60GHz天线技术概览.docVIP

60GHz天线技术概览要求：1.该频段WiFi的发展，标准2.现在WiFi的发展应用情况3.这个频段antenna的技术要素，研究情况，现在发展情况，发展趋势4.相关文章，包括重要会议文章，期刊文章5.antenna的技术难点一、60GHz频段WiFi的发展，标准，特点60GHz频段是一个无需注册的、开放的ISM频段，在目前2.4GHz和5.2GHz ISM 频段已经被大量使用的情况下，人们的注意力自然转向了尚未被开发和利用的60GHz频段来。该频段的特点有：1、 绝对带宽很宽，高达9GHz带宽2、 波长短，具有毫米波的属性3、 在空气中衰耗得比较快4、 适合室内使用该频段在2012年被IEEE纳入了802.11ad标准中，是标准802.11n/ac的演变。该标准允许（技术特点）：1）支持高达2.16 G H z的信道带宽，物理层传输速率接近7 Gbit/s；2）采用高增益、低复杂度和低处理时延的低密度奇偶校验码（LDPC）；3）采用旋转调制、差分调制、扩展QPSK等改进的调制技术；4）采用波束赋形技术对抗60 GHz频段的高路径损耗，支持传输距离超过10 m的可靠通信；5）针对无线视频、快速文件传输等应用场景和60 GHz无线通信技术特点，引入新的组网方式个人基本服务集（PBSS）；6）采用增强的安全协议和功率管理技术；7）支持在2.4 G H z、5 G H z和60 GHz频带之间的快速会话转移；8）支持与其他60 G H z系统（如IEEE 802.15.3c及802.19）的共存。WiGig技术是由WiGig（无线吉比特联盟）主导基于802.11ad标准制定的。2013年，WiGig联盟与Wi-Fi联盟合并二、60GHz频段WiFi的发展和应用1、2014年10月三星推出 60GHz Wi-Fi 技术。三星方面表示，新的 Wi-Fi 技术将能够将数据传输速度提高到 4.6Gbps，实际的数据传输速度将达到575MB 每秒，五倍于现有 Wi-Fi 最快速度。三星方面透露，最早将在明年正式将这种最新的 Wi-Fi 技术投入商用；2、2014年1月世界移动通信大会上，半导体公司Wilocity宣布其生产的芯片Sparrow支持5Gbps的网络无线传输，手机厂商可以在今年下半年尝试搭载这块芯片，而真正推出则要等到明年上半年。3、2013年1月在国际消费类电子产品展览会（CES）上，无线芯片厂商Wilocity演示了下一代无线传输技术802.11ad，据Wilocity介绍，他们的80.211ad芯片最大吞吐量为4.6Gbps，无线传输速度近似于USB3.0；4、2013年韩国高级技术研究院的研究人员目前研发了最新的无线射频收发芯片，采用的是60GHz的波段，数据流量高达10gbps。这样的速度意味着用户下载一部4.7GB的电影所花的时间仅需3.76秒。该研究小组称，芯片尺寸非常小（高4mm，宽6.6mm）。整个芯片取代了过去需要多个天线才能执接收或是传输数据任务，很大程度上有利于缩小整个芯片尺寸设计。5、2012年 戴尔发布了超极本Latitude 6430u，该超极本使用了Wilocity Wil6120、Atheros AR9642两款芯片组来提供三频段的WiGig。但是，DELL没有介绍60GHz频段的传输性能。 （图片来自淘宝网）三、60GHz WiFi天线各参数的要求60GHz WiFi系统工作在毫米波波段，所以对天线的制作精度和某些参数的要求(增益、通信距离等)也是比较高的。一般来说，对于10m以下的通信距离，不需要使用波束赋形天线；通信距离大于10米时，由于O2 对60GHz电磁波强烈的吸收作用，必须使用波束赋形天线以抵消O2的吸收作用。1、 频率范围（如果考虑到802.11ad需要支持在2.4 G H z、5 G H z和60 GHz频带之间的快速会话转移，所以其天线/天线阵工作频段还要加上2.4GHz和5.2GHz频段）2、 增益要求没有限定，增益越大波束越窄。具体的要求视射频前端以及应用场合决定。3、 尺寸要求该频段的天线比较小，如果考虑支持2.4 G H z、5 G H z频段，则需要认真设计。4、 工艺要求天线尺寸较小，对工艺水平要求较高。一般来说，制作步骤越简单越好，制作条件限制越少越好。5、 波束赋形技术802.11ad标准要求基于此标准实现的Wi-Fi网络天线，具有波束赋形的能力。Directional multi-gigabit (DMG) antenna: A DMG antenna is a phased array, a single element antenna, or a set of switched beam antennas covered by a quasi-Omni antenna pattern.四、当前阶段的天线研究概况已知文献中，60GHz天线主要有以下几类：1、 透镜天线因为，60GHz电磁波波长很短，所以可以利用光学透镜原理设计、制作透镜天线。透镜天线原理：利用波程差，将全向波转换成平面波。透镜天线的特点：（1）、工作带宽大（2）、较好的中心对称特性，易于实现大角度扫描（3）、每个波束具有全口径增益，波束宽度小，扫描精度较高（4）、波束的方向性与频率无关（5）、旁瓣、后瓣低（6）、加工精度和馈电网络较简单其缺点是效率低，结构复杂，价格昂贵。在60GHz频段上，可以较好的实现波束赋形，但是是它的体积比较大，不易于集成化。也许，只可以适用WiFi站天线。