CN109742538A - 一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线及其天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线及其天线阵列，包括用于实现不同单元馈电相位差的移相馈电网络以及用于实现磁偶极子辐射的半开放式基片集成波导谐振腔；半开放式基片集成波导谐振腔采用馈电探针，探针式馈电结构末端连接至移相馈电网络。移相馈电网络结构和半开放式基片集成波导谐振腔结构分别集成于两层层压的介质板上，最终天线结构为两层介质板层压而成，下层为移相网络层，上层为辐射结构层。将此天线阵列应用于终端毫米波通信能实现一种解决终端设备上半球面的信号覆盖问题的紧凑型方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线及其天线阵列，属于无线通信技术领域。
背景技术
作为无线通信系统的重要器件之一，毫米波天线或天线阵列的性能直接决定了系统可达到的性能水准。而对于终端设备，更要求其所使用天线，除了能满足传统的带宽和增益指标外，还需要具备小型化、宽波束覆盖等特点；特别的，如果该天线还能具备端射辐射特性，则可以带来更多诸如提高能量利用率、减少天线与设备内部电路之间干扰等额外益处。
由于大气对于电磁波的衰减效应在毫米波波段相对较为显著，具有高增益特性的阵列天线形式格外受到青睐，并被视为是毫米波通信系统的潜在天线方案。考虑到高增益天线阵列固有的窄波瓣宽度以及终端设备的实际应用需求，终端设备上的天线整列也需要具备可靠的波束扫描特性。
针对手机或平板电脑等终端应用场景，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毫米波天线阵列，在性能上具有端射辐射和波束扫描特性，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，在应用到手机或平板电脑等终端设备上时，使终端辐射信号覆盖超过半球面。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线，包括半开放式基片集成波导谐振腔、位于该半开放式基片集成波导谐振腔内部的馈电探针和微带线，微带线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，所述半开放式基片集成波导谐振腔为一边开放的半开放式基片集成波导谐振腔，依靠基片集成波导谐振腔开放的侧边实现磁偶极子特性的辐射，并具备端射特征，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。
进一步的，还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分别设有第一金属地板和第二金属地板，该上层介质板中设有金属化过孔群，所述金属化过孔群构成半开放式基片集成波导谐振腔，所述微带线设置在下层介质板下表面，即第一金属地板与微带线通过馈电探针相连。
进一步的，在所述第二金属板中，与馈电探针位置相对应处，设有面积大于馈电探针投影面积的挖空区域。
进一步的，所述馈电探头位于半开放式基片集成波导谐振腔的中心轴偏上位置。
本发明还公开了一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线阵列，包括若干上述的一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线和设置在下层介质板下表面替换微带线的移相馈电网络。
进一步的，所述移相馈电网络为同幅度等相位馈电网络或同幅度不等相位馈电网络，利用不同的相移特性的移相网络进行馈电，可以得到H面的波束扫描特性。
进一步的，相邻所述的一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线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，所述同幅度等相位馈电网络和同幅度不等相位馈电网络均通过若干微带等功分器实现一份N等功分，N为磁偶极子天线数量，该同幅度等相位馈电网络输出端的各微带线长度一致，该同幅度不等相位馈电网络通过调节输出端的各微带线的长度来调节相位延迟。
进一步的，应用在终端通讯时，安装在终端设备的各方位上，具有低轮廓、易集成和E面宽波束覆盖的特性，通常采用三付磁偶极子天线组成天线阵列的方案可以满足终端设备整个三维空间上半球面全方位信号覆盖的需求，主要空间区域满足双极化。
有益效果：本发明的一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线及阵列，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。利用微带功分器馈电的天线阵列，可以实现波束扫描的效果。
4、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是本发明磁偶极子天线的三维结构图；
图2是本发明磁偶极子天线中金属过孔位置示意图；
图3是本发明磁偶极子天线底层俯视图；
图4是本发明磁偶极子天线阵列实施例一的三维结构图；
图5是本发明磁偶极子天线阵列实施例一中金属过孔位置示意图；
图6是本发明磁偶极子天线阵列实施例一底层俯视图；
图7是本发明磁偶极子天线阵列实施例二中金属过孔位置示意图；
图8是本发明磁偶极子天线阵实施例二列底层俯视图；
图9是手机终端利用本发明磁偶极子天线阵例(三付)实现5G毫米波通信信号上半球面覆盖的方案；
图10是本发明磁偶极子天线的S参数设计结果；
图11是本发明磁偶极子天线的E面和H面的仿真方向图；
图12是本发明磁偶极子天线的E面和H面的测试方向图；
图13是本发明磁偶极子天线阵列实施例和实施例2的H面方向图；
图14是本发明相控阵天线的原理图；
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明。
实施例1：
如图1为本实施例的一种基于半开放式基片集成波导谐振腔的磁偶极子天线，图4为由基于半开放式基片集成波导谐振腔的磁偶极子天线构成的天线阵列。
