CN108777372B - 高增益相控阵微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高增益相控阵微带天线，该天线包括微带天线阵列和罩设在微带天线阵列上方的微波透镜，利用微波透镜对电磁波的折射汇聚特性来提高天线阵列的增益，继而通过控制天线阵列中各激励端口的幅度和相位，实现波束扫描，最终实现以小规模相控阵天线达到大规模相控阵天线的高增益和波束控制能力，为基于大规模相控阵天线的5G基站以低结构复杂度、低成本方式实现提供了新的解决途径。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术，尤其涉及一种高增益相控阵微带天线。
背景技术
第五代移动通信对系统容量和系统效率有较高的要求，基于大规模毫米波相控阵天线理论的多波束控制技术是提升移动通信系统容量的有效手段，具有增益高、效率高、波束控制灵活等特点。2012年瑞典Lund University和贝尔实验室合作开发了工作于2.6GHz的128天线圆形和线形阵列，其中圆形阵列由128个天线端口组成。2013年，丹麦AalborgUniversity和贝尔实验室开发了工作于2.45GHz的96天线单元的圆柱形阵列和工作于5-6GHz的由64根单极子天线组成的矩形阵列。我国5G研究与标准化组织IMT-2020推进组于2013年底专门成立了大规模天线技术专题组，中兴通讯正在进行256天线Massive MIMO原型机的开发验证，采用基带数字波束成形和射频波束成形两种波束赋形技术。
小规模相控阵天线的增益和波束控制能力不如大规模相控阵天线，现有技术还不能将小规模相控阵天线的增益和波束控制能力提升到现有大规模相控阵天线的水平，要提高天线增益和波束控制能力就必须提高天线规模。然而，在5G移动通信领域中，动辄上百路天线组成的基站天线系统，其复杂度和成本将严重制约5G移动通信的发展。
发明内容
本发明主要目的在于，提供一种高增益相控阵微带天线，以小规模相控阵天线实现大规模相控阵天线的高增益和波束控制能力。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种高增益相控阵微带天线，包括微带天线阵列和罩设在所述微带天线阵列上方的微波透镜；
所述微带天线阵列包括介质基板、位于所述介质基板上表面的蚀刻电路层和位于所述介质基板下表面的接地金属层；
所述蚀刻电路层包括N2个电磁谐振辐射单元和N2个激励端口，所述N2个电磁谐振辐射单元成N*N矩阵式排列，各激励端口与各电磁谐振辐射单元一一对应地电连接，其中N为大于或等于1的自然数。
进一步地，所述微波透镜罩设在所述微带天线阵列的正上方。
进一步地，所述微波透镜为半球形微波透镜。
进一步地，所述半球形微波透镜为被截去一球缺的半球体，所述球缺的中轴线与所述半球体的中轴线重合，且所述球缺的底面与所述半球体的底面位于同一平面。
进一步地，所述球缺的底面与所述半球体的底面重合。
进一步地，所述半球形微波透镜的半径为35-45毫米，所述球缺的半径为50-60毫米，所述半球形微波透镜的底部所在平面与所述微带天线阵列上表面之间的高度差为8-10毫米。
进一步地，所述N的值为4。
进一步地，所述介质基板的相对介电常数为3.5-3.8，厚度为0.2-0.3毫米。
进一步地，所述微波透镜为玻璃材质，相对介电常数为5-6。
进一步地，所述电磁谐振辐射单元为矩形，长4-4.5毫米，宽2-3毫米。
本发明提供的相控阵微带天线，在其微带天线阵列上方罩设有微波透镜，利用微波透镜对电磁波的折射汇聚特性来提高天线阵列的增益，继而通过控制天线阵列中各激励端口的幅度和相位，实现波束扫描，最终实现以小规模相控阵天线达到大规模相控阵天线的高增益和波束控制能力，为基于大规模相控阵天线的5G基站以低结构复杂度、低成本方式实现提供了新的解决途径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的高增益相控阵微带天线的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的高增益相控阵微带天线的尺寸示意图。
