高效智能集成天線在室內60 GHz無線在光纖系統(tǒng)中的應用

1、高效智能集成天線在室內60 GHz無線技術在光纖系統(tǒng)中的應用斯皮羅斯Mikroulis 揚佩特羅  康斯坦丁諾Voudouris 科技教育機構雅典（TEI），電子，銀系。Spiridonos，12210雅典，希臘亮點考試基于高介電基板插槽線性陣列天線?？荚嚮诟呓殡姵?shù)基板堆積式線性陣列天線。建議的陣列支持波束成形應用。光電二極管模型概述與呈現(xiàn)陣列提供光電系統(tǒng)結合。摘要在這項研究中，共面基于平面槽和疊層基于高介電常數(shù)基板用于光電子器件的設計和評估潛在的集成貼片陣列天線。這些陣列提供的增益在10-18 dBi的范圍和帶寬在1-2千兆赫的頻帶為60GHz的順

2、序。所呈現(xiàn)的陣列的波束形成功能也概述考慮輻射圖案根據(jù)光/電信號的相位整形。此外，光電二極管也被模擬，以連接到天線的輸入端口考慮混合或單片集成方案和形成系統(tǒng)，提出的光束。所有的天線都被證明是重要的候選中的60GHz頻帶中的無線多纖維網(wǎng)在室內使用。圖形抽象圖選項關鍵詞縫隙陣列天線 波束形成 堆疊天線 光纖無線電1。介紹基于無線接入通信技術已經(jīng)從過去幾年已經(jīng)大大發(fā)展，搭載的高比特率要求的服務的同時推進。盡管有這樣的發(fā)展，有一個增加的必要性，特別是短期區(qū)域室內網(wǎng)絡的情況下，滿足新要求的高帶寬無線服務。以這樣的方式，60GHz頻帶提供幾GHz的可用帶寬，但是在另一方面，它規(guī)

3、定由于增加的路徑損耗一些挑戰(zhàn)，并且所需要的無線電接入點的高密度。在這種情況下，光纖無線電（RoF系統(tǒng)）技術結合了低成本的實現(xiàn)中，由于基站（BS）的傳送從而所有的處理和調節(jié)設備到一個中心站（CO），為簡化到遠程天線單元（的RAU）在描繪圖。1，一個綠色無線電的方法，由于減少了總消耗電力的，因為在這種情況下的功率要求的本地振蕩器（LO），數(shù)字信號處理器（DSP），和混頻器被轉移到CO。1 ， 2  和  3。圖。1。 光纖無線電的概念。通過無線，光纖和微波收發(fā)組件，單片或混合集成的適當調整/匹配，光載無線通信技術將在超緊湊性方面提供了極大

4、的好處，并提高鏈路預算/網(wǎng)絡覆蓋。在這種情況下，平面天線是由于其重量輕，制造簡單和兼容性與MMIC / OEIC技術有希望的候選。除了 這一點，平面天線可以制成一個陣列配置中，增加了可實現(xiàn)的增益，并且使毫米波技術在光域中將要用于波束智能天線的應用程序。在60 GHz頻段運行的毫米波天線得到了廣泛的調查和相關研究可在文獻中找到4 ，5  和  6 。幾個天線的形狀和結構，以便產(chǎn)生一個高效，緊湊，易于與其他設備，天線系統(tǒng)集成了測試。然而，在室內的情況下，顯著增益值是必要的，以彌補顯著自由空間路徑損耗（FSPL）高達92分之88分貝的線的視

5、線（LOS）/（NLOS）情況下10米覆蓋。利用RT DUROID襯底（孔徑天線 R  = 2.2）中提出的，提供增益13.1 dBi的和15的帶寬7 。另外一個寬帶60 GHz的天線提出了在8基于LTCC基板（   = 6）提供9 GHz的帶寬和增益的5dbi。有機基板的在60GHz頻帶的利用率也已經(jīng)提出9提出的天線增益5.1 dBi的和11.2的帶寬。另一項研究處理了60 GHz的天線的建模和仿真程序，6 dBi的增益和帶寬10 GHz的10 ，包括插槽引進和三層復合結構。在所有上述研究中，天線是基于一種低介電

