CN110492241A - 一种应用于5g毫米波移动终端的大角度扫描的天线阵列 - Google Patents

一种应用于5g毫米波移动终端的大角度扫描的天线阵列 Download PDF

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Abstract

一种应用于5G毫米波移动终端的宽带大角度扫描的天线阵列，属于宽带移动通信领域，其特征在于，是一个由八个偶极子天线单元和十六个突出地枝节构成的天线阵列，用以覆盖24.25‑29.5GHz，能在26GHz处实现最大12dBi的增益，在28GHz处实现最大12.36dBi的增益，通过在端口对相位差作合适调整，实现在‑90度到90度之间达到增益下降不低于3dB的大角度扫描。

Description

一种应用于5G毫米波移动终端的大角度扫描的天线阵列
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种应用于5G毫米波移动终端的大角度扫描的天线阵列。
背景技术
随着移动通信的发展，当前我们正处于第四代移动通信期间，第五代移动通信系统即将到来，第五代移动通信分为两个部分，第一部分是为了能够更远的覆盖，采用sub6GHz频段，使用MIMO技术大幅度的提高通信容量；第二部分是采用毫米波频段进行通讯，毫米波具有频率高，带宽宽，传输距离近等特点，非常适合近距离高速通信，与此同时要求毫米波天线有较高的增益，需要采用天线阵列的方式，对于移动终端来说，毫米波天线阵列需要具有扫描功能，这样才能够实现和基站的实时通信。与此同时，5G毫米波具有一定的通信带宽标准，目前已经公布的频段有24.25-27.5GHz,26.5-29.5GHz，37-40GHz。
对于移动终端来说，毫米波天线阵列的增益和扫描能力对毫米波通信具有至关重要的作用，通过对专利检索，发现能够实现应用于移动终端的大角度扫描的毫米波天线阵列很少。通过对专利进行检索，发现在这方面的已经有了一定的研究，如专利【CN109449568A】，可以实现正负60度的扫描。本发明，在基本的偶极子天线基础上，采用突出地枝节的方式，能够更好的展宽天线的带宽，从而能够覆盖24.25-29.5GHz的毫米波频段，与此同时，在组成天线阵列以后，突出地的部分对天线单元直接的耦合具有削弱作用，能够更好的提高天线阵列的性能，与此同时，对于天线阵列的大角度扫描能力也有一定的帮助，使得天线阵列可以覆盖-90度到90度，并且和最大增益之差不超过3dB。
发明内容
本发明的目的是为第五代移动通信系统设计出实现宽带大角度扫描的移动终端用毫米波天线阵列，主要优势在于，本发明可以实现-90度到90度的扫描，并且和最大增益只差不超过3dB。
为了实现大角度的能力，一方面需要提高天线单元之间的隔离度，另一方面，也需要适当减少天线之间的距离，这样阵列在大角度扫描时的能够获得较高的增益值。
为了保证，天线单元能够覆盖所需要的频段，并且在所在的频段内都有稳定的方向图,采用偶极子为原型的天线单元。
本发明所述的一种应用于5G毫米波频段的移动终端用天线阵列，其特征在于，含有：一种应用于5G毫米波频段的移动终端的宽带扫描的天线阵列，其特征在于，含有：介质板(1)、金属地板(2)、微带馈电线(3)、天线阵列(4)和突出地枝节(5)，其中：
介质板(1)，长×宽×高度为133mm×70mm×0.5mm,介质板的材料是Taconic RF-35(tm)，介电常数为3.5，损耗为0.0018；
金属地(2)，印制在所述介质板(1)的背面，长×宽为123mm×70mm,所述金属地(2)的顶边与所述介质板(1)的顶边为10mm；
微带馈电线(3)，共八条，用第一微带馈电线～第八微带馈电线(31～38)表示，宽度均为1mm，长度均为2.5mm；
天线阵列(4)，共由八个偶极子天线单元(41～48)组成，每个偶极子天线单元(4n)，n＝1,2…8,由位于印制在所述介质板(1)正面的第一类“”型枝节(4n1)和位于所述介质板(1)背面的第二类“Γ”型枝节(4n2)构成，相对应的微带馈电线的一端连接到所述第一类“Γ”型枝节(4n1)的下端上，而另一端连接到一个对应的所述金属地(2)的交界面上，从而输入电能便通过微带馈电线在转成平行双线出入能量后，在通过两个所述“Γ”型枝节组成的偶极子进行能量的辐射，只要对八个馈电端口的相位进行控制便能实现毫米波天线阵列的大角度扫描；
突出地枝节(5)；呈矩形，印刷在所述介质板(1)的背面且突出地在所述金属地(2)顶边上，分为位于所述偶极子天线单元(4n)中第一类“Γ”型枝节(4n1)左侧的第一类突出地枝节(51)以及位于所述偶极子天线单元(4n)中第二类“Γ”型枝节(4n2)右侧的第一类突出地枝节(52)；
相邻两个偶极子天线单元之间的间距在4.5mm-5.2mm之间。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
本天线阵列可以覆盖5G毫米波在30GHz以下的所有频段，从24.25-29.5GHz,除此以外，该天线阵列具有半球空间的覆盖能力，拥有八个天线单元，具有大角度的扫描能力，在增益下降不超过3dB的前提下，可以实现-90度到90度的扫描能力。该天线阵列可以用于移动终端，用于5G毫米波近距离通信。
附图说明
图1为本发明提供的应用于5G毫米波频段的移动终端用天线阵列的结构图。
图2是图1中的其中一个天线单元的结构示意图。
图3是图2中的其中一个天线单元的具体尺寸，单位均为毫米(mm)。
图4为图1的向视图即俯视图,包括介质板(1)上的微带馈电线(3)和所有的第一类“Γ”型枝节，及天线单元之间的距离,主介质板背面金属不显示,单位均为毫米(mm)。
图5为图为图1的向视图即后向视图,包括介质板(1)背面的金属地板(2)，天线单元(4n)的所有的第二类“Γ”型枝节和所有的突出地枝节(5),单位均为毫米(mm)
图6为图1-5中天线的仿真的有源反射系数。
图7的为图1-5中天线的在26GHz的扫描结果。
图8图1-5中天线的在28GHz的扫描结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出一种应用于5G毫米波频段的移动终端用天线阵列，实现了-90度到正90度范围内的扫描能力。
图1-5给出了天线的具体结构和相关尺寸，该天线由介质板(1)、金属地(2)、微带馈电线(3)、天线阵列(4)、和突出地枝节(5)组成，介质板的大小为133mm×70mm×0.8mm，其中，介质板的材料是Taconic RF-35(tm)，介电常数为3.5，损耗为0.0018。在介质板的底部印刷了一个大小为123mm×70mm的金属地(2),在介质板的正面有八条馈电线，分别为第一馈电线(31)，第二馈电线(32)，第三馈电线(33)，第四馈电线(34)，第五馈电线(35)，第六馈电线(36)，第七馈电线(37)和第八馈电线(38)，上述八条馈电线的宽度均为1mm。这八根馈电线分别连接着8个天线单元，通过对八个馈电端口的相位控制可以实现毫米波天线阵列的大角度扫描。
天线单元辐射；如图2所示的天线单元所示，通过微带线转平行双线馈入能量，通过两个“Γ”型枝节组成的偶极子进行辐射能量，与此同时，突出地枝节使得天线单元的带宽变得更宽，能够覆盖所需要的24.25-29.5GHz的频段。
天线阵列的辐射；图6提供了在相位均为0度的时候的，八个天线单元的有源反射系数，从图中可以看出，八个天线单元都能够覆盖24.25-29.5GHz。
天线的耦合；如图1-5给出了天线的具体结构和相关尺寸，相邻天线单元之间的距离为5mm(0.45个波长的距离@27GHz),由于突出地枝节的存在，使得天线单元之间的耦合处于比较低的位置，为实现天线大角度扫描提供了重要的帮助。
天线阵列的扫描；这里给出了在两个毫米波频段中心位置附近的两个频点进行讨论所述的毫米波阵列的扫描能力，即26GHz和28GHz。如图7所示，在26GHz的时候，在相邻端口取不同的相位差的时候，可以实现，最大增益为12dBi(0度相位差),通过扫描可以发现在-90度和90度的时候，增益还有9.6dBi(正负150度相位差)。如图8所示，在28GHz的时候，在相邻端口取不同的相位差的时候，可以实现，最大增益为12.36dBi(0度相位差),通过扫描可以发现在-90度增益还有9.57dBi(170度相位差)和90度的时候益还有10.2dBi(170度相位差)。
本发明提出的阵列可以覆盖5G毫米波在30GHz以下的所有频段，从24.25-29.5GHz,除此以外，该天线阵列具有半球空间的覆盖能力，拥有八个天线单元，具有大角度的扫描能力，在增益下降不超过3dB的前提下，可以实现-90度到90度的扫描能力。该天线阵列可以用于移动终端，用于5G毫米波近距离通信。满足新一代移动通信系统对毫米波宽频覆盖和大角度扫描能力的设计需求。

