专利名称：一种应用于60GHz系统的高增益介质谐振器天线的制作方法
技术领域：
本发明提供一种应用于60GHz系统的高增益介质谐振器天线，属于电磁传播与接收的技术领域。
背景技术：
宽带化和无线化是通信业发展主要趋势中两个很重要的方面，60GHz的光载射频(Radio-over-Fiber，R0F)通信技术因满足高带宽无线接入的要求具有很大应用前景，60GHz的ROF系统对天线也有特殊的要求。l、60GHz系统中的天线国际上60GHz系统中免许可频段带宽最大的为9GHz，是由欧洲提出的57GHz-66GHz频率范围。60GHz频段信号衰减大，不适于远距离传输(文献1，AjungKim, Young Hun Joo, and Yungsoo Kim. 60GHz Wireless Communication Systems withRadio-over-Fiber Links for Indoor Wireless LANs. Transactions on ConsumerElectronics, 2004)。工作于60GHz频段的天线表面波损耗大，馈线损耗及杂散福射明显，这些都会恶化天线增益和方向图(文献2, S. K. Yong and C-C. Chong. An Overviewof Multi-Gigabit Wireless Through Millineter Wave Technology Potentials andTechnical Challenges. EURASIP J. Wireless Commun. And Networking, 2007)。60GHz 频段信号波长很短，电路整体尺寸小，为利于电路集成，要求天线具有小尺寸、低剖面的特点。基于60GHz系统特点，要求系统中的天线在大带宽小尺寸下具备高增益和高效率。2、介质谐振器天线的优点和缺点介质谐振器天线的福射主体是介质谐振器(Dielectric Resonator, DR),用于天线中的DR由低损耗、高介电常数的微波材料构成。介质谐振器天线是一种谐振式天线，通过整个谐振器表面向空间辐射能量，因为没有金属导体的损耗，其辐射效率很高。由于介质谐振器天线具有福射效率高、尺寸小、带宽宽等优点(文献3, Kwai-Man and Kwok-WaLeung. Dielectric Resonator Antenna. 2003),使得介质谐振器天线适用于60GHz系统。介质谐振器天线的增益不高，如何在保持小尺寸的前提下提高介质谐振器增益受到越来越多的关注。目前，提高介质谐振器天线增益的方法包括加大介质谐振器天线的介质基板；在介质谐振器天线上方加覆层；将介质谐振器天线组阵等。这些方法在一定程度上能很好地提高介质谐振器天线的增益，但这些提高增益的方法或增大了尺寸或增大了剖面，不适用于60GHz系统对地剖面小尺寸的要求，不利于电路的集成。本发明提出了一种应用于60GHz系统的高增益介质谐振器天线，其突出特点是在没有改变天线尺寸和剖面下提高天线增益。3、EBG结构在天线中的应用a. EBG结构的概念及其带隙特性光子晶体是具有频率带隙的周期性介电材料，在微波、毫米波段被称为微波光子晶体或者电磁带隙结构(Electronic Bandgap structure,简称EBG结构)。早期的电磁带隙结构属于Bragg散射机制，尺寸比较大，在实际应用中受到很大限制。1999年，D. Siecenpiper设计的“蘑燕”型(Mushroom-Iike)EBG结构频率带隙的产生由单元本身的谐振弓丨起(文献 4, Dan Sievenpiper, Lijun Zhang, Romulo F. Jimenez Broas, NicholasG. Alex' opolous,Eli Yablonovitch. High-Impedance Electromagnetic Surfaces witha Forbidden Frequency Band, 1999),不受Bragg条件的限制,尺寸较小；同年,提出的共面紧凑型电磁带隙结构(文献 5,Fei-Ran Yang,Kuang-Ping Ma, Yongxi Qian, Tatsuo Itoh.A Uniplanar Compact Photonic-Bandgap(UC-PBG) Structure and Its Applications forMicrowave Circuits. