CN108281802A - 相控阵天线系统及移动终端 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及通信技术领域，公开了一种相控阵天线系统以及移动终端。本发明中，相控阵天线系统，包括第一组天线单元阵列和第二组天线单元阵列，其中，所述第一组天线单元阵列辐射的波束覆盖第一半空间，所述第二组天线单元阵列辐射的波束覆盖第二半空间，所述第一半空间和所述第二半空间组成全向空间。本发明提供的相控阵天线系统以及移动终端实现相控阵天线对移动终端周围的全覆盖，提高了移动终端的信号收发效率。

Description

相控阵天线系统及移动终端
技术领域
本发明实施例涉及通信技术领域，特别涉及一种相控阵天线系统以及移动终端。
背景技术
随着移动终端用户数量的快速增长，鉴于在第四代(4G)移动通信网络中典型应用的全向天线(omnidirectional antennas)无法在5G移动通信网络中应用，未来第五代(5G)移动通信网络中将会考虑在移动通信中使用新的毫米波频段。但是，将毫米波频段用于移动通信的一个主要缺点在于巨大的传输损耗。基于此，在5G移动通信网络中使用的移动终端的天线需要具备高增益，以补偿采用毫米波频段所带来的传输损耗。相控阵天线，由多个与移相器相关联的天线单元(也称为天线辐射单元)组成，相较于全向天线具有较高的增益。相控阵天线能够汇聚波束并将其导向目的方向。因此，相控阵天线被考虑用作5G移动终端的天线。
发明人发现现有技术中至少存在如下问题：目前典型应用的是线性相控阵天线，即天线单元线性列阵并贴片后得到相控阵天线。与全向天线不同，线性相控阵天线只能覆盖整个空间的一个方向，无法实现移动终端周围的全面覆盖，这将导致移动终端的信号收发效率的下降。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种相控阵天线系统及移动终端，用以实现相控阵天线对移动终端周围的全覆盖，以提高移动终端的信号收发效率。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种相控阵天线系统，包括第一组天线单元阵列和第二组天线单元阵列，其中，所述第一组天线单元阵列辐射的波束覆盖第一半空间，所述第二组天线单元阵列辐射的波束覆盖第二半空间，所述第一半空间和所述第二半空间组成全向空间。
本发明的实施方式还提供了一种移动终端，包括上述的相控阵天线系统。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过设置覆盖第一半空间的第一组天线单元阵列和覆盖第二半空间的第二组天线单元阵列，使得第一组天线单元阵列和第二组天线单元阵列所组成的相控阵天线系统能够覆盖第一半空间和第二半空间组成的全向空间，从而在移动终端周围实现全向空间的覆盖，克服了现有的线性相控阵天线只能覆盖整个空间的一个方向，无法实现移动终端周围的全面覆盖的问题，提高了移动终端的信号收发效率，从而能够应用于5G移动通信网络中移动终端的毫米波通信。
另外，所述第一组天线单元阵列在第一半空间内实现波束扫描，所述第二组天线单元阵列在第二半空间内实现波束扫描。
另外，所述第一组天线单元阵列设置在印刷电路板的一侧；
所述第二组天线单元阵列设置在所述印刷电路板的另一侧，且与所述第一组天线单元阵列镜像设置。
另外，第一组天线单元阵列由N个排成一列的天线单元组成；第二组天线单元阵列由N个排成一列的天线单元组成；其中，N为大于1的整数。
另外，第一组天线单元阵列由N个排成一列的天线单元拼接形成；第二组天线单元阵列由N个排成一列的天线单元拼接形成。其中，N等于4。该实施方式通过将4个天线单元排成一列拼接形成天线单元阵列，使得能够采用最少的天线单元个数达到全覆盖的目的，从而节约了成本。
另外，每相邻两个所述天线单元之间的距离为4毫米-6毫米。
另外，所述天线单元上设置有馈源连接点，所述馈源连接点位于所述天线单元中轴线上，且所述馈源连接点距离所述天线单元的中心点0.5毫米-0.9毫米的位置。该实施方式中设置的馈源连接点能够尽可能增加连接至馈源连接点的馈线的抗干扰性，进一步为保证了相控阵天线的性能。
