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空气腔传输线和天线在毫米波应用中的优势

B. Kaltalioglu, H. Takahashi, A. B. Alothman Alterkawi and C. Vockenberger，AT&S

毫米波是波长为1至10毫米的电磁波。它们属于无线电频谱中的极高频段，频率范围为30至300GHz。¹ 毫米波频段的更大带宽很有吸引力，使得这些频段在当前和新兴的射频应用中的使用越来越多。这些频段提供了更高的数据速率和更低的延迟，使得它们对5G等数据通信应用非常有用。除了通信应用外，汽车雷达也使用77GHz频段来实现更高的分辨率。

5G频谱分为两个范围：频率范围1（FR1）包括6GHz以下的频段，频率范围2（FR2）涵盖24GHz以上的频率。² 由于其更大的可用带宽，与老一代网络使用的FR1频率相比，FR2频率可以实现更高的容量和更快的连接。像体育场馆和工厂这样的人员密集区，以及视频流媒体服务，是5G毫米波技术特别有用的领域之一。

在76至81GHz频段工作的汽车毫米波雷达被广泛用于高级驾驶辅助系统，如自适应巡航控制、交叉交通警报和盲点检测。³ 这些系统提高了驾驶员的安全性和舒适性，它们在汽车行业得到了普遍应用。雷达用于测量周围汽车和障碍物的距离、速度和角度。这些雷达可以隐蔽地集成到车身，因为毫米波信号很容易通过车身材料。这使得即使在恶劣的天气下也能进行稳定的目标探测。⁴

发射或接收电磁能量的天线是通信和雷达系统的关键部件之一。这些雷达系统的性能和尺寸受天线的结构和性能的影响很大。用印刷电路板（PCB）制造的平面天线阵列因其成本低、外形美观而被普遍用于这两种应用中。然而，天线的性能可能会受到高介电损耗的严重影响。如果发生这种情况，天线在毫米波频段将只能提供适度的增益和效率。减少介电损耗的解决方案包括通过去除部分介电材料来引入空气腔。通常情况下，这些空腔是通过激光切割或控制深度铣削在PCB堆叠中形成的。

对传输线性能的实质影响

如图1所示，平面传输线传统上被用于PCB中，作为不同元件（如电阻、电容和IC）之间传输电信号的线路。它们也被用来在集成电路和射频前端之间传输高频信号，在这种情况下，需要控制线路的阻抗以减少信号传播的失真。无线应用的高容量要求增加了对毫米波应用于PCB的兴趣。不幸的是，在毫米波频率下，导线的高损耗大大降低了电源效率和信号完整性。线路的阻抗主要由材料的介电常数决定，而介电损耗则与材料的耗散系数有关。因此，选择适当的介电材料对PCB和高频设计非常重要。

FR4是PCB最常用的材料之一。它由玻璃纤维和环氧树脂组成。由于其低成本和已知的电气和机械性能，它在不需要最高性能的很多应用中是首选。然而，由于它的高耗散系数，它在毫米波频段变得低效。此外，根据玻璃纤维和树脂含量的不同，介电常数在PCB的长度和宽度上会有很大的变化。这种变化会导致电路性能的下降。低损耗的PTFE材料或含有特殊树脂和玻璃布的材料被用于高频应用。除了低损耗因素外，这些材料还能提供更稳定的介电常数。RO3003和MEGTRON7是常见的高频层压材料。一些有代表性的电介质材料的介电常数和耗散系数在表1中给出。

微带线插入损耗比较

微带线由一个导电带组成，它被印在一个接地的介质基底上。电磁场发生在导电带和接地层之间。大多数场都集中在线下的电介质材料内部，这导致了原子极化，产生偶极矩。⁵ 这些偶极矩的振动将产生热量，这种能量耗散表现为电介质损耗。与导体和辐射损耗一起，介电损耗对线路的插入损耗有贡献。介质损耗是由材料的耗散系数或损耗正切来量化的。由于空气的耗散系数最低为0，所以用空气代替电介质材料可以减少电介质损耗以及线路的总插入损耗。图2说明了拟议的堆叠层的横截面，该堆叠层在预浸料层中含有一个空腔，图3显示了材料堆叠层的爆炸图。

图4比较了介电材料为FR4时不同空腔尺寸的插入损耗。在所有情况下，总的堆叠厚度保持恒定在200μm，并且在50GHz下对线路进行了仿真。顶部的红色曲线对应的是传统的微带线，没有空腔。与基本微带线相比，在叠层中创建一个宽度为500μm、厚度为50μm的空腔，使插入损耗降低了33%。通过进一步增加空腔的尺寸，将宽度设置为1300μm，厚度设置为125μm，插入损耗可以减少77%。如图5所示，使用RO3003电介质材料，损耗也有相当大的降低。对于宽度为500μm、厚度为50μm的较小空腔，插入损耗减少了17%，而对于宽度为1300μm、厚度为125μm的空腔，损耗减少了44%。RO3003是一种低损耗的材料，耗散系数低，所以对于FR4来说，引入空腔所产生的插入损耗的减少更大。

空腔天线

28GHz空腔孔径耦合贴片天线

孔径耦合矩形贴片天线（ACPA）是5G毫米波模块的常见天线结构。这种类型的天线通常是使用多层PCB制作的。它包括顶层的贴片辐射器，底层的馈电网络和中间接地层。在接地层上有一个孔，作为馈电线和辐射器之间的耦合器。在本项工作中，为了提高天线的性能，在叠层中建立了一个空腔，如图6所示。MEGTRON7材料中的空气填充层的厚度是整个天线基材的三分之二。天线基底需要有一定厚度的低介电常数，以获得良好的辐射性能。如图7的性能曲线所示，带空腔的叠层在增益和辐射效率方面优于其他电介质材料。

