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1、高效智能集成天线在室内60 GHz无线技术在光纤系统中的应用斯皮罗斯Mikroulis扬佩特罗康斯坦丁诺Voudouris科技教育机构雅典（TEI），电子，银系。Spiridonos，12210雅典，希腊亮点考试基于高介电基板插槽线性阵列天线。考试基于高介电常数基板堆积式线性阵列天线。建议的阵列支持波束成形应用。光电二极管模型概述与呈现阵列提供光电系统结合。摘要在这项研究中，共面基于平面槽和叠层基于高介电常数基板用于光电子器件的设计和评估潜在的集成贴片阵列天线。这些阵列提供的增益在10-18 dBi的范围和带宽在1-2千兆赫的频带为60GHz的顺序。所呈现的阵列的波束形成功能也概述考虑辐射图案
2、根据光/电信号的相位整形。此外，光电二极管也被模拟，以连接到天线的输入端口考虑混合或单片集成方案和形成系统，提出的光束。所有的天线都被证明是重要的候选中的60GHz频带中的无线多纤维网在室内使用。图形抽象图选项关键词缝隙阵列天线;波束形成;堆叠天线;光纤无线电1。介绍基于无线接入通信技术已经从过去几年已经大大发展，搭载的高比特率要求的服务的同时推进。尽管有这样的发展，有一个增加的必要性，特别是短期区域室内网络的情况下，满足新要求的高带宽无线服务。以这样的方式，60GHz频带提供几GHz的可用带宽，但是在另一方面，它规定由于增加的路径损耗一些挑战，并且所需要的无线电接入点的高密度。在这种情况下，
3、光纤无线电（RoF系统）技术结合了低成本的实现中，由于基站（BS）的传送从而所有的处理和调节设备到一个中心站（CO），为简化到远程天线单元（的RAU）在描绘图。1，一个绿色无线电的方法，由于减少了总消耗电力的，因为在这种情况下的功率要求的本地振荡器（LO），数字信号处理器（DSP），和混频器被转移到CO。1， 2和3。图。1。光纤无线电的概念。通过无线，光纤和微波收发组件，单片或混合集成的适当调整/匹配，光载无线通信技术将在超紧凑性方面提供了极大的好处，并提高链路预算/网络覆盖。在这种情况下，平面天线是由于其重量轻，制造简单和兼容性与MMIC / OEIC技术有希望的候选。除了 这一点，平面天
4、线可以制成一个阵列配置中，增加了可实现的增益，并且使毫米波技术在光域中将要用于波束智能天线的应用程序。在60 GHz频段运行的毫米波天线得到了广泛的调查和相关研究可在文献中找到4，5和6。几个天线的形状和结构，以便产生一个高效，紧凑，易于与其他设备，天线系统集成了测试。然而，在室内的情况下，显著增益值是必要的，以弥补显著自由空间路径损耗（FSPL）高达92分之88分贝的线的视线（LOS）/（NLOS）情况下10米覆盖。利用RT DUROID衬底（孔径天线R= 2.2）中提出的，提供增益13.1 dBi的和15的带宽7。另外一个宽带60 GHz的天线提出了在8基于LTCC基板（= 6）提供9 G
5、Hz的带宽和增益的5dbi。有机基板的在60GHz频带的利用率也已经提出9提出的天线增益5.1 dBi的和11.2的带宽。另一项研究处理了60 GHz的天线的建模和仿真程序，6 dBi的增益和带宽10 GHz的10，包括插槽引进和三层复合结构。在所有上述研究中，天线是基于一种低介电常数基片（R 10）。在这项工作中，在高介电常数材料不同的天线设计相比，用于在60GHz无线超过基于光纤室内系统中的应用，以及相对于增益，带宽，波束形成能力和制造的复杂性，突出选择的MMIC的需求评估/ OEIC为了说明一种高效集成平面阵列天线，用于以简单的部署光子无线收发信机的一个贡献匹配的介电基片和共面配置。在这