图1的一种基于半开放式基片集成波导谐振腔的磁偶极子天线，包括上层介质板和下层介质板，其中上层介质板材料为Taconic TLY-5，厚度为1.52mm，在上层介质板的上表面和下表面分别设有第一金属地板3和第二金属地板4，包含于上层介质板中的金属化过孔群1构成一边半开放式基片集成波导谐振腔，该金属化过孔群1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。下层介质板，材料同上层介质板，厚度为0.254mm。在下层介质板的下表面有一条微带线5，该微带线5中传输的信号通过馈电探针2耦合进入半开放式基片集成波导谐振腔。馈电探针2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。
在第二金属板4中，与馈电探针2位置相对处，设有一块略大于馈电探针2投影面积的挖空区域，以避免信号短路。
如图2所示，馈电探针2位于金属化过孔群1构成了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，以达到良好的阻抗匹配性能。图3为微带线，其连接微波转接头与馈电探针2。
图4为本实施例的磁偶极子天线阵列，当使用四个如图1所示的磁偶极子天线组成天线阵列时，微带线5被微带功分器构成的移相馈电网络替代，实现同幅度等相位馈电，进而得到天线阵列波束的偏转和扫描。
本实施例中将天线单元沿横向以周期6.4mm进行平移复制，得到所需天线阵列。其中相邻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。同时第二金属地板4上有四个挖空区域，以实现对四路馈电探针的隔离。为对天线阵列进行馈电，采用微带功分器实现的移相馈电网络6，每个阵列单元将得到等幅同相的激励信号。
如图5所示，每个天线单元的馈电探针2均位于金属化过孔群1构成了半开放式基片集成波导谐振腔的中心轴偏上位置，以达到良好的阻抗匹配性能。图6为本实施例的移相馈电网络6，由三个一分二微带等功分器组成实现一分四等功分的功能，馈电网络输出端即为微带线5，该馈电网络输出端其连接微波转接头与馈电探针，并实现能量的分配。
实施例2：
如图7和图8所示，为使得天线波束扫描，在实施例1的基础上，采用另一种等幅不同相微带功分器实现的移相馈电网络7，每个阵列单元将得到等幅不同相的激励信号。图7是对应天线阵列的金属化过孔位置图，采用与实施例1一致的金属化过孔群，本实施例的每个天线单元的馈电探针2均位于金属化过孔群1构成了半开放式基片集成波导谐振腔的中心轴偏上位置，以达到良好的阻抗匹配性能。图8示等幅不同相微带线的移相馈电网络7，由三个一分二微带等功分器组成实现一分四等功分的功能，通过调节馈电网络输出端微带线的长度来调节相位延迟，其连接微波转接头与馈电探针，并实现能量的分配和相位的不同延迟。
如图9所示为采用三付天线阵列9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E面的宽波束特性，能实现一种解决终端设备上半球面的信号覆盖问题的紧凑型方案。
由图10可看出天线阻抗带宽仿真结果可达到15.4％，覆盖5G频段的24.75GHz至27.5GHz范围。图11(a)-(b)为磁偶极子天线E面和H面的仿真方向图，图12(a)-(b)为磁偶极子天线E面和H面的测试方向图，可以看出，该天线在其E面具有良好的大角度覆盖能力。图13所示为磁偶极子天线阵列例一和例二的H面方向图，可以看到其具有扫描波束的能力。
Claims (10)
1.一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线，其特征在于：包括半开放式基片集成波导谐振腔、位于该半开放式基片集成波导谐振腔内部的馈电探针和微带线，微带线通过馈电探针耦合进入半开放式基片集成波导谐振腔。
2.根据权利要求1所述的一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线，其特征在于：所述半开放式基片集成波导谐振腔为一边开放的半开放式基片集成波导谐振腔。
3.根据权利要求1所述的一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线，其特征在于：还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分别设有第一金属地板和第二金属地板，该上层介质板中设有金属化过孔群，所述金属化过孔群构成半开放式基片集成波导谐振腔，所述微带线设置在下层介质板下表面。
4.根据权利要求3所述的一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线，其特征在于：在所述第二金属板中，与馈电探针位置相对应处，设有面积大于馈电探针投影面积的挖空区域。
5.根据权利要求1所述的一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线，其特征在于：所述馈电探头位于半开放式基片集成波导谐振腔的中心轴偏上位置。
6.一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线阵列，其特征在于：包括若干如权利要求1至5任意一项所述的一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线和设置在下层介质板下表面输出端为微带线的移相馈电网络。
7.根据权利要求6所述的一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线阵列，其特征在于：所述移相馈电网络为同幅度等相位馈电网络或同幅度不等相位馈电网络。
8.根据权利要求6所述的一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线阵列，其特征在于：相邻所述的一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线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。
9.根据权利要求7所述的一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线阵列，其特征在于：所述同幅度等相位馈电网络和同幅度不等相位馈电网络均通过若干微带等功分器实现一份N等功分，N为磁偶极子天线数量，该同幅度等相位馈电网络输出端的各微带线长度一致，该同幅度不等相位馈电网络通过调节输出端的各微带线的长度来调节相位延迟。
10.根据权利要求6或7所述的一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线阵列，其特征在于：应用在终端通讯时，安装在终端设备的各方位上。
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