CN109301465B - 一种应用于毫米波通讯的无源天线阵列及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于毫米波通讯的无源天线阵列及其设计方法，所述天线阵列包括多个子微带天线，每个子微带天线包括至少两个微带贴片，微带贴片之间通过串馈微带传输线连接，与馈电端接近的微带贴片与馈电端通过馈电微带传输线连接，所述串馈微带传输线、馈电微带传输线的长度通过传输函数计算得到，实现每个微带贴片传输不同相位的传输信号，通过叠加后实现子微带天线的传输特性。本发明通过传输线长度变化产生多个信号相位，进而利用多相位信号源建立子阵列天线，利用不同子天线阵列的相位特性建立大规模天线阵列，相位调整灵活，解决了无源天线增益不足，灵活性不够的问题。

Description

一种应用于毫米波通讯的无源天线阵列及其设计方法
技术领域
本发明属于天线设计技术领域，尤其涉及一种应用于毫米波通讯的无源天线阵列及其设计方法。
背景技术
近年来，60GHz免许可频段在越来越多的国家得到开放，60GHz毫米波通信技术具有抗干扰能力强、安全性高、频谱资源丰富、传输速率高、集成度高等特点。60GHz毫米波通信技术用途广泛，涵盖高速无线通信、汽车雷达、医疗成像、无线高清多媒体接口等领域。
作为60GHz毫米波通信技术的关键组成部分，天线是目前毫米波通信的研究热点。大规模天线阵列设计是现代无线通讯，尤其是毫米波通讯的核心技术，毫米波通讯芯片大多采用MIMO技术，相应需要有天线阵列的配合。
然而，在实际设计中，传统无源天线设计增益不足，无法满足设计需要。为增加天线增益，采用有源天线设计的话又增加成本。
此外，一般来说MIMO通路较少，由于相位数量少，造成设计困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于毫米波通讯的无源天线阵列及其设计方法，就是通过多相位子天线阵列的设计，来解决上述背景技术中提到的问题。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种应用于毫米波通讯的无源天线阵列，所述天线阵列包括多个子微带天线，每个子微带天线包括至少两个微带贴片，微带贴片之间通过串馈微带传输线连接，与馈电端接近的微带贴片与馈电端通过馈电微带传输线连接，所述串馈微带传输线、馈电微带传输线的长度通过传输函数计算得到，实现每个微带贴片传输不同相位的传输信号，通过叠加后实现子微带天线的传输特性。
本发明还提出了一种应用于毫米波通讯的无源天线阵列设计方法，包括：
根据通信设备的设计指标和所要传输的无线信号本身的特征参数，确定所要设计的天线阵列中子微带天线的个数及天线阵列的传输函数；
根据每个子微带天线预设的微带贴片数量，通过传输函数计算得到串馈微带传输线、馈电微带传输线的长度；
其中，微带贴片之间通过串馈微带传输线连接，与馈电端接近的微带贴片与馈电端通过馈电微带传输线连接。
本发明提出的一种应用于毫米波通讯的无源天线阵列及其设计方法，利用传输线特性，通过传输线长度变化产生多个信号相位，进而利用多相位信号源建立子阵列天线，利用不同子天线阵列的相位特性建立大规模天线阵列。本发明通过子阵列天线的设计提供天线设计所需要的相位灵活度，解决了无源天线增益不足，灵活性不够的问题。
附图说明
图1为本发明实施例天线阵列PCB结构示意图；
图2为本发明实施例天线阵列示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。
由于60GHz通信技术传输速率、距离及功耗等性能要求，该频段天线在设计及实现时，需要着重提升其增益、带宽及效率等性能。首先高频、氧分子和水分子衰减影响，为了满足远距离传输要求，不仅要求功率放大器有足够大的输出功率来发射信号，还要求天线具有足够大的增益；其次，天线需要具有足够宽的带宽，以覆盖整个60GHz频段范围，同时需要具有较高的辐射效率以降低整个收发机的功耗。此外，考虑到系统实现成本，需要采用PCB工艺以降低天线实现成本。
