研究方向总结-rof天线方向

微波光子集成研究室（田慧平）研三果争研三王绪东研二张璟研二王宁,研究方向总结RoF系统组天线方向,目录,6.关于研究的进一步想法,1.研究背景,2.国内外研究现状,3.应用前景,4.关键问题及解决方案,5.本组创新,1.研究背景,电磁帯隙结构是指人造的周期性结构（有时也是非周期的），能够阻止或者促进特定频域内所有入射波和所有极化状态的电磁波传播。EBG结构具有两个显著的特性：一是阻止特定频率内电磁波的传播，即具有电磁禁带；二是对入射的平面电磁波具有同相反射作用，通常称-90度到+90度内的相位为同相相位，入射波与反射波同相叠加，由于反射相位在某些频率点为0，类似于自然界中不存在的理想磁导体特性，故称为人造磁导体特性。光载无线（RadiooverFiber，RoF）系统兼具宽带化和泛在化特点，不仅支持简单的数据、音频传输，而且支持实时高清视频等大容量的多媒体业务，近年来得到了广泛关注。然而由于该系统需要较高带宽和传输速率，当前应用在微波频段的移动通信系统如全球移动通信系统（GlobalSystemofMobilecommunication,GSM）、通用移动通信系统（UniversalMobileTelecommunicationsSystem,UMTS）不能支持如此高的数据传输速率，因此60GHz毫米波频段成为系统首选。,1.研究背景,60GHz频段为全球免费频段，该频段频谱资源丰富，但也有两个不可避免的缺点：电磁波沿直线传播，穿透能力不强；传输损耗严重。为了克服这个两缺点，毫米波天线必须能够提供在大带宽下的高增益和高效率。因此，天线成为60GHz毫米波通信系统的关键技术之一。采用天线阵来应对复杂的信道传播环境已成为一种常用的方法，但构成一个较大的相位天线阵是复杂和昂贵的。而研制新型材料来提高现有天线的性能则成为天线技术的一个重要环节，这样能够使天线在满足系统的要求下，既能降低成本，又能满足现有器件对系统的兼容性。通过在60GHz天线的介质基板中，人为的引入EBG结构，利用EBG结构的禁带效应，抑制沿基底传播的表面波，增加天线辐射到空间的电磁波，从而增加天线的增益和改善天线的辐射特性。通过合理的设计介质基板上的EBG单元结构，能够增加微带贴片天线的带宽。另外，通过在介质基板上引入EBG结构，还可以有效地削弱阵列原件之间的互耦，减少同一块系统板上部件之间的相互干扰。国内外对EBG的理论和实验研究，证实了其在提高天线性能方面的显著作用。本研究方向拟研制带隙覆盖60GHz频段的低损耗、小型化新型电磁带隙结构，并将其应用到60GHz天线上，为提高相应的天线性能提供参考。,1.研究背景,无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，能够实现短距离无线通信。它利用无线射频技术在空气中传播数据、语音和视频信号，取代旧式的双绞线构成的局域网络，实现网络的无线延伸，可以作为60GHz的ROF系统中数据采集频段。近年来，随着手机、笔记本电脑以及各种手持设备的发展，无线局域网技术由于其无线便捷的特点发展迅速。IEEE802.11是如今无线局域网通用的标准，主要使用的频段包含2.4GHz频段（2.40GHz-2.48GHz）、5.2GHz频段(5.15GHz-5.35GHz)和5.8GHz（5.725GHz-5.825GHz），这些频段无需授权，只需要满足一定的发射功率，不对其他频段造成干扰即可使用。因此，随着各种智能手机及移动设备的发展，无线局域网技术将有很大的应用空间。印刷单极子天线是由单极子天线发展而来，采用印刷电路板技术，实现单极子天线的平面化；同时印刷天线容易实现多频特性，具有价格低廉、重量轻便、易于制作的优点；此外，印刷天线的易于集成的特点相对于其它类型天线在系统集成系统具有很大的优势。本方向拟设计双频AMC特性的EBG结构，提高双频天线在两个带宽的性能，由于天线和EBG结构复杂的相互影响，使得双频EBG和双频天线结合具有挑战性，本方向在双频EBG天线方面的研究具有一定知道意义。,2.国内外研究现状,在20世纪90年代末期，两种重要的平面EBG结构被提出，一种是1999年提出蘑菇形的EBG结构1（如图1），另一种是1999年提出的共面紧凑型EBG结构2（如图2）。EBG的概念明确提出是在3中，概括地说，电磁帯隙结构是指人造的周期性结构（有时也是非周期的），能够阻止或者促进特定频域内所有入射波和所有极化状态的电磁波传播。在过去的近十年中，EBG结构成为微波和毫米波领域中一个研究的热点，它的带隙形成机理和在电磁各个领域的应用都得到了广泛的理论和实验研究。,图1蘑菇形EBG结构图2共面紧凑型EBG结构,2.