6、常數(shù)基片（ R  <10），從而不與它利用高介電常數(shù)的基片（光學器件相匹配R  > 10）。在這項工作中，在高介電常數(shù)材料不同的天線設計相比，用于在60GHz無線超過基于光纖室內系統(tǒng)中的應用，以及相對于增益，帶寬，波束形成能力和制造的復雜性，突出選擇的MMIC的需求評估/ OEIC為了說明一種高效集成平面陣列天線，用于以簡單的部署光子無線收發(fā)信機的一個貢獻匹配的介電基片和共面配置。在這種情況下使用線性縫隙陣列天線波束形成的設計旨在為包括自適應天線的概念在這兩個羅杰斯6010和磷化銦（InP）襯底。InP襯底提出了高介電常數(shù)（

7、0;R  > 10）和低的損耗角正切，是與光子器件集成的一個主要候選。的InP被廣泛用于光子單片集成，使用環(huán)諧振器結構的配套應用，如光學波束形成和可編程濾波器11 。此外，隨著DUROID 6010比較給出了一個初步的洞察，可以在將來通過與上半絕緣襯底天線光子器件的單片集成來實現(xiàn)的性能。此外，羅杰斯6010/InP，基底覆蓋了DUROID 5880（高至低配置）的設計和貼片陣列天線，增益可達15 dBi的，并且?guī)捀哌_2 GHz的計算。該天線的設計和優(yōu)化，以滿足IEEE802.15.3c標準的規(guī)格。在所有情況下，天線模擬和比較有關的應用在光纖系統(tǒng)中的超寬帶室

8、內無線性能的要求，同時考慮到制造的簡單性和集成問題。此外，波束成形計算基于LMS算法進行。此外，光束形成場景所提出的天線的未來應用進行了討論。最后但并非最不重要的，光電二極管/天線等效電路進行模擬，并與相關的方程支承，以用于在所述天線輸入端的光電轉換。本文的其余部分安排如下。第2節(jié)討論的理論，設計和制造方面，而第3條規(guī)定對不同天線的數(shù)值結果。第4節(jié)中的光電二極管/天線的等效電路分析。結束語給出了第5。2。天線理論，設計和集成方面模擬在3.1節(jié)中的天線是基于共面結構（CPW），其被廣泛應用于毫米波頻率和高介電常數(shù)基板案件。這種配置提供了相比于微帶線對稱的輻射方向圖，由于均勻的電流分布和有限的高階

9、模的激發(fā)下的損失12，13  和  14 。此外，建議天線采用插槽，作為輻射單元?？p隙天線是文獻中報道的作為主要候選60GHz的應用，因為它們提供增強的帶寬，他們可以被有效地結合共面波導結構，得到1層結構，降低了成本和系統(tǒng)的復雜性15 。在共面波導結構可以看出，在圖 2。圖。2。 CPW配置。的W和S參數(shù)已經(jīng)調整，關于下述式16 ，以便提供適當?shù)闹C振頻率和傳輸線接近50的特性阻抗。方程（ 1A ）方程（ 1B ）方程（ 1C ）方程（ 

10、1D ）方程（ 1E ）方程（ 1F ）其中， R是襯底的介電常數(shù)， EFF是有效介電常數(shù)和 0的傳輸線的特性阻抗。在3.2節(jié)中提出的建議的陣列包括CPW結構和補丁電磁耦合，輻射單元。的共面波導線路的長度為四分之一波長的整數(shù)倍和貼片元件的間距是約半波長。貼片元件的尺寸已經(jīng)被指定由式17 ：方程（ 2A ）L =  0 / 2方程（ 2b中）其中， 0是自由空間波長，f 0是諧振頻率和 基板的介電常數(shù)。的長度

11、L和寬度W的貼片元件，以達到60千兆赫的共振頻率進行了調整。寬的帶寬（> 1千兆赫）是天線與光電子器件和應用的60GHz的ROF系統(tǒng)集成了必需的功能。出于這個原因，在第3.2節(jié)的基礎上，疊層幾何結構的陣列，提出以進一步增加帶寬。從文獻中已知的是為貼片天線，利用三個基板，總的平均介電常數(shù)為18 ，19 ：方程（ 3 ）其中 噸 =  D1 +  一個 +  D2和 D1， 一個和 d2的是厚度3基板。三個基板貼片天線的帶寬

