毫米波天线在E频段和V频段的新发展

0 引言

近年来，随着移动通信、卫星通信等方面的迅猛发展，对系统的容量要求越来越高。微波通信向更高频段扩展已成为必然趋势。现代通信系统正在向高频微波特别是毫米波频段发展。毫米波属于甚高频段, 它以直射波的方式在空间进行传播，波束很窄，具有良好的方向性。

毫米波的V频段是指频率在50～75 GHz的微波频段，现代通信中，主要是指60 GHz短距离无线通信。其具有抗干扰性、高安全性、高传输速率等特点。由于60 GHz频段处于氧气吸收作用的衰减峰，无线信号在其附近衰减锐增，导致无法用于传统的毫米波远距离的无线传输中。在室内环境中又因障碍物的影响致使信号衰减明显，因此，只能实现近距离的无线通信。

毫米波的E频段是指频率在60～90 GHz的微波频段，根据目前发布的频谱分配建议，E频段通信是指频率在80 GHz的微波频段，总频宽高达10 GHz。因其频带资源丰富、传输容量大、频谱使用费低廉以及高频窄波束适应密集部署等优势，对运营商来说将会是重要的无线传输手段。但由于其自由空间路径损耗严重直接导致传输距离较短。此外，由于80 GHz频段属于高频信号，雨衰的影响相对严重，但大部分地区均可以接受。所以环境对E频段微波的影响有限，E频段微波的应用场景还是十分广泛的。

对毫米波通信系统而言，天线技术是系统实现的关键，其要求天线具有小尺寸、轻重量、高增益、低成本等特性，要求天线在宽频范围内具有几乎恒定的增益和高效率来完成可靠的信息传输。

1 研究概况

毫米波的V频段 60 GHz无线通信最初只应用于军事领域，无法大量用于民用领域中。随着电路集成工艺的最新发展，各国已经开始将 60 GHz 短距通信技术转向民用。60 GHz短距通信技术由于能够提供高达数吉比特的速率，提供免许可的7 GHz带宽的频谱资源等优势，成为未来无线技术的最具潜力的备选技术之一。

1994年10月美国FCC发布了将40 GHz以上的部分毫米波频谱应用于商业产品开发的通告。开放的频谱范围也从5 GHz带宽扩展后来的7 GHz带宽。此后从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60 GHz附近的频谱资源，在欧洲频谱范围甚至扩展到了9 GHz的带宽，且免许可。

相比国外60 GHz短距通信技术的日趋成熟，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。

毫米波的E频段从目前已开放其使用的各国调研来看，频谱资源以象征性的低使用费为主。目前，在部分国家已经开放了E频段的使用，各国运营商也纷纷开始进行其用于下一代无线网络回传的试验，都处于起步阶段，有很大的发展空间。

由于毫米波信号的巨大路径损耗，毫米波天线必须能够提供在大带宽下的高增益和高效率。研究低成本、小型化、超轻、高增益并易集成易控的天线，成为天线技术研究的主要难题。

本文将对近年来V频段和E频段的天线的新发展详细描述。为了方便地认识毫米波波段的各种天线，将天线划分为以下三种类型：面天线、平面天线和行波天线。

2 面天线

面天线包括反射面天线、透镜天线、波导、喇叭天线，在毫米波波段的尺寸较合适，最为实用，其为传统结构，技术发展比较成熟，设计方法与其他波段基本一致，只是机械公差有很大的进展。但也有通过改善其结构、外形、或者与其他结构集成来达到设计要求。

文献[1]为E频段的圆柱形反射面天线，用于无线回程解决高数据速率通信，如图1，该天线为一二次反射面天线，通过一个波纹线型帽型结构馈电，帽型结构是通过工作在一矩形波导来馈电的，其特点是小型化、高增益，比圆形反射天线更容易制造也更便宜。与其他帽型结构馈电的反射面天线相比，该天线增益更高，由于顶端没有介质制作成本更低。如图2，天线在中心频率的方向性系数达到41.4 dBi，口径效率为60%。

文献[2]为E频段集成透镜天线，实现了二维全电子波束扫描功能。设计天线为半径为7.5 cm和12.5 mm的半球形石英透镜，如图3，将16个二维排列的口径耦合微带天线单元和一个开关电路焊接在一个反馈PCB板上，半径为12.5 cm的集成透镜天线覆盖了从透镜轴开始的范围在立体角θ<18°的任何方向，在覆盖区域方向性不低于20 dBi，半径为12.5 cm的集成透镜天线有更大的覆盖区域，θ<27°，但是方向性较低，为16 dBi。仿真和实测吻合良好。

文献[3]为集成锥形喇叭天线，用于无线通信系统中。主要特点是低成本、小型化。天线从宽边到基片辐射，用SIW馈电，SIW末端的金属表面上蚀刻横向缝隙来驱动喇叭天线。