主要参考文献有：1）J. R. Costa, C. A. Fernandes, G. Godi, R. Sauleau, L. Le Coq, and H. Legay, “Compact Ka-band lens antennas for LEO satellites,”IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 56, no. 5, pp. 12511258,May 2008. 2）Rolland, A.; Sauleau, R.; Le Coq, L. Flat-Shaped Dielectric Lens Antenna for 60-GHz Applications, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, On page(s): 4041 - 4048 Volume: 59, Issue: 11, Nov. 20113）Lima, E.B.; Costa, J.R.; Fernandes, C.A., “Optimization of mechanically beam-steerable lens antenna profile for 60 GHz wireless communications,” Antennas and Propagation society international symposium, 2009. Apsursi09. IEEE, 1-5 June 2009.4）A. L. Peebles,“A dielectric bifocal lens for multibeam antenna application,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 36, no. 5, pp. 599606, May 19885）Godi, G.; Sauleau, R.; Thouroude, D. Performance of reduced size substrate lens antennas for Millimeter-wave communications, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, On page(s): 1278 - 1286 Volume: 53, Issue: 4, April 20056）刘唯“60GHz空气介质龙伯透镜天线的研究”2014年浙江大学硕士学位论文. 2、 普通微带天线/天线阵原理、特征：略在60GHz频段主要的应用障碍是在保留其体积小、重量轻、低剖面、易共形等特点的条件下，它的带宽较窄。文献“王子浩; 石丹; 邹新龙等“一种改进型60GHz双层微带天线的设计与仿真” 2014-04-15 CNKI环境技术”中适使用了低介电常数、增加厚度的双层矩形微带天线设计。仿真带宽展宽到了6.05GHz，但是增益不高，方向性较差也没有实测结果。可以在此结构上，考虑使用天线阵列，改进增益和方向图。文献“Bandwidth improvements of 60GHz micromachining patch antenna using gap coupled U Microstrip feeder ”中，作者使用微机械加工的硅片介质板上（去掉下部的硅材料），然后利用馈线耦合的方式展宽带宽，提高增益。此结构仿真结果，带宽达到10GHz，增益在8dBi以上，效率大于90%。作者提出可以使用MEMS馈电网络实现波束赋形。Adane, F. Galle, and C. Person, “Bandwidth improvements of 60GHz micromachining patch antenna using gap coupled U- Microstrip feeder,” Proc. of the Fourth European Conf. on Antennas and Propag. (EuCAP), pp. 12-16, Apr. 2010.Sallam, M.O.; Soliman, E.A.; Sedky, S. Reconfigurable micromachined antenna with polarization diversity for mm-wave applications, Antennas and Propagation (EUCAP), 2012 6th European Conference on, On page(s): 3569 3573与上篇论文类似，本文提出一个新结构。使用开关实现天线的垂直、水平和左右旋极化方式。文献“High gain microstrip antenna based on double superstrate layer for 60GHz communication systems”。文章在普通矩形贴片天线上加了两层波束导向介质板和空气层，用以提高带宽和增益；并与普通8*1矩形微带阵列天线比较，发现该天线在方向性、增益、带宽上都优于普通阵列天线。