毫米波天線中的雙向?qū)ΨQi形縫隙平面緊湊型電磁帯隙結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種毫米波天線中的雙向?qū)ΨQI形縫隙平面緊湊型電磁帯隙(BSIS-UC-EBG)結(jié)構(gòu)，屬于電磁傳播與接收的【技術(shù)領(lǐng)域】。其特征是該結(jié)構(gòu)通過級聯(lián)在水平和垂直兩個方向都存在I形縫隙且互相對稱，設計簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，可根據(jù)實際應用進行頻率可調(diào)(如圖)。該結(jié)構(gòu)位于貼片天線的輻射主體周圍，在保持貼片天線尺寸和剖面不變的情況下，有效提高了天線的帶寬和增益。結(jié)果顯示，其-10db的帶寬為49.3～71.4GHz，能夠應用于毫米波無線局域網(wǎng)(WLAN)系統(tǒng)中。在60GHz的增益為4.7dBi。與未加載電磁帶隙結(jié)構(gòu)的天線相比，相對帶寬提高了16.4個百分點，增益提高了10dB左右。
【專利說明】毫米波天線中的雙向?qū)ΨQI形縫隙平面緊湊型電磁帯隙結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開一種毫米波天線中的雙向?qū)ΨQI形縫隙BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)，將該結(jié)構(gòu)放置于輻射主體周圍并同時調(diào)整bsis-uc-ebg結(jié)構(gòu)的參數(shù)和與輻射體之間的距離，能夠?qū)崿F(xiàn)天線寬帶化、高增益的特點，屬于電磁傳播與接收的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]1.60GHz毫米波天線的作用
[0003]a.60GHz毫米波通信的意義
[0004]60GHz頻段為全球開放頻段，且該頻段頻譜資源豐富，有明顯的帶寬和傳輸速率優(yōu)勢。60GHz毫米波的研究日益廣泛，該技術(shù)面向PC、數(shù)字家電等應用，能夠?qū)崿F(xiàn)設備間數(shù)Gbps的超高速無線傳輸。因特爾公司首席工程師Alexander Maltsev就表不:“幾年后,毫米波通信無疑會變得不可或缺”。業(yè)界此前就已經(jīng)嘗試將毫米波用在數(shù)字家電的短距離無線接口。松下、索尼、三星等大型音頻/視頻設備廠商所支持的Wireless HD公開了 1.0版的正式標準，隨后相應芯片及家電設備也相繼亮相。另外，IEEE802.15.3c也是針對毫米波通信而指定的標準。PC、WLAN以及便攜設備等行業(yè)的眾多廠商都對毫米波通信給予厚望的原因是該技術(shù)能夠提供較寬的帶寬。Wireless HD等標準可以在這一帶寬內(nèi)設定4路帶寬為2160MHz的信道，這相當于現(xiàn)有WLAN標準下的20MHz信道帶寬的100倍。由于可使用如此寬的帶寬，因此很容易就能實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，即使采用低階調(diào)制方式，也能確保3-5Gbps的傳輸速率，可以實現(xiàn)非壓縮高清視頻的傳輸，有望取代高清晰度多媒體接口(High Definition Multimedia Interface, HDMI)線纜,這對WLAN芯片廠商具有無窮魅力。毫米波的上述特性最終會使用戶獲得Gbps的WLAN傳輸速率。
[0005]b.60GHz毫米波天線在系統(tǒng)中的作用
[0006]60GHz毫米波頻段有兩個不可避免的缺點:電磁波沿直線傳播，穿透能力不強；傳輸損耗嚴重。為了克服這個兩缺點，在60GHz標準組織中最值得關(guān)注的IEEE的TG3c小組在2004年舉辦了六次會議，42家公司和研究機構(gòu)提交了 47份提案，提案主要內(nèi)容包括:毫米波天線，半導體器件，調(diào)制方案和信道編碼等。其中要求，毫米波天線必須能夠提供在大帶寬下的高增益和高效率。因此，天線技術(shù)成為60GHz毫米波通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用天線陣來應對復雜的信道傳播環(huán)境已成為一種常用的方法，但構(gòu)成一個較大的相位天線陣是復雜和昂貴的。因而研制新型材料來提高現(xiàn)有天線的性能成為天線技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié)，這使天線在滿足系統(tǒng)的要求下，既能降低成本，又能滿足現(xiàn)有器件對現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性。
[0007]c.國內(nèi)外關(guān)于60GHz毫米波天線的研究現(xiàn)狀