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,1999)也是基于谐振机制，与Mushroom-like EBG结构相比不需要金属过孔,加工工艺简单。EBG结构有两个重要特性，表面波带隙和反射相位带隙。表面波阻抗随频率变化，在一定谐振频率范围内，EBG表面波阻抗高阻止表面波传播，形成表面波带隙。在反射相位带隙内，印刷的EBG结构表面的高表面阻抗，截断了电流的传播，对于入射的平面电磁波具有同相反射特性。本发明利用了易于工艺制作的HSF-UC-EBG结构的表面波带隙，实现了 60GHz系统中在保持尺寸不变下提高介质谐振器天线增益。b. EBG结构在天线中的具体应用EBG结构能很好地改善天线性能(I)将EBG结构用做天线的接地板,利用EBG结构的同相反射特性，可实现低剖面天线(文献6, Andrea Vallecchi, Javier R. DeLuis, Filippo Capolino, and Franco De Flaviis.IEEE Low Profile Fully PlanarFolded Dipole Antenna on a High Impedance Surface. Transaction on Antennasand Propagation, VOL. 60, NO. 1，January 2012) ； (2)将 EBG 结构用作天线的覆层，利用EBG结构的频率选择特性提高天线的增益(文献7，Ju, J.，Kim, D.，Lee, I J. and Choi,J. I.，Wideband high—gain antenna using metamaterial superstrate with thezero reflactive index, Microwave Opt. Technol. Letter，vol.51，no.8，pp. 19731976，Aug. 2009) ； (3)EBG结构用做天线接衬底，利用EBG结构的表面波特性，可以改善天线的工作带宽和方向图(文献 8, Halim Boutayeb, Tayeb A. Denidni. Gain Enhancement of aMicrostrip Patch Antenna Using a Cylindrical Electromagnetic Crystal Substrate.Transaction on Antennas and Propagation, VOL.55, NO. 11, November 2007) ； (4)EBG结构用在阵列天线中，利用EBG结构的表面波带隙，降低阵列间的互耦，消除扫描盲点(文献 9, Fan Yang, Yahya Rahmat-Samii. Microstrip Antennas Integrated WithElectromagnetic Band-Gap(EBG)Structures :A Low Mutual Coupling Design for ArrayApplications. Transaction on Antennas and Propagation, VOL. 51, NO. 10, October2003)。目前对于EBG天线的研究,主要集中于EBG改善低频段天线性能、EBG改善微带贴片天线性能、EBG改善阵列天线的互稱等方面,对于EBG改善高频段天线性能,尤其是高频段介质谐振器天线性能的研究比较少，国内该方面的研究几乎没有。因此，如何利用EBG结构改善高频系统中的介质谐振器天线性能是一个挑战。本发明通过在介质谐振器天线中加载HSF-UC-EBG结构，实现了应用于60GHz系统的高增益介质谐振器天线，该HSF-UC-EBG天线在没有改变尺寸和剖面下实现了高增益。
发明内容
