《Micromachines》：Design of a 60 GHz Series-Fed Patch Array and Full-Wave Evaluation of Its Sparse-Layout Extension for Indoor Short-Range Communication
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针对室内短距离通信应用，研究人员研究了一种具有增强辐射性能的60 GHz天线阵列。为在保持等效单元数量固定的条件下提高阵列增益，提出了一种基于等效串联馈电子阵的优化稀疏布局扩展方法。首先设计了E形微带贴片（E-shaped microstrip patch）和
针对室内短距离通信应用，研究人员研究了一种具有增强辐射性能的60 GHz天线阵列。为在保持等效单元数量固定的条件下提高阵列增益，提出了一种基于等效串联馈电子阵的优化稀疏布局扩展方法。首先设计了E形微带贴片（E-shaped microstrip patch）和1 × 10切比雪夫加权串联馈电子阵（Chebyshev-tapered series-fed subarray），随后研制了4 × 10基准平面阵列（baseline planar array）。测量结果表明，?10 dB阻抗带宽为57.13–62.36 GHz，重构辐射方向图显示60 GHz处峰值实现增益（peak realized gain）为17.23 dBi。随后将1 × 10子阵视为等效单元（equivalent element），建立10单元紧凑均匀（compact uniform）、等孔径均匀（equal-aperture uniform）和优化稀疏阵列（optimized sparse array）。等效单元位置采用MATLAB R2024a中实现的理想阵列模型（ideal-array model）进行优化，并映射到HFSS全波模型（full-wave model）进行电磁评估。与等孔径均匀阵列相比，优化稀疏阵列将Φ = 90°面峰值实现增益从22.57 dBi提高至23.94 dBi，并将最大端口间耦合（maximum interport coupling）从?12.31 dB降低至?26.33 dB，同时保持主波束方向稳定。MATLAB–HFSS对比显示两者波束宽度相近；58、60和62 GHz分析揭示了频率相关的旁瓣与波束指向变化，并评估了激励误差敏感性（excitation-error sensitivity）。
**研究背景与问题**
随着高速无线连接需求增长，6 GHz以下频谱资源日益紧张，60 GHz频段凭借数吉赫兹可用带宽成为室内短距离高速通信的候选方案。然而，60 GHz毫米波自由空间传播损耗严重，绕射能力有限，室内墙体、隔断等障碍物在非视距条件下会引入显著附加衰减，因此通常采用高增益定向波束阵列补偿传播损耗并提升链路可靠性。但天线尺寸、单元间距与互耦（mutual coupling）相互制约：紧凑排布利于终端小型化与高密度集成，却可能加剧电磁耦合、恶化阻抗匹配与辐射效率并导致方向图畸变。已有毫米波实现方案包括低温共烧陶瓷（LTCC）、超表面结构、微带贴片阵列、介质谐振器天线和基片集成波导（SIW）等，在阵列拓扑、馈电网络、带宽增强与增益提升方面取得进展，但以简单平面结构同时实现高增益与稳定辐射性能仍具挑战。稀疏阵列通过非均匀单元位置在不增加物理单元数的前提下扩大有效孔径，最小冗余阵列、嵌套阵列和互质阵列等研究证明了单元布置可作为孔径与方向图控制的有效设计变量。然而多数稀疏阵列基于理想阵列模型或阵列信号处理应用开发，其在实际毫米波天线阵列中的性能尚需研究。已有布局优化策略多基于理想阵列公式或简化电磁假设，未充分计入辐射单元、馈电网络、有限基板、阻抗匹配与多端口互作用等实际效应。因此，本研究提出基于等效子阵的稀疏布局扩展方法，将优化稀疏布局映射到实际毫米波天线结构并进行全波电磁评估。
