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。
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。
图 1：SIC 激发 2x2 天线元件的三维 CAD 效果图，绿色为金属层，红色为 LTCC 层。
图 2：所示为天线元件的顶层空腔，2 号金属层中的四个辐射元件馈入 TE210 模式衬底集成空腔。
图 3：图示为 3 号金属层上方的 TE340 模式 SIC，中间为馈电槽，槽上下为两个匹配柱。
图 4：输入通过 4 号金属层上方的馈电层馈入天线，该层包含一个 SIW 区域和 3 号金属层馈电槽下方的匹配柱（未显示）。
在电磁模拟之后，图 5 所示的回波损耗显示，单个元件在 131.63 至 146.45 千兆赫范围内的带宽为 -10 dB。在图 6 中，元件上方一点的增益与频率的关系图显示，天线带宽范围内的增益值为 9 至 11.5 dBi。图 7 显示了 131 千兆赫宽波束宽度下两个主平面的增益模式。图 8 显示了 135 GHz、图 9 显示了 140 GHz 和图 10 显示了 147 GHz 时类似的增益模式结果。这些图显示了在很宽的频率范围内图案的稳定性。
图 5：单个 2x2 天线元件的回波损耗在约 132 GHz 至 146 GHz 范围内表现良好，低于 -10 dB。
图 6：天线元件正上方一点的增益与频率关系图，显示增益范围从边缘的 9 dBi 到频率范围中心的峰值 11.5 dBi。
图 7：在 131 千兆赫频率下，天线元件在两个主平面上具有相似的共极化增益。 交叉极化辐射明显减少。
图 8：135 千兆赫主平面上的天线增益显示出相似的性能，与 XZ 平面相比，YZ 平面上的天线增益略有缩小。
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。
图 9：140 千兆赫时，天线增益模式在两个主平面上显示出相似的性能，XZ 平面的波束宽度稍宽。
图 10：在 147 千兆赫时，天线增益模式仍具有与低频相似的增益，但 YZ 平面的增益不如 XZ 平面宽，而且交叉极化增益也越来越高。
图 11：主 H 型结将输入信号从信号源分配到四个次级 H 型结上，输入端口位于中央底部，四个输出端口位于四角。
图 12：主 H 型连接器的回波损耗在整个相关频率范围内都表现良好。
图 13：二级 H 型接面将一级 H 型接面的输入信号分流，并传播到四个天线元件。 输入端口位于结的中央底部，而输出端口则位于四个角落。
图 14：二级 H 型连接的回波损耗在整个频率范围内都具有良好的性能，与一级 H 型连接类似。
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。
图 15：显示的是整个功率分配器层，输入信号来自底部，并通过红色通孔馈入一级 H 型结。 通过浅绿色通孔可以看到四个次级 H 型结。 每个次级 H 型结将连接四个天线元件。
图 16：整个天线阵列结构图，在 25x10 毫米分层板的顶部可以看到 8x8 元件。
图 17：8x8 天线元件的俯视图。
图 18：从 130 到 146 GHz，整个阵列的回波损耗大多低于 -10 dB。
图 19：正上方一点的阵列增益变化平滑，从边缘的 17.5 dBi 到 140 GHz 处的 21 dBi 峰值。
图 20：131 千兆赫主平面上的增益模式显示出相似的形状，边沿低于峰值 10 分贝，交叉偏振增益较低。
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%。
图 21：135 千兆赫的增益模式与 131 千兆赫的类似。
图 22：在 140 千兆赫时，边音稍有增大，但仍比峰值低至少 10 分贝。
图 23：在 144 千兆赫的最高频率范围内，增益模式与其他频率的增益模式非常相似。
图 28：在整个相关频率范围内，天线阵列的效率约为 60%。
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.