针对60GHz毫米波通信系统对天线小尺寸高增益的要求，本发明提供一种应用于60GHz系统的高增益介质谐振器天线，其突出特点是在保持尺寸和剖面不变下，有效提高了介质谐振器天线增益。本发明设计的应用于60GHz系统的高增益HSF-UC-EBG天线包括介质谐振器、介质基板、电磁带隙结构、微带馈线、接地板。其中加载的电磁带隙结构为单元交叉排列的HSF-UC-EBG结构，通过调节HSF-UC-EBG结构的周期及单元参数，从而调整EBG结构的表面波带隙覆盖天线工作频段；然后将一圈HSF-UC-EBG结构加载到天线介质上层，并调节HSF-UC-EBG结构和天线之间的距离来有效抑制表面波，实现高增益天线。相对于现有技术，本发明具有如下优点
I、本发明设计的HSF-UC-EBG介质谐振器天线，因加载了 HSF-UC-EBG结构，使能量更加集中地辐射到空间，相比现有技术中的介质谐振器天线具有更高的增益，实际可用于60GHz晕米波通信系统中。 2、本发明中加载的HSF-UC-EBG结构因引入了一级分形且单元交叉排列，使EBG带隙很宽，相对于现有技术中用于改善天线性能的EBG结构，表面波带隙性能更加优异。3、本发明中加载的HSF-UC-EBG结构因表面波带隙性能优异，只需加载一圈，就能很好地抑制表面波，相对于现有技术中的EBG结构，加载的圈数更少，更利于电路的集成。4、本发明相对现有技术中的高增益天线(大介质基板增加天线尺寸、覆层天线增大天线剖面、天线阵增加尺寸且需复杂馈电网络)，天线尺寸、剖面厚度、馈电网络都不改变，具备尺寸小、剖面低、馈电网络简单的优点。本发明的工作原理如下首先，普通介质谐振器天线工作原理。其工作频率主要受介质谐振器介质类型、尺寸的影响；介质基板的尺寸对天线工作频段的影响不大，但介质基板的尺寸会显著影响天线的增益，介质基板越大，天线增益越大；耦合缝隙的尺寸决定耦合到天线的能量；馈线影响天线的阻抗匹配。天线系统中覆有金属层的基板，其金属表面多用作天线的接地板，天线工作时，在这层金属表面上会有表面波被激发出来，这种沿金属表面传播的波介质基板的边缘会辐射到空间，降低天线的增益，恶化天线的方向图。其次，用于改善天线性能的EBG结构的工作原理。电磁波在周期分布的介质结构中传播时，如果波长与结构周期可比就会发生多重散射，使得电磁波的能量分布不再连续，因而存在一个禁带，电磁波在禁带内不能传播。根据60GHz系统对天线小尺寸高增益的要求，选取具有小型化和宽带隙特点的HSF-UC-EBG结构加载到天线。HSF-UC-EBG结构引入了一级分形结构，利用分形结构的自相似特性，使得在相同单元尺寸下，增加了电流的有效流动，具有较宽带宽；同时，通过对HSF-UC-EBG结构单元进行交叉排列方式，进一步实现了表面波带隙的扩展。最后，EBG结构改善天线性能的原理。将HSF-UC-EBG结构加载到天线介质上层，使其表面波带隙覆盖天线的整个工作频段，由于在表面波带隙内，任何电磁波都不能传播，这减少了天线的表面波损耗，使能量更加集中地通过天线辐射到空间，提高了天线辐射能量的定向性，从而提高了天线的增益，改善了天线的方向图。由于HSF-UC-EBG结构具有小型化和宽带隙的特点，使得天线在不改变尺寸和剖面的前提下提高增益成为可能。
图I为普通介质谐振器天线的结构示意图，其中图1(a)为整体视图，图1(b)为侧视图。本发明采用的圆柱形介质谐振器，谐振器介电常数为ε ra = 10. 2，高度Hd = O. 5mm,半径Rd = I. 5mm。介质基板的相对介电常数为ε = 2. 2，厚度为Ii1 = O. 254mm，本发明中介质基板的长度为SubLength = 7. 5mm,宽度SubWidth = 7. 5mm。天线采用缝隙稱合馈电，耦合缝隙位于介质谐振器天线接地板的正中央，缝隙的长度Ls = I. 5_，宽度Ws = O. 2_。馈线览度为Wst = O. 2mm，馈线介质介电常数为ε = 2. 2，厚度为h2 = O. 127mm。图2为用于改善介质谐振器天线性能的HSF-UC-EBG结构及其性能。图2 (a)为引入一级分形的单元交叉排列的HSF-UC-EBG结构示意图；图2 (b)为HSF-UC-EBG结构的单元示意图，该HSF-UC-EBG结构单元引入了一级分形的H型槽,其中P=L 5mm,L = O. 8mm,W =·0.08_。