基于多层PCB折叠偶极子的毫米波端射天线设计及其在全双工MIMO通信中的应用

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Yagi–Uda Antenna on Multilayered PCB for Full-Duplex mmW Short-Range Communications

本文报道了一种采用10层PCB工艺的差分馈电八木-宇田天线，通过将折叠偶极子振子嵌入PCB堆叠深层并采用激光微孔互连技术，实现了57-64 GHz短距离通信所需的紧凑型端射辐射。该设计利用多层接地板作为反射器，在介质切槽区域嵌入导向器，有效控制旁瓣电平，使邻近天线间隔离度超过35 dB，为毫米波全双工MIMO系统提供了关键解决方案。实测表明天线在55.8-66.5 GHz带宽内增益达5.9 dB，其屏蔽馈线结构和可控辐射特性特别适用于板级集成的短距离通信前端。

　　

随着第五代移动通信技术的快速发展，毫米波频段因其宽频谱资源成为实现高速数据传输的关键。特别是在57-64 GHz的工业、科学和医疗（ISM）频段，其短距离传输特性使其成为芯片间、板间无线连接的理想选择。然而，毫米波信号在传输过程中易受大气吸收影响，且天线集成度要求极高，这对传统天线设计提出了严峻挑战。更关键的是，在全双工多输入多输出（MIMO）系统中，收发天线间的隔离度直接决定了系统性能，而现有天线结构难以在有限空间内实现有效的信号隔离。

针对这一难题，俄亥俄州立大学的研究团队在《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》上发表了一项创新性研究，提出了一种基于多层印刷电路板（PCB）的差分馈电八木-宇田天线设计。该天线采用独特的折叠偶极子作为有源振子，通过将振子臂深埋于PCB堆叠内部，并利用激光微孔实现层间连接，在保持宽带特性的同时显著缩小了物理尺寸。更巧妙的是，研究团队在介质层中开创性地设计了窄切槽结构，通过精确控制切槽宽度来调控端射辐射的旁瓣电平，从而有效降低邻近天线间的耦合干扰。

在技术方法层面，研究人员主要突破了三个关键点：首先采用10层PCB堆叠结构（包含191μm厚核心层与多组预浸料层），利用L5-L6金属层构建折叠偶极子振子臂并通过120μm微孔互连；其次设计了两级阻抗变换网络（130Ω和88Ω四分之一波长变换器）实现165Ω天线阻抗与75Ω馈线的匹配；最后通过多线TRL（Thru-Reflect-Line）校准技术消除WSMP连接器对高频测量的影响，将参考平面精确设定在L9层 stripline（带状线）位置。

天线结构设计

研究团队将传统八木-宇田天线的单层结构重构为三维立体配置：以L1/L10层接地板作为反射器，三个导向器嵌入PCB中层，折叠偶极子振子跨接在核心层两侧。通过参数扫描发现，核心层厚度（t_core）从127μm增加至254μm时，天线阻抗的容性分量显著变化（图2b）；而振子臂长度差（ΔL）在0-2mm范围内调整时，阻抗实部可调范围达40Ω（图2c）。这种多维调节能力为阻抗匹配提供了充足自由度。

辐射特性调控

介质切槽被证明是控制辐射模式的关键（图3）。当切槽宽度从9.2mm（无切槽）缩减至2.6mm时，E面（电场平面）旁瓣电平（SLL）从-2dB降至-7dB以下（图3c），H面（磁场平面）波束宽度同时收窄（图3b）。这种“波导效应”使能量更集中于端射方向，实测交叉极化鉴别度超过50dB，有效避免了短距离通信中的多径衰落。

馈线系统优化

针对毫米波频段微孔焊盘引入的寄生电容问题，团队在L7-L9层过渡区域设计了补偿短截线（stub）（图5b）。通过优化短截线长度（0.15λ）和宽度（0.02λ），在51-71GHz范围内将回波损耗控制在-15dB以下（图6）。这种设计使馈线可与Ball Grid Array（BGA，球栅阵列）封装芯片直接集成，避免了传统金线键合带来的阻抗不连续性。

实测性能验证

制作的原型天线（图8）经TRL校准后显示：实测阻抗带宽为55.8-66.5GHz，虽比仿真结果（52.5-66.5GHz）向低频偏移1.2GHz，但仍完整覆盖57-64GHz目标频段（图10）。这种偏差被证实源于PCB工艺公差——仿真表明振子臂长度仅100μm的差异（符合IPC Class 3标准）即可在55.8GHz处产生回波损耗峰值，凸显了毫米波天线对制造精度的敏感性。

MIMO系统验证

在仿真的全双工MIMO场景中（图12a），当发射天线（Tx-1）与接收天线（Rx-2）间距为9mm时，隔离度达36dB；间距增至20mm时更提升至50dB（图12b）。同时，Tx-1与同通道Rx-1间的传输损耗稳定在-45dB以下（图12c），这种优异的隔离特性使系统可在1-100mm距离范围内实现可靠通信。

该研究通过创新的三维天线架构成功解决了毫米波全双工MIMO系统的集成难题。相较于传统LTCC（低温共烧陶瓷）或AiP（封装天线）方案，这种PCB集成天线在保持性能的同时大幅降低成本，其10.7GHz带宽和5.9dB增益指标（表1）在同类设计中表现突出。更重要的是，通过介质切槽和屏蔽馈线的协同设计，实现了对辐射模式和耦合路径的精确控制，为未来毫米波无线连接器、工业雷达等短距通信设备提供了关键硬件支撑。