运用XFdtd进行140GHz频段之6G天线阵列设计与仿真

运用XFdtd 进行140 GHz 6G阵列天线设计与仿真

 

简介

这个范例演示使用XFdtd建模及仿真一组用于140GHz频率的6G无线通信天线阵列，整体是一个8×8的天线阵列，构成阵列的基本天线单元为在低温共烧陶瓷结构(LTCC)中的TE340模态基片集成腔(SIC)2×2缝隙天线阵列，预计在130至145GHz频段内工作，增益峰值为20.5dBi，工作频段内有稳定的辐射场型，效率维持在60%附近，具有尺寸小结构简单的特性，天线参照文末列举的参考资料中的设计。

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模型设计与仿真

这个8×8的阵列中的天线单元由两种H桥基片集成功率分配器连接起来，每一个单元外观如图一，由被Ferro A6M (dielectric constant 5.9, loss tangent 0.002) 材料制作的LTCC基片分隔的四片金属构成，顶层有两个可见透孔构成的的TE210模态SIC (图一及图二)，图二也呈现了第二个金属层的四个槽状辐射体，图三以及图四可以看到后面两层的结构。

 

图一: A three-dimensional CAD rendering of the SIC excited 2x2 antenna element is shown with metal layers in green and LTCC layers in red.

图二: The top layer cavity of the antenna element is shown with the four radiating elements in metal layer #2 feeding into the TE210 mode substrate integrated cavities.

图三: The TE340 mode SIC above metal layer #3 is shown with the feeding slot in the center and the two matching posts above and below the slot.

图四: The input is fed into the antenna through a feed layer above metal layer #4, which contains a SIW region and a matching post below the feed slot of metal layer #3 (not shown).

图五: 单一2×2天线单元的回波损耗(return loss)曲线可以看出在132 GHz到146 GHz 范围有-10dB的良好表现。

 

从仿真的回波损耗(图五)可以得知天线单元在131.63 GHz至 146.45 GHz有良好表现，图六则是在天线单元上方一个特定点的增益值对频率的曲线，在工作频率范围内为9~11.5dBi，图七至图十则是131GHz, 135GHz, 140 GHz, 以及147GHz这四个频点在两个主平面上的增益图，可以看出天线在工作频率范围内有很稳定的表现。

图六: 在天线上方取一个点量测的增益值，工作频率范围内落在9dBi至11.5 dBi。

图七: 在131 GHz的增益图。

图八: 在135 GHz 的增益图。

图九: 在 140 GHz的增益图

图十：在147GHz的增益图

 

我们使用两个层次的H桥功率分配器来建立阵列，包含一个输入端口位于中央并带有四个输出端口的主要H桥功率分配器，以及链接着主要H桥功率分配器输出端口并连接着天线的次级H桥，图十一为建立在基片集成波导(Substrate integrated waveguide, SIW)的主H桥，在XFdtd中我们使用波导端口 ( Waveguide port ) 在主H桥的输入和输出端口作为激励，仿真结果显示在120 Ghz至150 GHz频段回波损耗低于-10dB (图12)，图13为次级H桥，输入端口在中央，另有四个连接到图一的天线单元的输出端口，图14为仿真结果，在120 GHz至150GHz频段次级H桥的回波损耗也低于-10dB。

 

图十一: 负责将输入信号分配到四个次级H桥的主要H桥，输入端口在中央下方，另有四个输出端口在四个角落。

图十二: 主要H桥的回波损耗仿真结果。

图十三: 负责将来自主H桥的输出信号分配到四个天线单元的次级H桥，输入端口在中央下方，另有四个连接天线的输出端口在四个角落。

 

图十四: 次级H桥的回波损耗仿真结果

 

图十五为用于最终组成8×8天线阵列的H桥组合配置，天线单元置于四个次级H桥的四个输出端口，接着整个结构被置于一个25 x 10 x 0.616 mm的基板上，天线阵列在基板的一端，并设置一个waveguide port在连接到主H桥输入端口的基片集成波导上，图十六为整体外观，图十七为天线阵列的俯视图。

图十五: 由主要(红色)及次级(绿色)H桥组成的完整功率分配器全图。

图十六: 至于25x10 mm基板上的完整8x8 阵列天线结构。

图十七: 8×8阵列天线俯视图。

 

图十八: 整个阵列的回波损耗在130GHz至146GHz的频段区间都低于-10dB。

 

图十九: 在天线阵列上方一个点的在工作频段内的增益值。

图二十: 在频率131GHz主平面的增益对角度曲线，可以看到旁瓣低于主瓣10dB以及低交叉极化增益的特性。

 

天线阵列整体的回波损耗在130GHz至146GHz频率范围内低于-10dB(图18)，在阵列上方的量测点得到的增益值在130 Ghz及146 Ghz时为19.5dBi, 峰值在140 Ghz, 约为21dBi (图19), 关于主平面130GHz的增益曲线可见于图20，主瓣峰值在0度方向，旁瓣至少比主瓣低10dB, 图 20至图23则是主平面上131 GHz, 135GHz, 140 GHz, 144GHz等频点的增益对角度曲线，可以看到有相似的特性，图24至图27则是以上几个频点的三维增益场型图，图28为效率对频率曲线，可以看到在工作频率范围内都有接近60%的效率。

 

图二十一: 135GHz频率主平面上的增益对角度曲线，和131GHz的曲线相当类似。

图二十二: 140 GHz频率主平面上的增益对角度曲线，可以看到旁瓣稍大。

图二十三: 在最高的频点144 GHz,增益对角度曲线仍然和其他频点高度一致。

图二十四: 131 GHz 频率的三维增益场型图。

图二十五 : 135 GHz 频率的三维增益场型图，和131GHz的三维场型高度相似。

图二十六 : 140 GHz 频率的三维增益场型图，和之前频点的三维场型高度相似。

图二十七: 144 GHz 频率的三维增益场型图，和之前频点的三维场型高度相似。

图二十八: 天线效率在工作频率范围内都接近60%。

 

结论

这个范例演示了用XFdtd建立一个用于140 GHz频率8×8的天线阵列模型进行仿真，结果显示在工作频率范围内有稳定且良好的效能表现，从仿真结果可以得知这个天线适合用在6G无线通信应用上。

 

参考资料来源并致谢：

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. 26307-26313, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2900989.