高效智能集成天线在室内60 GHz无线在光纤系统中的应用

1、高效智能集成天线在室内60 GHz无线技术在光纤系统中的应用斯皮罗斯Mikroulis 扬佩特罗  康斯坦丁诺Voudouris 科技教育机构雅典（TEI），电子，银系。Spiridonos，12210雅典，希腊亮点考试基于高介电基板插槽线性阵列天线。考试基于高介电常数基板堆积式线性阵列天线。建议的阵列支持波束成形应用。光电二极管模型概述与呈现阵列提供光电系统结合。摘要在这项研究中，共面基于平面槽和叠层基于高介电常数基板用于光电子器件的设计和评估潜在的集成贴片阵列天线。这些阵列提供的增益在10-18 dBi的范围和带宽在1-2千兆赫的频带为60GHz的顺

2、序。所呈现的阵列的波束形成功能也概述考虑辐射图案根据光/电信号的相位整形。此外，光电二极管也被模拟，以连接到天线的输入端口考虑混合或单片集成方案和形成系统，提出的光束。所有的天线都被证明是重要的候选中的60GHz频带中的无线多纤维网在室内使用。图形抽象图选项关键词缝隙阵列天线 波束形成 堆叠天线 光纤无线电1。介绍基于无线接入通信技术已经从过去几年已经大大发展，搭载的高比特率要求的服务的同时推进。尽管有这样的发展，有一个增加的必要性，特别是短期区域室内网络的情况下，满足新要求的高带宽无线服务。以这样的方式，60GHz频带提供几GHz的可用带宽，但是在另一方面，它规

3、定由于增加的路径损耗一些挑战，并且所需要的无线电接入点的高密度。在这种情况下，光纤无线电（RoF系统）技术结合了低成本的实现中，由于基站（BS）的传送从而所有的处理和调节设备到一个中心站（CO），为简化到远程天线单元（的RAU）在描绘图。1，一个绿色无线电的方法，由于减少了总消耗电力的，因为在这种情况下的功率要求的本地振荡器（LO），数字信号处理器（DSP），和混频器被转移到CO。1 ， 2  和  3。图。1。 光纤无线电的概念。通过无线，光纤和微波收发组件，单片或混合集成的适当调整/匹配，光载无线通信技术将在超紧凑性方面提供了极大

4、的好处，并提高链路预算/网络覆盖。在这种情况下，平面天线是由于其重量轻，制造简单和兼容性与MMIC / OEIC技术有希望的候选。除了 这一点，平面天线可以制成一个阵列配置中，增加了可实现的增益，并且使毫米波技术在光域中将要用于波束智能天线的应用程序。在60 GHz频段运行的毫米波天线得到了广泛的调查和相关研究可在文献中找到4 ，5  和  6 。几个天线的形状和结构，以便产生一个高效，紧凑，易于与其他设备，天线系统集成了测试。然而，在室内的情况下，显著增益值是必要的，以弥补显著自由空间路径损耗（FSPL）高达92分之88分贝的线的视

5、线（LOS）/（NLOS）情况下10米覆盖。利用RT DUROID衬底（孔径天线 R  = 2.2）中提出的，提供增益13.1 dBi的和15的带宽7 。另外一个宽带60 GHz的天线提出了在8基于LTCC基板（   = 6）提供9 GHz的带宽和增益的5dbi。有机基板的在60GHz频带的利用率也已经提出9提出的天线增益5.1 dBi的和11.2的带宽。另一项研究处理了60 GHz的天线的建模和仿真程序，6 dBi的增益和带宽10 GHz的10 ，包括插槽引进和三层复合结构。在所有上述研究中，天线是基于一种低介电

6、常数基片（ R  <10），从而不与它利用高介电常数的基片（光学器件相匹配R  > 10）。在这项工作中，在高介电常数材料不同的天线设计相比，用于在60GHz无线超过基于光纤室内系统中的应用，以及相对于增益，带宽，波束形成能力和制造的复杂性，突出选择的MMIC的需求评估/ OEIC为了说明一种高效集成平面阵列天线，用于以简单的部署光子无线收发信机的一个贡献匹配的介电基片和共面配置。在这种情况下使用线性缝隙阵列天线波束形成的设计旨在为包括自适应天线的概念在这两个罗杰斯6010和磷化铟（InP）衬底。InP衬底提出了高介电常数（