12、是：方程（ 4 ）同方程（ 5 ）其中一個2  = -0.16605，一個4  = 0.00761，b 2  = -0.09142和 0  = 2  /  0和瓦特，L是貼片天線的寬度和長度。線性陣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協(xié)議在室內使用20 。有文獻提出了幾種波束形成算法，如恒模算法（CMA）21 ，遞歸最小二乘（RLS）22和最小均方算法

13、（LMS）23 。這些算法是基于一個迭代過程，其中的重方程是根據(jù)指定條件更新，以產(chǎn)生最佳的輻射圖形。在這項研究中，LMS算法，因為它簡單，低收斂時間和便于計算的應用。LMS算法生成得到的激勵電流的相，其中一個過程。一個參考信號被定義表示數(shù)組的理想的輻射方向圖，然后LMS生成各勵磁電流，評估的權重（在相位上），以近似的參考信號。當陣列輸出與參考信號會聚于約80，該算法停止工作。LMS算法已被廣泛使用在文獻中對波束成形的應用，因為它提供了快速和收斂性和足夠的效果。3。天線結果與討論3.1?？p隙天線的介紹，比較和波束成形應用天線的設計和仿真是使用電磁模擬器Ansoft的HFSS 11節(jié)，考

14、慮到傳輸線損耗，襯底損耗和耦合現(xiàn)象進行?？p隙天線元件采用了共面結構，包括四個輻射槽。該天線結構包括銅（厚度為接地平面  = 35微米），其上的羅杰斯6010襯底（頂端 R  = 10.2，  =0.254毫米）放置。接著將基板覆蓋的Cu（  按照標準的共面結構= 35微米）。建議的天線的頂視圖可以看出，在圖 3一個而橫截面中描繪的圖。3灣 一個類似的天線，然后基于相同的結構，除了利用基板也就是現(xiàn)在的InP（設計 R  = 12.4，  

15、=0.35毫米）和接地/頂III-V族金屬。天線的尺寸已經(jīng)改變，以實現(xiàn)諧振，在60千兆赫。在InP設計的頂側是描繪在圖 3 C一起與一些關鍵尺寸。在S 11根據(jù)羅杰斯6010和InP襯底，所設計的縫隙天線的參數(shù)分別被描繪在圖 4。圖。3。 天線結構（一）俯視圖（羅杰斯RO基板）;（二）的橫截面。（三）頂視圖（InP襯底）。圖。4。 S 11的縫隙天線與Rogers和InP襯底的。圖。4表明，該縫隙天線與羅杰斯基板具有三種操作頻率（S 11  <-10分貝），在55.7千兆赫（-13.9分貝

16、），58.5千兆赫（-14.1分貝），并在59.9千兆赫（-26.8分貝）。在InP縫隙天線顯示四個諧振頻率分別是：59.6千兆赫（-16.2分貝），60千兆赫（-21.3分貝），62.1千兆赫（-22.6分貝）和64千兆赫（-12.4分貝）。羅杰斯6010和InP縫隙天線為60GHz的頻率的輻射圖案被描繪在圖 5。圖。5。 縫隙天線的輻射方向圖;（一）羅杰斯6010基材（b）磷化銦（InP）襯底。建議縫隙天線的關鍵特性是表示在表1。表1中?？p隙天線的功能。天線S 11（分貝）帶寬（MHz）增益（dBi）波束寬度（度）XZ平面YZ平面插槽羅杰斯6010-26.8（

17、59.9千兆赫）8009.83220插槽的InP-21.3（60千兆赫）8004.83229表選項兩個天線呈現(xiàn)類似的特征，但是天線增益顯著在InP襯底的情況下，由于大的介電常數(shù)（降低 R  = 12.4），多諧振頻率和高的介電損耗。開始，兩個線性槽陣列是基于羅杰斯6010和InP襯底設計。陣列配置類似于在描繪圖。3灣 為，利用羅杰斯6010襯底的陣列中，兩個相鄰輻射元件之間的距離為2.2mm，并標示在圖 6 a和為InP的線性陣列2.6毫米（圖6中的B）。圖。6。 八個元素的線性陣列;（一）根據(jù)羅杰斯6010基材（b）基于I

