60GHz天线技术概览

60GHz天线技术概览要求：1.该频段WiFi的发展，标准2.现在WiFi的发展应用情况3.这个频段antenna的技术要素，研究情况，现在发展情况，发展趋势4.相关文章，包括重要会议文章，期刊文章5.antenna的技术难点一、60GHz频段WiFi的发展，标准，特点60GHz频段是一个无需注册的、开放的ISM频段，在目前2.4GHz和5.2GHzISM频段已经被大量使用的情况下，人们的注意力自然转向了尚未被开发和利用的60GHz频段来。该频段的特点有：1、绝对带宽很宽，高达9GHz带宽2、波长短，具有毫米波的属性3、在空气中衰耗得比较快4、适合室内使用该频段在2012年被IEEE纳入了802.11ad标准中，是标准802.11n/ac的演变。该标准允许（技术特点）：1）支持高达2.16GHz的信道带宽，物理层传输速率接近7Gbit/s；2）采用高增益、低复杂度和低处理时延的低密度奇偶校验码（LDPC）；3）采用旋转调制、差分调制、扩展QPSK等改进的调制技术；4）采用波束赋形技术对抗60GHz频段的高路径损耗，支持传输距离超过10m的可靠通信；5）针对无线视频、快速文件传输等应用场景和60GHz无线通信技术特点，引入新的组网方式——个人基本服务集（PBSS）；6）采用增强的安全协议和功率管理技术；7）支持在2.4GHz、5GHz和60GHz频带之间的快速会话转移；8）支持与其他60GHz系统（如IEEE802.15.3c及802.19）的共存。WiGig技术是由WiGig（无线吉比特联盟）主导基于802.11ad标准制定的。2013年，WiGig联盟与Wi-Fi联盟合并二、60GHz频段WiFi的发展和应用1、2014年10月三星推出60GHzWi-Fi技术。三星方面表示，新的Wi-Fi技术将能够将数据传输速度提高到4.6Gbps，实际的数据传输速度将达到575MB每秒，五倍于现有Wi-Fi最快速度。三星方面透露，最早将在明年正式将这种最新的Wi-Fi技术投入商用；2、2014年1月世界移动通信大会上，半导体公司Wilocity宣布其生产的芯片Sparrow支持5Gbps的网络无线传输，手机厂商可以在今年下半年尝试搭载这块芯片，而真正推出则要等到明年上半年。3、2013年1月在国际消费类电子产品展览会（CES）上，无线芯片厂商Wilocity演示了下一代无线传输技术802.11ad，据Wilocity介绍，他们的80.211ad芯片最大吞吐量为4.6Gbps，无线传输速度近似于USB3.0；4、2013年韩国高级技术研究院的研究人员目前研发了最新的无线射频收发芯片，采用的是60GHz的波段，数据流量高达10gbps。这样的速度意味着用户下载一部4.7GB的电影所花的时间仅需3.76秒。该研究小组称，芯片尺寸非常小（高4mm，宽6.6mm）。整个芯片取代了过去需要多个天线才能执接收或是传输数据任务，很大程度上有利于缩小整个芯片尺寸设计。5、2012年戴尔发布了超极本Latitude6430u，该超极本使用了WilocityWil6120、AtherosAR9642两款芯片组来提供三频段的WiGig。但是，DELL没有介绍60GHz频段的传输性能。（图片来自淘宝网）三、60GHzWiFi天线各参数的要求60GHzWiFi系统工作在毫米波波段，所以对天线的制作精度和某些参数的要求(增益、通信距离等)也是比较高的。一般来说，对于10m以下的通信距离，不需要使用波束赋形天线；通信距离大于10米时，由于O2对60GHz电磁波强烈的吸收作用，必须使用波束赋形天线以抵消O2的吸收作用。1、频率范围（如果考虑到802.11ad需要支持在2.4GHz、5GHz和60GHz频带之间的快速会话转移，所以其天线/天线阵工作频段还要加上2.4GHz和5.2GHz频段）2、增益要求没有限定，增益越大波束越窄。具体的要求视射频前端以及应用场合决定。3、尺寸要求该频段的天线比较小，如果考虑支持2.4GHz、5GHz频段，则需要认真设计。4、工艺要求天线尺寸较小，对工艺水平要求较高。一般来说，制作步骤越简单越好，制作条件限制越少越好。5、波束赋形技术802.11ad标准要求基于此标准实现的Wi-Fi网络天线，具有波束赋形的能力。Directionalmulti-gigabit(DMG)antenna:ADMGantennaisaphasedarray,asingleelementantenna,orasetofswitchedbeamantennascoveredbyaquasi-Omniantennapattern.四、当前阶段的天线研究概况已知文献中，60GHz天线主要有以下几类：1、透镜天线因为，60GHz电磁波波长很短，所以可以利用光学透镜原理设计、制作透镜天线。透镜天线原理：利用波程差，将全向波转换成平面波。透镜天线的特点：（1）、工作带宽大（2）、较好的中心对称特性，易于实现大角度扫描（3）、每个波束具有全口径增益，波束宽度小，扫描精度较高（4）、波束的方向性与频率无关（5）、旁瓣、后瓣低（6）、加工精度和馈电网络较简单其缺点是效率低，结构复杂，价格昂贵。在60GHz频段上，可以较好的实现波束赋形，但是是它的体积比较大，不易于集成化。也许，只可以适用WiFi站天线。