如图1所示，本实施例应用于毫米波通讯的无源天线阵列，在PCB基板上实现无源天线的设计，PCB本身作为介质基片，底面铺铜接地形成接地板，顶面用铜做天线设计，形成传输线和发射点。铺铜的厚度，宽度，可以按照特征阻抗的特征参数，根据PCB的电器特性如介电常数，板厚等来设计，在材料选择上需要选用高速板材已适应毫米波传输需求。
本技术方案一种应用于毫米波通讯的无源天线阵列，该天线阵列包括多个子微带天线，每个子微带天线包括至少两个微带贴片，微带贴片之间通过串馈微带传输线连接，与馈电端接近的微带贴片与馈电端通过馈电微带传输线连接，所述串馈微带传输线、馈电微带传输线的长度通过传输函数计算得到，实现每个微带贴片传输不同相位的传输信号，通过叠加后实现子微带天线的传输特性。
如图2所示的一种实施例，本实施例无源天线阵列为MIMO微带天线阵列，包括4根子微带天线。每个子微带天线有3个微带贴片(又称为辐射点)，微带贴片之间通过串馈微带传输线连接，例如D2、D3，最下端的微带贴片与馈电端连接，最下端的微带贴片与馈电端之间的馈电微带传输线为D1。
本实施例一种应用于毫米波通讯的无源天线阵列，利用传输线特性，通过传输线长度变化产生多个信号相位，进而利用多相位信号源建立子微带天线，利用不同子微带天线的相位特性建立大规模天线阵列。
本实施例通过对串馈微带传输线、馈电微带传输线的长度设计，使得每个微带贴片的相位叠加，提高子微带天线的增益。本实施例通过电磁波仿真软件的仿真，来得到串馈微带传输线、馈电微带传输线的长度设计，使得每个微带贴片的相位叠加，达到整个天线阵列的传输特性设计要求。
与上述天线阵列对应的，一种应用于毫米波通讯的无源天线阵列设计方法，包括：
步骤S1、根据通信设备的设计指标和所要传输的无线信号本身的特征参数，确定所要设计的天线阵列中子微带天线的个数及天线阵列的传输函数。
毫米波通讯芯片大多采用MIMO技术，相应需要有天线阵列的配合。对于一个无线通信系统，在为其通信设备设计天线阵列时，其通信设备在设计时会预设有设计指标，通常包括天线增益、发射功率、旁瓣抑制比、射频通道数等，并可由此推出整个天线阵列的传输函数。关于如何推出整个天线阵列的传输函数，属于比较成熟的技术，这里不再赘述。
天线阵列的传输函数为：
HTot(GTot,θTot)
其中GTot为增益，θTot为相移(相位差)。该传输函数有两个主要参数：相移和增益。
本实施例采用了微带天线陈列技术，根据设计指标，先确定天线阵列规模，即确定子微带天线的个数。例如，在设计天线阵列时，如果设计指标中确定的MIMO天线阵列射频通道数为4路TX、4路RX，则对应的天线阵列规模的子微带天线的数量为8个。下一步需要确定这8路子微带天线各自的指标与传输函数。
需要说明的是，对于微带天线阵列中的微带贴片尺寸的设计，可以根据天线的工作频率、选用的介质基片材质对于的介电常数、厚度等来计算，这些计算方法属于较为成熟的技术，这里不再赘述。
在确定MIMO微带天线阵列规模的情况下，结合所要传输的无线信号本身的特征参数，例如收发机输出功率、天线增益、旁瓣抑制比等，结合MIMO通道上的发射与接收的相位信息，确定各子微带天线的相移和增益指标。
步骤S2、根据每个子微带天线预设的微带贴片数量，通过传输函数计算得到串馈微带传输线、馈电微带传输线的长度。
本实施例对每个子微带天线，设计了三个微带贴片，在阵列天线中，传输线长度可以改变射频信号的相位，相位的叠加可以改变传输信号的能量，从而决定了整个阵列天线的增益。
传输线的长度决定了子微带天线的相位，本实施例通过调整传输线的长度(多个微带贴片之间的传输线的长度，收发机馈电端与天线的第一个微带贴片之间的传输线长度)，来调整子微带天线的相位，通过相位叠加就可以调整整个阵列天线的增益。
本实施例每个微带贴片的相位可以调整的不同，从而可以灵活调整子微带天线的相位，最后满足天线阵列设计要求。由于具有多个可调相位，降低了天线的设计难度。