另外，天线单元的工作频段为中心频率为28GHz的毫米波频段。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是根据本发明第一实施方式的相控阵天线系统的结构示意图；
图2是根据本发明第二实施方式的第一组天线单元阵列的结构示意图；
图3是根据本发明第二实施方式的相控阵天线系统的结构示意图；
图4是根据本发明第二实施方式的天线单元的结构示意图；
图5是根据本发明第二实施方式的第一组天线单元阵列的结构示意图；
图6是根据本发明第二实施方式的第一组天线单元阵列扫描角度为0°的辐射模式示意图；
图7是根据本发明第二实施方式的第一组天线单元阵列扫描角度为45°的辐射模式示意图；
图8是根据本发明第二实施方式的第一组天线单元阵列扫描角度为-45°的辐射模式示意图；
图9是根据本发明第二实施方式的第一天线单元阵列的扫描角度为45°、第二天线单元阵列的扫描角度也为45°情况下的辐射模式示意图；
图10是根据本发明第二实施方式的第一天线单元阵列的扫描角度为45°、第二天线单元阵列的扫描角度为-45°情况下的辐射模式示意图；
图11是根据本发明第二实施方式的单个天线单元的反射系数和效率的仿真结果示意图；
图12是根据本发明第二实施方式的相控阵天线系统的反射系数和效率的仿真结果示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。
为了实现相控阵天线系统对移动终端周围的全覆盖，本发明实施例提供了一种相控阵天线系统，该相控阵天线系统的设计思想在于：至少设置第一组天线单元阵列和第二组天线单元阵列，其中，第一组天线单元阵列辐射的波束覆盖第一半空间，第二组天线单元阵列辐射的波束覆盖第二半空间，第一半空间和第二半空间组成全向空间。具体地，第一组天线单元阵列在第一半空间内实现波束扫描，第二组天线单元阵列在第二半空间内实现波束扫描。基于该思想设计的相控阵天线系统能够在移动终端周围实现全覆盖，克服了现有的线性相控阵天线只能覆盖整个空间的一个方向，无法实现移动终端周围的全面覆盖的问题，提高了移动终端的信号收发效率，从而能够应用于5G移动通信网络中移动终端的毫米波通信。
以下通过几个具体实施方式对该相控阵天线系统的设计进行详细说明。
本发明的第一实施方式涉及一种相控阵天线系统1。该相控阵天线系统1的具体结构如图1所示，具体包括在印刷电路板10的一侧设置的第一组天线单元阵列11，以及在印刷电路板10的另一侧设置的第二组天线单元阵列12，其中，第二组天线单元阵列12与第一组天线单元阵列11呈镜像分布。第一组天线单元阵列11辐射的波束覆盖第一半空间，第二组天线单元阵列12辐射的波束覆盖第二半空间，第一半空间和第二半空间组成全向空间。第一组天线单元阵列11在第一半空间内实现波束扫描，第二组天线单元阵列12在第二半空间内实现波束扫描。
在本实施方式中，第一半空间和第二半空间是以电路板为界对全向空间划分而成，第一半空间是指电路板朝向第一组天线单元阵列11的一侧的空间，第二半空间是指电路板朝向第二组天线单元阵列12的一侧的空间。
其中，第一组天线单元阵列11即为呈线性排列的多个天线单元组成的阵列，同样，第二组天线单元阵列12与第一组天线单元阵列11的组成方式相同。
其中，天线单元也称为天线辐射单元，即通过移相器的控制可以对天线单元的辐射相位的调整，从而达到对天线单元主瓣方向的调整。
第一组天线单元阵列11以及第二组天线单元阵列12以预定频率和预定的数据带宽向周围空间辐射电磁场能量。
第一实施方式所提供的相控阵天线系统1中，通过在印刷电路板的两侧设置呈镜像分布的第一组天线单元阵列11和第二组天线单元阵列12，使得第一组天线单元阵列11的覆盖的第一半空间与第二组天线单元阵列12的覆盖的第二半空间互相补充，能够在移动终端周围实现对第一半空间和第二半空间组成的全向空间的覆盖，从而克服了现有的线性相控阵天线只能覆盖整个空间的一个方向，无法实现移动终端周围的全面覆盖的问题。并且，由于能够在移动终端周围实现全向空间的覆盖，使得终端在任意方向均能够接收和发送信号，提高了移动终端的信号收发效率。由于相控阵天线具有的高增益特性，能够用于补偿采用毫米波所带来的传输损耗，使得本发明实施例所提供的相控阵天线能够应用于5G移动通信网络中移动终端的毫米波通信，在补偿毫米波带来的传输损耗的同时能够实现全覆盖。
