毫米波60GHz立体电路技术介绍

毫米波60GHz立体电路

考虑到未来的5G应用，需将机械（如外壳、塑料壳）和电气部件的功能结合起来。将天线直接集成到塑料部件中的优点是，可以减少由于天线、空气和外壳中其他塑料或金属部件之间的过渡而造成的反射，从而减少损失。在天线直接集成的情况下，电磁波可以直接从塑料部件或从金属附着的塑料部件辐射出去。但必须注意到，这仅适用于主要辐射发生在与外部塑料部件或外壳相连的区域的辐射结构。图1为一个具有集成天线和收发器电路的未来设备示意图。

图1、含三维集成波导馈入天线的未来智能器件示意图

塑料材质设置为LDS 3730使用的值（εr=2.9，tanδ=0.007）。各仿真模型如图2所示。集成天线的塑料部分（灰色）被上层部份和底部用塑料板（白色）覆盖。因此天线完全集成在塑料部件中。输入反射系数的模拟结果如图3所示。天线的输入反射系数低于-10分贝，从57千兆赫到64千兆赫，输入反射系数低于-8分贝，从64 GHZ到66 GHZ。H面和E面的辐射特性如图4所示。在H面上，辐射特性显示出相对较小的主瓣，而在E面上，辐射特性显示出较宽的主瓣。在60 GHz WiFi/Wigig频率范围内实现的峰值增显示出相对平滑的曲率和约2.2 dB的最大变化（图5）。这项研究首次揭示了未来立体电路在毫米波范围内制造射频天线的可能性。

图2、集成智能器件天线仿真模型

塑料材质设置为LDS 3730使用的值（εr=2.9，tanδ=0.007）。各仿真模型如图2所示。集成天线的塑料部分（灰色）被上层部份和底部用塑料板（白色）覆盖。因此天线完全集成在塑料部件中。输入反射系数的模拟结果如图3所示。天线的输入反射系数低于-10分贝，从57千兆赫到64千兆赫，输入反射系数低于-8分贝，从64 GHZ到66 GHZ。H面和E面的辐射特性如图4所示。在H面上，辐射特性显示出相对较小的主瓣，而在E面上，辐射特性显示出较宽的主瓣。在60 GHz WiFi/Wigig频率范围内实现的峰值增显示出相对平滑的曲率和约2.2 dB的最大变化（图5）。这项研究首次揭示了未来立体电路在毫米波范围内制造射频天线的可能性。

图3、集成波导馈入天线的仿真输入反射

图4、集成智能器件天线的仿真辐射特性

图5、仿真实现的频率增益

立体电路制造的可集成到塑料部件中的喇叭天线

一个可以有效地用于毫米波范围的天线的例子是介质填充波导馈入天线。与通常以矩形或圆形截面实现的典型充气波导不同，对于立体电路制造的产品，介电材料LDS塑料与应用于外表面的立体电路金属化一起形成波导。立体电路制造的另一个优点是可以直接将电路板和介质填充波导结合在一起。对于辐射天线单元，可采用波导馈入结构的典型原理。本文仅列举了一些可以通过立体电路工艺制造的电介质棒和不同类型的透镜型结构以及电介质和电介质涂层喇叭天线。使用立体电路制造此类结构的工艺相对简单，表明了未来毫米波在消费者或汽车传感器应用中的可用性。为了评价该方法和立体电路工艺，开发了一种测试结构，该结构由一个接地CPW组成；该CPW直接向介质填充波导供电。作为辐射元件，采用了电介质喇叭天线。测试天线覆盖了24 GHz ISM波段和77 GHz波段的频率，用于汽车近程雷达系统。图6显示了两个已实现的测试天线，所用的塑胶材料是LDS 3730。

图6、共面波导馈入介质填充波导过渡的介质喇叭天线的实现测试结构

图7a、24GHz介质喇叭天线的输入反射系数和辐射方向图

图7b、77GHz介质喇叭天线的输入反射系数和辐射方向图

两个测试天线的特征都与它们的射频特性有关。图7显示了在24GHz（图7a）和77GHz（图7b）下输入反射系数和辐射模式的测量和模拟结果。通过测量3个天线后可以认为，测量和模拟的一致性对主瓣方向的辐射方向和输入反射系数都有很好的影响。此外，三个制作的测试天线之间也实现了良好的匹配。综上所述，这表明了立体电路技术在毫米波频段的可靠性。设计测试结构的主要范围是验证立体电路工艺，结构必须保持相对简单，因此选用未处于优化状态的测试天线。对于未来一应用为导向的配置，3D表面阻抗金属化可以将立体电路技术的优势应用在3D形状天线结构上。因此，3D制造的灵活性可用于开发高效结构，并应对未来射频设备所面临的挑战。

来源：深圳市微航磁电技术有限公司