国内外研究现状,文献4提出了一种新型多频EBG结构，通过在贴片上蚀刻两个对称的双U形槽，使得该结构只有传统蘑菇形EBG结构的25.9%，由于X方向和Y方向的不对称性，最终在X方向获得了3个禁带，在Y方向获得了两个禁带；文献5介绍了一种改进型的EBG结构，在L槽EBG结构的基础上，提出了MS-EBG，提高了禁带带宽，并将该EBG结构用于抑制同步开关噪声中，得到了更好的抑制效果；文献6从结构紧凑型出发，提出了一种新型的EBG结构（如图3），该EBG结构单元的大小只有0.07个波长，是当时最紧凑的结构；,2.1研究表明EBG结构具有两个显著的特性：一是阻止特定频率内电磁波的传播；二是对特定频率内的入射波具有同相的反射波，类似于自然界中不存在的理想磁导体。关于EBG的研究方向主要分以下几个方面：,图3论文6中提出的新型紧凑EBG结构,2.国内外研究现状,文献7介绍一种H形缝隙平面紧凑型EBG结构，该结构通过以不同方式放置其结构单元可以获得不同帯隙特点，基于以上研究，最终设计出超宽带准各项同性HSF-UC-EBG，可以在3.32GHz获得105.4%的相对带宽；文献8介绍了一种将EBG结构的同相反射特性（AMC特性）和电磁禁带特性（EBG特性）匹配的方法，由于AMC特性的零点在零反射相位对应的频点，而EBG特性对应的极点在反射相位从-180到180跳跃的频点，通过改变零点和极点的相对位置使得AMC特性和EBG特性频域达到匹配，这一理论对于EBG的设计具有重要的指导意义。2.2对于EBG结构与天线的结合，主要分为以下几个方向：在文献9-10中，EBG用作理想磁导体（PerfectMagneticConductor，PMC），降低天线剖面，提高天线增益；文献11-12将EBG用在天线基层，阻止天线表面波传播来提高天线增益；,2.国内外研究现状,文献13将EBG结构与阵列天线相结合，有效减少天线单元之间的互耦（如图4）；文献14提出在微带天线的馈电线中加载EBG结构，而不是之前的底层或覆层使用EBG结构，这样可以获得更加紧凑的结构，同时仍然可以提升天线的带宽，文章还研究了馈电位置对天线性能的影响，优化后的天线带宽提升到48%；文献15利用EBG结构构成的FSS覆层，能够有效地提升天线的带宽和方向性，实验和仿真结果基本一致；文献16-17利用EBG结构在超宽带中实现了两个阻带，利用这两个阻带，可以有效阻止WLAN频率段的信号干扰。,图4使用EBG结构减小天线阵耦合13,2.国内外研究现状,2.3从2000年到2006年间，日本，澳大利亚等其他国家和地区也相继开放60GHz附近的频谱资源，在欧洲频谱范围甚至扩展到了9GHz的带宽。随着各国对这些频谱资源的开放，由此引发了各大无线产品公司和研究机构对60GHz短距离通信技术的研究热潮。在60GHz标准组织中最值得关注的IEEE的TG3c小组在2004年举办了六次会议，42家公司和研究机构提交了47份提案，提案主要内容包括：毫米波天线，半导体器件，调制方案和信道编码等。可见60GHz毫米波天线是60GHz通信系统的关键技术之一。2.3.1国外在60GHz毫米波天线取得了一系列的成果：,文献18采用CMOS工艺，设计了基于AMC特性的圆极化片上天线；文献19-20应用LTCC工艺，设计了44阵列结构的60GHz贴片天线，提高了天线增益；文献21通过在LTCC圆极化天线中镶嵌软表面结构，可以使天线增益提高到17.5dBi（如图5）；文献22中，利用传统的UC-EBG结构,对文献23中提出的天线单元和天线阵列进行改进，使天线单元的增益提高了4.5dB，44的平面天线阵的增益提高了2.3dB。,图5文献21中的LTCC圆极化天线实物图,2.国内外研究现状,2.3.2相比国外60GHz短距通信技术的日趋成熟以及60GHz产品已经开始推向市场，而国内参与相关技术研究的机构并不多且都正处于起步阶段。文献24设计了一个工作频率在33GHz-60GHz的超宽带锥形槽天线；文献25提出了一种基于LTCC技术设计和加工的一个44宽带圆极化螺旋天线阵列（如图6）；文献26提出了一个采用平面过孔印刷技术设计的60GHz电磁偶极子天线，该天线结构简单，制作容易。而有关将电磁带隙材料特性用于相应的天线设计目前还少有报道。,（a）单元结构（b）侧视图（c）整体结构图图6文献25中的LTCC圆极化螺旋天线阵列,2.4参考文献1D.Sievenpiper,L.Zhang,R.F.J.Broas,N.G.Alexopolus,andE.Yablonovitch,“Highimpedanceelectromagneticsurfaceswithaforbiddenfrequencyband,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,1999,47(11),20592074.2F.