77GHz空腔串联馈电贴片天线

串联馈电贴片阵列是77GHz汽车雷达中最常用的天线类型之一。这些天线在方位面提供宽波束宽度以扩大视野，在仰角面提供窄波束宽度以抑制地面杂波。通常情况下，天线阵列由顶层的微带线馈电，接地层位于底层。在本项工作中，如图8所示，在顶层和底层之间的预浸层中创建了一个空腔。使用不同的材料和有/无空腔的情况下设计天线，以进行比较。对于没有空腔的叠层，电介质厚度被选为127μm。在含有空腔的堆叠层中，使用了133μm的总厚度。空腔的宽度被设定为2000μm，而空腔的厚度为58μm。从表2中可以看出，空腔增加了天线的性能，但代价是尺寸较大。较大的尺寸是由于有效介电常数的减少。如果没有空腔，FR4上的天线的增益和效率都很差。结论是，即使它有一个大的阻抗带宽，单独的FR4也不适合这种应用。在FR4叠层中形成一个空腔，可以提供超过6dB的高增益和33%的高辐射效率。MEGTRON6和MEGTRON7的天线性能相似。在这两种情况下，空腔使天线的增益提高了大约2dB，效率提高了15%，但天线的尺寸增加了28%。

5G毫米波空腔天线演示器

这个例子是一个28GHz的孔径耦合贴片天线阵列，在基板上有一个空腔。⁶ 该堆叠层包括一个芯材和一个预浸材料，分别使用厚度为127μm的MEGTRON7（Dk=3.34，Df=0.0037）和厚度为80μm的Doosan材料（Dk=4.5，Df=0.016）。在高温层压过程中，三个芯材与两个预浸料堆叠在一起。空腔是在压制之前通过激光切割产生的。空腔的尺寸被选择为比贴片大很多，以便边缘场的影响可以忽略不计。值得注意的是，Doosan的预浸材料具有不流动的特性。这是因为预浸材料如果流入空腔，并作为残余物留下，可能会导致辐射性能的显著下降。贴片尺寸的宽度为4.5mm，长度为3.6mm。微带馈电线中的开口的长度和接地层上的孔径都进行了调整，使天线在28.5GHz的频率下产生共振。有了这些贴片尺寸和这种配置的天线基底，单贴片天线实现了9.3dBi的增益。

作为示范，我们制作了一个有四个辐射器的ACPA阵列。图9和图10分别显示了堆叠的横截面和制作的阵列的图片。使用罗德与施瓦茨的矢量网络分析仪测量了该演示器的S参数，并在暗室中测量了远场辐射图。图11和图12显示了测量的回波损耗和28GHz时的辐射图，并与数值仿真结果进行了比较。该天线的实际增益为14.8dBi，10dB阻抗带宽为3.8%，衬底厚度为0.035λ₀。

结论

在PCB叠层中创建一个空气腔，可以减少导线的插入损耗，提高毫米波频段天线的性能。空腔的有效性取决于空腔的尺寸和电介质材料的类型。为了实现这些好处，空腔的尺寸需要比传输线或辐射器大得多，这样边缘场的影响就可以忽略不计了。5G毫米波模块和77GHz汽车雷达是一些可以从使用空腔的天线基底的改进性能中受益的应用。为了证明这一概念的可行性，我们制作并测量了一个28GHz的孔径耦合贴片天线。该天线实现了14.8dBi的增益和3.8%的10dB带宽。

1.    T.E. Bogale, X. Wang and L.B. Le, “mmWave Communication Enabling Techniques for 5G Wireless Systems,” mmWave Massive MIMO, Elsevier, 2017, pp. 195–225.

2.    3GPP, “NR; User Equipment (UE) Radio Transmission and Reception; Part 1: Range 1 Standalone. 38.101-1,” Release 15, March 2019.

3.    S.M. Patole et al., “Automotive Radars: A Review of Signal Processing Techniques,” IEEE Signal Processing Magazine, 34.2, March 2017, pp. 22–35.

4.    K. Rana and P. Kaur, “Comparative Study of Automotive Sensor Technologies Used for Unmanned Driving,” 2021 2nd International Conference on Computation, Automation and Knowledge Management (ICCAKM), January 2021, pp. 346–350.

5.    D.M. Pozar, “Microwave Engineering,” Wiley, Ed. 4, 2012.

6.    H. Takahashi et al., “Air-filled Cavity-backed 28 GHz Antenna Array Implemented by 2.5D PCB Process and Network Analysis,” 51st European Microwave Conference (EuMC), April 2022, pp. 534–537.

图1 印刷电路板上的传输线。

图2 无空腔和有空腔的堆叠层的截面图。

图3 带有空腔的微带线的爆炸图。

图4 FR4的插入损耗比较。

图5 RO3003的插入损耗比较。

图6 空腔孔径耦合贴片天线的横截面。

图7 单贴片ACPA的性能。

图8 空腔串联馈电贴片天线阵列的爆炸图。

图9 制造的空腔ACPA的横截面。

图10 28GHz空腔孔径耦合贴片天线阵列。

图11 空腔ACPA的测量和仿真回波损耗。

图12 28GHz时空腔ACPA的辐射图。

表1 电介质材料的特性

表2 在76.5GHz下的天线性能比较