CN109638423B - 一种用于移动终端的数字多波束磁偶极子阵列实现装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于移动终端的数字多波束磁偶极子阵列实现装置，包括数字域波束赋型网络，模拟数字转换器/数字模拟转换器，多通道发射/接收射频前端，印刷磁偶极子天线阵。本发明可以组成磁偶极子天线相控阵列，具有低轮廓、易集成和E面宽波束覆盖的特性，利用数字域波束赋型网络的不同的相移特性馈电，可以得到H面的波束扫描及多波束特性，采用三付磁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信号覆盖需求，其中主要空间区域满足双极化。

Description

一种用于移动终端的数字多波束磁偶极子阵列实现装置
技术领域
本发明涉及一种用于移动终端的毫米波数字多波束磁偶极子阵列实现装置，属于无线通信技术领域。
背景技术
毫米波在未来无线通信系统中可以提供广泛的可用频谱，用于支持宽信号带宽的资源，达到通信系统中高数据吞吐量的要求。虽然毫米波蜂窝具有巨大的潜力，但是毫米波频率下的电磁波会遭受自由空间路径损耗引起的高衰减。幸运的是，较短的毫米波信号的波长可以在较小的空间内采用天线阵列，来获得较高的天线增益，并通过先进的多波束或波束扫描技术来实现毫米波系统的灵活性。
数字多波束技术采用先进的数字域波束赋型技术，预编码MIMO通信系统可以同时生成多个波束，或者完成多个波束的动态扫描，支持单用户以及多用户的MIMO的数据流传输，完成更好的信号覆盖率，提高毫米波蜂窝通信的效率。
针对移动终端如手机、平板电脑、笔记本电脑等应用场景，其信号辐射的全方位覆盖能力也很有实际意义。然而使用单一数字多波束阵列，其扫描覆盖范围有限，并不能满足手持终端设备信号在整个三维空间上半球面全方位覆盖的需求。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，但随着毫米波通信系统的疾速发展，提出一种终端设备信号辐射全方位覆盖解决方案的必要性和实际意义不言而喻。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术方案之不成熟而提供的一种能集成在终端设备中的数字多波束阵列实现装置，在性能上具有端射辐射、波束扫描、多波束覆盖特性，在结构上具有低轮廓、轻质材、易集成和共形方便等优点；特别的，在应用到手机终端设备上时，使终端设备超过半球的三维空间信号覆盖需求，其中主要空间区域满足双极化特性。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于移动终端的数字多波束磁偶极子阵列实现装置，包括数字域波束赋型网络、模拟数字转换器/数字模拟转换器、多通道发射/接收射频和磁偶极子天线阵列；所述磁偶极子天线阵列包括若干基于半开放式基片集成波导谐振腔的磁偶极子天线单元。
进一步的，所述磁偶极子天线单元包括上层介质板和下层介质板，在所述上层介质板的上表面和下表面均设有金属地板，包含于上层介质板中的金属化过孔群构成半开放式基片集成波导谐振腔，所述下层介质板的下表面设有微带线，所述半开放式基片集成波导谐振腔内设有馈电探针，微带线中传输的信号通过馈电探针耦合进入半开放式基片集成波导谐振腔。
进一步的，包含于上层介质板中的金属化过孔群构成一边开放的半开放式基片集成波导谐振腔。
进一步的，相邻的磁偶极子天线单元共用一排金属化过孔，作为半开放式基片集成波导谐振腔闭合的一边。
进一步的，所述馈电探针均位于金属化过孔群构成了半开放式基片集成波导谐振腔的中心轴偏上位置。
进一步的，在所述上层介质板的下表面的金属地板中，与馈电探针位置相对应处，设有一块面积大于馈电探针投影面积的挖空区域。
进一步的，所述多通道发射机/接收机包括本振倍频器、无源混频器、功率放大器、低噪声放大器、两个基片集成波导带通滤波器。
有益效果：本发明的一种用于移动终端的数字多波束磁偶极子阵列实现装置，，具有以下特点：
1、具有端射辐射方向图。因为其辐射是由集成波导谐振腔的开放一侧产生，所以能实现在波导传播方向的定向辐射。
2、在E面具有较宽的波束宽度，易于实现信号的大角度覆盖；进一步的，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。
3、波束可扫描。利用数字域形成的不同相位特性对天线阵列进行馈电，可以实现波束扫描的效果。
4、同时多波束。利用数字域同时形成的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。
5、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是本发明数字多波束阵列的原理图；
图2是本发明毫米波数字多波束阵列发射和接收电路结构图；
图3是本发明数字多波束阵列天线阵列结构图；
图中，1为上层介质板、2为金属地板、3为下层介质板、4为金属化过孔群、5为馈电探针、6为微带线、7为微带线、8为微带线、9为微带线、10为阵列天线；
图4是手机终端利用本发明数字多波束阵列(三付)实现毫米波通信信号超过半球的三维空间覆盖的方案；
图5是本发明单个天线单元的实测方向图E面结果；
图6是本发明单个天线单元的实测方向图H面结果；
图7是本发明数字多波束阵列E面波束扫描设计结果；
图8是本发明数字多波束阵列E面多波束设计结果；
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。
本实施例公开了一种用于移动终端(如手机、平板电脑、笔记本电脑等)的数字多波束阵列实现装置，首先包括数字域波束赋型网络，再到模拟数字转换器/数字模拟转换器和多通道发射/接收射频前端，最后是磁偶极子天线阵列。本实施例采用四个磁偶极子天线单元，具备端射特征。
图3的磁偶极子天线阵列，包括若干磁偶极子天线单元，该磁偶极子天线单元上层介质板1和下层介质板3，其中上层介质板1的材料为Taconic TLY-5，厚度为1.52mm，在上层介质板1的上表面和下表面均设有金属地板2，包含于上层介质板1中的金属化过孔群4构成一边半开放式基片集成波导谐振腔，该金属化过孔群4的孔周期为0.75mm，构成的半开放式基片集成波导谐振腔宽度为6.4mm，构成半开放式基片集成波导谐振腔的金属化过孔直径为0.5mm，谐振腔所在的基片集成波导介质厚度为1.575mm。该下层介质板3，材料同上层介质板1一样，厚度为0.254mm。在下层介质板3的下表面有微带线(附图标记对应6、7、8、9)，微带线(附图标记对应6、7、8、9)中传输的信号通过馈电探针5耦合进入半开放式基片集成波导谐振腔。在上层介质板1下表面的金属地板中，与馈电探针5位置相对应处，有一块略大于馈电探针5投影面积的挖空区域，以避免信号短路。
本实施例的馈电探针5由直径为0.5mm的金属化过孔实现，并通过宽度为1mm，介质厚度为0.254mm的微带线链接至微波转接头，所有介质材料均选用Taconic TLY-5。
本实施例中，相邻磁偶极子天线单元共用一排金属化过孔，作为半开放式基片集成波导谐振腔闭合的一边。
每个天线单元的馈电探针均位于金属化过孔群构成了半开放式基片集成波导谐振腔的中心轴偏上位置，具体为半开放式基片集成波导谐振腔的中心轴且距离谐振腔底边3.95mm处，以达到良好的阻抗匹配性能。
本实施例的发射机/接收机包括射频开关/双工器、本振倍频器、无源混频器、功率放大器、低噪声放大器和射频带通滤波器。
无源混频器用于将中频信号转换成射频信号，由于无源混频器需要高频高功率的本振驱动，因此采用一个本振倍频器(与驱动放大器集成)来提供具有良好噪声性能的本振信号，功率放大器完成发射信号放大，低噪声放大器用于接收信号放大，射频开关/双工器完成发射和接收切换，射频带通滤波器用于抑制射频发射和接收的谐波和杂散。
本实施例的数字域实现波束赋型网络，即通过在数字域对信号进行处理，可以灵活得到不同的相移特性，最后对磁偶极子天线阵列进行馈电，进而得到天线阵列波束的偏转和扫描，或者同时得到多个波束。
如图4所示，将此天线阵列应用于毫米波终端通信时，本实施例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。借助于磁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5可看出天线阻抗带宽测试结果，覆盖5G频段的24.75GHz至27.5GHz范围。
图6、7为天线单元E面和H面的方向图，可以看出，该天线在其H面具有良好的大角度覆盖能力。
图8所示为所述数字多波束磁偶极子阵列的E面方向图，可以看到其具有扫描波束的能力。