图3是本发明实施例提供的高增益相控阵微带天线的结构俯视示意图。
图4是本发明实施例提供的高增益相控阵微带天线的结构纵剖面示意图及微波透镜与微带天线阵列的位置关系示意图。
图5是本发明实施例提供的高增益相控阵微带天线中微带天线阵列的纵剖面示意图。
图6是未加载微波透镜时相控阵天线的增益及波束宽度仿真结果示意图。
图7是加载微波透镜时相控阵天线的增益及波束宽度仿真结果示意图。
图8是加载微波透镜时相控阵天线的波束扫描角度示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。
在相控阵天线的天线阵列上方罩设微波透镜，利用微波透镜对电磁波的折射汇聚特性，能够提高相控阵天线的增益，从而实现以小规模相控阵天线达到大规模相控阵天线的高增益和波束控制能力的目的。本发明正是基于这样的理论基础来实现的。
如图1所示，本发明实施例提供的高增益相控阵微带天线，包括微带天线阵列1和罩设在微带天线阵列1上方的微波透镜2。利用合适折射系数的微波透镜2，能够对电磁波进行折射汇聚，达到提高微带天线阵列1增益的目的。图1圆圈中为微带天线阵列1的放大结构示意，结合图1及图5，该微带天线阵列1包括介质基板11、位于介质基板11上表面的蚀刻电路层12和位于介质基板11下表面的接地金属层13。蚀刻电路层12包括N2个电磁谐振辐射单元121和N2个激励端口122，N2个电磁谐振辐射单元121成N*N矩阵式排列，各激励端口122与各电磁谐振辐射单元121一一对应地电连接，其中N为大于或等于1的自然数。通过各激励端口122可控制对应的电磁谐振辐射单元121的幅度和相位，实现相控阵微带天线的波束扫描。
结合图3及图4所示，微波透镜2最好罩设在微带天线阵列1的正上方，当然如果微波透镜2没有严格地位于微带天线阵列1的正上方，而是大致位于微带天线阵列1的正上方也是可以的。微波透镜2最好为半球形微波透镜2，当然并不要求微波透镜2为严格的半球形，大致为半球形也可。该半球形微波透镜2为被截去一球缺22的半球体21，球缺22的中轴线与半球体21的中轴线重合，且球缺22的底面与半球体21的底面位于同一平面，并且球缺22的底面与半球体21的底面重合。被截去的这一球缺22的底面也可稍小于半球体21的底面，此时球缺22的底面与半球体21的底面则不会重合，此时这两个圆形底面的圆心可能重合也可能不重合。由于球缺22的底面与半球体21的底面重合，因此该半球形微波透镜2的最底部实为一圆环。该半球体21的中轴线也作为该半球形微波透镜2的中轴线，同时，该半球体21的底面所在平面也是该半球形微波透镜2的底部所在平面。O与O’分别为半球形微波透镜2的球心和球缺22的球心，O与O’之间的连线所在的直线即为半球形微波透镜2和球缺22的中轴线。如图4所示，半球形微波透镜2的半径R(此处的半径R为前述半球体21的半径)为35-45毫米，优选为40毫米。球缺22的半径R’(此处的半径R’为被平面截取以得到该球缺22的球体的半径)为50-60毫米，优选为55毫米。半球形微波透镜2的底部所在平面与微带天线阵列1上表面之间的高度差H为8-10毫米，优选为9.13毫米。
该相控阵微带天线中，N的取值可为4，即该相控阵微带天线中的微带天线阵列1是一个包含16个电磁谐振辐射单元121和16个对应的激励端口122的4*4微带天线阵列1。将半球形微波透镜2罩设在该4*4微带天线阵列1正上方，得到该相控阵微带天线，利用该半球形微波透镜2对电磁波的折射汇聚特性，来提高该相控阵微带天线的增益，继而通过控制该微带天线阵列1中的16个激励端口122的幅度和相位，实现相控阵微带天线的波束扫描，最终实现以小规模相控阵天线(4*4微带天线阵列1)，达到大规模相控阵天线(8*8微带天线阵列1)的高增益和波束控制能力。
