基于微机械工艺的Q波段高效波束扫描MIMO天线阵研究与实现

This project will make a research on the design of Q-band antenna (array) and its feed network based on micro-machined technology, which aims to design Q-band high-efficiency beam-scanning MIMO antenna array. In micro-machined technology, air cavity can be realized by partly removing silicon substrate. Based on the characteristic above, high-efficiency and broadband air-cavity-backed antenna unit will be proposed. Due to the low-loss transmission characteristic and ease of integration with CMOS process, micro-Coax transmission line will be adopted to design Bulter matrix feed network which can realize beam scanning function. Base on the study of high-efficiency antenna unit and low-loss feed network, beam-scanning MIMO antenna will be designed. This project will make a good foundation for the realization of high-efficiency Q-band communication system.

本项目结合微机械工艺展开Q波段天线/天线阵及其馈电网络的研究，旨在实现Q波段高效波束扫描MIMO天线阵。结合微机械工艺可开空气腔的特点，提出基于空气介质的高效宽带背腔天线单元；利用矩形微同轴传输线具有低损耗传输且能与CMOS工艺集成的特点，提出基于矩形微同轴结构的低损耗Bulter矩阵馈电网络。结合高效天线单元结构和低损耗馈电网络设计并实现具有波束扫描功能的MIMO天线阵。该研究可为高效Q波段通信系统的实现奠定良好基础。

本项目针对毫米波无线通信应用，首先提出了基于微机械工艺的矩形微同轴传输线结构，该传输线采用SU8支撑同轴线内径，形成镂空结构，降低毫米波传输线的损耗。该传输线的仿真和测试的损耗小于0.18dB/mm，且能兼容CMOS工艺。采用多层结构设计两款60GHz天线阵。第一款为波束扫描天线。波束扫描角度分别为±35°和±11°。第二款为60GHz圆极化天线阵。天线增益在60GHz中心频率为14.5dBi。. 采用PCB工艺，提出了两款宽带、高增益毫米波介质集成波导（Substrate Integrated Waveguide, SIW）天线阵结构、两款基于介质集成同轴线的波束扫描天线阵和三款基于介质集成空腔波导的高增益、低成本天线阵。两款天线阵均采用多层SIW缝隙耦合馈电方式。第一款Q波段天线提出了在SIW缝隙上方纵向加载十字形铝块辐射缝隙，增益提升了约3dBi。第二款提出在SIW缝隙上方纵向加载磁电偶极子38-GHz的天线阵，带内最大测试增益为26.7dBi，测试辐射效率为83.2%；基于介质集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line, SICL)波束扫描天线阵采用耦合馈电开槽微带结构。在45GHz处，波束方向为-28.5°、-14.1°、18.4°和35.6°；基于FR-4板材设计实现了介质集成空腔波导（Empty Substrate Integrated Waveguide，ESIW）传输线，获得了0.045dB/cm的低损耗效果。提出了H面喇叭天线的介质和耦合线双重加载/矩形槽介质加载技术，在Ka频段和W波段实现了实际增益4dB的提升，阻抗带宽分别达到了32.9%和19.6%。 . 采用低温共烧(Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC)工艺，提出采用高次模SIW谐振腔设计多层SIW馈电网络，相比传统馈电网络，大幅度减少了金属过孔的数量，降低成本。. 采用CMOS/BiCMOS工艺，提出了短路同心环天线、加载AMC材料天线和SIW背腔在片天线结构，以减小表面波提高天线增益。. 项目资助发表SCI论文22篇、EI论文6篇，申请发明专利3项，其中获授权1项。培养毕业博士生4人、在读博士1人、硕士生5人。项目支出15.2808万元，剩余经费3.7192万元。