0 引言

    近年來，隨著移動通信、衛星通信等方面的迅猛發展，對系統的容量要求越來越高。微波通信向更高頻段擴展已成為必然趨勢。現代通信系統正在向高頻微波特別是毫米波頻段發展。毫米波屬于甚高頻段, 它以直射波的方式在空間進行傳播，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，現代通信中，主要是指60 GHz短距離無線通信。其具有抗干擾性、高安全性、高傳輸速率等特點。由于60 GHz頻段處于氧氣吸收作用的衰減峰，無線信號在其附近衰減銳增，導致無法用于傳統的毫米波遠距離的無線傳輸中。在室內環境中又因障礙物的影響致使信號衰減明顯，因此，只能實現近距離的無線通信。

    毫米波的E頻段是指頻率在60～90 GHz的微波頻段，根據目前發布的頻譜分配建議，E頻段通信是指頻率在80 GHz的微波頻段，總頻寬高達10 GHz。因其頻帶資源豐富、傳輸容量大、頻譜使用費低廉以及高頻窄波束適應密集部署等優勢，對運營商來說將會是重要的無線傳輸手段。但由于其自由空間路徑損耗嚴重直接導致傳輸距離較短。此外，由于80 GHz頻段屬于高頻信號，雨衰的影響相對嚴重，但大部分地區均可以接受。所以環境對E頻段微波的影響有限，E頻段微波的應用場景還是十分廣泛的。

    對毫米波通信系統而言，天線技術是系統實現的關鍵，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具有幾乎恒定的增益和高效率來完成可靠的信息傳輸。

1 研究概況

    毫米波的V頻段 60 GHz無線通信最初只應用于軍事領域，無法大量用于民用領域中。隨著電路集成工藝的最新發展，各國已經開始將 60 GHz 短距通信技術轉向民用。60 GHz短距通信技術由于能夠提供高達數吉比特的速率，提供免許可的7 GHz帶寬的頻譜資源等優勢，成為未來無線技術的最具潛力的備選技術之一。

    1994年10月美國FCC發布了將40 GHz以上的部分毫米波頻譜應用于商業產品開發的通告。開放的頻譜范圍也從5 GHz帶寬擴展后來的7 GHz帶寬。此后從2000年到2006年間，日本，澳大利亞等其他國家和地區也相繼開放60 GHz附近的頻譜資源，在歐洲頻譜范圍甚至擴展到了9 GHz的帶寬，且免許可。

    相比國外60 GHz短距通信技術的日趨成熟，而國內參與相關技術研究的機構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調研來看，頻譜資源以象征性的低使用費為主。目前，在部分國家已經開放了E頻段的使用，各國運營商也紛紛開始進行其用于下一代無線網絡回傳的試驗，都處于起步階段，有很大的發展空間。

    由于毫米波信號的巨大路徑損耗，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，成為天線技術研究的主要難題。

    本文將對近年來V頻段和E頻段的天線的新發展詳細描述。為了方便地認識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、喇叭天線，在毫米波波段的尺寸較合適，最為實用，其為傳統結構，技術發展比較成熟，設計方法與其他波段基本一致，只是機械公差有很大的進展。但也有通過改善其結構、外形、或者與其他結構集成來達到設計要求。

    文獻[1]為E頻段的圓柱形反射面天線，用于無線回程解決高數據速率通信，如圖1，該天線為一二次反射面天線，通過一個波紋線型帽型結構饋電，帽型結構是通過工作在一矩形波導來饋電的，其特點是小型化、高增益，比圓形反射天線更容易制造也更便宜。與其他帽型結構饋電的反射面天線相比，該天線增益更高，由于頂端沒有介質制作成本更低。如圖2，天線在中心頻率的方向性系數達到41.4 dBi，口徑效率為60%。

    文獻[2]為E頻段集成透鏡天線，實現了二維全電子波束掃描功能。設計天線為半徑為7.5 cm和12.5 mm的半球形石英透鏡，如圖3，將16個二維排列的口徑耦合微帶天線單元和一個開關電路焊接在一個反饋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域，θ<27°，但是方向性較低，為16 dBi。仿真和實測吻合良好。

    文獻[3]為集成錐形喇叭天線，用于無線通信系統中。主要特點是低成本、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驅動喇叭天線。天線用金屬化過孔來合成喇叭壁，喇叭天線的開口從頂層到底層階梯式張開。用多層PCB來制作天線原型來實現低成本，用平面寬帶連接器實現SIW和共面波導的連接，易與共面波導集成。帶寬為40%，如圖4，輻射效率大于81%，如圖5，70～105 GHz，增益在整個頻段內相對恒定，10±1 dB，測量的交叉極化在H面大于21 dB，在E面大于36 dB，測量和仿真的|S11|在整個頻帶基本都小于-10 dB。

    文獻[4]為方向性平面波導天線陣列，特點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網絡，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43 dBi，最小增益為40 dBi，工作帶寬幾乎20%，S11小于-14 dB。

    文獻[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，而使用縫隙波導技術來減小設計復雜度和成本。天線測量輻射效率達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、易于集成等特點在毫米波段應用特別廣泛，形式種類也非常多，各種陣列天線在無線通信的應用尤其多，發展很迅速。

