CN109659706A - 一种应用于5g移动终端的低成本波束扫描天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于5G移动终端的低成本毫米波波束扫描天线，适用于移动通信领域，包括一个贴片阵列，一个附有耦合槽的地板以及一个附有2比特(bit)移相器的馈电微带线；贴片阵列由十个等间距排列的矩形贴片单元组成；每个贴片单元下方有一对耦合槽，每对耦合槽下方有一个2bit移相器；每个移相器从中心馈电微带线上引出四个分支微带线，各分支线的长度由二进制开关控制以提供0°，90°，180°，270°的相位变化；本发明利用漏波天线的行波特性构建移相器，降低了天线成本，将辐射天线与馈电网络分别放置在地板的两侧，增加了设计的自由度。

Description

一种应用于5G移动终端的低成本波束扫描天线
技术领域
本发明属于无线通信技术的天线设计领域，特别涉及一种应用于5G移动终端的低成本波束扫描天线。
背景技术
毫米波频段在即将到来的5G移动通信系统中将扮演重要角色。国际电信联盟ITU以及美国、日本等国已经将28GHz频段作为5G移动通信的主要毫米波频段。在该频段，天线的物理尺寸很小，频率带宽很宽，适用于高速无线数据传输。为了克服毫米波路径损耗大的缺点并且提供较广的空间覆盖范围，5G移动通信中的毫米波天线需要具备高增益和波束动态扫描能力。相控阵技术是目前广泛采用的实现方案。每个单元的相位可由模拟移相器或者基带波束成形网络独立控制。但是这种方案只适用于成本和供电容忍度较高的基站。对于手持式的移动终端，电池的电量非常有限，而且成本控制要求也较高，需要一种低成本高增益波束可扫描的毫米波天线。
经过对现有技术的文献和专利检索发现，当前低成本的波束扫描方案主要有两种方法。第一种方法利用主动辐射单元与被动辐射单元之间的耦合控制相位，通过改变被动辐射单元的阻抗来改变波束扫描角度。这种方法的缺点在于天线的增益较低，可切换的波束状态有限。第二种方法利用漏波天线的行波特性控制相位，通过周期性地加载元器件来改变辐射单元的相位，从而改变波束的指向。然而，在已公开的文献中，这种方法的馈电网络与辐射天线没有分离，天线结构较为复杂，增益等性能指标也较差。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应用于5G移动终端的低成本波束扫描天线，馈电网络与辐射天线分离，可单独设计，且不需要使用传统的移相器，降低了馈电网络损耗以及天线成本，同时提高了馈电相位精度和波束增益，增大了扫描角度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种应用于5G移动终端的低成本波束扫描天线，包括贴片阵列1和地板2，贴片阵列1印刷于介质板一10的上表面，地板2印刷于介质板二11的上表面，介质板一10与介质板二11紧密贴合在一起，介质板二11的下表面印刷有馈电微带线4、分支微带线5和悬浮微带线6，所述馈电微带线4的两端分别为信号输入口8和信号输出口9，所述地板2刻蚀有耦合槽3，耦合槽3由分别位于贴片阵列1中各贴片单元正下方的若干耦合单元组成，每个单元包括两条平行的短路槽，所述分支微带线5由分别位于各耦合单元正下方的若干分支微带线单元组成，且各分支微带线单元与馈电微带线4垂直相交，所述悬浮微带线6由分别垂直跨过所述短路槽的若干悬浮微带线单元组成，所述介质板二11的下表面还设置有二进制开关7，所述二进制开关7由若干开关单元组成，通过各开关单元控制各分支微带线单元与悬浮微带线单元的联通状态。
所述贴片单元、耦合单元、分支微带线单元、悬浮微带线单元和开关单元均有十个，沿馈电微带线4的长度方向等间距排布。
所述贴片单元的形状为矩形，所述耦合单元的短路槽与馈电微带线4的长度方向平行，所述每个分支微带线单元包括两条间距为四分之一工作波长的开路微带线，所述悬浮微带线单元由两条分别垂直跨过所述两条短路槽的条状微带线组成，该两条微带线关于馈电微带线4对称，且均不与馈电微带线4相交，分别位于每个分支微带线单元的两条开路微带线的正中间。
所述分支微带线单元由从馈电微带线4的两侧分别引出的枝节形成。
每个所述开关单元包括四个子开关，每个子开关有闭合与断开两种状态，每个开关单元中的四个子开关分别控制一个分支微带线单元中的两条开路微带线与一个悬浮微带线单元中的两条条状微带线之间的通断。
当开关单元中的某个子开关闭合时，该子开关两端的开路微带线和条状微带线联通，当子开关断开时，该子开关两端的开路微带线和条状微带线不联通，当有信号通过开路微带线传递到条状微带线时，信号经过相应的耦合单元传递给顶层的贴片单元，从而激励贴片单元产生辐射。