7、0;R  > 10）和低的损耗角正切，是与光子器件集成的一个主要候选。的InP被广泛用于光子单片集成，使用环谐振器结构的配套应用，如光学波束形成和可编程滤波器11 。此外，随着DUROID 6010比较给出了一个初步的洞察，可以在将来通过与上半绝缘衬底天线光子器件的单片集成来实现的性能。此外，罗杰斯6010/InP，基底覆盖了DUROID 5880（高至低配置）的设计和贴片阵列天线，增益可达15 dBi的，并且带宽高达2 GHz的计算。该天线的设计和优化，以满足IEEE802.15.3c标准的规格。在所有情况下，天线模拟和比较有关的应用在光纤系统中的超宽带室

8、内无线性能的要求，同时考虑到制造的简单性和集成问题。此外，波束成形计算基于LMS算法进行。此外，光束形成场景所提出的天线的未来应用进行了讨论。最后但并非最不重要的，光电二极管/天线等效电路进行模拟，并与相关的方程支承，以用于在所述天线输入端的光电转换。本文的其余部分安排如下。第2节讨论的理论，设计和制造方面，而第3条规定对不同天线的数值结果。第4节中的光电二极管/天线的等效电路分析。结束语给出了第5。2。天线理论，设计和集成方面模拟在3.1节中的天线是基于共面结构（CPW），其被广泛应用于毫米波频率和高介电常数基板案件。这种配置提供了相比于微带线对称的辐射方向图，由于均匀的电流分布和有限的高阶

9、模的激发下的损失12，13  和  14 。此外，建议天线采用插槽，作为辐射单元。缝隙天线是文献中报道的作为主要候选60GHz的应用，因为它们提供增强的带宽，他们可以被有效地结合共面波导结构，得到1层结构，降低了成本和系统的复杂性15 。在共面波导结构可以看出，在图 2。图。2。 CPW配置。的W和S参数已经调整，关于下述式16 ，以便提供适当的谐振频率和传输线接近50的特性阻抗。方程（ 1A ）方程（ 1B ）方程（ 1C ）方程（ 

10、1D ）方程（ 1E ）方程（ 1F ）其中， R是衬底的介电常数， EFF是有效介电常数和 0的传输线的特性阻抗。在3.2节中提出的建议的阵列包括CPW结构和补丁电磁耦合，辐射单元。的共面波导线路的长度为四分之一波长的整数倍和贴片元件的间距是约半波长。贴片元件的尺寸已经被指定由式17 ：方程（ 2A ）L =  0 / 2方程（ 2b中）其中， 0是自由空间波长，f 0是谐振频率和 基板的介电常数。的长度

11、L和宽度W的贴片元件，以达到60千兆赫的共振频率进行了调整。宽的带宽（> 1千兆赫）是天线与光电子器件和应用的60GHz的ROF系统集成了必需的功能。出于这个原因，在第3.2节的基础上，叠层几何结构的阵列，提出以进一步增加带宽。从文献中已知的是为贴片天线，利用三个基板，总的平均介电常数为18 ，19 ：方程（ 3 ）其中 吨 =  D1 +  一个 +  D2和 D1， 一个和 d2的是厚度3基板。三个基板贴片天线的带宽

12、是：方程（ 4 ）同方程（ 5 ）其中一个2  = -0.16605，一个4  = 0.00761，b 2  = -0.09142和 0  = 2  /  0和瓦特，L是贴片天线的宽度和长度。线性阵列可以提供波束形成能力，以便在60千兆赫中所描述要符合的IEEE802.15.3c协议在室内使用20 。有文献提出了几种波束形成算法，如恒模算法（CMA）21 ，递归最小二乘（RLS）22和最小均方算法

13、（LMS）23 。这些算法是基于一个迭代过程，其中的重方程是根据指定条件更新，以产生最佳的辐射图形。在这项研究中，LMS算法，因为它简单，低收敛时间和便于计算的应用。LMS算法生成得到的激励电流的相，其中一个过程。一个参考信号被定义表示数组的理想的辐射方向图，然后LMS生成各励磁电流，评估的权重（在相位上），以近似的参考信号。当阵列输出与参考信号会聚于约80，该算法停止工作。LMS算法已被广泛使用在文献中对波束成形的应用，因为它提供了快速和收敛性和足够的效果。3。天线结果与讨论3.1。缝隙天线的介绍，比较和波束成形应用天线的设计和仿真是使用电磁模拟器Ansoft的HFSS 11节，考

14、虑到传输线损耗，衬底损耗和耦合现象进行。缝隙天线元件采用了共面结构，包括四个辐射槽。该天线结构包括铜（厚度为接地平面  = 35微米），其上的罗杰斯6010衬底（顶端 R  = 10.2，  =0.254毫米）放置。接着将基板覆盖的Cu（  按照标准的共面结构= 35微米）。建议的天线的顶视图可以看出，在图 3一个而横截面中描绘的图。3湾 一个类似的天线，然后基于相同的结构，除了利用基板也就是现在的InP（设计 R  = 12.4，  