Abbou, D. Touhami, R. ; Gaoua, S. ; Tan Phu Vuong “High gain microstrip antenna based on double superstrate layer for 60GHz communication systems”, Multimedia Computing and Systems (ICMCS), 2014 International Conference on, Page(s):1384 1387.H. Vettikalladi, O. Lafond, and M. Himdi, “High-efficient and high-gain superstrate antenna for 60-GHz indoor communication”, IEEE Antenna Wireless Propagat. Lett., vol. 9, pp. 1422–1425, 2009.该文与上文类似，不过它的馈电方式比较新颖（复杂），它波束导向的介质板只有一层，但它还是一个三层结构。增益14.6db，效率76%，带宽6.8%。Razavi, S.A. Kildal, P.-S. ; Liangliang Xiang “Design of 60GHz planar array antennas using PCB-based microstrip-ridge gap waveguide and SIW” Antennas and Propagation (EuCAP), 2014 8th European Conference on, Page(s):1825 1828这个应该属于腔体天线了。它用微带线（以耦合的方式）给集成介质（SIW）腔体馈电，再通过腔体上的slot（2*2阵列）辐射电磁波。结构很复杂，不过在32*32的阵列模式下，它的带宽达到了16%，方向性或增益达到了38dbi。Horwath, B.D. Al-Attar, T. ”Tunability of an area-efficient microstrip patch antenna at 60GHz” Radio and Wireless Symposium (RWS), 2012 IEEE Page(s):379 382暂没看懂。Y. P. Zhang, M. Sun, and L. H. Guo, “On-chip antennas for 60-GHz radios in silicon technology,” IEEE Trans. Electron. Dev., vol. 52, no. 7, pp. 16641668, 2005. (倒F和八木天线)这篇文主要讲在晶片上60GHz的倒F天线和八木天线的性能和制作。The results showthat the inverted-F antenna achieved a minimum return loss of 32 dB and a gain of 19dBi at 61 GHz; while the quasi-Yagi antenna achieved a minimum return loss of 6.75 dB and a gain of 125dBiat 65 GHz.D. Liu, J. A. G. Akkermans, H.-C. Chen, and B. Floyd, “Packages with integrated 60-GHz Aperture-Coupled Patch Antennas,” IEEE Trans.Antennas Propag., vol. 59, no. 10, pp. 36073616, Oct. 2011.使用了比较特殊的馈线结构和（经过硅片上挖空的空气层）耦合馈电方式，扩展了带宽、增加了效率。并且研究了阵列结构。peak gain (about 8 dBi for a single element and 17 dBi for a 16-element array)，bandwidth( for 10-dB return loss bandwidths are achievable),and radiation efficiency (80% for single-element from simulation).Mingjian Li; Luk, K.-M. Low-Cost Wideband Microstrip Antenna Array for 60-GHz Applications, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, On page(s): 3012 - 3018 Volume: 62, Issue: 6, June 2014文章使用了L形的馈电端，用平面耦合馈电的方式，获得了带宽较宽的单层微带天线，其带内增益也达到了7-8个dBi。文中还提出了一个新的共面波导馈电网络对天线阵馈电，通过改变贴片形状还可以实现圆极化。新意：单层，CPW。3、 人工磁介质（AMC）微带片上天线通过在介质基板上周期性排列的金属贴片，使介质基板具有特殊的性能，这些特有的性能可以用来优化天线某些参数。文献 “60GHz基于AMC结构标准CMOS工艺片上天线研究”中，使用了AMC结构，增加了天线的阻带带宽和增益0.707；张钊“60GHz基于AMC结构标准CMOS工艺片上天线研究” 杭州电子科技大学硕士学位论文，2013-12-01文献“60 GHz AMC Antennas in Multi-Processor Multi-Chip Data Transmission”中，在介质板上铺制了一层AMC层，以减少能量在硅片中的损耗，提高辐射效率。