所述馈电微带线4的特征阻抗为50欧姆。
所述信号输出口9接匹配负载或者信号衰减器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)天线的结构为窄长条，可与移动终端的边框共形设计。
2)馈电网络与辐射天线分离，两者可单独设计，便于独立调节。
3)天线成本较低，不需要使用传统的移相器，馈电网络损耗较低，可提供高精度的馈电相位，波束增益较高，扫描角度较大。
附图说明
图1为本发明优选实施例的三维结构分解图。
图2为具体实施方式中波束扫描天线的侧视图。
图3为具体实施方式中波束扫描天线的顶层贴片阵列结构图。
图4为具体实施方式中波束扫描天线的中间层地板结构图。
图5为具体实施方式中波束扫描天线的底层馈电网络结构图。
图6为具体实施方式中波束扫描天线的移相器的四种状态。
图7为具体实施方式中波束扫描天线产生垂直波束时的S参数曲线。
图8为具体实施方式中波束扫描天线产生垂直波束时的辐射方向图。
图9为具体实施方式中波束扫描天线在不同扫描角度下的S参数曲线。
图10为具体实施方式中波束扫描天线在不同扫描角度下的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
作为本发明的一种优选实施例，本发明所述波束扫描天线的三维结构分解图和侧视图如图1和图2所示。本天线包括贴片阵列1、地板2、耦合槽3、馈电微带线4、分支微带线5、悬浮微带线6、开关7、信号输入口8、信号输出口9、介质块10和介质块11。两块介质块的面积相等，且紧密贴合在一起。介质块10的上表面、介质块11的上表面以及介质块11的下表面分别印刷有三层金属。这三层金属的具体结构分别如图3、图4和图5所示。贴片阵列1印刷于图3所示的上层金属。贴片阵列1共有十个矩形单元，每个单元的间距相等。地板2印刷于图4所示的中间层金属。耦合槽3均匀地刻蚀在地板2的中央区域，且关于中心轴线对称。馈电微带线4、分支微带线5和悬浮微带线6印刷于图5所示的下层金属。馈电微带线4的特性阻抗为50欧姆。每隔一定距离，从馈电微带线4的两侧分别引出枝节形成分支微带线5。微带分支线5与悬浮微带线6是否联通由二进制开关7决定。当开关闭合时，开关两端的微带线联通，信号可以通过；当开关断开时，开关两端的微带线没有联通，信号无法通过此路径传递。悬浮微带线6垂直跨过耦合槽3。当有信号通过微带分支线5传递到悬浮微带线6时，信号可经过耦合槽3传递给顶层的贴片，从而激励贴片产生辐射。
本实施例的中心工作频率选定为28GHz，为5G移动通信的典型毫米波工作频段。
本实施例的矩形贴片单元的长度约为λg(介质中的波长)/2，工作在0.5波长模式。地板上的各条短路槽的长度小于λg/2，没有处于谐振状态，主要作用在于将底层微带线上的能量耦合到顶层贴片上。分支微带线每个单元均有两条开路微带线，两条开路微带线之间的距离为λg/4，可提供90°的相位差。两块介质板均为低损耗的罗杰斯Duriod5880板材。
本发明的技术方案是这样实现的：馈电微带线4、分支微带线5、悬浮微带线6以及开关7构成了一系列2bit的移相器。图6为其中一个2bit移相器的四种状态，可分别提供0°，90°，180°，270°的相位变化。具体工作原理解释如下：1)馈电微带线4两侧的电场方向相反，当从两侧分别引出分支时，这两个分支存在天然的180°相差，用两个开关控制这两个分支与悬浮微带线6的联通状态，便可提供0°和180°的相位变化；(2)为了产生90°和270°的相位变化，可将(1)中的两个分支沿着馈电微带线4平移λg/4，由于馈电微带线4传输的是行波，平移λg/4会产生90°的相位变化，在平移之后的位置分别引出两个分支，再用两个开关控制这两个分支与悬浮微带线6的联通状态，便可提供90°和270°的相位。因此，该移相器在不需要任何延时线的情况下可提供4种相位，构成了2bit移相器。
基于上述2bit移相器，贴片阵列的合成方向图可由馈电微带线4上的十个移相器进行控制。为了产生特定指向的波束，这十个移相器的状态需要进行相应的调整。表1给出了5种典型的波束指向以及对应的各个移相器需要提供的相位。这5种波束分别设计指向-45°、-25°、0°、+25°和+45°。
表1为不同扫描角度下的各个移相器的相位状态
预计扫描角度 0° -45° -25° +25° +45°
工作模式 (a) (b) (c) (d) (e)
1号移相器状态 0° 0° 0° 0° 0°