[0008]國外在60GHz毫米波天線方面取得了 一系列的成果:(I)采用互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)工藝，設計了 基于人工磁導體(Artificial Magnetic Conductor, AMC)特性的圓極化片上天線(文獻I,X.Bao,Y.Guo, and Y.Xiong, “60-GHz AMC-based circularly polarized on-chipantenna using standard0.18- μ m CMOS Technology,，，IEEE Trans.Antennas.Propag., 2012, 60 (5), 2234 - 2241) ； (2)應用低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-firedCeramic, LTCC)工藝，設計了 4X4陣列結(jié)構(gòu)的60GHz貼片天線，提高了天線增益(文獻2, H.Sun, Y.Guo, and Z.Wang, “60-GHz circularly polarized U-slot patch antennaarray on LTCC,，，IEEE Trans.Antennas.Propag., 2012, 61 (I), 430 - 435.文獻3,C.Liu, Y.Guo, X.Bao, and S.Xiao, “60-GHz LTCC integrated circularly polarized helicalantenna array, ” IEEE Trans.Antennas.Propag., 2012, 60(3), 1329 - 1335)，通過在LTCC圓極化天線中鑲嵌軟表面結(jié)構(gòu),可以使天線增益提高到17.5dBi (文獻4, L.Wang, Y.Guo, and ff.Sheng, “Wideband high-gain60_GHz LTCC L-probe patch antenna arraywith a soft surface, ” IEEE Trans.Antennas.Propag., 2013, 61 (4), 1802 - 1809)；(3)提出了一種應用于 60GHz 工業(yè)，科學和醫(yī)用(industrial-scientific-medical，ISM)頻段的視覺透明共面波導反饋天線，利用網(wǎng)格代替貼片，該天線具有83%的透明度(文獻 5, J.Hautcoeur, L.Talbi, and K.Hettak, “Feasibility study of opticallytransparent CPff-fed monopole antenna at60_GHz ISM bands, ” IEEE Trans.Antennas.Propag.，2013，61(4), 1651 - 1657)。
[0009]相比國外60GHz短距通信技術(shù)的日趨成熟以及60GHz產(chǎn)品已經(jīng)開始推向市場，國內(nèi)參與相關(guān)技術(shù)研究的機構(gòu)并不多且都正處于起步階段。文獻6(金大鵬；肖紹球；王秉中，“基于多層LCP技術(shù)的毫米波段超寬帶槽天線，”2009年全國天線年會論文集(下)，2009)設計了一個工作頻率在33GHz-60GHz的超寬帶錐形槽天線；文獻7 (劉昌榮；肖紹球；郭永新；唐明春；王秉中，“60-GHz LTCC圓極化陣列天線，”2011年全國微波毫米波會議論文集(上)，2011)提出了一種基于LTCC技術(shù)設計和加工的4X4寬帶圓極化螺旋天線陣列；文獻 8 (K.B.Ng, H.Wong, K.K.So, C.H.Chan, and K.M.Luk, “60GHz platedthrough hole printed magneto-electric dipole antenna,，，IEEE Trans.Antennas.Propag.，2012，60(7)，3129 - 3136)提出了一種采用平面過孔印刷技術(shù)設計的60GHz電磁偶極子平面天線，該天線結(jié)構(gòu)簡單，制作容易。
[0010]2.EBG結(jié)構(gòu)在天線中的應用
[0011]a.EBG結(jié)構(gòu)的概念及其帶隙形成機制
[0012]光子晶體(PhotonicCrystal)又稱光子帶隙(Photonic Band gap, PBG)材料，是指具有一定光子帶隙的周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。光學波段的尺寸很小，加工工藝要求高，所以人工制作光子晶體存在一定的困難。由于微波頻段和光波頻段都屬于電磁波譜范圍，都遵從Maxwell方程，所以帯隙的概念逐漸廣泛應用在微波頻段的研究領(lǐng)域，稱之為電磁帯隙結(jié)構(gòu)。早期人們提出的電磁帶隙結(jié)構(gòu)，其帶隙產(chǎn)生機理均屬于Bragg散射機制，必須滿足Bragg條件，S卩:a= λ g/2，其中，a是周期單元尺寸，λ g是光子晶體帶隙頻率對應的導波波長。因此，其尺寸比較大，在實際應用中受到限制。在20世紀90年代末期，兩種重要的EBG結(jié)構(gòu)被提出，一種是1999年提出的蘑菇形EBG結(jié)構(gòu)(文獻9，D.Sievenpiper, L.Zhang, R.F.J.Broas, N.G.Alexopolus, and E.Yablonovitch, “Highimpedanceelectromagnetic surfaces with a forbidden frequency band,，，IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，1999，47(11), 2059 - 2074)，另一種是 1999 年提出的共面緊湊型 EBG 結(jié)構(gòu)，(文獻 10, F.-R.Yang, K.-P.Ma, Y.Qian, and T.1toh, “A uniplanarcompact photonic-bandgap(UC-PBG) structure and its applications for microwavecircuits, ” IEEE Trans.Microw.Theory Tech., 1999, 47 (8), 1509 - 1514)。在過去的近十年中，EBG結(jié)構(gòu)成為微波和毫米波領(lǐng)域中一個研究的熱點，它的帶隙形成機理和在電磁各個領(lǐng)域的應用都得到了廣泛的理論和實驗研究。