Ho-Hsin Yeh，Hiramatsu, N. ; Melde, K. “60 GHz AMC Antennas in Multi-Processor Multi-Chip Data Transmission” Antenna Technology (iWAT), 2012 IEEE International Workshop on Page(s):173 - 176文献“Wideband 60GHz On-Chip Antenna with an Artificial Magnetic Conductor”中，在patch层下部、地板上部使用了雪花状的AMC，并加入了耦合片，得到了相对较好的带宽和增益（-1.5dbi左右），但是效率很低（14.4%）；H. Chu, Y. X. Guo, F. Lin, and X. Q. Shi, “Wideband 60 GHz on-chip antenna with an artificial magnetic conductor,” inProc. IEEE RFIT,Dec. 2009, pp. 307310.Tsutsumi, Y.; Ito, T.; Hashimoto, K.; Obayashi, S.; Shoki, H.; Kasami, H. Bonding Wire Loop Antenna in Standard Ball Grid Array Package for 60-GHz Short-Range Wireless Communication, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, On page(s): 1557 - 1563 Volume: 61, Issue: 4, April 2013介绍的是适用于短距离（几厘米）的无线通信，文中使用的是球状AMC结构（球状金属底是芯片标准封装结构），亮点在于，该环状天线直接连在了芯片上。文中也讨论了将这种片上天线放在一般PCB介质板子上时，受到的影响。The antenna fully sealed in an encapsulation resin and mounted on the PCB, was fabricated and measured. Performing measurements, s11 was below -10 from 56 to 64 GHz, and the antenna gain with the PCB was from -2.4 to 4.9 dBi over the 5765GHz range and over an angular range of 60 in the horizontal plane.H.-H. Yeh, N. Hiramatsu and K. L. Melde, “The design of broadband 60 GHz AMC antenna in multi-chip RF data transmission,” IEEE Trans. Antenna and Propagation., submitted for publication.文献“60GHz片上天线的研究与设计”中设计的AMC片上天线与上面文献的设计基本相同，不过本文中使用的是六边形的缝隙AMC结构，最大增益是-1.2dBi 辐射效率约29.2%。文献“毫米波集成天线研究”中，基于正方形结构AMC的偶极子天线，最大增益是？ 辐射效率约71%。4、 低/高温共烧陶瓷（L/H TCC）技术片上天线文献“60GHz贴片天线用低温共烧陶瓷基板的微机械加工”，在LTCC基板上微机械加工出阶梯型结构，用来展开带宽(5.1GHz)增大增益（5.3dBI）。同时，使用了微流道技术提高了天线的散热能力。文献“毫米波无源器件及天线若干问题研究”中，作者使用LTCC技术设计、制作了过孔双臂微带线。并用这个单元仿真、制作了4*4的天线阵列，带宽约为10GHz，增益14dBi左右。然后使用了Butler馈电网络实现1*4阵列的波束扫描。H. Chu, Y. X. Guo, and Z. L. Wang, “60-GHz LTCC wideband vertical off-center dipole antenna and arrays,”IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 61, no. 1, pp. 153161, Jan. 2013本文是上篇文献的详细版-发表版。依然是过孔双臂天线馈电线在地板下，地板上开一个空，通过该孔馈到一个单臂，单臂的旁边是另一个较长的臂。Yu Jian Cheng; Xiao Yue Bao; Yong Xin Guo 60-GHz LTCC Miniaturized Substrate Integrated Multibeam Array Antenna With Multiple Polarizations, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, On page(s): 5958 - 5967 Volume: 61, Issue: 12, Dec. 2013该文也可以归类到腔体天线。所不同的是，它利用LTCC优越的加工工艺，制作了非一般结构（6层结构）的腔体天线。利用共面波导馈电，在腔体上开辐射缝。