    文獻[6]提出的微帶陣列主要的特點是低成本、高增益、高效率，應用于點對點通信系統中，實際結構如圖8。天線結構分為兩層，上面一層是4×4圓貼片陣列，下面一層是SIW饋電網絡和功率分配器組成的饋電網絡，通過在SIW的金屬上表面蝕刻縱向槽來對貼片陣列饋電，提高了天線效率；用PCB來制作天線原型實現了低成本；將四個1×4天線陣列之間的基片去掉來減小它們之間的耦合，也將整個天線的增益提高了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。最終測得天線帶寬為7.2%，81～86 GHz，增益在整個頻段內恒定，為18±0.5 dBi，如圖9，效率為90.3%，如圖10。

    文獻[7]為介質加載的平面正反漸變槽天線，如圖11，主要特點是低成本、高增益、高效率。介質加載是為了提高天線增益，SIW饋電結構和介質加載板都集成在一個平面單層基片上，成本低，易制作；用PCB板制造天線原型也實現低成本。測量的單個單元天線的增益為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，測得的天線陣增益為19±1dB。

    文獻[8]為口徑耦合貼片天線，特點為低成本、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，實測和仿真結果非常吻合。

    文獻[9]為折疊偶極子陣列，如圖13，工作在48～64 GHz，天線特點為低成本、高效率、強的方向性。用低溫共燒陶瓷（LTCC）來實現低成本；運用新的結構（一層覆蓋面和兩層分隔板）來提高性能，集成電路載體和天線用倒裝式芯片連接，附加在覆蓋面上。基片有兩個腔，一個為無線電模具，一個在天線陣列下面，這樣的結構使得有更寬的帶寬和更高的效率；無線電模具的底片被擴展為天線陣列的一部分，來反射回到前面的輻射，從而增加天線陣列的方向性。整個頻段內，s11小于-10 dB，效率90%，增益10 dBi，如圖14。

    文獻[10]為基于基片集成波導的槽天線，工作在V頻段。相比傳統槽波導陣列天線，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的不同位置排列，通過最小化不同諧振槽激勵電壓的變化，來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，如長線行波天線、“V”形天線，偶極子加載天線等。一類為場行波天線，如八木天線，背射天線等。毫米波行波天線的結構很靈活，它們可以構成陣列并具有優異的掃描特性。如今毫米波波段微帶準八木天線、八木天線陣列、背射天線、螺旋天線應用較多，發展迅速。

    文獻[11]為短背射天線，工作在55.7～100 GHz，與之前的傳統后背射天線相比，有更寬的帶寬，更高的增益。如圖16，天線由E面矩形波導饋電，蝴蝶偶極子比直偶極子激勵提高了效率，副反射器用兩個簡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器相同的基片的背面。增益為13.8～18.5 dBi，在85 GHz達到峰值，駐波比小于2(絕大多數頻帶內小于1.5)，阻抗帶寬大于54%，最大寬邊增益大于19 dBi。

    文獻[12]為平面準八木天線，工作在60～80 GHz，比傳統八木天線更緊湊，適合低成本、低介電常數材料制造。天線用折疊偶極子驅動，在低介電常數基片上實現，用低成本厚膜實現；與標準八木天線相比，減小了驅動器長度，允許在低介電常數基片上陣列單元之間更緊密，折疊偶極子驅動得到4:1的阻抗范圍，輸入阻抗和諧振頻率可以通過適當的調節折疊偶極子的參數來調節，使得單個單元的最優化有更多的調節空間，單元的工作帶寬近似為1.3:1。測量的阻抗帶寬是21%，在60～76 GHz實現增益為3～5 dBi，前后比仿真結果在60～80 GHz大于12 dB。

    文獻[13]為可重構八木偶極子天線，天線的工作頻率從57～66 GHz無線個人區域網和E頻段71～86 GHz。天線被印刷在一個石英基板上與射頻微機電系統開關集成在一起。包括一個驅動偶極子，兩個引向偶極子和一個截斷地平面做反射器。通過控制加載在驅動和引向偶極子單元上的射頻微機電系統，就實現了天線的工作頻率從57～66 GHz無線個人區域網和E頻段71～86 GHz之間的切換。天線的端射方向圖在兩個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[14]為具有階梯型引向器的準八木天線。天線在傳統設計的基礎上，通過將準八木天線的單級傳統引向器改為梯形多級引向器，天線的增益增加2.2～3.4 dBi，帶寬增加了30%。天線在60 GHz的增益達到11.7 dBi，帶內交叉極化小于-15 dB，平面尺寸也很小，9.2 mm×10 mm。

5 結論

    在無線通信網絡高速發展的今天，毫米波天線有著廣泛的應用前景，經過大量收集整理E頻段和V頻段毫米波天線，可以看出近年來，各種材料、各種形式、各種結構的平面天線發展迅速，性能較好，適合很多場合使用，有廣泛的應用前景。其中，平面天線由于其尺寸小、易于集成等特點應用尤其廣泛。

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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 儀器與電子學院，山西 太原030051；2.山西科泰航天防務技術股份有限公司，山西 太原030024）