该相控阵微带天线可基于第五代移动通信所在频段(28GHz)设计，介质基板11的相对介电常数为3.5-3.8，优选为3.66，厚度为0.2-0.3毫米，优选为0.254毫米，具体为Rogers RO4350介质基板11。微波透镜2为玻璃材质，相对介电常数为5-6，优选为5.5。图2所示为微带天线阵列1尺寸示意图，图中各数据单位为毫米。根据图中所示，该微带天线阵列1整体成矩形，整体尺寸长24-25毫米，宽21-22毫米，优选尺寸为长24.45毫米，宽21.05毫米。其中，各电磁谐振辐射单元121也为矩形，长4-4.5毫米，宽2-3毫米，优选尺寸为长4.2毫米，宽2.5毫米。该相控阵微带天线可作为5G基站系统的相控阵天线，配置完射频收发通道后，可直接在基站系统中使用，使用时，首先确定基站系统波束扫描范围，本发明适用于窄范围波束控制场景。
图6是4*4微带天线阵列1未罩设微波透镜2时的增益(17.08dB)与波束宽度(25°)，图7是该4*4微带天线阵列1罩设微波透镜2时的增益(22.52dB)与波束宽度(12.9°)，仿真结果表明，该4*4微带天线阵列1罩设微波透镜2后，天线增益提高了5.44dB。理论上，当天线规模提高到原来的4倍(例如由4*4微带天线阵列1提高到8*8微带天线阵列1)时，不考虑阵元(本文中即指电磁谐振辐射单元121)间耦合时，天线增益最大可提高6dB，因此罩设微波透镜2后，4*4阵元相控阵天线的增益逼近8*8阵元相控阵天线的增益水平。同时，图7所示天线波束副瓣(25dBc)比图6所示天线波束副瓣(17dBc)提高约8dB，表明罩设微波透镜2后，相控阵天线副瓣控制效果更佳。图8是4*4微带天线阵列1罩设微波透镜2时的波束扫描情况，仿真结果表明该天线增益下降3dB时，波束扫描范围达到25°。
上述实施例仅为优选实施例，并不用以限制本发明的保护范围，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高增益相控阵微带天线，其特征在于，包括微带天线阵列和罩设在所述微带天线阵列上方的微波透镜；所述微波透镜为半球形微波透镜，所述半球形微波透镜为被截去一球缺的半球体，所述球缺的中轴线与所述半球体的中轴线重合，且所述球缺的底面与所述半球体的底面重合；
所述微带天线阵列包括介质基板、位于所述介质基板上表面的蚀刻电路层和位于所述介质基板下表面的接地金属层；
所述蚀刻电路层包括N2个电磁谐振辐射单元和N2个激励端口，所述N2个电磁谐振辐射单元成N*N矩阵式排列，各激励端口与各电磁谐振辐射单元一一对应地电连接，其中N为大于或等于1的自然数。
2.如权利要求1所述的高增益相控阵微带天线，其特征在于，所述微波透镜罩设在所述微带天线阵列的正上方。
3.如权利要求1所述的高增益相控阵微带天线，其特征在于，所述半球形微波透镜的半径为35-45毫米，所述球缺的半径为50-60毫米，所述半球形微波透镜的底部所在平面与所述微带天线阵列上表面之间的高度差为8-10毫米。
4.如权利要求1所述的高增益相控阵微带天线，其特征在于，所述N的值为4。
5.如权利要求1所述的高增益相控阵微带天线，其特征在于，所述介质基板的相对介电常数为3.5-3.8，厚度为0.2-0.3毫米。
6.如权利要求1所述的高增益相控阵微带天线，其特征在于，所述微波透镜为玻璃材质，相对介电常数为5-6。
7.如权利要求1所述的高增益相控阵微带天线，其特征在于，所述电磁谐振辐射单元为矩形，长4-4.5毫米，宽2-3毫米。
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