摘要：
我们提出了一种在60GHz频带上的双极化工作的一种槽阵列天线。为了实现双极化，使用了十字辐射槽和一种多层的馈网结构。一个16x16单元阵列使用了层压薄铜板扩散烧结来制造，其有着高精度和低损耗特性的优势。为了抑制栅瓣，我们使用了几个设计技术，例如一个厚的腔体结构和密集的(dense)单元间距。对于两个不同的极化在60-64GHz获得了高于32dBi的高天线增益和接近80%的天线效率。1dB下降的增益带宽达到了10.4%和10.9%。在两个输入端口之间实现了高于50dB的高隔离度。
索引词：
扩散烧结，双极化，全公共馈电，隔离度
第一部分：引言
双极化是一种双倍频率复用率的一种简单方式，因为他使得同时生成两个正交极化成为了可能。额外的极化也可以用于一种多样测量来提升接收SNR或者在通信系统中增益数据比。由于这些原因，双极化天线被广泛应用于通信系统和雷达应用中。
大多数关于双极化阵列天线的研究使用了介电基片，因为辐射单元和馈网网络的易于实现性。多种实现高隔离和高交叉极化的多层馈电和辐射结构已经被证实。然而，[3]-[7]中的天线有着大损耗的缺点并且由于随着阵列尺寸的增加损耗增益的特性不能实现高增益，特别是在最高频率区域。另一方面，波导槽阵列天线，有着低剖民，低交叉极化电平和低传输损耗的性质，被广泛应用于毫米波频带。然而，传统的槽阵列天线通常是顺序馈电的，由于阵列尺寸变大时的长线效应，暴露出带宽较窄的基本问题。它们在双极化工作和波束扫描上有着低设计灵活度的特性，这由于它们复杂的3D结构，其不适用于大量制造。在大多数以往的工作中，有着正交线极化的子阵列对边互连。
双层公共馈电波导槽阵列天线，馈电电路坐落在顶层辐射槽下面的底层，已经发展用于宽带工作和避免波束闭合(squint)。对于单个极化，一个16x16的单元阵列被设计和制造在60GHz频带，并且实现了33dBi的高增益，8%的宽带宽，和高达80%的高天线效率。基于[13]中的天线结构，我们提出了一种双极化波导槽阵列天线，其有着与[13]中相同的单元间距。两个不同极化共享相同的辐射单元。进一步地，其有着一个三层的馈电结构，可以实现两个极化之间高于50dB的隔离。在[16]中提出的双极化天线有着低天线效率的缺点，低于70%,同时在[13]中的单极化天线显示了高于80%的高效率。1dB下降增益带宽[16]也低于[13]。
在本文中，我们提出了一种有着低栅瓣和在更宽频带下高天线效率的用于双极化的提升天线结构。首先，我们回顾了[16]中所描述的天线结构来显示不在[16]中讨论的天线工作原理和结构。之后，我们讨论了在所提出结构中抑制栅瓣的方法。最终，给出了设计和制造结果。我们希望所提出的天线将作为使用双极化固定波束阵列的优秀选择。
第二部分：天线结构
图1(a)显示了在60GHz频带用于双极化工作的天线结构的3D视图。在顶层有16x16个辐射槽。这些辐射槽有一个十字型来保证同时辐射两个不同的极化，并且它们在x和y方向以统一的间距组阵。每个2x2的辐射槽构成一组(make up one set)并且共享一个腔体。每个腔体连接到有着图1中标记为"耦合槽2"的多层馈网。多层馈网包括用于两个不同极化公共馈网。每个公共馈网由位于背面的尺寸为标准WR15矩形波导的相同尺寸的馈电口径馈电。图1(b)显示了所提出天线在xy面上的截面。在图1(b)中，只有8x8的单元被提出用于天线结构的简单理解。黑色部分为铜，其对应着天线主体，同时白色部分为空间(空气)，其对应着图1(b)中的槽，腔体和波导。
一个2x2的单元子阵列被设计为由多层馈网馈电的单元。图2显示了2x2单元子阵列的结构。为了分析在辐射槽二维无线阵之间的互耦，两组周期边界被设置在外部区域，在HFSS仿真中。这使得预测天线性能特性成为了可能，例如对于无限阵列的反射和辐射。本章讨论了2x2单元子阵列的设计。这里，图3和图4中的灰色箭头标注了磁场方向。整体的场表现将基于磁场方向来解释来避免混乱。沿着x方向和y方向浮动的场被标记为x向磁场和y向磁场。
A.2x2单元子阵列的辐射部分的设计
