毫米波60GHz立體電路

考慮到未來的5G應(yīng)用，需將機械（如外殼、塑料殼）和電氣部件的功能結(jié)合起來。將天線直接集成到塑料部件中的優(yōu)點是，可以減少由于天線、空氣和外殼中其他塑料或金屬部件之間的過渡而造成的反射，從而減少損失。在天線直接集成的情況下，電磁波可以直接從塑料部件或從金屬附著的塑料部件輻射出去。但必須注意到，這僅適用于主要輻射發(fā)生在與外部塑料部件或外殼相連的區(qū)域的輻射結(jié)構(gòu)。圖1為一個具有集成天線和收發(fā)器電路的未來設(shè)備示意圖。

圖1、含三維集成波導(dǎo)饋入天線的未來智能器件示意圖

塑料材質(zhì)設(shè)置為LDS 3730使用的值（εr=2.9，tanδ=0.007）。各仿真模型如圖2所示。集成天線的塑料部分（灰色）被上層部份和底部用塑料板（白色）覆蓋。因此天線完全集成在塑料部件中。輸入反射系數(shù)的模擬結(jié)果如圖3所示。天線的輸入反射系數(shù)低于-10分貝，從57千兆赫到64千兆赫，輸入反射系數(shù)低于-8分貝，從64 GHZ到66 GHZ。H面和E面的輻射特性如圖4所示。在H面上，輻射特性顯示出相對較小的主瓣，而在E面上，輻射特性顯示出較寬的主瓣。在60 GHz WiFi/Wigig頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)的峰值增顯示出相對平滑的曲率和約2.2 dB的最大變化（圖5）。這項研究首次揭示了未來立體電路在毫米波范圍內(nèi)制造射頻天線的可能性。

圖2、集成智能器件天線仿真模型

塑料材質(zhì)設(shè)置為LDS 3730使用的值（εr=2.9，tanδ=0.007）。各仿真模型如圖2所示。集成天線的塑料部分（灰色）被上層部份和底部用塑料板（白色）覆蓋。因此天線完全集成在塑料部件中。輸入反射系數(shù)的模擬結(jié)果如圖3所示。天線的輸入反射系數(shù)低于-10分貝，從57千兆赫到64千兆赫，輸入反射系數(shù)低于-8分貝，從64 GHZ到66 GHZ。H面和E面的輻射特性如圖4所示。在H面上，輻射特性顯示出相對較小的主瓣，而在E面上，輻射特性顯示出較寬的主瓣。在60 GHz WiFi/Wigig頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)的峰值增顯示出相對平滑的曲率和約2.2 dB的最大變化（圖5）。這項研究首次揭示了未來立體電路在毫米波范圍內(nèi)制造射頻天線的可能性。

圖3、集成波導(dǎo)饋入天線的仿真輸入反射

圖4、集成智能器件天線的仿真輻射特性

圖5、仿真實現(xiàn)的頻率增益

立體電路制造的可集成到塑料部件中的喇叭天線

一個可以有效地用于毫米波范圍的天線的例子是介質(zhì)填充波導(dǎo)饋入天線。與通常以矩形或圓形截面實現(xiàn)的典型充氣波導(dǎo)不同，對于立體電路制造的產(chǎn)品，介電材料LDS塑料與應(yīng)用于外表面的立體電路金屬化一起形成波導(dǎo)。立體電路制造的另一個優(yōu)點是可以直接將電路板和介質(zhì)填充波導(dǎo)結(jié)合在一起。對于輻射天線單元，可采用波導(dǎo)饋入結(jié)構(gòu)的典型原理。本文僅列舉了一些可以通過立體電路工藝制造的電介質(zhì)棒和不同類型的透鏡型結(jié)構(gòu)以及電介質(zhì)和電介質(zhì)涂層喇叭天線。使用立體電路制造此類結(jié)構(gòu)的工藝相對簡單，表明了未來毫米波在消費者或汽車傳感器應(yīng)用中的可用性。為了評價該方法和立體電路工藝，開發(fā)了一種測試結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一個接地CPW組成；該CPW直接向介質(zhì)填充波導(dǎo)供電。作為輻射元件，采用了電介質(zhì)喇叭天線。測試天線覆蓋了24 GHz ISM波段和77 GHz波段的頻率，用于汽車近程雷達系統(tǒng)。圖6顯示了兩個已實現(xiàn)的測試天線，所用的塑膠材料是LDS 3730。

圖6、共面波導(dǎo)饋入介質(zhì)填充波導(dǎo)過渡的介質(zhì)喇叭天線的實現(xiàn)測試結(jié)構(gòu)

圖7a、24GHz介質(zhì)喇叭天線的輸入反射系數(shù)和輻射方向圖

圖7b、77GHz介質(zhì)喇叭天線的輸入反射系數(shù)和輻射方向圖

兩個測試天線的特征都與它們的射頻特性有關(guān)。圖7顯示了在24GHz（圖7a）和77GHz（圖7b）下輸入反射系數(shù)和輻射模式的測量和模擬結(jié)果。通過測量3個天線后可以認為，測量和模擬的一致性對主瓣方向的輻射方向和輸入反射系數(shù)都有很好的影響。此外，三個制作的測試天線之間也實現(xiàn)了良好的匹配。綜上所述，這表明了立體電路技術(shù)在毫米波頻段的可靠性。設(shè)計測試結(jié)構(gòu)的主要范圍是驗證立體電路工藝，結(jié)構(gòu)必須保持相對簡單，因此選用未處于優(yōu)化狀態(tài)的測試天線。對于未來一應(yīng)用為導(dǎo)向的配置，3D表面阻抗金屬化可以將立體電路技術(shù)的優(yōu)勢應(yīng)用在3D形狀天線結(jié)構(gòu)上。因此，3D制造的靈活性可用于開發(fā)高效結(jié)構(gòu)，并應(yīng)對未來射頻設(shè)備所面臨的挑戰(zhàn)。

來源：深圳市微航磁電技術(shù)有限公司