15、=0.35毫米）和接地/顶III-V族金属。天线的尺寸已经改变，以实现谐振，在60千兆赫。在InP设计的顶侧是描绘在图 3 C一起与一些关键尺寸。在S 11根据罗杰斯6010和InP衬底，所设计的缝隙天线的参数分别被描绘在图 4。图。3。 天线结构（一）俯视图（罗杰斯RO基板）;（二）的横截面。（三）顶视图（InP衬底）。图。4。 S 11的缝隙天线与Rogers和InP衬底的。图。4表明，该缝隙天线与罗杰斯基板具有三种操作频率（S 11  <-10分贝），在55.7千兆赫（-13.9分贝

16、），58.5千兆赫（-14.1分贝），并在59.9千兆赫（-26.8分贝）。在InP缝隙天线显示四个谐振频率分别是：59.6千兆赫（-16.2分贝），60千兆赫（-21.3分贝），62.1千兆赫（-22.6分贝）和64千兆赫（-12.4分贝）。罗杰斯6010和InP缝隙天线为60GHz的频率的辐射图案被描绘在图 5。图。5。 缝隙天线的辐射方向图;（一）罗杰斯6010基材（b）磷化铟（InP）衬底。建议缝隙天线的关键特性是表示在表1。表1中。缝隙天线的功能。天线S 11（分贝）带宽（MHz）增益（dBi）波束宽度（度）XZ平面YZ平面插槽罗杰斯6010-26.8（

17、59.9千兆赫）8009.83220插槽的InP-21.3（60千兆赫）8004.83229表选项两个天线呈现类似的特征，但是天线增益显著在InP衬底的情况下，由于大的介电常数（降低 R  = 12.4），多谐振频率和高的介电损耗。开始，两个线性槽阵列是基于罗杰斯6010和InP衬底设计。阵列配置类似于在描绘图。3湾 为，利用罗杰斯6010衬底的阵列中，两个相邻辐射元件之间的距离为2.2mm，并标示在图 6 a和为InP的线性阵列2.6毫米（图6中的B）。图。6。 八个元素的线性阵列;（一）根据罗杰斯6010基材（b）基于I

18、nP衬底。的S 11参数在块中的辐射元件是描绘在图 7，图。7表明，罗杰斯6010线性阵列有三个共振频率：在59.9千兆赫（-23.2分贝），在56.9千兆赫（-11.8分贝）和63.9千兆赫（-13.7分贝）。带宽计算为大约59.9 GHz的1.1千兆赫。在InP线性阵列有四个谐振频率：在57.9千兆赫（-22.2分贝），在59.3千兆赫（-20.5分贝），在59.9千兆赫（-21.6分贝）和63.6千兆赫（-18.66 dB）表示。带宽计算为大约59.9 GHz的1.3千兆赫。图。7。 S 11与罗杰斯6010和InP衬底的线性阵列。计算出的罗杰斯6

19、010和InP线性阵列的辐射图被描绘在图 8一个和分别为60GHz的频率为b。根据罗杰斯6010线性阵列基板提供了获得17.9 dBi的，而磷化铟线性天线提供16.3 dBi的增益。建议的线性阵列的特征总结于表2中。图。8。 线性缝隙阵列的辐射方向图;（一）罗杰斯6010基材（b）磷化铟（InP）衬底。表2。八元线性缝隙阵列功能。天线S11（分贝）带宽（GHz）增益（dBi）波束宽度（度）XZ平面YZ平面罗杰斯6010阵列-23.2（59.9千兆赫）1.117.9419磷化铟阵列-21.6（59.9千兆赫）1.316.3424所提出的罗杰斯6010和InP线性缝隙阵列提供带

20、宽1.1 GHz和1.3 GHz的增益，同时计算为17.9 dBi的16.3 dBi的分别。关于这一点，一个非常高的增益，另一方面带宽仍然是有限的，由于所利用的基片的高损耗。两个天线高度，由于八辐射单元的利用率指令。它们提供了相似的特性，它们都可以与其他光学器件，因为它们的高介电常数基片的结合。各自的波束成形方案已经实现了利用所描绘的线阵图。6一个。LMS算法在Matlab中生成用于获得激励信号的相位，以便在所需的方向进行切换的辐射方向图。在这种情况下两个最大值所需要的角  = -18°，  = 18°。然后LMS应用，并提供激励信号