主要参考文献有：1）J.R.Costa,C.A.Fernandes,G.Godi,R.Sauleau,L.LeCoq,andH.Legay,“CompactKa-bandlensantennasforLEOsatellites,”IEEETrans.AntennasPropagat.,vol.56,no.5,pp.1251–1258,May2008.2）Rolland,A.;Sauleau,R.;LeCoq,L.Flat-ShapedDielectricLensAntennafor60-GHzApplications,AntennasandPropagation,IEEETransactionson,Onpage(s):4041-4048Volume:59,Issue:11,Nov.20113）Lima,E.B.;Costa,J.R.;Fernandes,C.A.,“Optimizationofmechanicallybeam-steerablelensantennaprofilefor60GHzwirelesscommunications,”AntennasandPropagationsocietyinternationalsymposium,2009.Apsursi’09.IEEE,1-5June2009.4）A.L.Peebles,“Adielectricbifocallensformultibeamantennaapplication,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.36,no.5,pp.599–606,May19885）Godi,G.;Sauleau,R.;Thouroude,D.PerformanceofreducedsizesubstratelensantennasforMillimeter-wavecommunications,AntennasandPropagation,IEEETransactionson,Onpage(s):1278-1286Volume:53,Issue:4,April20056）刘唯“60GHz空气介质龙伯透镜天线的研究”2014年浙江大学硕士学位论文………….2、普通微带天线/天线阵原理、特征：略在60GHz频段主要的应用障碍是在保留其体积小、重量轻、低剖面、易共形等特点的条件下，它的带宽较窄。文献“王子浩;石丹;邹新龙等“一种改进型60GHz双层微带天线的设计与仿真”2014-04-15CNKI环境技术”中适使用了低介电常数、增加厚度的双层矩形微带天线设计。仿真带宽展宽到了6.05GHz，但是增益不高，方向性较差也没有实测结果。可以在此结构上，考虑使用天线阵列，改进增益和方向图。文献“Bandwidthimprovementsof60GHzmicromachiningpatchantennausinggapcoupledU—Microstripfeeder”中，作者使用微机械加工的硅片介质板上（去掉下部的硅材料），然后利用馈线耦合的方式展宽带宽，提高增益。此结构仿真结果，带宽达到10GHz，增益在8dBi以上，效率大于90%。作者提出可以使用MEMS馈电网络实现波束赋形。Adane,F.Gallée,andC.Person,“Bandwidthimprovementsof60GHzmicromachiningpatchantennausinggapcoupledU-Microstripfeeder,”Proc.oftheFourthEuropeanConf.onAntennasandPropag.(EuCAP),pp.12-16,Apr.2010.Sallam,M.O.;Soliman,E.A.;Sedky,S.Reconfigurablemicromachinedantennawithpolarizationdiversityformm-waveapplications,AntennasandPropagation(EUCAP),20126thEuropeanConferenceon,Onpage(s):3569–3573与上篇论文类似，本文提出一个新结构。使用开关实现天线的垂直、水平和左右旋极化方式。文献“Highgainmicrostripantennabasedondoublesuperstratelayerfor60GHzcommunicationsystems”。文章在普通矩形贴片天线上加了两层波束导向介质板和空气层，用以提高带宽和增益；并与普通8*1矩形微带阵列天线比较，发现该天线在方向性、增益、带宽上都优于普通阵列天线。Abbou,D.Touhami,R.;Gaoua,S.;TanPhuVuong“Highgainmicrostripantennabasedondoublesuperstratelayerfor60GHzcommunicationsystems”,MultimediaComputingandSystems(ICMCS),2014InternationalConferenceon,Page(s):1384–1387.H.Vettikalladi,O.Lafond,andM.Himdi,“High-efficientandhigh-gainsuperstrateantennafor60-GHzindoorcommunication”,IEEEAntennaWirelessPropagat.Lett.,vol.9,pp.1422–1425,2009.该文与上文类似，不过它的馈电方式比较新颖（复杂），它波束导向的介质板只有一层，但它还是一个三层结构。增益14.6db，效率76%，带宽6.8%。Razavi,S.A.Kildal,P.-S.;LiangliangXiang“Designof60GHzplanararrayantennasusingPCB-basedmicrostrip-ridgegapwaveguideandSIW”AntennasandPropagation(EuCAP),20148thEuropeanConferenceon,Page(s):1825–1828这个应该属于腔体天线了。它用微带线（以耦合的方式）给集成介质（SIW）腔体馈电，再通过腔体上的slot（2*2阵列）辐射电磁波。结构很复杂，不过在32*32的阵列模式下，它的带宽达到了16%，方向性或增益达到了38dbi。Horwath,B.D.Al-Attar,T.”Tunabilityofanarea-efficientmicrostrippatchantennaat60GHz”R