以图2为例，子微带天线通过D1、D2、D3的设计实现不同相位的传输信号，叠加后决定子微带天线的特性。然后通过不同子微带天线特性的叠加实现整体天线阵列的设计要求。
具体的串馈微带传输线、馈电微带传输线的长度的计算，根据传输函数来计算：
Figure GDA0002816804910000051
即天线阵列的传输函数为各子微带天线传输函数的和，其中Hi(Gi,θi)为子微带天线传输函数；
Figure GDA0002816804910000052
即第k个子微带天线传输函数为该子微带天线中各个微带贴片传输函数的和，M为子微带天线上微带贴片的数量，其中Hk,i(Gk,i,θk,i)为微带贴片传输函数；
Hk,i(Gk,i,θk,i)＝e-jγl；
Figure GDA0002816804910000053
其中，l是传输线长度，ωo是谐振频率，即天线传输信号的频率，N为子微带天线数量，
Figure GDA0002816804910000054
为微带贴片的谐振参数。从而通过传输函数可以计算得到串馈微带传输线、馈电微带传输线的长度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种应用于毫米波通讯的无源天线阵列，其特征在于，所述无源天线阵列包括多个子微带天线，每个子微带天线包括至少两个微带贴片，微带贴片之间通过串馈微带传输线连接，与馈电端接近的微带贴片与馈电端通过馈电微带传输线连接，所述串馈微带传输线、馈电微带传输线的长度通过传输函数计算得到，实现每个微带贴片传输不同相位的传输信号，通过叠加后实现子微带天线的传输特性；
其中，所述无源天线阵列的传输函数为：HTot(GTot，θTot)，其中GTot为增益，θTot为相移；
Figure FDA0002816804900000011
其中Hi(Gi，θi)为子微带天线传输函数，第k个子微带天线传输函数Hk(Gk，θk)为该子微带天线中各个微带贴片传输函数的和：
Figure FDA0002816804900000012
M为子微带天线上微带贴片的数量，其中Hk，i(Gk，i，θk，i)为微带贴片传输函数；
Hk，i(Gk，i，θk，i)＝e-jγl；
Figure FDA0002816804900000013
其中，l是传输线长度，ωo是谐振频率，N为子微带天线数量，
Figure FDA0002816804900000014
为微带贴片的谐振参数。
2.一种如权利要求1所述应用于毫米波通讯的无源天线阵列设计方法，其特征在于，所述应用于毫米波通讯的无源天线阵列设计方法，包括：
根据通信设备的设计指标和所要传输的无线信号本身的特征参数，确定所要设计的天线阵列中子微带天线的个数及天线阵列的传输函数；
根据每个子微带天线预设的微带贴片数量，通过传输函数计算得到串馈微带传输线、馈电微带传输线的长度；
其中，微带贴片之间通过串馈微带传输线连接，与馈电端接近的微带贴片与馈电端通过馈电微带传输线连接；
其中，所述无源天线阵列的传输函数为：HTot(GTot，θTot)，其中GTot为增益，θTot为相移；
Figure FDA0002816804900000021
其中Hi(Gi，θi)为子微带天线传输函数，第k个子微带天线传输函数Hk(Gk，θk)为该子微带天线中各个微带贴片传输函数的和：
Figure FDA0002816804900000022
M为子微带天线上微带贴片的数量，其中Hk，i(Gk，i，θk，i)为微带贴片传输函数；
Hk，i(Gk，i，θk，i)＝e-jγl；
Figure FDA0002816804900000023
其中，l是传输线长度，ωo是谐振频率，N为子微带天线数量，
Figure FDA0002816804900000024
为微带贴片的谐振参数。
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