抗为Zm=85.82+j*0.38，此时观察到天线的边缘阻抗为Zedge=96.28+j*0.58,如图2(c)所示。XYPlot660.000085.8210SYI1PIEENANITEWATANTEVWATIcurveInfeSehup13L-1.4mmrW-2.67mm4IBZKANTENNA_T1ANTENNA_TL_11.4mmrW-2.2mmTEIZKANTENNALT1ANTENNA_T1IL1TECZKANTENNA_T1,ANTENNA_T1-1W2.6mmIe(ZKANTENNA_T1ANTENNA,TIIL1L1.4mrW-2.67mmTZKANTENNA_T1ANTENNA_T1)L-11.4mmW-2.8mm+reZKANTENNAT1ANTENNA_T1)_1L-1.4mmW-3mmrlamda5100.000.0055.00400.00300.00200.00-100.005750图2（a）天线单元输入阻抗实部随频率变化趋势S4IZKANTENNA_T1.ANTENNA_T1)CurveInto12mmrW-2.67mmIm(ZHANTENNA_T1,ANTENNA,_T1)1.4mmW=2.67mmIm(ZKANTENNA,T1,ANTENNA_T1)/1.6mm*W=2.67mmIm(ZKANTENNA_T1,ANTENNA_T1)1.BmmrW-2.67mmIm(ZKANTENNA_T1,ANTENNA_T1)W-2.67mmim(Z(ANTENNA_T1,ANTENNA_T1)60:00Frea.IGHzl6250NameXm160.000|0.381465:000.00-100.00-200.00-300.0055:0057:50FreqIGHd60:0062：5065.0图2(b）天线单元输入阻抗虚部随频率变化趋势59济源职业技术学院学报XYPlot7100.00Name80.00m1m260.0000.578760.0040.00HFSSDesign1Curve InfoSetup1SweepTe(Z(ANTENNA_T1,ANTENNA_T1)1.4mmW=2.67mm60.000096.2835Setup1:Sweepim(Z(ANTENNA_T1,ANTENNA_T1)L-1.4mmW=2.67mm20.000.00-20.00-40.0055.00图3表示天线单元在6 0 GHz处的回波损耗随工作频率的变化曲线，从图中可以看到将天线单元的馈电端口输入阻抗调整为8 5.8 2 Q时，天线的自激振荡点在6 0 GHz处可以完全实现谐振，0.0057.50图2(c）天线单元边缘阻抗随频率变化趋势计线性天线阵列了。60:00FreqGHz回波损耗值达到-38.2 9 dB，完全可以满足设计要求。下一步就可以考虑在此天线单元基础上设62.5065.00-5.0062.8-10.00dB(SKANTENNA_T1,ANTENNA_T1)CurveInfo15.00Setup1:Sweep20.00Name-38.2976-25.00-30.00-35.00-40.005500二、串馈线性天线阵列设计与分析（一）串馈线性天线阵列激励幅度分配利用切比雪夫综合法设计一个激励幅度为对称分布，阵元间距为半个波长的十单元线性串联馈电阵列天线,其副瓣电平为-2 6 dB,天线增益大于8 dB,需要计算出各阵元激励电流幅度分配比。根据切比雪夫函数形式：T.（x）=c o s（mu），式中x=cosu,将其展开成cosu的幂级多项式可以求出阵列天线的阵因子多项式3奇数阵列天线的阵因子：M+1Sod(u)=Z1,cos2(n-1)u。偶数阵列天线的阵因子：MSeven(u)=ZI,cos(2n-1)u。对于各阵元激励电流幅度，具体计算步骤如下：6057.50图3天线单元6 0 CHz处回波损耗仿真结果NTrdcosod为天线阵元间距，入为自由空间波长。入(2)展开Seven（u)中的每一项,使其只含cosu的形式,并按照递推公式展开为切比雪夫多项式：Seven(u)=l,cos(u)+I,cos(3u)+lcos(5u)+I4cos(7u)+Iscos(9u)。(8)(3)由于主副瓣电平比Roab=26dB=20log（R。）,则可以得到R。=2 0,进而求得xo=(R,+/R-1)+(R-/R-1)(6)=1.0851。(4)将式子(8)中 cos(u)、c o s(3u)、c o s(5u)、(7)cos(7u）、c o s(9 u)按递推公式展开：cos(u)Xo60:00FreqGHz作为阵因子：Seven(u）=I,c o s(2 n-1)u,其中u=(9)62.50(1)N=10,为偶数阵列,M=5,则选择式(7)65.c况富强，王东霞：6 0 CHz串并联混合馈电毫米波平面阵列天线设计Xcos(3u)=4(5cos(5u)=16(-20X+505cos(7u)=64(-1129cos(9u)=256(-5760+9(xo）O(1-312+51;-714+91,)/xo=9。求得各阵元激励电流幅度：1=5.8 37 7,I2=35.2073,l;=4.1071,14=2.8308,I,=2.086将其归一化后十阵元线性串联馈电阵列天线单元激励3+56-7075+432-120幅度比为：I5:14:13:12:1:1,:1,:13:14:15=0.357:0.485:0.704:0.892:1:1:0.892:0.704:0.485:0.357。（二）串馈线性阵列天线结构设计（5)将第（4)步中展开的公式带入到式（8）中并整理后可得：Seven(u）=x(l 1-31,+51,-7 14+9 1,)/x o +x 3(4l,-201,+5614 1201,)/x(16l;-11214+4321,)/x(6414-5761,)/x+x(2 56 1s)/x 。(6)令 Seven（u）=T,（x）=2 56 x -57 6 x +432x-120 x+9x，比较同类项系数可以得到：(2561,)/x=256,(6414-5761,)/x=-576,(16l;-11214+4321,)/x=432,(4l,-201,+5614-1201,)/x=-120,选择十阵元串联作为组阵的实现形式，天线阵列的结构如图4所示。图中十阵元线性阵列天线采用的是串联馈电网络结构，天线单元之间间距取0.5入g，各段微带馈电网络的参数见图4所+示，WT为馈电端口的微带线宽度，长度为FD。+现在需要根据串馈线性天线阵列激励幅度分配比来求解各阵元辐射贴片宽度比值，经过计算得到各段天线阵元宽度比为：w：w,：w w3:w4=2.67:2.38:1.88:1.29:0.95，则各阵元宽度取值分别为w=2.67 mm,wi=2.38 mm,w=1.88mm,w,=1.29 mm,w4=0.95 mm。W4WT最后需要观察线性阵列天线的边缘阻抗情况，图5为十阵元串馈线性阵列天线边缘阻抗随频率的变化趋势。从图5中可以看到,天线馈电端口边缘阻抗为Zedgel=38.54+j*0.26,将十阵100.0080.00-60.00-W3