6、种情况下使用线性缝隙阵列天线波束形成的设计旨在为包括自适应天线的概念在这两个罗杰斯6010和磷化铟（InP）衬底。InP衬底提出了高介电常数（R 10）和低的损耗角正切，是与光子器件集成的一个主要候选。的InP被广泛用于光子单片集成，使用环谐振器结构的配套应用，如光学波束形成和可编程滤波器11。此外，随着DUROID 6010比较给出了一个初步的洞察，可以在将来通过与上半绝缘衬底天线光子器件的单片集成来实现的性能。此外，罗杰斯6010/InP，基底覆盖了DUROID 5880（高至低配置）的设计和贴片阵列天线，增益可达15 dBi的，并且带宽高达2 GHz的计算。该天线的设计和优化，以满足IE
7、EE802.15.3c标准的规格。在所有情况下，天线模拟和比较有关的应用在光纤系统中的超宽带室内无线性能的要求，同时考虑到制造的简单性和集成问题。此外，波束成形计算基于LMS算法进行。此外，光束形成场景所提出的天线的未来应用进行了讨论。最后但并非最不重要的，光电二极管/天线等效电路进行模拟，并与相关的方程支承，以用于在所述天线输入端的光电转换。本文的其余部分安排如下。第2节讨论的理论，设计和制造方面，而第3条规定对不同天线的数值结果。第4节中的光电二极管/天线的等效电路分析。结束语给出了第5。2。天线理论，设计和集成方面模拟在3.1节中的天线是基于共面结构（CPW），其被广泛应用于毫米波频率和
8、高介电常数基板案件。这种配置提供了相比于微带线对称的辐射方向图，由于均匀的电流分布和有限的高阶模的激发下的损失12，13和14。此外，建议天线采用插槽，作为辐射单元。缝隙天线是文献中报道的作为主要候选60GHz的应用，因为它们提供增强的带宽，他们可以被有效地结合共面波导结构，得到1层结构，降低了成本和系统的复杂性15。在共面波导结构可以看出，在图2。图。2。CPW配置。的W和S参数已经调整，关于下述式16，以便提供适当的谐振频率和传输线接近50的特性阻抗。方程（1A）方程（1B）方程（1C）方程（1D）方程（1E）方程（1F）其中，R是衬底的介电常数，EFF是有效介电常数和0的传输线的特性阻抗
9、。在3.2节中提出的建议的阵列包括CPW结构和补丁电磁耦合，辐射单元。的共面波导线路的长度为四分之一波长的整数倍和贴片元件的间距是约半波长。贴片元件的尺寸已经被指定由式17：方程（2A）L=0/ 2方程（2b中）其中，0是自由空间波长，f0是谐振频率和基板的介电常数。的长度L和宽度W的贴片元件，以达到60千兆赫的共振频率进行了调整。宽的带宽（ 1千兆赫）是天线与光电子器件和应用的60GHz的ROF系统集成了必需的功能。出于这个原因，在第3.2节的基础上，叠层几何结构的阵列，提出以进一步增加带宽。从文献中已知的是为贴片天线，利用三个基板，总的平均介电常数为18，19：方程（3）其中吨=D1+一个
10、+D2和D1，一个和d2的是厚度3基板。三个基板贴片天线的带宽是：方程（4）同方程（5）其中一个2= -0.16605，一个4= 0.00761，b2= -0.09142和0= 2/0和瓦特，L是贴片天线的宽度和长度。线性阵列可以提供波束形成能力，以便在60千兆赫中所描述要符合的IEEE802.15.3c协议在室内使用20。有文献提出了几种波束形成算法，如恒模算法（CMA）21，递归最小二乘（RLS）22和最小均方算法（LMS）23。这些算法是基于一个迭代过程，其中的重方程是根据指定条件更新，以产生最佳的辐射图形。在这项研究中，LMS算法，因为它简单，低收敛时间和便于计算的应用。LMS算法生成