通过测量端口 I到端口 2的传输能量可得该结构的带隙，本发明中表面波带隙为S21 < -20dB的频率范围；如图2(c)所示表面波带隙为38GHz-47GHz以及54GHz_82GHz，其中54-82GHZ的带隙覆盖了图I所示天线的工作频段。图3为HSF-UC-EBG介质谐振器天线结构，其中图3 (a)为整体视图，图3 (b)为侧视图。除加载的HSF-UC-EBG结构外，其余的参数和图I中各参数完全一致，即谐振器介电常数为ε ra = 10. 2，高度Hd = O. 5mm，半径Rd = I. 5mm ;介质基板的相对介电常数为ε rl =2. 2,厚度为Ii1 = O. 254mm,本发明中介质基板的长度为SubLength = 7. 5mm,宽度SubWidth=7. 5mm ;缝隙耦合馈电的耦合缝隙位于基地板的正中央，缝隙的长度Ls = I. 5mm,宽度Ws=O. 2mm ;馈线览度为Wst = O. 2mm,馈线介质介电常数为ε r2 = 2. 2，厚度为h2 = O. 127mm。HSF-UC-EBG加载到天线介质的上表面，加载的HSF-UC-EBG结构和图2所示结构尺寸一致，即结构为单兀交叉排列的HSF-UC-EBG,单兀尺寸P = L 5mm, L = O. 8mm, W = O. 08mm。天线和EBG结构之间的距离为Dae = 2. 25mm。图4为普通介质谐振器天线与高增益HSF-UC-EBG介质谐振器天线回波损耗性能。工程中一般定义回波损耗小于-IOdB的频率范围为工作频段，从图4可以看出，普通介质谐振器天线的工作频段为54. 8GHz-66GHz ;HSF-UC_EBG介质谐振器天线的工作频段为54GHz-66GHz ;可知，普通天介质谐振器线与高增益HSF-UC-EBG介质谐振器天线的工作频段都涵盖了整个60GHz毫米波系统中57GHz-66GHz的免许可频段，两者回波损耗性能基本一致，高增益HSF-UC-EBG介质谐振器天线工作带宽相对普通介质谐振器天线略有增加，可知加载HSF-UC-EBG结构后对天线工作带宽的影响可以忽略。图5为普通介质谐振器天线与高增益HSF-UC-EBG介质谐振器天线的增益性能。从图5可以看出，普通介质谐振器天线工作频段内最小增益值为4. 4dB，最大增益值为7. 4dB ；HSF-UC-EBG天线在工作频段内的最小增益值为6. 8dB,最大增益值为9. 2dB。HSF-UC-EBG介质谐振器天线相对普通介质谐振器天线在整个工作频段内的增益都有所提高，最小增益值从4. 4dB提高到6. 8dB，最大增益增益值从7. 4dB提高到9. 2dB。从此图可以看出，本发明在加载HSF-UC-EBG结构后，在不改变天线尺寸不影响天线工作带宽下，天线的增益得到了有效提闻。图6为普通介质谐振器天线与高增益HSF-UC-EBG介质谐振器天线方向图性能。图6 (a)为E平面的方向图，从图中可以看出，高增益HSF-UC-EBG介质谐振器天线的方向图波束更扁，使高增益HSF-UC-EBG介质谐振器天线辐射到空间的能量更加集中，从而有效改善了天线的增益；同时，高增益HSF-UC-EBG介质谐振器天线的方向图相对普通介质谐振器天线方向图更加对称，进一步说明天线的方向图性能更好。从图6(b)可看出HSF-UC-EBG介质谐振器天线在H面的峰值增益更大。从天线方向图可以看出，本发明提出的引入HSF-UC-EBG结构的介质谐振器天线，相对普通介质谐振器天线增益有了显著提高。
具体实施例方式本发明具体实施方式
如下所述。第一，选定带宽满足要求的介质谐振器天线。根据60GHz系统对天线小尺寸、高效率、宽带的要求，及介质谐振器天线宽带、小尺寸、高效率特点，依据介质谐振器天线理论选定工作带宽包括57GHz-66GHz的天线。天线整体布局如图1(a)所示，天线的具体结构参数 如图1(a)和图1(b)所示。圆柱形介质谐振器其介电常数ε ra = 10. 2，介质谐振器高度Hd=O. 5mm,半径 Rd = I. 5mm。介质基板厚度 Ii1 = O. 257mm,介质基板长度 SubLength = 7. 5mm,宽度SubWidth = 7. 