CN109768381A - 一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置及实现方法，所述装置包括数字域波束成形网络、模拟数字转换器/数字模拟转换器、多通道发射/接收射频前端和电偶极子天线阵。本发明所述的天线阵列通过组建电偶极子天线阵列，具有低轮廓、易集成和H面宽波束覆盖的特点，且本发明利用数字域波束成形网络的不同的相移特性馈电，可以得到E面的波束扫描及多波束特性，采用三付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
技术领域
本发明属于无线通信系统，具体涉及一种毫米波数字多波束天线阵列装置及其实现方法。
背景技术
毫米波与目前低于6GHz的通信系统相比，在未来无线通信系统中可以提供广泛的可用频谱，用于支持宽带调制信号，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成形技术，预编码多输入多输出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多输入多输出的数据流传输，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具有必要性和实际意义。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提供一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置，本发明另一个目的是提供一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置的实现方法。
技术方案：一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置，包括模拟数字转换器/数字模拟转换器、多通道发射/接收射频前端、电偶极子天线阵。所述装置用于移动终端，所述电偶极子天线阵分别与多通道发射/接收射频前端相连，且后面级联模拟数字转换器/数字模拟转换器。
进一步的，所述的电偶极子天线阵通过金属化通孔相连，且与移动终端的金属外框连接；
进一步的，所述电偶极子天线阵为双面印刷设置；
进一步的，所述电偶极子其数量为四个；
进一步的，所述移动终端为移动电子设备，包括手机、平板电脑和笔记本电脑；
更进一步的，所述装置与终端上的金属边框相集成，设置在移动终端的上侧面、下侧面、左侧面或右侧面，且包括四个面的任意一种或任意两种及其以上的组合设置。
一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置的实现方法，所述天线阵列设置在移动终端设置在终端设备的上侧面、左侧面或右侧面，与终端上的金属边框相集成，分别覆盖终端设备的上方、左方和右方三个方向的信号，通过电偶极子天线阵列方向图在其H面的宽波束特性实现三维空间覆盖。
进一步的，所述方法包括以下状态的设置方式：
(1)发射状态:对不同通道信号在数字域波束成形网络中施加不同的等相位差的相移因子，并进行叠加，进入数字模拟转换器，最后通过多通道发射射频前端，馈电给电偶极子天线阵，进行辐射；
(2)接收状态:由电偶极子天线阵接收的信号，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施加不同的等相位差的相移因子，并进行叠加。
更进一步的，所述方法包括通过基片集成波导的双平衡特性实现电偶极子天线的平衡馈电，且与移动终端金属外框无缝连接。
更进一步的，所述方法包括将数字信号在数字域波束成形网络里进行合成。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著效果在于：第一、本发明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、利用数字域波束成形的不同相位特性对天线阵列进行馈电，可以实现波束扫描；第六、利用数字域波束成形同时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；第七、该天线阵列结构简单，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是本发明毫米波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天线结构图；
图3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4是本发明毫米波数字多波束阵列数字域波束成形网络；
图5是移动终端利用本发明毫米波数字多波束阵列(三副)实现毫米波通信信
号超过半球的三维空间覆盖的结构示意图；
图6是本发明毫米波数字多波束阵列中的天线阵列1端口的S参数测试结果；
图7是本发明毫米波数字多波束阵列中的天线阵列2端口的S参数测试结果；
图8是本发明毫米波数字多波束阵列中的天线阵列3端口的S参数测试结果；
图9是本发明毫米波数字多波束阵列中的天线阵列4端口的S参数测试结果；
图10是本发明毫米波数字多波束阵列E面多波束测试结果。
具体实施方式
为了详细的说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的阐述。
本发明提供的是一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置及其实现方法，包括一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置和一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置的实现方法。
用于移动终端的毫米波数字多波束阵列装置包括数字域波束成形网络，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，双面印刷的电偶极子天线阵，其原理图如图1所示。
如图2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。电偶极子的辐射由在基板的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。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。所有介质材料均选用Taconic TLY-5。
如图3所示，发射机/接收机包括射频开关/双工器、功率放大器、低噪声放大器、本振、混频器、射频带通滤波器等。混频器用于将中频信号转换成射频信号。混频器需要高频高功率的本振驱动。功率放大器完成发射信号放大，低噪声放大器完成接收信号放大。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。该基板与天线设计相同，具有集成考虑，介质厚度为0.254mm,即TACONIC TLY-5。
如图4所示，利用数字域波束成形网络，可以灵活同时得到不同的相移特性，进而得到天线阵列的波束扫描，或者同时生成多个波束。在这个示例中，相位差以此设置为-150，-75，75，150度。
一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置的实现方法，其在移动终端设置的位置如图5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6-9可看出天线阵列的每个端口天线阻抗带宽测试结果，可以覆盖5G频段的24.75GHz至28.5GHz范围，S11均小于-10dB。
图10所示为所述毫米波数字多波束阵列的E面方向图，可以看到其具有同时多波束的能力，能够覆盖超过90度的范围，满足覆盖要求。
Claims (10)
1.一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置，包括模拟数字转换器/数字模拟转换器、多通道发射/接收射频前端、电偶极子天线阵，其特征在于：所述装置用于移动终端，所述电偶极子天线阵分别与多通道发射/接收射频前端相连，且后面级联模拟数字转换器/数字模拟转换器。
2.根据权利要求1所述的一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置，其特征在于：所述的电偶极子天线阵通过金属化通孔相连，且与移动终端的金属外框连接。
3.根据权利要求1所述的一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置，其特征在于：所述电偶极子天线阵为双面印刷设置。
4.根据权利要求1所述的一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置，其特征在于，所述电偶极子天线阵的数量为四个。
5.根据权利要求1所述的一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置，其特征在于：所述移动终端为移动电子设备，包括手机、平板电脑和笔记本电脑。
6.根据权利要求1所述的一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置，其特征在于：所述装置与终端上的金属边框相集成，设置在移动终端的上侧面、下侧面、左侧面或右侧面，且包括四个面的任意一个或任意两个及其以上的组合设置。
7.实施如权利要求1所述的一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置的实现方法，其特征在于：所述天线阵列设置在移动终端设置在终端设备的上侧面、左侧面或右侧面，分别覆盖终端设备的上方、左方和右方三个方向的信号，通过电偶极子天线阵列方向图在其H面的宽波束特性实现三维空间覆盖。
8.根据权利要求7所述的一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置的实现方法，其特征在于：所述方法包括以下状态的设置方式：
(1)发射状态:对不同通道信号在数字域波束成形网络中施加不同的等相位差的相移因子，并进行叠加，进入数字模拟转换器，最后通过多通道发射射频前端，馈电给电偶极子天线阵，进行辐射；
(2)接收状态:由电偶极子天线阵接收的信号，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施加不同的等相位差的相移因子，并进行叠加。
9.根据权利要求7所述的一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置的实现方法，其特征在于：所述方法包括通过基片集成波导的双平衡特性实现电偶极子天线的平衡馈电，且与移动终端金属外框无缝连接。
10.根据权利要求7所述的一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置的实现方法，其特征在于：所述方法包括将数字信号在数字域波束成形网络里进行合成。
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