11、得到的激励电流的相，其中一个过程。一个参考信号被定义表示数组的理想的辐射方向图，然后LMS生成各励磁电流，评估的权重（在相位上），以近似的参考信号。当阵列输出与参考信号会聚于约80，该算法停止工作。LMS算法已被广泛使用在文献中对波束成形的应用，因为它提供了快速和收敛性和足够的效果。3。天线结果与讨论3.1。缝隙天线的介绍，比较和波束成形应用天线的设计和仿真是使用电磁模拟器Ansoft的HFSS 11节，考虑到传输线损耗，衬底损耗和耦合现象进行。缝隙天线元件采用了共面结构，包括四个辐射槽。该天线结构包括铜（厚度为接地平面= 35微米），其上的罗杰斯6010衬底（顶端R= 10.2，=0.254
12、毫米）放置。接着将基板覆盖的Cu（按照标准的共面结构= 35微米）。建议的天线的顶视图可以看出，在图3一个而横截面中描绘的图。3湾一个类似的天线，然后基于相同的结构，除了利用基板也就是现在的InP（设计R= 12.4，=0.35毫米）和接地/顶III-V族金属。天线的尺寸已经改变，以实现谐振，在60千兆赫。在InP设计的顶侧是描绘在图3C一起与一些关键尺寸。在S11根据罗杰斯6010和InP衬底，所设计的缝隙天线的参数分别被描绘在图4。图。3。天线结构（一）俯视图（罗杰斯RO基板）;（二）的横截面。（三）顶视图（InP衬底）。图。4。S11的缝隙天线与Rogers和InP衬底的。图。4表明，该
13、缝隙天线与罗杰斯基板具有三种操作频率（S11-10分贝），在55.7千兆赫（-13.9分贝），58.5千兆赫（-14.1分贝），并在59.9千兆赫（-26.8分贝）。在InP缝隙天线显示四个谐振频率分别是：59.6千兆赫（-16.2分贝），60千兆赫（-21.3分贝），62.1千兆赫（-22.6分贝）和64千兆赫（-12.4分贝）。罗杰斯6010和InP缝隙天线为60GHz的频率的辐射图案被描绘在图5。图。5。缝隙天线的辐射方向图;（一）罗杰斯6010基材（b）磷化铟（InP）衬底。建议缝隙天线的关键特性是表示在表1。表1中。缝隙天线的功能。天线S11（分贝）带宽（MHz）增益（dBi）波束宽
14、度（度）XZ平面YZ平面插槽罗杰斯6010-26.8（59.9千兆赫）8009.83220插槽的InP-21.3（60千兆赫）8004.83229表选项两个天线呈现类似的特征，但是天线增益显著在InP衬底的情况下，由于大的介电常数（降低R= 12.4），多谐振频率和高的介电损耗。开始，两个线性槽阵列是基于罗杰斯6010和InP衬底设计。阵列配置类似于在描绘图。3湾为，利用罗杰斯6010衬底的阵列中，两个相邻辐射元件之间的距离为2.2mm，并标示在图6a和为InP的线性阵列2.6毫米（图6中的B）。图。6。八个元素的线性阵列;（一）根据罗杰斯6010基材（b）基于InP衬底。的S11参数在块中的辐射元件是描绘在图7，图。7表明，罗杰斯6010线性阵列有三个共振频率：在59.9千兆赫（-23.2分贝），在56.9千兆赫（-11.8分贝）和63.9千兆赫（-13.7分贝）。带宽计算为大约59.9 GHz的1.1千兆赫。在InP线性阵列有四个谐振频率：在57.9千兆赫（-22.2分贝），在59.3千兆赫（-20.5分贝），在59.9千兆赫（-21.6分贝）和63.6千兆赫（-18.66 dB）表示。带宽计算为大约59.9 GHz的1.3千兆赫。图。7。S11与罗杰斯6010和InP衬底的线性阵列。计算出的罗杰斯6010和InP线性阵列的辐射图被描绘在图8一个和
