K/Ka波段紧凑型低剖面双差分馈电裂环谐振器磁偶极子天线：超宽带频率调谐与宽角度扫描能力研究

本文推荐研究人员针对卫星移动通信和相控阵系统中天线尺寸大、频率调谐范围窄、扫描角度有限等问题，创新性地提出了一种基于玻璃基板封装的双差分馈电裂环谐振器磁偶极子天线（SRR-MD）。该设计通过引入金属-绝缘体-金属（MIM）电容和短路过孔（VIA）结构，实现了67%的超宽带频率调谐范围（20-40 GHz），同时具备8 dB高增益、>90 dB端口隔离度和±80°宽角度圆极化扫描能力。研究成果为低轨卫星通信（LEOSatCom）终端和天线集成封装（AiP）提供了高性能解决方案，显著提升了系统集成度和热管理性能。

　　

在物联网和6G通信快速发展的背景下，卫星移动通信系统面临重大技术挑战。传统天线设计存在体积大、频率带宽窄、扫描角度有限等问题，难以满足低轨卫星（LEO）终端对超宽带（UWB）和毫米波（mmWave）传输的需求。更棘手的是，现有天线集成封装（AiP）技术依赖复杂的低温共烧陶瓷（LTCC）工艺，导致成本高昂且不适合大规模生产。

合肥师范学院微波与通信工程研究中心的研究团队在《Results in Engineering》发表了一项突破性研究。他们创新性地设计出基于玻璃基板的双差分馈电裂环谐振器磁偶极子天线（SRR-MD），通过电磁仿真、电路建模和实测验证相结合的方法，解决了上述技术瓶颈。研究采用金属-绝缘体-金属（MIM）电容调谐、多模谐振腔激发和虚拟地平面技术，实现了天线性能的全面提升。

关键技术方法

1. 采用差分馈电结构抑制表面波，提升端口隔离度至>90 dB

2. 通过MIM电容和短路过孔（VIA）构建可调谐LC谐振网络

3. 基于玻璃基板（ε_r=2.6）的三维集成工艺

4. 近场-远场变换测试系统验证辐射特性

主要研究结果

2.3 天线分析与设计

通过腔体模型分析发现，当采用有效半径a=0.15λ₀、高度h=0.02λ₀的圆形贴片结构时，差分馈电可选择性激发TE₁₁模式。等效电路显示，6个并联VIA与2个MIM电容的组合可将谐振频率降低至20 GHz，较常规设计降低10 GHz。

3. 仿真与实测结果

测试数据显示：

• 频率调谐范围覆盖整个K/Ka波段（20-40 GHz）

• 辐射效率>95%，交叉极化隔离度达80 dB

• 圆极化轴比<3 dB的扫描角度达±80°

• 尺寸仅0.27λ₀×0.27λ₀×0.02λ₀，较同类设计缩小70%

4. 结论

这项研究为卫星通信终端提供了革命性的天线解决方案。其创新点在于：

1. 首次实现双差分馈电与SRR-MD的融合设计

2. 创纪录的67%频率调谐范围

3. 兼容标准PCB工艺，突破AiP技术瓶颈

4. 通过玻璃基板实现光学互连集成

Amir Reza Dastkhosh等人开发的这种天线特别适用于需要薄型基板（300μm）的移动终端，其性能参数显著优于文献报道的基片集成波导（SIW）和微带磁偶极子设计。该成果不仅推动了毫米波天线小型化技术发展，还为6G通信系统的阵列天线设计提供了新范式。