CN109616778A - 用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置及其实现方法，所述装置设有双面印刷的偶极子天线阵，通过介质基片集成波导形成的馈电网络，且生成无源波束形成网络和微带馈电网络。本发明还可以组成毫米波无源多波束阵列，具有低轮廓、易集成和H面宽波束覆盖的特性，利用无源波束形成网络不同输入端口的相移特性对天线阵列进行馈电，可以得到E面的波束扫描特性以及多波束特性，采用三副电偶极子天线阵列的方案可以满足终端设备超过半球的三维空间覆盖需求，其中主要空间区域满足双极化。

Description

用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置及其实现方法
技术领域
本发明属于无线通信技术，具体涉及一种用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置及其实现方法。
背景技术
在未来无线通信系统中，毫米波频段具有广阔未被开发的频谱，能够为进一步增加通信速率提供支持。因此，毫米波频段得到了各国的广泛重视，成为世界范围内的研究重点，目前越来越多的国家和地区已经开始采纳毫米波频段作为第五代移动通信系统的候选频段。毫米波频段具备较低的波长，能够使器件小型化，有利于系统集成。然而，由于大气对毫米波频段电磁波的衰减作用，以及毫米波频段的工艺要求，这些都使得毫米波频段的功率将会非常有限。因此，具有高增益特性的阵列天线得到了格外的关注。毫米波多波束技术将会被广泛利用，以实现空分复用，提高通信容量。无源多波束阵列，以其较低的成本，利用无源波束形成网络同时实现多种相位分布的特点，获得了广泛的研究。
对于移动终端来说，天线阵列需具有小型化，宽波束，大带宽的特点，使其能够有效应用于不同的通信系统和制式。针对移动终端应用场景，其信号辐射的全方位覆盖能力也很有实际意义。然而使用单一天线或者单一天线阵列，并不能满足移动终端设备信号在整个三维空间全方位覆盖的需求。对于这一实际问题，业界到目前为止还没有明确的解决方案，亟需提出新的方法。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的针对现有技术的不足，提供的一种用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置，第二目的是针对所提供的装置提供一种用于移动终端的毫米波无源多波束阵列的实现方法。
技术方案：一种用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置，所述装置包括电偶极子天线阵、基片集成波导的馈电网络、无源波束形成网络和微带馈电网络，所述电偶极子天线阵通过双面印刷设置，通过金属化通孔相连，且与移动终端的金属边框连接。
进一步的，所述电偶极子天线阵的数量为三副及其以上，设置在移动终端的四侧，同时与移动终端的金属边框相集成；
更进一步的，所述移动终端包括手机、计算机、平板及无线通讯电子设备。
一种用于移动终端的毫米波无源多波束阵列的实现方法，所述方法包括通过组建基于基片集成波导的馈电网络、无源波束形成网络和微带馈电网络，通过基片集成波导的双平衡特性实现偶极子天线阵的平衡馈电，同时无源波束形成网络的不同端口实现不同的相移特性，对电偶极子天线阵进行馈电，得到E面的波束扫描特性。
进一步的，所述的无源波束形成网络为巴特勒矩阵、Blass矩阵或Rotman透镜。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著的效果如下：第一、具有端射辐射方向图；第二、因为其辐射是由双面电偶极子，所以能实现大带宽；第三、在H面具有较宽的波束宽度，易于实现信号的大角度覆盖；第四、利用三付天线阵列可以实现终端设备整个上半球面的信号覆盖；第五、波束可扫描，利用不同相移网络馈电的天线阵列，可以实现波束扫描的效果；第六、同时多波束，同时激励无源多波束阵列的多个端口，形成多个不同的相位特性对天线阵列进行馈电，可以实现多波束的效果；第七、结构简单，加工容易，且因为制作于介质基片上，使用PCB技术，所以天线轮廓低、重量轻、利于大量生产、易集成于终端设备。
附图说明
图1是本发明无源多波束阵列的原理图；
图2是本发明无源多波束阵列顶层俯视图；
图3是本发明无源多波束阵列底层俯视图；
图4是本发明无源多波束阵列中的电偶极子天线阵；
图5是本发明无源多波束阵列中的电偶极子馈电网络；
图6是本发明无源多波束阵列中巴特勒矩阵；
图7是本发明无源多波束阵列中微带馈电网络；
图8是移动终端利用本发明无源多波束阵列(三付)实现毫米波通信信号上半
球面覆盖的方案；
图9是本发明无源多波束阵列的端口1激励的S参数测试结果；
图10是本发明无源多波束阵列的端口2激励的S参数测试结果；
图11是本发明无源多波束阵列的端口3激励的S参数测试结果；