21、的相位表示为中值（元1-8）表3。表3。相励磁信号。激发波元素1元素2元素3要素45元6元要素7元素8相位（度）0181617771782184表选项表示在上述的值中的电磁模拟器HFSSv.11基于罗杰斯6010的狭槽阵列的情况下被引入，产生在所描绘的辐射图所示。9。相应的辐射方向图显示了满意的效果，在光束的方向，足够的增益和带宽证明线性阵列可用于波束成形应用的潜在候选人而言。图。9。 在三个最大值辐射模式  = -18°，  = 18°。如果用适当的电路，以便诱导的真实时间延迟（TDD）相应地调整励磁信号的相位或者延迟元件

22、连接在上一节提出的阵列可提供的波束形成性能。关于一个光纤无线电实施显著外接在于形成波束可以在光域中，而不是电的简单性从而促进更好的精度，降低能源消耗来进行。正在进行的这个，一个潜在的光束形成的实施为今后考虑列于图。10。在这种情况下，通过多波长WDM（一个例子可以是一个锁模激光器）信源被直接馈送其上一个30千兆赫的信号被施加于一个平方律频率（即在马赫曾德尔调制器产生一个100千兆赫的频率梳60 GHz）的上转换的光电二极管，使用一个典型的双边带抑制载波（DSB-SC）的方案。在接下来的步骤中的光真延时（TTD）方案可以使用一个色散光学介质作为光学纤维或集成版用在级联配置的环形谐振器，施加一个延

23、迟到DSB载波的单载波使用。经过波长解复用和平方律光电检测可以基于任何一个使用共面的高速光电二极管键连接到无论是在单片磷化铟平台的设计罗杰斯DUROID 6010阵列天线混合集成方案中使用的拟光子阵列天线。图。10。 光束形成的概念。3.2。堆叠贴片天线介绍和比较另外两个1×8 CPW补丁线性阵列的设计和仿真考虑带宽增强堆叠的几何形状24 。在这种情况下，两种结构进行了研究：第1利用罗杰斯6010基板和第二1的InP。建议的层叠几何可以看出，在图 11。图。11。 堆积式线性阵列;（a）与罗杰斯6010（b）与磷化铟（三）横截面。罗杰斯6010

24、堆叠线性阵列可以看出，在图 11 a，其中Cu的地平面与厚度35微米是利用金属化罗杰斯6010（  = 10.2，  =0.127毫米）。泡沫层（ R  = 1）与厚度  0.15毫米，也并入。上面的辐射元件，一个DUROID 5880（ R  = 2.2，  =0.127毫米）衬底被用于制造结构紧凑并保护贴片天线从腐坏。贴片元件的尺寸为x  = 1.6毫米，ÿ  = 1.80毫米。在图

25、 11巴第二堆叠线性阵列，提出引入相同的结构，但代替罗杰斯6010，磷化铟（ R  = 12.4，  =0.35毫米）被使用。在这种情况下贴片的尺寸被调整为在所需的频率范围内实现谐振。该补丁的尺寸为x  =    = 1.6毫米。在这两种情况下，元件间间隔Р = 0.8  0。这个值以维持低旁瓣电平，并获得增强被选为25 。图。12示出了S 11参数作为频率的表示所设计的阵列的操作的性能的函数。该曲线对应

26、于在块中的元素被描绘在图 11 a和b。图。12。 S 11关于频率。罗杰斯6010堆叠线阵有三个共振频率：在59.9千兆赫（-25分贝），在60.5千兆赫（-32.3分贝），并在61千兆赫（-30.4分贝）。带宽估计为1.8 GHz的约60GHz。其他的共振也表示在55.4，57.8和64.2 GHz的。在InP堆积式线性阵列有三个共振频率：在55.8千兆赫（-16.1分贝），在58.1千兆赫（-30.6分贝），在64千兆赫（-15.9分贝）。在这种情况下，带宽为1.9千兆赫。堆叠线性阵列的辐射图显示在图 13。根据罗杰斯6010基板的堆积式

27、线性阵列提供13.8 dBi的增益。辐射模式已被衍生为60千兆赫的频率。在磷化铟利用的情况下，增益计算为10.6 dBi的为58 GHz的频率。上述阵列的功能都包含在表4中。图。13。 辐射方向图;（a）与罗杰斯6010（b）与磷化铟堆叠线性阵列堆叠线性阵列。表4。堆积式线性阵列功能。天线S 11（分贝）带宽（GHz）增益（dBi）波束宽度（度）XZ平面YZ平面罗杰斯6010阵列-25（59.9千兆赫）1.813.8828-32.3（60.5千兆赫）-30.4（61千兆赫）磷化铟阵列-16.1（55.8千兆赫）1.910.69.581-30.6（58.1千兆赫）-15.9（