5mm，介电常数ε = 2. 2。耦合缝隙位于介质谐振器的正中央，缝隙长度Ls = I. 5mm,览度Ws = O. 2mm。馈线的览度Wst = O. 38mm,馈线介质介电常数为ε ^ =2. 2,厚度 h2 = O. 127mm。第二，设计性能满足要求的EBG结构。设计的EBG结构应满足如下要求表面波带隙覆盖天线的工作频段；EBG结构要具备小型化和宽带隙的特点。根据图4可知天线工作频段为54GHz-66GHz，为了使整个工作频段内的天线增益都得到有效改善，要求EBG结构的表面波带隙至少覆盖这个频段。从图2(c)可知，H型槽的一个表面波带隙为54GHz-66GHz，且表面波带隙较深，因而加载很少的EBG单元表面波都能得到很好抑制。又由图2(b)可知，该HSF-UC-EBG结构引入了一级分形，有效地增加了电流的路径，其单元周期P只有I. 5mm,具有小型化特点；分形结构具有自相似特性，由图2(c)可知，在P = I. 5mm下该HSF-UC-EBG结构具有两个表面波带隙，因此该HSF-UC-EBG具有宽带隙特点。第三，将HSF-UC-EBG结构与介质谐振器天线结合，最终设计一个高增益天线。将表面波带隙覆盖天线工作频段的HSF-UC-EBG结构加载到天线介质的上表面。整体布局如图3(a)所示，通过调节加载的EBG单元数和EBG与天线之间的距离来得到性能优良的天线。由图2(c)可知，该EBG结构带隙较深，本发明只加载了一圈EBG ;EBG结构和天线的距离选取原则两者距离不能太小，否则EBG和天线之间的互耦会恶化天线的回波损耗；不能太大，否则会影响EBG结构对表面波的抑制性能，且会增大天线的尺寸。本发明中HSF-UC-EBG和天线距离Dae = 2. 25mm,这使HSF-UC-EBG结构和天线之间互稱的影响足够小，不影响天线的回波损耗性能；同时能有效抑制表面波，保持天线的尺寸不变。由于天线工作频段落在EBG结构的表面波带隙内，使得表面波不能通过介质基板的边缘辐射到空间，从而使能量更加集中地通过天线福射，提高了天线的定向性，进而提高了天线的增益，并改善了天线的方向图。
权利要求
1.提出ー种工作于60GHz系统的高增益HSF-UC-EBG介质谐振器天线，包括介质谐振器、介质基板、电磁带隙结构、微带馈线、接地板，其特征在干在天线周围加载了ー圈HSF-UC-EBG结构，加载的HSF-UC-EBG结构位于介质上层。
2.如权利要求I所述介质谐振器天线，其特征在于加载的ー圈HSF-UC-EBG结构单元具有特定尺寸的槽长和槽宽。
3.如权利要求I所述介质谐振器天线，其特征在于加载的ー圈HSF-UC-EBG结构具有特定的单元组合形式。
4.如权利要求I所述介质谐振器天线，其特征在于加载的ー圈HSF-UC-EBG结构和介质谐振器天线之间具有特定的距离。
5.ー种在保持天线尺寸下提高60GHz系统中介质谐振器天线增益的方法，其特征在于通过加载ー圈具有小尺寸和宽带隙特征的HSF-UC-EBG结构，调整HSF-UC-EBG结构的參数，调节HSF-UC-EBG结构和天线之间的距离，使在保持天线尺寸下有效提高了天线增益。
全文摘要
本发明提供一种应用于60GHz毫米波通信系统的高增益介质谐振器天线，属于电磁传播与接收的技术领域。本发明提出了一种基于H-型槽分形共面紧凑型电磁带隙(H-shaped slot fractral uniplanar compact electromagnetic bandgap，HSF-UC-EBG)结构的高增益介质谐振器天线，具体实现是将一圈HSF-UC-EB结构加载到介质谐振器天线辐射主体周围，其特征是在保持介质谐振器天线尺寸和剖面不变的情况下，有效提高天线工作频段内的增益。本发明设计的高增益HSF-UC-EBG介质谐振器天线可用于60GHz毫米波通信系统中，为设计工作于高频系统中的高增益天线提供了指导。
文档编号H01Q1/00GK102820513SQ20121029902
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月22日 优先权日2012年8月22日
发明者纪越峰, 田慧平, 罗群, 赵腊梅 申请人:北京邮电大学