图12是本发明无源多波束阵列的端口4激励的S参数测试结果；
图13是本发明无源多波束阵列E面多波束扫描测试结果。
具体实施方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的阐述。
一种用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置及其实现方法，所述移动终端的毫米波无源多波束阵列包括双面印刷的偶极子天线阵，基片集成波导的馈电网络，无源波束形成网络(如巴特勒矩阵、Rotman透镜等)，微带馈电网络。
具体的说，天线阵列包括四个双面印刷的偶极子天线，以金属化通孔相连，具备端射特征，利用手机等移动终端的金属外框提升天线性能的同时，解决了金属外框屏蔽毫米波信号的瓶颈问题。本发明采用基片集成波导作为馈电结构，利用基片集成波导的双平衡特性实现偶极子天线的平衡馈电。该装置依靠无源波束形成网络(如巴特勒矩阵、Rotman透镜等)的不同端口实现不同的相移特性，对电偶极子天线阵列进行馈电，可以得到E面的波束扫描特性；同时激励无源波束形成网络(如巴特勒矩阵、Rotman透镜等)的输入端口，可以同时实现不同的相移特性，对电偶极子天线阵列进行馈电，可以得到E面的多波束特性；将此天线阵列应用于毫米波终端通信时，拟采用三付天线阵列安装在终端设备的上侧面、左侧面和右侧面，分别用来实现终端设备的上方、左方和右方三个方向的信号覆盖。借助于电偶极子天线阵列方向图在其H面的宽波束特性，能实现一种解决终端设备超过半球的三维空间覆盖需求，其中主要空间区域满足双极化特性。
如图1所示的是一种用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置原理图，由于存在多种无源波束形成网络，如如巴特勒矩阵、Rotman透镜等，本具体实施方式设计了一个基于巴特勒矩阵的无源波束形成网络，正面实现图如图2所示，背面实现图如图3所示。所有介质材料均选用Taconic TLY-5。
如图4所示，电偶极子的辐射由印刷在基板的双面的金属片形成，并通过金属化过孔相连。构成偶极子的双面金属片宽度为0.6mm,长度为2.45mm,金属化过孔直径为0.3mm，介质厚度为0.254mm,缝隙为0.3mm。
如图5所示，基片集成波导双平衡馈电结构，长度为10mm，宽度为60mm，金属化过孔直径为0.3mm，间隔为0.5mm，其中单个基片集成波导宽度为4.8mm，介质厚度为0.254mm。
如图6所示，巴特勒矩阵基于基片集成波导实现，实现图案如图6所示，金属化过孔直径为0.3mm，间隔为0.5mm，介质厚度为0.254mm。
如图7所示，微带馈电网络包括四根间隔15mm的微带线构成，微带线宽度为0.75mm，介质厚度为0.254mm。
如图8所示，将此天线阵列应用于毫米波终端通信时，拟采用三付天线阵列安装在终端设备的上侧面、左侧面和右侧面，分别用来实现终端设备的上方、左方和右方三个方向的信号覆盖。借助于电偶极子天线阵列方向图在其H面的宽波束特性，能实现一种解决终端设备超过半球的三维空间覆盖需求，其中主要空间区域满足双极化特性。
由图9-12可看出四个端口的天线阻抗带宽测试结果，覆盖5G频段的24.75GHz至27.5GHz范围,S11均小于-10dB。
图13为本发明四个端口的E面方向图，可以看到其具有波束扫描能力，达到超过90度的范围，满足覆盖要求。

Claims (5)

1.一种用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置，其特征在于：所述装置包括电偶极子天线阵、基片集成波导的馈电网络、无源波束形成网络和微带馈电网络，所述电偶极子天线阵通过双面印刷设置，通过金属化通孔相连，且与移动终端的金属边框连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置，其特征在于：所述电偶极子天线阵的数量为三副及其以上，设置在移动终端的四侧，与移动终端的金属边框相集成。
3.根据权利要求1所述的一种用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置，其特征在于：所述移动终端包括手机、计算机、平板及无线通讯电子设备。
4.如权利要求1所述装置的一种用于移动终端的毫米波无源多波束阵列的实现方法，其特征在于：所述方法包括通过组建基于基片集成波导的馈电网络、无源波束形成网络和微带馈电网络，通过基片集成波导的双平衡特性实现偶极子天线阵的平衡馈电，同时无源波束形成网络的不同端口实现不同的相移特性，对电偶极子天线阵进行馈电，得到E面的波束扫描特性。
5.根据权利要求4所述的一种用于移动终端的毫米波无源多波束阵列的实现方法，其特征在于：所述的无源波束形成网络为巴特勒矩阵、Blass矩阵或Rotman透镜。
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