18、nP襯底。的S 11參數(shù)在塊中的輻射元件是描繪在圖 7，圖。7表明，羅杰斯6010線性陣列有三個共振頻率：在59.9千兆赫（-23.2分貝），在56.9千兆赫（-11.8分貝）和63.9千兆赫（-13.7分貝）。帶寬計算為大約59.9 GHz的1.1千兆赫。在InP線性陣列有四個諧振頻率：在57.9千兆赫（-22.2分貝），在59.3千兆赫（-20.5分貝），在59.9千兆赫（-21.6分貝）和63.6千兆赫（-18.66 dB）表示。帶寬計算為大約59.9 GHz的1.3千兆赫。圖。7。 S 11與羅杰斯6010和InP襯底的線性陣列。計算出的羅杰斯6

19、010和InP線性陣列的輻射圖被描繪在圖 8一個和分別為60GHz的頻率為b。根據(jù)羅杰斯6010線性陣列基板提供了獲得17.9 dBi的，而磷化銦線性天線提供16.3 dBi的增益。建議的線性陣列的特征總結于表2中。圖。8。 線性縫隙陣列的輻射方向圖;（一）羅杰斯6010基材（b）磷化銦（InP）襯底。表2。八元線性縫隙陣列功能。天線S11（分貝）帶寬（GHz）增益（dBi）波束寬度（度）XZ平面YZ平面羅杰斯6010陣列-23.2（59.9千兆赫）1.117.9419磷化銦陣列-21.6（59.9千兆赫）1.316.3424所提出的羅杰斯6010和InP線性縫隙陣列提供帶

20、寬1.1 GHz和1.3 GHz的增益，同時計算為17.9 dBi的16.3 dBi的分別。關于這一點，一個非常高的增益，另一方面帶寬仍然是有限的，由于所利用的基片的高損耗。兩個天線高度，由于八輻射單元的利用率指令。它們提供了相似的特性，它們都可以與其他光學器件，因為它們的高介電常數(shù)基片的結合。各自的波束成形方案已經(jīng)實現(xiàn)了利用所描繪的線陣圖。6一個。LMS算法在Matlab中生成用于獲得激勵信號的相位，以便在所需的方向進行切換的輻射方向圖。在這種情況下兩個最大值所需要的角  = -18°，  = 18°。然后LMS應用，并提供激勵信號

21、的相位表示為中值（元1-8）表3。表3。相勵磁信號。激發(fā)波元素1元素2元素3要素45元6元要素7元素8相位（度）0181617771782184表選項表示在上述的值中的電磁模擬器HFSSv.11基于羅杰斯6010的狹槽陣列的情況下被引入，產(chǎn)生在所描繪的輻射圖所示。9。相應的輻射方向圖顯示了滿意的效果，在光束的方向，足夠的增益和帶寬證明線性陣列可用于波束成形應用的潛在候選人而言。圖。9。 在三個最大值輻射模式  = -18°，  = 18°。如果用適當?shù)碾娐?，以便誘導的真實時間延遲（TDD）相應地調整勵磁信號的相位或者延遲元件

22、連接在上一節(jié)提出的陣列可提供的波束形成性能。關于一個光纖無線電實施顯著外接在于形成波束可以在光域中，而不是電的簡單性從而促進更好的精度，降低能源消耗來進行。正在進行的這個，一個潛在的光束形成的實施為今后考慮列于圖。10。在這種情況下，通過多波長WDM（一個例子可以是一個鎖模激光器）信源被直接饋送其上一個30千兆赫的信號被施加于一個平方律頻率（即在馬赫曾德爾調制器產(chǎn)生一個100千兆赫的頻率梳60 GHz）的上轉換的光電二極管，使用一個典型的雙邊帶抑制載波（DSB-SC）的方案。在接下來的步驟中的光真延時（TTD）方案可以使用一個色散光學介質作為光學纖維或集成版用在級聯(lián)配置的環(huán)形諧振器，施加一個延

