用于 6G 无线通信的 140 GHz 天线阵列的电磁模拟
导言
本示例展示了用于 140 GHz 无线通信目的(如 6G 应用)的天线阵列的性能。基本元件设计包括一个 TE340 模基底集成腔 (SIC) 激发 2x2 槽天线子阵列,采用低温共烧陶瓷 (LTCC)。基元组合成一个 8x8 阵列,具有 130 至 145 GHz 的宽带宽、20.5 dBi 的峰值增益、频率范围内稳定的辐射模式、约 60% 的效率、小尺寸和简化的结构。仿真在XFdtd 电磁仿真软件中进行,以 (1) 中的原始天线设计为基础。
设备设计与仿真
天线阵列由 8x8 个元件组成,由两种类型的 H 型接合基底集成功率分配器连接。每个单个元件(如图 1 所示)都有四个金属层,中间由 LTCC 基材层分隔,基材层为 Ferro A6M,介电常数为 5.9,损耗正切为 0.002。顶层有两个 TE210 模式基底集成腔 (SIC),由图 1 和图 2 中顶层金属上可见的通孔定义。图 2 还显示了带有四个辐射槽的第二金属层。图 3 显示了金属层 3,图 3 中的通孔定义了 SIC,并为图 2 中的四个插槽供电,同时空腔中心还有两个匹配柱。金属层 3 的中心是一个来自下馈电层的插槽。下层如图 4 所示,其中的通孔定义了馈电的基底集成波导(SIW)。图中还可以看到 SIW 中的单个匹配柱,以及 XFdtd 开口处的波导馈电。
为了形成阵列,我们设计了一个一级 H 型结功率分配器,中间有一个来自信号源的单输入端口和四个输出端口,每个端口将馈送一个带有天线元件的二级 H 型结。在 SIW 中构建的一级 H 型结如图 11 所示。如图 12 所示,在每个输入和输出位置使用波导端口进行模拟时,发现在 120 至 150 GHz 的频率范围内,回波损耗低于 -10 dB。如图 13 所示,二级 H 型结在中心下部有一个输入端口和四个输出端口,每个端口都将连接到如图 1 所示的天线元件上。如图 14 所示,在 120 至 150 GHz 的整个频率范围内,二级 H 型结的回波损耗也低于 -10 dB。
如图 15 所示,将四个次级 H 型接合器连接到主 H 型接合器输出端口,即可组装出最终的 8x8 阵列。在每个次级 H 型结点的四个输出端口上各安装一个天线元件。最终结构被放置在一个尺寸为 25 x 10 x 0.616 毫米的较大接地平面上,阵列位于一端,波导馈电端口连接到与主 H 型结输入端口相连的 SIW 线路上。由此产生的结构如图 16 所示,阵列元件的俯视图如图 17 所示。
如图 18 所示,在 130 GHz 至 146 GHz 的带宽范围内,整个结构的回波损耗约为 -10 dB。阵列上方的增益在 130 千兆赫和 146 千兆赫端点的约 19.5 dBi 之间变化,在 140 千兆赫处达到近 21 dBi 的峰值。在主平面上,发现增益模式在 0 度处有一个峰值,峰值下至少有 10 dB 的边叶。131 GHz、135 GHz、140 GHz 和 144 GHz 的增益模式图分别如图 20、图 21、图 22 和图 23 所示。图 24、图 25、图 26 和图 27 显示了相同频率下增益模式的三维视图,其中模式形状和增益水平相当相似,表明阵列性能随频率的变化很小。图 28 显示了阵列的效率,整个频率范围内的效率值约为 60%。
结论
本示例展示了一个 8x8 天线阵列在 140 GHz 频率下的性能,该阵列由多个基底集成空腔构成。在较宽的频率范围内,该阵列的增益模式形状和电平变化很小。这种天线阵列可用于未来 6G 应用中的无线通信。
参考资料
J.Xiao, X. Li, Z. Qi and H. Zhu, "140-GHz TE340 -Mode Substrate Integrated Cavities-Fed Slot Antenna Array in LTCC," in IEEE Access, vol. 7, pp.