Claims (4)

1.一种用于移动终端的数字多波束磁偶极子阵列实现装置，其特征在于：依次包括数字域波束赋型网络、模拟数字转换器/数字模拟转换器、多通道发射机/接收机和磁偶极子天线阵列；
所述数字域波束赋型网络，在数字域对信号进行处理，得到不同的相移特性，对磁偶极子天线阵列进行馈电；
所述模拟数字转换器/数字模拟转换器，将接收到的信号进行模数或数模转换；
所述多通道发射机/接收机，发射射频信号或接收射频信号；
所述磁偶极子天线阵列，通过接收到的射频信号进行波束偏转和扫描，或同时产生多个波束；
所述磁偶极子天线阵列包括若干基于半开放式基片集成波导谐振腔的磁偶极子天线单元；
所述磁偶极子天线单元包括上层介质板和下层介质板，在所述上层介质板的上表面和下表面均设有金属地板，包含于上层介质板中的金属化过孔群构成半开放式基片集成波导谐振腔，所述下层介质板的下表面设有微带线，所述半开放式基片集成波导谐振腔内设有馈电探针，微带线中传输的信号通过馈电探针耦合进入半开放式基片集成波导谐振腔；
包含于上层介质板中的金属化过孔群构成一边开放的半开放式基片集成波导谐振腔；
相邻的磁偶极子天线单元共用一排金属化过孔，作为半开放式基片集成波导谐振腔闭合的一边。
2.根据权利要求1所述的一种用于移动终端的数字多波束磁偶极子阵列实现装置，其特征在于：所述馈电探针位于金属化过孔群构成了半开放式基片集成波导谐振腔的中心轴偏上位置。
3.根据权利要求1所述的一种用于移动终端的数字多波束磁偶极子阵列实现装置，其特征在于：在所述上层介质板的下表面的金属地板中，与馈电探针位置相对应处，设有一块面积大于馈电探针投影面积的挖空区域。
4.根据权利要求1所述的一种用于移动终端的数字多波束磁偶极子阵列实现装置，其特征在于：所述多通道发射机/接收机包括射频开关/双工器、本振倍频器、无源混频器、功率放大器、低噪声放大器和射频带通滤波器；所述本振倍频器提供本振信号给无源混频器进行本振驱动使中频信号转换为射频信号；所述射频开关/双工器实现信号的发射和接收切换，所述功率放大器完成放大发射信号；所述低噪声放大器用于放大接收信号；所述射频带通滤波器用于抑制发射信号和接收信号的谐波和杂散；
当进行信号发射时，无源混频器产生的射频信号依次经过功率放大器和射频带通滤波器对磁偶极子天线阵列进行馈电；
当进行信号接收时，由天线阵列接收的信号，发送到多通道接收射频前端，进入模拟数字转换器，最后通过在数字域波束成形网络中进行处理。
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