-R.Yang,K.-P.Ma,Y.Qian,andT.Itoh,“Auniplanarcompactphotonic-bandgap(UC-PBG)structureanditsapplicationsformicrowavecircuits,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,1999,47(8),15091514.3Y.Rahmat-SamiiandH.Mosallaei,“Electromagneticband-gapstructures:classification,characterizationandapplications,”ProceedingsofIEE-ICAPsymposium,2001,560564.4LinPeng,Cheng-liRuan,andJiangXiong.“CompactEBGformulti-bandapplications,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2012,60(9),44404444.5H.Lu,J.X.Zhao,andZ.Yu.“Designandanalysisofanovelelectromagneticbandgapstructureforsuppressingsimultaneousswitchingnoise,ProgressInElectromagneticsResearchC,2012,30,8191.6LiYang,ZhengheFeng,FangluChen,andMingyanFan,“Anovelcompactelectromagneticband-gap(EBG)structureanditsapplicationinmicrostripantennaarrays,”MicrowaveSymposiumDigest,IEEEMTT-SInternational,2004,3,16351638.7HuipingTian,LameiZhao,QunLuo,JiatianHuang,andYuefengJi,“Widebandquasi-isotropicH-shapedslotfractalUC-EBGswithalternatelyarrangedsymmetricalunitcells,”J.Electromagn.WavesAppl.,2013,27(8),962968.8L.Zhao,D.Yang,H.Tian,Y.Ji,andK.Xu.“ApoleandAMCpointmatchingmethodforthesynthesisofHSF-UC-EBGstructurewithsimultaneousAMCandEBGproperties，”ProgressInElectromagneticsResearch,2013,133,137157.9J.Joubert,J.C.Vardaxoglou,W.G.Whittow,andJ.W.Odendaal,“CPW-fedcavity-backedslotradiatorloadedwithanAMCreflector,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2012,60(2),735742.10S.-H.Kim,T.T.Nguyen,andJ.-H.Jang.“Reflectioncharacteristicsof1-DEBGgroundplaneanditsapplicationtoaplanardipoleantenna”.ProgressInElectromagneticsResearch,2011,120,5166.11S.