图3显示了2x2单元子阵列辐射部分的俯视图并且显示了双极化的耦合激励。结构基于[13]中用于单极化的2x2单元。然而，这里十字型辐射单元被用于实现双极化，代替了矩形辐射单元。两个不同极化的磁场由十字型槽激励。在腔体中的每个磁场有着一个对称分布。在馈电波导内部的(TE10模式)正交磁场分别激励x方向和y方向的辐射单元。
B.2x2单元子阵列的馈电结构
图4显示了2x2单元子阵列馈电结构的俯视图。这个结构也基于[13]中用于单极化的2x2单元子阵列的馈电结构。此时，两个波导被用于激励两个不同的磁场。x方向的纵向磁场由馈电波导1激励，同时y方向的磁场通过使用馈电波导2上的十字槽激励。在两个端口之间实现了高隔离，因为馈电波导1的耦合槽1被用于连接馈电波导2的中心。这减少了两个极化之间的磁耦合因为在波导2中的x方向磁场在波导中心非常弱。进一步地，耦合槽1的大厚度使得从馈电波导1出来的磁场的高次模快速衰减。两个正交极化通过耦合槽2在辐射部分同时激励并且保证了辐射槽两个极化的同时辐射。
C.用于双极化的多层公共馈电网络
为了实现双极化的馈电结构，天线在此包含一个多层的馈电结构。图5显示了用于4x4单元阵列的特殊结构。在此，2x2单元阵列被放置在每个馈网的末端。如以上所解释，y方向的磁场通过当旨在第一层的公共馈电电路来激励，同时x方向的磁场由第二层激励。为了同相激励第二层的x方向相邻的横向槽，一个额外的层被加在第二层上；这是第三层。在x方向上和下相邻的横向槽将以交替(alternating)相位的方式激励，如果第三层没被引入的话。箭头显示在每个耦合槽上的磁场分布。通过此结构的延伸，用于16x16单元阵列的公共馈网被简单实现了。
第三部分：用最初设计对于16x16单元阵列的分析
基于2x2单元子阵列和前一章多层全公共馈网的结构，接下来将解释16x16单元的设计。天线结构像图1中引入的一样。在辐射单元之间的单元间距在最初的设计中0.86个波长。口径尺寸为67.2mm方型(16单元x4.2的间距)并且天线的整体高度为6.6mm使用了0.3mm厚度的22个平板。
图6显示了16x16单元阵列天线的反射和隔离的计算频率特性。在VSWR低于1.5下两个极化的带宽为5%(y向)和8.1%(x向）。在宽频带上实现了两个端口之间高于55dB的隔离。图7显示了天线增益和效率的频率特性。峰值增益在对于y方向和x方向上在61.5GHz为75%天线效率的32.5dBi增益和在62.8GHz天线效率为72%的32.5dBi增益，其中铜的电导率被假定为。1dB增益下降带宽分别为5.3%和6.7%。计算的增益和天线效率略低于[13]中的单极化天线。单极化的增益和天线效率在60GHz频带优于33dBi和80%。由于双极化方向图有几个不想要的大的栅瓣，所以提升了增益衰减。
图8和图9显示了对于（图8）和
（图9）y方向磁场的计算辐射方向图。注意到图8和图9中的结果都是使用HFSS中的阵列设置函数的2x2单元子阵列来计算，所以它反映了16x16单元的特性。在图8中有亮哥大的1栅瓣(约-17dB)反映了2x2单元的间距（1.72波长）。并且，在图9中有大的栅瓣(约-15dB)。在
处的辐射方向图也显示了和
的同样的现象。在此，
的栅瓣由主极化分量造成，并且
的栅瓣由交叉极化分量造成。在x方向磁场的辐射方向图显示了和y方向磁场极化的相同结果。为了提升天线的辐射性能，这些栅瓣必须被抑制。接下来将讨论抑制栅瓣的方法。
第四部分：栅瓣抑制
A.减少腔体尺寸来抑制
处的栅瓣
在处的栅瓣由腔体区域场的不平衡造成。在腔体内不平衡的场部分造成了相邻辐射槽之间的电场的幅度差异。在图10中的虚线显示了在辐射槽中心线处计算的相对电场强度。在此，电场在两个辐射槽之间的中心附近很强，并且其在腔体边缘处很弱。
为了实现相邻辐射槽的统一激励，在腔体内的电磁场必须对称。一种实现这样的方式是通过激励槽来实现高次模的截止和主模的传输。当在辐射槽下的腔体足够厚或足够窄这就成为了可能。
随着E的衰减，其通过激励槽模式的常数
可以通过(1)和(2)表达为：
其中分别是腔体的厚度，长度和宽度。k是自由空间的波长。注意到腔体的宽度和长度实际上是相同的因为腔体在x和y方向是对称的。图11显示了基于腔体尺寸的