**研究内容与结论**
研究人员开展了面向室内短距离通信的60 GHz串联馈电贴片阵列设计，并对其稀疏布局扩展进行全波评估。首先设计E形微带贴片单元、1 × 10切比雪夫加权串联馈电子阵及4 × 10基准平面阵列，通过全波仿真与实测验证基准阵列的阻抗特性与定向辐射性能。随后将每个1 × 10串联馈电子阵视为等效单元，构建紧凑均匀、等孔径均匀与优化稀疏三种10等效单元阵列，三者采用相同的等效单元数量、子阵几何与基板参数，仅单元参考位置跨度与间距分布不同，从而系统评估单元布置对阵列性能的影响。研究得出：优化稀疏阵列在60 GHz处峰值实现增益达23.94 dBi，较等孔径均匀阵列在Φ = 90°面提高1.37 dB，最大端口间耦合降至?26.33 dB，同时保持主波束方向基本稳定；等孔径对比进一步证实非均匀单元布置在孔径扩大之外的独立贡献。该研究的意义在于，在等效单元数量固定的条件下，通过扩大单元参考位置跨度并引入非均匀分布，为同时改善阵列增益、端口匹配与隔离度提供了额外的布局自由度，为60 GHz室内定向链路的高增益阵列设计提供了可行途径。
**关键技术方法**
研究采用的主要技术方法包括：基于ANSYS HFSS 2021 R1的E形贴片单元与串联馈电子阵全波仿真设计；采用切比雪夫幅度加权抑制旁瓣，并通过贴片宽度与HFSS优化实现加权分布；对4 × 10基准阵列进行加工制板与矢量网络分析仪（VNA）反射系数测量，采用增益比较法进行绝对增益校准，并通过四个端口单独激励的复远场相干合成重构辐射方向图；基于MATLAB R2024a理想阵列模型与模拟退火（simulated annealing）算法优化稀疏布局；将优化布局映射至HFSS全波模型进行电磁评估，并开展300次蒙特卡洛激励误差敏感性分析。研究所用基板为Rogers RT/duroid 5880（εr = 2.2，tanδ = 0.0009，厚度0.254 mm）。
**研究结果**
2.1 E形贴片单元设计：通过在矩形贴片中引入一条横向与两条纵向矩形槽，改变表面电流路径与输入阻抗。与矩形贴片相比，E形贴片阻抗带宽增加约0.69 GHz，主谐振移至约60.12 GHz，?10 dB带宽覆盖58.46–62.29 GHz。结果表明带宽提升主要源于槽引起的表面电流路径与输入阻抗修正，而非相邻谐振带合并。
2.2 切比雪夫加权串联馈电子阵设计：1 × 10子阵采用串联馈电架构，通过贴片宽度渐变实现近似对称的切比雪夫幅度分布并经HFSS优化。子阵?10 dB阻抗带宽为52.59–62.26 GHz，60 GHz处S11为?18.9 dB；与等宽子阵相比，主轴面峰值旁瓣电平（PSLL）由?13.3 dB降至?19.1 dB，主波束宽度变化较小，60 GHz峰值实现增益为13.9 dBi。
2.3 4 × 10平面阵列设计与实验验证：子阵沿x轴复制构成平面阵列，子阵间距约0.498λ0。实测?10 dB阻抗带宽为57.13–62.36 GHz，较仿真带宽收窄，差异归因于加工公差、连接器焊接误差、基板参数偏差与毫米波测量不确定度。通过四端口单独激励复远场相干合成重构方向图，60 GHz峰值实现增益为17.23 dBi（仿真19.04 dBi），两主平面实测PSLL为?22.76与?13.66 dB。混合端接合成与直接四端口激励的HFSS对比显示，合成导致Φ = 0°面峰值增益下降2.54 dB、PSLL升高3.91 dB，主波束方向不变，3 dB波束宽度差异分别为0.21°与0.79°，表明测量式端接条件会影响重构增益与旁瓣特性。
3.1 10单元阵列布局建模：紧凑均匀阵列归一化位置集为{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}，单位间距2.51 mm（约0.502λ0）。采用模拟退火优化得到稀疏位置集{0,1,2,4,9,12,15,19,21,25}，差分位置范围由[?9,9]扩展至[?25,25]。等孔径均匀阵列单元间距约6.97 mm，参考位置跨度62.75 mm，与稀疏阵列相同。蒙特卡洛分析表明，在±1 dB幅度与±10°相位激励误差下，稀疏阵列95百分位PSLL在58、60、62 GHz分别为?7.223、?7.272、?5.618 dB。