2号移相器状态 90° 270° 0° 180° 270°
3号移相器状态 180° 270° 0° 0° 90°
4号移相器状态 270° 180° 0° 180° 0°
5号移相器状态 0° 90° 0° 0° 270°
6号移相器状态 90° 90° 0° 180° 90°
7号移相器状态 180° 0° 0° 0° 0°
8号移相器状态 270° 270° 0° 180° 270°
9号移相器状态 0° 270° 0° 0° 90°
10号移相器状态 90° 180° 0° 180° 0°
图7和图8为波束指向0°时的S参数和二维辐射方向图。|S11|和|S21|均较小，说明大部分能量都被辐射到了自由空间。仿真的波束指向0°，即天顶方向。阵列的增益达到了16.5dBi。
图9和图10为波束指向不同角度时的S参数和二维辐射方向图。在所有四种扫描角度中，28GHz处的|S11|和|S21|均低于-10dB，优于波束指向0°时的指标，说明在波束偏离天顶时，能量能被更有效的辐射。与表1设定的波束指向相比，仿真实现的波束指向略有偏移，分别指向-48°、-27°、+26°和+46°，这种偏移在实际工程中是可接受的。不同角度下的波束增益有一定波动，但是均在12dBi以上。因此，阵列可在-45°到+45°范围内提供增益高于12dBi的波束扫描。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限定，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种应用于5G移动终端的低成本波束扫描天线，其特征在于，包括贴片阵列(1)和地板(2)，贴片阵列(1)印刷于介质板一(10)的上表面，地板(2)印刷于介质板二(11)的上表面，介质板一(10)与介质板二(11)紧密贴合在一起，介质板二(11)的下表面印刷有馈电微带线(4)、分支微带线(5)和悬浮微带线(6)，所述馈电微带线(4)的两端分别为信号输入口(8)和信号输出口(9)，所述地板(2)刻蚀有耦合槽(3)，耦合槽(3)由分别位于贴片阵列(1)中各贴片单元正下方的若干耦合单元组成，每个单元包括两条平行的短路槽，所述分支微带线(5)由分别位于各耦合单元正下方的若干分支微带线单元组成，且各分支微带线单元与馈电微带线(4)垂直相交，所述悬浮微带线(6)由分别垂直跨过所述短路槽的若干悬浮微带线单元组成，所述介质板二(11)的下表面还设置有二进制开关(7)，所述二进制开关(7)由若干开关单元组成，通过各开关单元控制各分支微带线单元与悬浮微带线单元的联通状态。
2.根据权利要求1所述应用于5G移动终端的低成本波束扫描天线，其特征在于，所述贴片单元、耦合单元、分支微带线单元、悬浮微带线单元和开关单元均有十个，沿馈电微带线(4)的长度方向等间距排布。
3.根据权利要求1或2所述应用于5G移动终端的低成本波束扫描天线，其特征在于，所述贴片单元的形状为矩形，所述耦合单元的短路槽与馈电微带线(4)的长度方向平行，所述每个分支微带线单元包括两条间距为四分之一工作波长的开路微带线，所述悬浮微带线单元由两条分别垂直跨过所述两条短路槽的条状微带线组成，该两条微带线关于馈电微带线(4)对称，且均不与馈电微带线(4)相交，分别位于每个分支微带线单元的两条开路微带线的正中间。
4.根据权利要求3所述应用于5G移动终端的低成本波束扫描天线，其特征在于，所述分支微带线单元由从馈电微带线4的两侧分别引出的枝节形成。
5.根据权利要求3所述应用于5G移动终端的低成本波束扫描天线，其特征在于，每个所述开关单元包括四个子开关，每个子开关有闭合与断开两种状态，每个开关单元中的四个子开关分别控制一个分支微带线单元中的两条开路微带线与一个悬浮微带线单元中的两条条状微带线之间的通断。
6.根据权利要求5所述应用于5G移动终端的低成本波束扫描天线，其特征在于，当开关单元中的某个子开关闭合时，该子开关两端的开路微带线和条状微带线联通，当子开关断开时，该子开关两端的开路微带线和条状微带线不联通，当有信号通过开路微带线传递到条状微带线时，信号经过相应的耦合单元传递给顶层的贴片单元，从而激励贴片单元产生辐射。
7.根据权利要求5所述应用于5G移动终端的低成本波束扫描天线，其特征在于，所述馈电微带线(4)的特征阻抗为50欧姆。
8.根据权利要求5所述应用于5G移动终端的低成本波束扫描天线，其特征在于，所述信号输出口(9)接匹配负载或者信号衰减器。
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