28、64千兆赫）本节所介绍的堆叠天线阵列，是基于复合结构，利用三片基板和先进的复杂设计，包括共面配置，微带线和天线激励通过电磁耦合。增加的复杂性是遇到但另一方面阵列的带宽显著增加满足IEEE802.15.3c标准的带宽规格。4。光电二极管/天线等效电路分析为了将光信号适当地转换为以时隙线性阵列基于罗杰斯6010基材，它已经在第3.1节提出的电气等效的，必须将线焊用毫米波波导基于光电二极管（70 GHz的光到电的带宽）26提供一种有效的混合集成光子天线。在罗杰斯基于天线混合集成的情况下，必须考虑的，而在InP的天线的情况下，光子接收器可以单片集成。在这两种情况下，光电二极管/天线的等效RLC电路必须

29、以评价所期望的性能特征，并提取一个完整的光子无线模块的传递函数为全系统的评价提供。基于InP的光电二极管/罗杰斯天线等效电路的粘结有线混合集成光子天线示于图 14使用ADS2009采用S 11从以前的HFSS仿真计算。在这种情况下，初步因素引入，可以通过与上半绝缘衬底天线光子器件的单片集成来实现的性能是观察到的，使用常规的微波为衬底光电二极管模拟为一个电流源与一个电容和一个串联阻力。键线是由一个串联电感来表示。在混合光子天线的光电二极管模块被假定为与天线连接，通过键合线装置。这些电容和电感为60千兆赫的共振频率由下面的公式定义27 ：方程（ 6 

30、;）打开MathJax上 方程（ 7 ）打开MathJax上 其中 是InGaAs系材料的介电常数，阿是耗尽区，Ç ST是一种寄生电容，ð 的pn是耗尽区的厚度，L是长度和的键合线的半径， 0和 0是介电常数和自由空间的磁导率，分别为。图。14。 磷化铟光电二极管/罗杰斯天线与键线的等效电路。此外，基于InP的光电二极管/ InP的天线等效电路的单片集成光子天线示于图 15使用ADS2009采用S 11从以前的HFSS仿真计算。在S 11的单片集

31、成光电二极管/天线示于图 16。一个共振提出了60 GHz的（S 11  = -18.9分贝）和电带宽大约为1.3千兆赫，从58.9到60.2 GHz的。图。15。 光电二极管的InP / InP的天线的等效电路。S 11的光电二极管的InP / InP的天线和InP光电二极管/罗杰斯天线。在S 11在InP光电二极管/罗杰斯天线经由键合线连接的，也描绘在图 16。一个共振提出了60 GHz的（S 11 = -12分贝）和电带宽大约为1.2 GHz的，从58.9到60.1 GHz的。5。结论在本

32、研究中，两个缝隙阵列天线的设计和评价的基础上，罗杰斯6010和InP衬底上用于与光电器件潜在集成，表现出的分别1.1吉赫（罗杰斯6010）和1.3吉赫（磷化铟）的带宽。高增益天线也被计算达到近18 dBi的罗杰斯6010的情况下。阵列的波束形成功能被高亮显示调整激发波的相位和开关辐射的主波瓣在所希望的方向。至于堆积式线性阵列，罗杰斯6010的情况下提供更获得13.8 dBi的和更少的带宽1.8 GHz的，对于InP的情况下，它提出的增益dBi的10.6和1.9 GHz的带宽。比较所述槽和叠层配置，增加的增益被表示在第一种情况下为简单的几何形状和一个底物的利用，而第二个提供增强的带宽由于复合材料

33、结构的结果。除了 为适当的信号O / E转换的典型光电二极管的等效电路的设计，并连接到基于InP的和罗杰斯天线，提供了用于提取相对光子天线模块的传递函数的通用准则。根据所计算光电二极管/天线系统中的60GHz频带提供带宽达1.3 GHz的对InP基天线和1.1千兆赫的罗杰斯天线的令人满意的操作。在计算下行链路的情况下已考虑为简单起见。然而，为了包含关于上行链路的情况单片集成的方面，如已经提出了一种包含一个InP基锁模激光器的基带信号发送28将研究在一个正在进行的工作，因为它消除了对一个本机振荡器。在这项研究中所描述的阵列应用在即将到来的室内60 GHz频段的无线/光网络的潜在候选人。参考文献1

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