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MEMS宽带毫米波天线阵列研究

宿智娟  
【摘要】: 毫米波是指波长范围为1厘米到1毫米范围内的电磁波,其对应频段为30GHz-300GHz。工作在毫米波段的无线通信设备可以充分利用该波段宽带大的优势来满足高速通信的要求;此外,毫米波收发器件易于与微波单片电路集成使得射频电路的小型化可集成成为可能;毫米波与红外波段和光波段相比受恶劣天气干扰小,因而更适合无线通信。天线是无线通讯的核心部件,毫米波天线具有尺寸小、结构紧凑的优势,但同时能够保证天线的高定向性,这使得其可用于高分辨率的雷达通信和集成导航设备。共面波导馈电的平面缝隙天线由于其重量轻、剖面低、易于与单片集成电路和固态有源器件集成等优势而成为毫米波波段天线的首选。由于天线的特征尺寸要与波长相当,毫米波天线对加工精度的要求也因为波长变短而相应提高,另外,为了达到展宽带宽等性能要求,在二维平面内其结构也变得更为复杂,并出现向低剖面三维结构发展的趋势,因此传统的精密机械加工已经不能满足这样的高精度集成要求,必须探索新的制造方法。 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术不仅具有类似IC工艺的平面集成制造能力,同时它还兼容了微米甚至纳米级精度的三维微结构制造,三维非硅微加工技术更可以同时兼容多种材料的集成制造,提供了满足上述精确多元集成制造需求的最具可行性的新技术途径。 本文意在结合三维非硅微加工技术的特点,从结构灵活构造方面开展低剖面毫米波缝隙天线阵列设计方法创新研究,探索MEMS加工技术与毫米波天线有机结合的有效方式。为此目标,分别提出了几种基于三维微结构集成的毫米波宽带缝隙天线阵列创新设计,利用Ansoft-HFSS有限元仿真软件,对创新设计的天线阵列进行了系统性仿真分析和结构参数优化,并基于三维非硅微加工技术开发了相应的集成制造工艺流程,成功研制了一种典型的阵列天线样品,完成了关键性能测试,达到了预期的目标。 设计一提出了一种由共面波导并联馈电网络馈电的2×2四元天线阵列,馈电网络的T型转弯处通过架设空气桥来抑制奇模态的产生,从而保证了传输网络的低损耗,该设计中引入了切口调节支来调节阻抗匹配,测试结果表明该天线阵列的工作带宽约为30GHz-39.6GHz (S11-10dB),中心频率为35GHz,相对带宽为27.4%,与仿真结果吻合较好,仿真得出在整个工作带宽上,增益均保持在8.5dB-10dB之间; 设计二在双向辐射的天线阵列基础上引入了带圆形孔的金属反射板,分析并优化了金属板尺寸对天线回波损耗及增益性能的影响,仿真结果表明天线阵列实现了单向辐射,在35GHz处增益达到12.2dB,当S11-10dB时工作带宽为34.4GHz到35.9GHz; 设计三在上述基础上,进一步优化参数,力求实现单向辐射宽带天线阵列,改进后的结构仿真得出的阻抗带宽为31.6GHz到39.2GHz (S11-10dB),相对带宽为21.7%(中心频率35GHz),增益为11.6dB,在保证了天线单向辐射较高增益的同时,实现了宽带的性能。


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