本发明的第二实施方式涉及一种相控阵天线系统1，第二实施方式是在第一实施方式的基础上对相控阵天线系统的一种具体结构进行详细说明，第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。第二实施方式中，第一组天线单元阵列11由N个排成一列的天线单元20组成；第二组线性天线单元12阵列由N个排成一列的天线单元20组成；其中，N为大于1的整数。优选地，N等于4。如图2所示为第一组天线单元阵列11或第二组天线单元阵列12的结构示意图，图中仅以N等于4为例进行说明。
具体地，第一组天线单元阵列11由N个排成一列的天线单元20拼接形成；第二组天线单元阵列12由N个排成一列的天线单元20拼接形成。图2中所示为4个天线单元20拼接形成的第一组天线单元阵列11，第二组天线单元阵列12的结构与第一组天线单元阵列11相同。图3中所示为第一组天线单元阵列11和第二组天线单元阵列12在印刷电路板上镜像设置得到的相控阵天线系统的结构示意图，其中为区分各个天线单元20，将其分别标记为#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7、#8号。
优选地，每相邻两个所述天线单元之间的距离为4毫米(mm)-6毫米。
一个具体的实现方式中，天线单元20为边长为4.5毫米的正方形。具体地，天线单元20的结构如图4所示，天线单元20上设置有馈源连接点30，馈源连接点30位于天线单元20中轴线上且距离天线单元20的中心点0.5毫米-0.9毫米的位置。如图5所示为采用图4所示的天线单元20拼接形成的第一组天线单元阵列11。
需要说明的是，这里仅是给出了一种馈源连接点的具体设置方式，这并不意味着馈源接入点必须按照该设置方式进行设置，对于其它馈源接入点的设置方式也可以应用于本实施例中。其中，馈源接入点所连接的馈源用以调整天线单元的辐射功率。
一个具体实施方式中，相控阵天线系统还包括设置在印刷电路板上的至少一个移相器，每个移相器与至少一个天线单元连接，该至少一个天线单元属于第一组天线单元阵列和/或第二组天线单元阵列。即，一个移相器可以控制一个天线单元，对所控制的一个天线单元的相位进行调整，每个天线单元对应设置一个移相器，该方式需要设置的移相器数目多，成本高，硬件冗余。也可以是，一个移相器控制多个天线单元，分别对控制的每个天线单元的相位进行调整，同一个移相器所控制的多个天线单元可以都是第一组天线单元阵列的，或者都是第二组天线单元阵列的，也可以是一部分是第一组天线单元阵列的，另一部分是第二组天线单元阵列的。
其中，移相器调整天线单元的相位的目的，是为了调整天线单元辐射的主瓣方向，以提高天线单元接收或发送数据的效率。
优选地，第一或第二实施方式中，印刷电路板为具有5密耳厚度的基板，例如印刷电路板采用RO3003基板。
第一或第二实施方式中的相控阵天线系统1可以用于毫米波频段的通信，例如，该相控阵天线系统中每个天线单元的工作频段为中心频率为28GHz的毫米波频段。
第二实施方式所提供的相控阵天线系统1中，能够在移动终端周围实现全向空间的覆盖，使得终端在任意方向均能够接收和发送信号，提高移动终端的信号收发效率，除此之外，能够采用较少的天线单元达到该目的，在保证全覆盖的情况下进一步降低了硬件需求，节约了成本。
第一或第二实施方式中，天线单元可以是贴片式。
以下对第一或第二实施方式中的相控阵天线系统中位于不同位置的天线单元的相移配置情况进行举例说明。
假设第一组天线单元阵列11的4个天线单元20位于印刷电路板顶部，第二组天线单元阵列的4个天线单元20位于印刷电路板底部，若该第一组天线单元阵列11的扫描角度为0°，则第一组天线单元20中每个天线单元的相移角度的配置如表1所示，第一组天线单元阵列11的辐射模式如图6所示；若该第一组天线单元阵列11的扫描角度为45°，则第一组天线单元20中每个天线单元的相移角度的配置如表2所示，第一组天线单元阵列11的辐射模式如图7所示；若该第一组天线单元阵列11的扫描角度为-45°，则第一组天线单元20中每个天线单元的相移角度的配置如表3所示，第一组天线单元阵列11的辐射模式如图8所示。
表1
扫描角度 第一组天线单元阵列 天线单元#1 天线单元#2 天线单元#3 天线单元#4
0° 相移角度 0° 0° 0° 0°
扫描角度 第二组天线单元阵列 天线单元#8 天线单元#7 天线单元#6 天线单元#5