3.2 三种阵列性能对比：优化稀疏阵列所有端口Sii在60 GHz附近低于?10 dB，最差值为?14.48 dB，公共阻抗带宽51.80–62.36 GHz；两种均匀阵列最差端口反射系数分别约?9.57与?9.43 dB。60 GHz处最大端口间耦合分别为紧凑均匀?15.41 dB、等孔径均匀?12.31 dB、优化稀疏?26.33 dB，稀疏阵列全部45个独立耦合系数低于?20 dB。全激励下最差有源反射系数（ARC）为?13.69 dB。Φ = 90°面稀疏阵列峰值实现增益23.94 dBi，较紧凑均匀（21.51 dBi）与等孔径均匀（22.57 dBi）分别提高约2.43与1.37 dB，3 dB波束宽度分别为20.73°、20.55°与17.13°，主波束指向仅轻微偏移；Φ = 0°面稀疏阵列PSLL为?9.63 dB，等孔径均匀阵列在θ ≈ ±46°出现明显栅瓣。
3.3 MATLAB理想阵列与HFSS全波模型一致性：两模型主波束均指向θ = 0°，3 dB波束宽度分别为3.40°与3.20°，PSLL分别为?8.52与?9.63 dB。58、60、62 GHz下Φ = 90°面峰值实现增益分别为24.17、23.94与23.72 dBi，峰值方向由58 GHz的约θ = ?8°移至60与62 GHz的?4°，Φ = 0°面主波束始终指向θ = 0°，旁瓣分布呈频率相关变化。结果表明两模型波束宽度可比，但旁瓣特性与波束指向随频率变化。
3.4 与代表性60 GHz天线阵列对比：所提稀疏阵列仿真阻抗带宽宽于所选对比设计，增益低于部分高增益阵列，两主平面旁瓣性能存在差异；在相同等效单元数与参考位置跨度下，较等孔径均匀阵列增益提高1.37 dB且最大端口间耦合降低。由于优化稀疏阵列未加工，其性能提升仍为仿真结果。
**讨论与结论**
讨论部分指出，基准阵列的宽阻抗带宽支持60 GHz附近宽带工作，其定向辐射有助于补偿室内毫米波链路的高传播损耗；仿真稀疏布局在短距离视距或良好对准的室内链路中具有提升定向链路增益与端口隔离度的潜力，但其在遮挡与实际通信条件下的性能尚待验证。实际实现扩大孔径的稀疏阵列还需考虑贴片尺寸、单元位置与馈电结构的加工公差对阻抗匹配与方向图的影响，基板与导体损耗可能降低实现增益，扩大的 footprint 与多馈电端口增加互连与封装复杂度。与代表性阵列的对比涉及不同天线构型与验证条件，旁瓣电平的角域评估范围与PSLL定义差异需在解读时予以考虑。结论部分指出：本文提出了面向室内短距离通信的60 GHz串联馈电贴片阵列等效子阵稀疏布局扩展方法，依次研制E形微带贴片单元、1 × 10切比雪夫加权串联馈电子阵与4 × 10基准平面阵列，并对基准阵列进行实验验证，实测?10 dB阻抗带宽为57.13–62.36 GHz，重构方向图显示60 GHz峰值实现增益17.23 dBi，验证了该串联馈电架构的宽带阻抗匹配与定向辐射性能。以1 × 10子阵为等效单元建立10单元紧凑均匀、等孔径均匀与优化稀疏阵列，通过优化等效单元参考位置，稀疏阵列较两种均匀配置获得改善的端口匹配、端口间隔离与辐射性能，峰值实现增益达23.94 dBi，在Φ = 90°面较等孔径均匀阵列提高1.37 dB，同时将60 GHz最大端口间耦合降至?26.33 dB。结果表明，在等效单元数量固定时，扩大单元参考位置跨度并引入非均匀单元分布可为改善阵列辐射性能提供额外布局自由度，等孔径对比进一步确认非均匀单元布置在孔径扩大之外的贡献。为评估优化布局对实际电磁结构的适用性，将MATLAB理想阵列模型所得布局映射至包含实际串联馈电子阵、基板效应、馈电结构与等效单元间电磁互作用的HFSS全波模型，两模型波束宽度可比，三频全波结果揭示旁瓣行为与波束指向的变化，并基于理想阵列因子模型评估了激励误差敏感性。但本研究的实验验证仅限于4 × 10基准阵列，优化稀疏阵列仅通过全波仿真评估，其预测增益、旁瓣电平与端口间耦合特性尚待实验验证，尤其是加工公差与实际实现效应方面，未来工作将聚焦优化稀疏阵列的原型加工与实验验证。