-L.S.Yang,A.A.Kishk,andKai-FongLee,“ComparisonofpatchantennaperformanceusingwidebandplanarEBGstructureandmushroomtypeEBGstructure,”MicrowaveConference,APMC2008,14.12T.Denidni,A.Coulibaly,andY.Boutayeb,“Hybriddielectricresonatorantennawithcircularmushroom-likestructureforgainimprovement,IEEETrans.Antennas.Propag.,2009,57(4),10431049.,2.4参考文献13M.Coulombe,S.FarzanehKoodiani,andC.Caloz,“Compactelongatedmushroom(EM)-EBGstructureforenhancementofpatchantennaarrayperformances,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2010,58(4),10761086.14M.Gujral,J.L.-W.Li,T.Yuan,andC.-W.Qiu.“BandwidthimprovementofmicrostripantennaarrayusingdummyEBGpatternonfeedline,”ProgressInElectromagneticsResearch,2012,127,7992.15A.Pirhadi,H.Bahrami,andJ.Nasri,“WidebandhighdirectiveaperturecoupledmicrostripantennadesignbyusingaFSSsuperstratelayer,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2012,60(4),21012106.16L.PengandC.-L.Ruan,“UWBband-notchedmonopoleantennaDesignusingelectromagnetic-bandgapstructures,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,2011,59(4),10741081.17F.Xu,Z.-X.Wang,X.ChenandX.-A.Wang.“Dualband-notchedUWBantennabasedonspiralelectromagnetic-bandgapstructure,”ProgressInElectromagneticsResearchB,2012,39,393409.18X.Bao,Y.Guo,andY.Xiong,“60-GHzAMC-basedcircularlypolarizedon-chipantennausingstandard0.18-mCMOSTechnology,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2012,60(5),22342241.19C.Liu,Y.Guo,X.Bao,andS.Xiao,“60-GHzLTCCintegratedcircularlypolarizedhelicalantennaarray,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2012,60(3),13291335.20H.Sun,Y.Guo,andZ.Wang,“60-GHzcircularlypolarizedU-slotpatchantennaarrayonLTCC,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2012,61(1),430435.21L.Wang,Y.Guo,andW.Sheng,“Widebandhigh-gain60-GHzLTCCL-probepatchantennaarraywithasoftsurface,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2013,61(4),18021809.22A.E.I.Lamminen,A.R.Vimpari,andJussiSily,“UC-EBGonLTCCfor60-GHzfrequencybandantennaapplications,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2009,57(10),29042912.23A.E.I.Lamminen,J.Sily,andA.R.Vimpari,“60-GHzpatchantennasandarraysonLTCCwithembedded-cavitysubstrates,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2008,56(9),28652874.24金大鹏;肖绍球;王秉中,“基于多层LCP技术的毫米波段超宽带槽天线,”2009年全国天线年会论文集(下),2009.25刘昌荣;肖绍球;郭永新;唐明春;王秉中,“60-GHzLTCC圆极化阵列天线,”2011年全国微波毫米波会议论文集(上),2011.26K.B.Ng,H.Wong,K.K.So,C.H.Chan,andK.M.Luk,“60GHzplatedthroughholeprintedmagneto-electricdipoleantenna,”IEEETrans.Antennas.Propag.,2012,60(7),31293136.,3.