[0013]EBG結(jié)構(gòu)具有兩個重要特性，表面波特性和平面波反射相位特性。表面波阻抗隨頻率變化，在一定諧振頻率范圍內(nèi)，EBG的高表面波阻抗阻止表面波傳播，形成表面波帶隙。對于表面波特性的分析一般采用分析色散曲線的方法；針對垂直方向入射到EBG結(jié)構(gòu)表面的電磁波，其反射波與入射波的相位差為零，即具有同相反射特性，一般將相位差在±90°之間視為同相反射，且將反射相位曲線上±90°之間所對應的頻率范圍稱為帶隙，一般采用相位曲線分析方法。
[0014]本發(fā)明利用了 BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)的平面波反射相位，在保持尺寸和剖面不變的條件下提高了視覺透明天線的帶寬和增益。[0015]b.EBG結(jié)構(gòu)在天線中的具體應用及研究現(xiàn)狀
[0016]EBG結(jié)構(gòu)具有廣泛的開發(fā)和應用前景:(I)將電磁帶隙結(jié)構(gòu)引入到天線的反射板中，利用其AMC特性，可以有效降低天線的剖面，提高天線的前后相比(文獻 11，J.Joubert, J.C.Vardaxoglou, W.G.Whittow, and J.ff.0dendaal, ^ CPff-fedcavity-backed slot radiator loaded with an AMC reflector, ”IEEE Trans.Antennas.Propag.，2012，60 (2)，735 - 742) ; (2)可以利用介質(zhì)板構(gòu)造 EBG 結(jié)構(gòu)，用作天線的覆層，使得天線的帶寬和增益都得到改善(文獻12，B.A.Zeb, Y.Ge, K.P.Esselle, Z.Sun,Μ.E.Tobar, “A Simple Dual-Band Electromagnetic band gap resonatorantenna based on inverted reflection phase gradient, ”IEEE Trans.Antennas.Propag.,2012,60(10), 4522 - 4529) ； (3)利用傳統(tǒng)EBG結(jié)構(gòu)，將其引入到天線的介質(zhì)層表面，可以使天線的增益得到顯著提高(文獻13, A.E.1.Lamminen, J.S ? ily, andA.R.Vimpari, “60-GHz patch antennas and arrays on LTCC with embedded-cavitysubstrates, ” IEEE Trans.Antennas.Propag., 2008, 56(9), 2865 - 2874) ； (4)將 EBG 結(jié)構(gòu)引入到陣列天線中，可有效減少陣列天線單元之間的互耦(文獻14，M.Coulombe, S.Farzaneh Koodiani, and C.Caloz, “Compact elongated mushroom(EM)-EBG structurefor enhancement of patch antenna array performances, ” IEEE Trans.Antennas.Propag.，2010，58 (4)，1076 - 1086) ； (5)將EBG結(jié)構(gòu)應用到天線的基層中，利用EBG結(jié)構(gòu)的禁帶特性，可以引入頻帶缺口，形成阻帶缺陷(文獻15, L.Peng and C.Ruan, “UWBband-notched monopole antenna design using electromagnetic~bandgapstructures, ” IEEE Trans.Microw.Theory Tech., 2011, 59 (4), 1074-1081)。
[0017]本發(fā)明主要涉及EBG結(jié)構(gòu)與毫米波視覺透明天線的結(jié)合，設計出了一種基于BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)的60GHz視覺透明天線。該天線在沒有改變天線尺寸和剖面的條件下有效地拓寬了天線帶寬，提高了天線增益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]為了滿足移動毫米波通信天線系統(tǒng)寬帶化、高增益的需求以及高頻化的趨勢，本發(fā)明設計了一種毫米波天線中的雙向?qū)ΨQI形縫隙bsis-uc-ebg結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)天線寬帶化、高增益的特點，應用該結(jié)構(gòu)的毫米波天線能夠覆蓋開放的60GHZ頻段(57-66GHZ)，且在60GHz的增益為4.7dBi。
