3D打印助力毫米波天线阵列创新：宽带、高增益与轻量化设计
3D打印助力毫米波天线阵列创新：宽带、高增益与轻量化设计
毫米波天线阵列是5G/6G等下一代通信技术的关键组件，其性能直接影响通信系统的容量和可靠性。本文介绍了一种新型的毫米波宽带双线极化天线阵列，通过创新的差分馈电方案和3D打印技术，实现了宽带、高增益和轻量化的设计目标。
创新设计原理
差分馈电方案
传统的毫米波双极化天线阵列受限于带宽和结构复杂度，难以同时满足高性能和低成本的要求。本文提出了一种新型差分馈电方案，通过在方形馈腔上加载短路十字型波导，实现了宽带和紧凑尺寸的统一。
这种设计不仅避免了额外的模式分离器，还实现了良好的阻抗匹配。仿真结果显示，使用所提出的差分馈腔可以实现超过40%的仿真阻抗带宽，与已报道的用于毫米波高增益双极化阵列的馈腔相比，有着显著提升。
宽带双极化磁电偶极子
作为辐射单元，本文设计了一种3D打印的宽带双极化磁电偶极子天线。通过优化几何结构，实现了轻量化设计。仿真结果显示，所提出的天线（小于-10dB）的仿真阻抗带宽为55.5%（从26.4GHz到46.7GHz），比之前的带宽略宽。与此同时，3D打印双极化磁电偶极子天线的仿真增益随着频率逐渐增加，最大增益大于9.6dBi同时在工作频带内变化为4.3dB。
宽带平行馈网
为了实现宽带同相激励，本文设计了两种包含H面阶梯波导的T型结的宽带平行馈网。通过联合使用两个堆叠式的H面波导馈网，可以避免大多数设计所需的额外互连，并保持紧凑的整体结构。
性能测试与分析
S参数测试
实测结果显示，所提出的双极化磁电偶极子阵列的阻抗带宽（<-10dB）为26.3%（29.1-37.9GHz），阻抗带宽（<-10dB）为30.2%（28.7-38.9GHz）。在整个宽的工作频带内，两个端口之间具有高于36dB的实测带宽。
辐射方向图
实测和仿真结果显示，阵列的辐射方向图在整个频带内都是对称和稳定的。对于水平极化和垂直极化的辐射特性，两个几乎一致，这是由于对两个极化的阵列的馈电和辐射结构的对称。此外，阵列的后辐射低于-30dB，同时实测的交叉极化几乎低于-30dB。
增益与效率
实测结果显示，对于端口1激励的水平极化，实测增益为27.8dBi，变化范围为3.5dB；对于端口2激励的垂直极化，实测增益为28.3dBi，变化范围为4.4dB。所提出的阵列的口径效率在工作频带的主要部分为70%，辐射效率约为90%。
总结与展望
本文提出了一种新型的毫米波宽带双线极化天线阵列，通过创新的差分馈电方案和3D打印技术，实现了宽带、高增益和轻量化的设计目标。这种设计不仅避免了额外的模式分离器，还实现了良好的阻抗匹配。实测结果显示，所提出的阵列具有良好的S参数、辐射方向图和增益性能，为毫米波通信系统的高性能天线设计提供了新的思路。