NA 相移角度 NA NA NA NA
表2
扫描角度 第一组天线单元阵列 天线单元#1 天线单元#2 天线单元#3 天线单元#4
45° 相移角度 0 -106.989° 146.023° 39.034°
扫描角度 第二组天线单元阵列 天线单元#8 天线单元#7 天线单元#6 天线单元#5
NA 相移角度 NA NA NA NA
表3
扫描角度 第一组天线单元阵列 天线单元#1 天线单元#2 天线单元#3 天线单元#4
-45° 相移角度 0° 106.989° -146.023° -39.034°
扫描角度 第二组天线单元阵列 天线单元#8 天线单元#7 天线单元#6 天线单元#5
NA 相移角度 NA NA NA NA
同理，第二组天线单元阵列12的扫描角度以及相应的天线单元20的相移角度的配置，与第一组天线单元阵列11相似。例如，图9所示为第一组天线单元阵列11的扫描角度为45°、第二组天线单元阵列12的扫描角度也为45°情况下的辐射模式示意图；图10所示为第一组天线单元阵列11的扫描角度为45°、第二组天线单元阵列12的扫描角度为-45°情况下的辐射模式示意图。
在将单个天线单元20(即仅有一个贴片天线时)用于28GHz毫米波通信的情况进行仿真后，得到反射系数和效率的仿真结果，如图11所示。将8个天线单元20拼接成第二实施方式的相控阵天线系统并用于28GHz毫米波通信的情况进行仿真后，得到了各个天线单元20的反射系数和相控阵天线系统的效率的仿真结果，如图12所示。其中，图12中标号1所指示的为#1、#4、#5、#8号天线单元20的反射系数曲线，标号2所指示的为#2、#3、#6、#7号天线单元20的反射系数曲线，标号3所指示的为相控阵天线系统1在第一组天线单元阵列11的扫描角度为45°、第二组天线单元阵列12的扫描角度为-45°情况下的效率曲线，标号4所指示的为相控阵天线系统1在第一组天线单元阵列11的扫描角度为45°、第二组天线单元阵列12的扫描角度为45°情况下的效率曲线。
本发明的第三实施方式提供了一种移动终端，该移动终端包括上述第一或第二实施方式所提供的相控阵天线系统1。该移动终端尤其适用于5G移动通信系统。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种相控阵天线系统，其特征在于，包括第一组天线单元阵列和第二组天线单元阵列，其中，所述第一组天线单元阵列辐射的波束覆盖第一半空间，所述第二组天线单元阵列辐射的波束覆盖第二半空间，所述第一半空间和所述第二半空间组成全向空间。
2.根据权利要求1所述的相控阵天线系统，其特征在于，所述第一组天线单元阵列在第一半空间内实现波束扫描，所述第二组天线单元阵列在第二半空间内实现波束扫描。
3.根据权利要求2所述的相控阵天线系统，其特征在于，所述第一组天线单元阵列设置在印刷电路板的一侧；
所述第二组天线单元阵列设置在所述印刷电路板的另一侧，且与所述第一组天线单元阵列镜像设置。
4.根据权利要求3所述的相控阵天线系统，其特征在于，所述第一组天线单元阵列由N个排成一列的天线单元组成；
所述第二组天线单元阵列由N个排成一列的天线单元组成；
其中，所述N为大于1的整数。
5.根据权利要求4所述的相控阵天线系统，其特征在于，所述第一组天线单元阵列由N个排成一列的天线单元拼接形成；
所述第二组天线单元阵列由N个排成一列的天线单元拼接形成。
6.根据权利要求4所述的相控阵天线系统，其特征在于，所述N等于4。
7.根据权利要求6所述的相控阵天线系统，其特征在于，每相邻两个所述天线单元之间的距离为4毫米-6毫米。
8.根据权利要求7所述的相控阵天线系统，其特征在于，所述天线单元上设置有馈源连接点，所述馈源连接点位于所述天线单元中轴线上，且所述馈源连接点距离所述天线单元的中心点0.5毫米-0.9毫米的位置。
9.根据权利要求1-8任一项所述的相控阵天线系统，其特征在于，所述天线单元的工作频段为中心频率为28GHz的毫米波频段。
10.一种移动终端，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的相控阵天线系统。
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