[论文解读] Millimeter-Wave Integrated Side-Fire Leaky-Wave Antenna and its Application as a Spectrum Analyzer

Daniel J. King, Mohamed K. Emara+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2020

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 42被引用 10

一句话总结

本文提出了一种基于新型侧向激励泄漏波天线（LWA）与基板集成波导（SIW）技术结合的低剖面、屏蔽式模拟毫米波频谱分析仪，工作中心频率为60 GHz。该LWA源自级联匹配T型接头并引入横向开槽以抑制阻带，实现端射辐射，从而在天线平面内实现频率扫描泄漏。系统在59–66 GHz频段实现了1 GHz的频率分辨率，经实验验证，展示了紧凑、全屏蔽、近场波束聚焦的实时频谱分析设计。

ABSTRACT

An analog, low-profile and shielded spectrum analyzer is proposed for operation at mm-wave frequencies around the 60 GHz band based on a novel side-fire Leaky-Wave Antenna (LWA) configuration. The proposed side-fire periodic LWA is systematically developed from a conventional 3-port waveguide T-junction which is modified to a LWA unit cell with an internal matching mechanism to suppress the stop-band and enable broadside radiation based on unit cell symmetry considerations. The resulting periodic side-fire antenna radiates in the plane of the antenna, whereby the leakage power be either be allowed to radiate in free-space or kept confined inside a PPW structure. The proposed side-fire structure thus can be completely shielded useful as an analog broadband spectrum analyzer using Substrate Integrated Waveguide (SIW) Technology. Furthermore, a convex side-fire antenna is demonstrated to focus the radiated beams in the near-field of the structure to make the entire system compact. The integrated spectrum analyzer is experimentally demonstrated between 59 GHz - 66 GHz providing 1 GHz frequency resolution. Furthermore, a simple mathematical model consisting of array of line sources is proposed to efficiently model the beam-scanning characteristics of the curved side-fire LWA in the near-field of the structure.

研究动机与目标

• 开发一种低剖面、屏蔽式的模拟频谱分析仪，用于毫米波频段，特别是60 GHz频段，以解决传统数字或非屏蔽射频系统在电磁干扰（EMI）和集成方面的挑战。
• 通过引入模拟实时解决方案，克服传统数字频谱分析仪在高频段存在的高延迟和复杂数字处理等局限。
• 设计一种新型侧向激励LWA，通过横向开槽实现内部阻抗匹配，抑制阻带，实现从后向到端射方向的无缝辐射。
• 通过近场波束聚焦实现紧凑、全集成的频谱分析仪，采用凸面天线结构，兼容标准PCB制造工艺。
• 基于线源阵列提出一种快速、解析的波束扫描模型，以高效预测弯曲LWA的近场辐射特性。

提出的方法

• 通过在匹配T型接头中引入横向开槽（或电感柱）打破对称性，抑制阻带，实现从后向到端射方向的连续辐射，从而设计出侧向激励LWA。
• 利用本征模分析对单元结构进行优化，确保阻抗匹配与端射辐射特性，通过调节开槽尺寸与位置，使反射最小化并最大化泄漏功率。
• 将LWA集成于平行板波导（PPW）结构中，实现辐射的完全约束，消除电磁干扰，实现屏蔽式、低剖面系统。
• 在天线结构中引入凸面曲率，实现近场波束聚焦，减小系统整体尺寸，同时保持波束方向性。
• 建立基于线源阵列的简化数学模型，用于解析预测近场区域的波束扫描行为，实现快速设计迭代。
• 采用SIW技术在Arlon DiClad 880基板上实现系统制造，通过实验表征材料参数（εr = 2.08，tan δ = 0.003），提升仿真精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过结构设计抑制周期性LWA结构中的阻带，以实现从后向到端射方向的连续辐射？
• RQ2 是否可设计一种具有平面内辐射特性的侧向激励LWA，以支持毫米波频段的实时频谱分析？
• RQ3 通过曲率实现的近场波束聚焦在多大程度上可减小毫米波频谱分析仪的尺寸，同时保持频率分辨率？
• RQ4 基于线源阵列的简化模型在多大程度上能准确预测弯曲侧向激励LWA的近场波束扫描特性？
• RQ5 能否通过SIW与PPW集成技术，实现全屏蔽、低剖面的模拟频谱分析仪，适用于毫米波应用？

主要发现

• 所提出的侧向激励LWA通过横向不对称结构（开槽）实现阻带抑制，实现从后向到端射方向的无缝辐射，回波损耗极低。
• 所制造的频谱分析仪在59–66 GHz频段内工作正常，实测频率分辨率达约1 GHz，验证了实时空间-频谱分解能力。
• 系统在整个工作频段内平均传输损耗为-20 dB，S参数测量结果与使用表征材料参数的HFSS仿真结果高度一致。
• 通过凸面天线结构实现的近场波束聚焦显著减小了系统占地面积，实现紧凑、可放置于实验台的结构设计，同时保持波束方向性与分辨率。
• 解析的线源模型能准确复现弯曲LWA在近场区域的波束扫描行为，为未来实现提供快速有效的设计工具。
• 材料表征结果显示Arlon DiClad 880基板的有效介电常数εr = 2.08，损耗 tangent tan δ = 0.003，相较于标称值，显著提升了仿真与实测结果的一致性。