用于下一代微波和毫米波无线系统的集成电小单极和缝隙阵列天线设计

这篇论文介绍了一种创新的协同设计方法，用于无线应用中集成毫米波（mm-wave）和微波（microwave）技术。该设计包括两个天线：一个使用3D打印技术制造的开槽波导阵列，在毫米波频段共振；另一个是印刷单极天线，在微波频段共振，并与开槽波导阵列共享一个公共接地面。以下是论文的主要内容和贡献：

引言

随着无线通信技术的快速发展，天线设计需要能够在多个频段高效工作。由于设备在毫米波和微波频谱中运行的增多，迫切需要一种能够无缝集成这些不同频率范围的紧凑型高性能天线。论文提出的协同设计方法通过使用两个不同的天线来实现双频带操作，确保每个频段的最佳性能和效率。

天线设计

论文中的天线系统由两个优化用于特定频段的天线组成，设计成在一个紧凑的形式因子内协同工作。

1. 开槽波导天线阵列（SWA）：

   • 使用3D打印技术和AlMg10Si合金实现，确保毫米波频段的高精度和机械强度。
   • 波导沿其长度战略性地布置了一系列槽，这些槽设计用于在Ka波段高效辐射，优化阵列以实现高增益和定向应用。

2. 电小型印刷单极天线（ESMA）：

   • 设计在厚度为0.5mm的FR4基板上，结构紧凑，确保在与毫米波天线结构一起使用时占用最小空间。
   • 反射系数结果显示其在5.08至5.92 GHz范围内具有宽阻抗带宽。

3. 集成与协同设计：

   • 通过共享结构无缝集成开槽波导阵列和印刷单极天线，优化以减少天线系统的整体尺寸，同时最小化两个输入端口之间的潜在干扰。

结果与讨论

• 实验验证：在WLAN和Ka波段制作天线原型以验证模拟结果。实验结果显示，开槽波导天线的阻抗带宽与模拟结果几乎相同，而电小型单极天线的测量反射系数与模拟结果有所不同，主要由于连接器接口的挑战。
• 隔离性：分析了端口之间的隔离，结果显示在Ka和WLAN频段的隔离水平始终低于-35 dB。
• 辐射模式：开槽波导天线在26 GHz、28 GHz和30 GHz显示出定向辐射模式，适合需要集中信号强度的应用；而单极天线则表现出全向辐射模式，适合需要广泛覆盖的应用。
• 增益：集成天线系统的增益显示，开槽波导阵列具有高增益，而电小型单极天线由于其小尺寸，增益较低。

主要贡献

1. 高增益与高辐射效率：通过开槽波导阵列和波束成形技术实现，确保高频下的最佳性能。
2. 电气紧凑结构：在毫米波频段的设计确保了与微波频段的无缝集成。
3. 双频带操作：实现了微波和Ka波段的双频带操作，分别覆盖15.27%和14.56%的阻抗带宽。
4. 创新材料与先进制造技术：使用3D打印和AlMg10Si合金，展示了现代天线设计中先进制造技术的潜力。

结论

论文提出的协同设计方法通过集成开槽波导阵列和印刷单极天线，显著提高了无线通信系统的多样性和性能。这种方法不仅减少了天线系统的占地面积，还增强了系统的多功能性和性能，为未来高频天线设计的发展奠定了坚实的基础。