[0019]本發(fā)明設計的向?qū)ΨQI形縫隙BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)，在水平和垂直兩個方向都存在I形縫隙且互相對稱，設計簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，可根據(jù)實際應用進行頻率可調(diào)(如圖1)?？蓱门c毫米波視覺透明天線上，該天線包括輻射主體、饋電主體、電磁帯隙結(jié)構(gòu)、接地面和介質(zhì)基底。其中選擇相對介電常數(shù)為3.8，厚度為0.2mm的Corning7980透明板材為介質(zhì)基底；加載的電磁帶隙結(jié)構(gòu)為BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu),利用高頻模型仿真(High Frequency StructureSimulator, HFSS)軟件對結(jié)構(gòu)進行建模仿真(如圖2)，通過調(diào)節(jié)BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)的周期及結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)整EBG結(jié)構(gòu)的平面波反射相位帶隙，使其能夠與天線工作頻段相適應(如圖 3),設計出了具體參數(shù)為:1 = 1.6mm, a = 1.2mm, m = 0.48mm, η = 0.04mm, w = 0.02mm ;然后將一圈BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)加載到天線輻射主體周圍，并調(diào)節(jié)BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)和天線之間的距離來實現(xiàn)寬頻帶和高增益的效果，如圖4所示，調(diào)整的距離為gl = 0.76mm, g2 =0.32mm。
[0020]與傳統(tǒng)方法相比本發(fā)明有如下優(yōu)點:
[0021]1.本發(fā)明設計BS IS-UC-EBG結(jié)構(gòu)設計簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，可根據(jù)實際應用進行頻率可調(diào)。加載BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)的視覺透明天線，介質(zhì)基底為Corning7980透明板材，厚度為
0.2mm，僅為波長的0.04倍，具有低剖面特性；同時天線尺寸為毫米量級，結(jié)構(gòu)緊湊，具有小型化特點；
[0022]2.本發(fā)明提出在天線輻射主體周圍加載EBG結(jié)構(gòu)，引入的EBG結(jié)構(gòu)能激發(fā)更多的能量，同時能抑制表面波流動，使能量更加集中地輻射到空間，相比于原始的視覺透明天線，具有更高的增益，同時，這種設計方法為進一步提高天線的增益提供了指導；
[0023]3.本發(fā)明提出在天線輻射主體周圍加載EBG結(jié)構(gòu)，使諧振點之間相互耦合，相比于原始的視覺透明天線，具有更大的帶寬，能夠應用到更廣的領(lǐng)域，同時，這種設計方法為進一步提高天線的帶寬提供了指導；
[0024]4.本發(fā)明中加載的BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)因平面波反射相位帶隙性能優(yōu)異，只需加載一圈BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)，就能很好地實現(xiàn)高增益、寬帶化的性能，相對于現(xiàn)有技術(shù)中的EBG結(jié)構(gòu)，加載的單元數(shù)量更少，更利于電路的集成。
[0025]本發(fā)明的原理如下:
[0026]1、BSIS-UC-EBG存在平面波反射相位帯隙的原理。BSIS-UC-EBG可以等效為LC并聯(lián)諧振電路，如圖1所示，其等效表面阻抗為:
【權(quán)利要求】
1.一種雙向?qū)ΨQI形縫隙平面緊湊型電磁帶隙(Bidirectional symmetrical1-shaped slot uniplanar-compact Electromagnetic Band-gap, BSIS-UC-EBG)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過級聯(lián)在水平方向和垂直方向都具有I形縫隙，且互相對稱，為作者所特有。
2.如權(quán)利要求1所述的BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)，其特征在于:該結(jié)構(gòu)在毫米波頻段具有同相反射相位特性，且頻段可調(diào)，為作者所特有。
3.—種在保持天線尺寸和剖面不變的條件下改善視覺透明天線性能的方法，其特征在于:通過改變BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)的參數(shù)、調(diào)節(jié)與天線輻射主體之間的距離，實現(xiàn)視覺透明天線寬帶化、高增益的特點。
4.如權(quán)利要求3所述的改善方法，其特征在于:改變BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)的參數(shù)包括改變結(jié)構(gòu)自身的尺寸，實現(xiàn)在工作頻段內(nèi)具有同相反射相位的特性。
5.如權(quán)利要求3所述的改善方法，其特征在于:改變BSIS-UC-EBG結(jié)構(gòu)的參數(shù)包括改變結(jié)構(gòu)加載的單元個數(shù)，實現(xiàn)在工作頻段內(nèi)與天線的輻射主體耦合良好。
【文檔編號】H01Q19/02GK103943969SQ201410200805
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】紀越峰, 田慧平, 果爭, 王寧, 王緒東 申請人:北京郵電大學