23、遲到DSB載波的單載波使用。經(jīng)過波長解復用和平方律光電檢測可以基于任何一個使用共面的高速光電二極管鍵連接到無論是在單片磷化銦平臺的設計羅杰斯DUROID 6010陣列天線混合集成方案中使用的擬光子陣列天線。圖。10。 光束形成的概念。3.2。堆疊貼片天線介紹和比較另外兩個1×8 CPW補丁線性陣列的設計和仿真考慮帶寬增強堆疊的幾何形狀24 。在這種情況下，兩種結構進行了研究：第1利用羅杰斯6010基板和第二1的InP。建議的層疊幾何可以看出，在圖 11。圖。11。 堆積式線性陣列;（a）與羅杰斯6010（b）與磷化銦（三）橫截面。羅杰斯6010

24、堆疊線性陣列可以看出，在圖 11 a，其中Cu的地平面與厚度35微米是利用金屬化羅杰斯6010（  = 10.2，  =0.127毫米）。泡沫層（ R  = 1）與厚度  0.15毫米，也并入。上面的輻射元件，一個DUROID 5880（ R  = 2.2，  =0.127毫米）襯底被用于制造結構緊湊并保護貼片天線從腐壞。貼片元件的尺寸為x  = 1.6毫米，ÿ  = 1.80毫米。在圖

25、 11巴第二堆疊線性陣列，提出引入相同的結構，但代替羅杰斯6010，磷化銦（ R  = 12.4，  =0.35毫米）被使用。在這種情況下貼片的尺寸被調整為在所需的頻率范圍內實現(xiàn)諧振。該補丁的尺寸為x  =    = 1.6毫米。在這兩種情況下，元件間間隔Р = 0.8  0。這個值以維持低旁瓣電平，并獲得增強被選為25 。圖。12示出了S 11參數(shù)作為頻率的表示所設計的陣列的操作的性能的函數(shù)。該曲線對應

26、于在塊中的元素被描繪在圖 11 a和b。圖。12。 S 11關于頻率。羅杰斯6010堆疊線陣有三個共振頻率：在59.9千兆赫（-25分貝），在60.5千兆赫（-32.3分貝），并在61千兆赫（-30.4分貝）。帶寬估計為1.8 GHz的約60GHz。其他的共振也表示在55.4，57.8和64.2 GHz的。在InP堆積式線性陣列有三個共振頻率：在55.8千兆赫（-16.1分貝），在58.1千兆赫（-30.6分貝），在64千兆赫（-15.9分貝）。在這種情況下，帶寬為1.9千兆赫。堆疊線性陣列的輻射圖顯示在圖 13。根據(jù)羅杰斯6010基板的堆積式

27、線性陣列提供13.8 dBi的增益。輻射模式已被衍生為60千兆赫的頻率。在磷化銦利用的情況下，增益計算為10.6 dBi的為58 GHz的頻率。上述陣列的功能都包含在表4中。圖。13。 輻射方向圖;（a）與羅杰斯6010（b）與磷化銦堆疊線性陣列堆疊線性陣列。表4。堆積式線性陣列功能。天線S 11（分貝）帶寬（GHz）增益（dBi）波束寬度（度）XZ平面YZ平面羅杰斯6010陣列-25（59.9千兆赫）1.813.8828-32.3（60.5千兆赫）-30.4（61千兆赫）磷化銦陣列-16.1（55.8千兆赫）1.910.69.581-30.6（58.1千兆赫）-15.9（

28、64千兆赫）本節(jié)所介紹的堆疊天線陣列，是基于復合結構，利用三片基板和先進的復雜設計，包括共面配置，微帶線和天線激勵通過電磁耦合。增加的復雜性是遇到但另一方面陣列的帶寬顯著增加滿足IEEE802.15.3c標準的帶寬規(guī)格。4。光電二極管/天線等效電路分析為了將光信號適當?shù)剞D換為以時隙線性陣列基于羅杰斯6010基材，它已經(jīng)在第3.1節(jié)提出的電氣等效的，必須將線焊用毫米波波導基于光電二極管（70 GHz的光到電的帶寬）26提供一種有效的混合集成光子天線。在羅杰斯基于天線混合集成的情況下，必須考慮的，而在InP的天線的情況下，光子接收器可以單片集成。在這兩種情況下，光電二極管/天線的等效RLC電路必須