Claims (1)

1.一种应用于5G毫米波频段的移动终端的宽带扫描的天线阵列，其特征在于，含有：介质板(1)、金属地板(2)、微带馈电线(3)、天线阵列(4)和突出地枝节(5)，其中：
介质板(1)，长×宽×高度为133mm×70mm×0.5mm,介质板的材料是Taconic RF-35(tm)，介电常数为3.5，损耗为0.0018；
金属地(2)，印制在所述介质板(1)的背面，长×宽为123mm×70mm,所述金属地(2)的顶边与所述介质板(1)的顶边为10mm；
微带馈电线(3)，共八条，用第一微带馈电线～第八微带馈电线(31～38)表示，宽度均为1mm，长度均为2.5mm；
天线阵列(4)，共由八个偶极子天线单元(41～48)组成，每个偶极子天线单元(4n)，n＝1,2…8,由位于印制在所述介质板(1)正面的第一类“Γ”型枝节(4n1)和位于所述介质板(1)背面的第二类“Γ”型枝节(4n2)构成，相对应的微带馈电线的一端连接到所述第一类“Γ”型枝节(4n1)的下端上，而另一端连接到一个对应的所述金属地(2)的交界面上，从而输入电能便通过微带馈电线在转成平行双线出入能量后，在通过两个所述“Γ”型枝节组成的偶极子进行能量的辐射，只要对八个馈电端口的相位进行控制便能实现毫米波天线阵列的大角度扫描；
突出地枝节(5)；呈矩形，印刷在所述介质板(1)的背面且突出地在所述金属地(2)顶边上，分为位于所述偶极子天线单元(4n)中第一类“Γ”型枝节(4n1)左侧的第一类突出地枝节(51)以及位于所述偶极子天线单元(4n)中第二类“Γ”型枝节(4n2)右侧的第一类突出地枝节(52)；
相邻两个偶极子天线单元之间的间距在4.5mm-5.2mm之间。
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