处的栅瓣等级。这些结果也是通过HFSS中的阵列设置函数所计算。当腔体宽度或者长度变得更厚或者更窄，栅瓣都会变小。注意到在此设计中腔体的最小宽度和长度为3.8mm由于腔体下的耦合槽。并且在栅瓣上的衰减在腔体厚度为2.1mm时收敛。因此,腔体尺寸被设置为2.1,3.8,3.8mm。在新的腔体中计算的相对电场强度被示意在图10(红虚线)并显示了与最初设计更好的平衡。
B.使用单元间距抑制
处的栅瓣
处的栅瓣主要由大的单元间距和交叉极化分量所造成。在以往用于单极化的设计中，0.86波长的单元间距不会造成
的栅瓣，因为它有着非常低的交叉极化电平。然而，用于双极化的天线结构造成大的交叉极化电平，因为两个不同极化共享一个共同的辐射槽和一个公共腔体。
为了抑制在处的栅瓣，根据栅瓣的变化考虑单元间距。最初，单元间距在x和y方向被设置为0.86个波长。在这种情况下，在单元间的正交距离为1.2波长。这揭示着在辐射单元对角线上的大单元间距会造成交叉极化在
处的栅瓣。图12显示了基于单元间距在
处的栅瓣。在此，主瓣电平被示意在图12中因为主瓣强度(intensity)也随着单元间距改变，因为口径区域由单元间距决定。在此所示，在
随着单元间距的变小而变小。考虑到馈电结构的物理问题，选择了0.39mm用于新单元间距来抑制栅瓣。
C.使用新的2x2单元阵列的栅瓣电平
使用新的腔体结构和更小的单元间距，有可能获得更小的栅瓣电平。
图13和图14显示了使用HFSS阵列设置的2x2单元子阵列的计算辐射方向图。此图显示了（图13、14）的纵向磁场的辐射方向图。
处的栅瓣使用小的腔体结构被抑制到了-25dB，同时最初的结构为-17dB。并且，在
处的栅瓣使用小的单元间距被抑制到了-28dB，同时最初的设计为-15dB。新的2x2单元子阵列的指定设置参数被列在表I。有了这些参数，我们接下来讲设计16x16单元阵列。
第五部分：在16x16单元阵列中使用抑制栅瓣的提升设计和加工结果。
基于之前部分所讨论的结果，决定的新的天线尺寸。单元间距从4.2mm变为了3.9mm并且腔体的厚度从1.2变为了2.1mm，来抑制不想要的栅瓣。在这些条件下，天线结构被完全重设了。现在，口径尺寸变为了62.4mm平方(16个单元x3.9mm间距)，并且天线的整体高度使用了25个厚度为0.3的平板，为7.5mm。图15显示了制造的用于双极化工作的16x16单元阵列天线。此天线使用了层压薄金属板的扩散烧结技术制造并且有着高精度和低损耗的特性。
图16显示了16x16单元阵列天线的计算和实测的S参数频率特性。在计算中，两个极化在VSWR小于1.5的带宽为5.0%（y方向磁场）和6.8%(x方向磁场)。由于从最初设计的天线参数的改变带宽轻微地改变。在宽带宽范围内实现了两个端口之间的高隔离度，高于50dB。实测的S参数被加在图16中。在实测结果中有一些波动，但是计算和实测结果吻合良好。并且，在实测中，也实现了高于50dB的高隔离度。表II总结了在最初设计和提升设计中包含实测天线性能之间的天线特性。
图17显示了增益和天线效率的频率特性。与S参数结果类似，实测天线特性显示了很好的一致性尽管有一些波动。在实测中，在60-64GHz上平均天线增益为77%的天线效率下32.0dBi和79.4%天线效率下32.1dBi，分别对于y方向和x方向磁场。1dB下降增益带宽分别为11.3%和12.1%。在导电上的损耗和反射在计算和实测的所有数据中都被考虑了。新的设计有着比最初设计更小的口径区域但是保持与最初设计一样的天线增益。这些结果显示了新设计的高天线效率。
图18和图19显示了在59,61.5,64GHz处两个y和x方向磁场的实测辐射特性。辐射方向图在的范围内测量。副瓣被很好地抑制了，低于-20dB，对于主极化和交叉极化。
第五部分 结论
一种用于60GHz频带的双极化波导槽阵列天线被提出。为了实现双极化工作，十字型辐射槽共享一个公共口径和一个多层馈电网络结构。一个用于双极化的16x16单元阵列使用了层压薄铜平板的扩散烧结制造。对于两个极化，在60-64GHz上获得了高于32dBi的高天线增益和接近80%的天线效率。1dB下降增益带宽为11.3%和12.1%并实现了宽带特性。在两个极化之间的宽频带上实现了高于50dB的隔离度