29、以評價所期望的性能特征，并提取一個完整的光子無線模塊的傳遞函數(shù)為全系統(tǒng)的評價提供?；贗nP的光電二極管/羅杰斯天線等效電路的粘結有線混合集成光子天線示于圖 14使用ADS2009采用S 11從以前的HFSS仿真計算。在這種情況下，初步因素引入，可以通過與上半絕緣襯底天線光子器件的單片集成來實現(xiàn)的性能是觀察到的，使用常規(guī)的微波為襯底光電二極管模擬為一個電流源與一個電容和一個串聯(lián)阻力。鍵線是由一個串聯(lián)電感來表示。在混合光子天線的光電二極管模塊被假定為與天線連接，通過鍵合線裝置。這些電容和電感為60千兆赫的共振頻率由下面的公式定義27 ：方程（ 6 

30、;）打開MathJax上 方程（ 7 ）打開MathJax上 其中 是InGaAs系材料的介電常數(shù)，阿是耗盡區(qū)，Ç ST是一種寄生電容，ð 的pn是耗盡區(qū)的厚度，L是長度和的鍵合線的半徑， 0和 0是介電常數(shù)和自由空間的磁導率，分別為。圖。14。 磷化銦光電二極管/羅杰斯天線與鍵線的等效電路。此外，基于InP的光電二極管/ InP的天線等效電路的單片集成光子天線示于圖 15使用ADS2009采用S 11從以前的HFSS仿真計算。在S 11的單片集

31、成光電二極管/天線示于圖 16。一個共振提出了60 GHz的（S 11  = -18.9分貝）和電帶寬大約為1.3千兆赫，從58.9到60.2 GHz的。圖。15。 光電二極管的InP / InP的天線的等效電路。S 11的光電二極管的InP / InP的天線和InP光電二極管/羅杰斯天線。在S 11在InP光電二極管/羅杰斯天線經(jīng)由鍵合線連接的，也描繪在圖 16。一個共振提出了60 GHz的（S 11 = -12分貝）和電帶寬大約為1.2 GHz的，從58.9到60.1 GHz的。5。結論在本

32、研究中，兩個縫隙陣列天線的設計和評價的基礎上，羅杰斯6010和InP襯底上用于與光電器件潛在集成，表現(xiàn)出的分別1.1吉赫（羅杰斯6010）和1.3吉赫（磷化銦）的帶寬。高增益天線也被計算達到近18 dBi的羅杰斯6010的情況下。陣列的波束形成功能被高亮顯示調整激發(fā)波的相位和開關輻射的主波瓣在所希望的方向。至于堆積式線性陣列，羅杰斯6010的情況下提供更獲得13.8 dBi的和更少的帶寬1.8 GHz的，對于InP的情況下，它提出的增益dBi的10.6和1.9 GHz的帶寬。比較所述槽和疊層配置，增加的增益被表示在第一種情況下為簡單的幾何形狀和一個底物的利用，而第二個提供增強的帶寬由于復合材料

33、結構的結果。除了 為適當?shù)男盘朞 / E轉換的典型光電二極管的等效電路的設計，并連接到基于InP的和羅杰斯天線，提供了用于提取相對光子天線模塊的傳遞函數(shù)的通用準則。根據(jù)所計算光電二極管/天線系統(tǒng)中的60GHz頻帶提供帶寬達1.3 GHz的對InP基天線和1.1千兆赫的羅杰斯天線的令人滿意的操作。在計算下行鏈路的情況下已考慮為簡單起見。然而，為了包含關于上行鏈路的情況單片集成的方面，如已經(jīng)提出了一種包含一個InP基鎖模激光器的基帶信號發(fā)送28將研究在一個正在進行的工作，因為它消除了對一個本機振蕩器。在這項研究中所描述的陣列應用在即將到來的室內60 GHz頻段的無線/光網(wǎng)絡的潛在候選人。參考文獻1

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