Alexander Bondarik, Dong Suk Jun, Joung Myoun Kim,and Je Hoon Yun “Investigation of microstrip antenna array stacked structure realized on LTCC for 60 GHz band” MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS / Vol. 52, No. 3, March 2010 Page 648-652本文利用了LTCC工艺实现孔径馈电和贴片耦合来增加天线带宽(16%)和增益(6.9dbi), 并且4*4的阵列表明它的增益(20%)和带宽(18dbi)都有增加. Lei Wang; Yong-Xin Guo; Wei-Xing Sheng Wideband High-Gain 60-GHz LTCC L-Probe Patch Antenna Array With a Soft Surface, Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, On page(s): 1802 - 1809 Volume: 61, Issue: 4, April 2013本文是利用了LTCC工艺来实现过地耦合馈电(L-Probe馈电)，并且增加了soft-surface 结构，一方面减少表面波损耗，一方面通过耦合了方式改善天线的性能。The proposed antenna array shows a wide simulated impedance of 29% from 53 GHz to 71 GHz for -10dB, measured broadband 3-dB gain bandwidth of 18.3% from 54.5 GHz to 65.5 GHz and the gain up to 17.5 dBi at 60 GHz, respectively.A. E. I. Lamminen, J. Saily, and A. R. Vimpari, “60-GHz patch antennas and arrays on LTCC with embedded-cavity substrate,” IEEE Trans. Antennas Propagt., vol. 56, no. 9, pp. 28652874, Sept.2008本文是利用了LTCC工艺来实现过地孔径耦合馈电。5腔体天线Q. Lai, C. Fumeaux, W. Hong, and R. Vahldieck,B”60 GHz aperture-coupled dielectric resonator antennas fed by ahalf-mode substrate integrated waveguide”, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 6,pp. 18561864, Jun. 2010这是通过孔径耦合的介质谐振天线。它的新意在于它使用的馈电方式half-mode substrate integrated waveguide，并且可以通过耦合馈电孔的形状改变天线的极化形式。This design experimentally exhibits a bandwidth of 24.2% for -10db. In particular, a gain higher than 5.5dB and a radiation efficiency between 80% and 92% are obtained over the whole operation band, indicating that the HMSIW can be an efficient feed for DRAs operating around 60 GHz. In addition to this linearly polarized example, a DRA of circular polarization, coupled through a pair of cross slots, is also designed, presenting a measured 3-dB axial ratio bandwidth of 4.0%Yong-Xin Guo; Hui Chu 60-GHz LTCC dielectric resonator antenna array, Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), 2013 IEEE, On page(s): 1874 1875如图所示，这是一个非常典型的介质谐振天线。The proposed 44 antenna array achieves a broad bandwidth of 24.9% and a gain up to 17.9 dBi. S. B. Yeap, Z. N. Chen and X. Qing, “Gain-enhanced 60-GHz LTCC Antenna Array with Open Air Cavities,”IEEE Trans. Antennas Propagt., vol. 57, no. 10, pp. 29042912, Oct. 2009相对于传统的孔径耦合贴片天线，本文利用LTCC工艺改进了耦合馈电方式（增加了下地面），同时去除了贴片周围了介质层，以减少表面波损耗。6、漏波（表面波）天线Bisognin, A