应用前景,60GHz毫米波的研究日益活跃，该技术面向PC、数字家电等应用，能够实现设备间数Gbps的超高速无线传输。因特尔公司首席工程师AlexanderMaltsev就表示：“几年后，毫米波通信无疑会变得不可或缺”。业界此前就已经尝试将毫米波用在数字家电的短距离无线接口。松下、索尼、三星等大型音频/视频设备厂商所支持的WirelessHD公开了1.0版的正式标准，随后相应芯片及家电设备也相继亮相。另外，IEEE802.15.3c也是针对毫米波通信而指定的标准（如图7）。,PC、WLAN以及便携设备等行业的众多厂商都对毫米波通信给予厚望的原因是该技术能够提供较宽的带宽。WirelessHD等标准可以在这一带宽内设定4路带宽为2160MHz的信道，这相当于现有WLAN标准下的20MHz信道带宽的100倍。由于可使用如此宽的带宽，因此很容易就能实现较高的数据传输速率，即使采用低阶调制方式，也能确保3-5Gbps的传输速率，可以实现非压缩高清视频的传输，有望取代HDMI线缆，这对WLAN芯片厂商具有无穷魅力。,图7各个年份的通信协议,4.关键问题及解决方案,针对EBG模型，解决等效电路模型参数问题。在进行60GHz频段的宽带化、小型化EBG结构模型的设计中，需考虑EBG结构的LC电路等效模型，各种结构参数（包括周期单元尺寸，单元间间隙、厚度等）都会对LC特性进行影响。在进行等效电感和电容的公式推导上存在较大困难。拟通过详细查阅相关文献，以近似模型为指导，进行具体公式推导，从而确定带隙位置和带隙宽度。针对60GHzEBG天线，解决EBG结构与天线的结合问题。在将EBG结构引入到天线的过程中，会发生EBG结构与天线结构的相互耦合或其他不可预知性的影响。当天线性能出现恶化时，需进一步优化参数，优化过程复杂繁琐，计算量很大，对仿真硬件要求极高，设计科学合理的计算仿真方法是结构设计所必须的，对提高速度及准确性至关重要，是要解决的技术难点之一。针对60GHzEBG天线的制作，解决相关加工、实验和测试问题。如何制作具体的天线实物以适应目前实验可操作的要求也是要解决的一个技术难点。目前国际上普遍采用LTCC工艺对天线进行加工制作，但设备复杂，要求精度极高，国内少有厂商能够达到要求。对于此，可以改用其他高频印刷电路板材替代LTCC介质，并根据模型制定一个更准确、易操作的测量方案，得到需要的测量结果。,4.关键问题及解决方案,针对双频EBG模型，设计利于两个频段性能相对独立的EBG结构在EBG反射板的设计中，设计双频、宽带、紧凑的EBG反射板极具挑战，目前双频反射板采用的结构比较单一，而且同相带宽比较窄，因此设计一个新型的宽带双频EBG结构式难点之一；且使EBG结构两个频段的性能相互影响降到最低，利于EBG结构与双频天线结合，这也是难点之一。针对目前已有的研究成果，利用宽带和多频的开槽技术，在一个EBG单元形成两个相对独立的电流路径，从而达到双频和宽频的效果。针对单极子天线，解决EBG结构与天线的结合问题。EBG结构与天线的结合比较复杂。仿真过程中EBG结构是无限扩展的，但是实际的EBG结构是有限单元的；另外仿真过程中仿真的是对垂直入射波的反射，实际天线发射的电磁波比较复杂；最后天线与反射板之间存在互耦，不能纯粹孤立地分析EBG结构和天线。对此，先用电磁方法对整体结构进行理论分析，然后加工成实物对其进行实际测量，再根据实测结果对理论研究进行相应调整。,5.本组创新,理论创新1、本研究方向将设计应用在60GHz毫米波段的新型UC-EBG结构，提出60GHz毫米波段的新型UC-EBG等效电容和电感的相应理论，从而能通过改变相应结构参数来实现特定帯隙。2、将反射板的概念从单频延伸到双频，提出将双频的EBG结构用于双频的单极子天线，从而在两个频带内实现入射波与反射波的叠加，提高在双频带内的增益，并实现单向辐射。方法创新1、本研究方向致力于研究UC-EBG结构的频移特性，通过此种思路来设计出带隙宽度覆盖60GHz频段的低损耗、小型化宽带UC-EBG结构，方