CN111201672A - 使端射天线和低频天线并置的系统、设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于从并置天线阵列提供端射毫米波高频信号和低频RF信号的天线系统、设备和方法，在并置天线阵列中至少一个高频天线元件和低频天线元件彼此间隔开。栅带被定位在高频天线元件与低频天线元件之间，栅带以定义的间距彼此间隔开。栅带被配置成使得来自高频天线元件的信号波传播通过低频天线元件。

Description

使端射天线和低频天线并置的系统、设备和方法
优先权声明
本申请要求于2017年10月11日提交的序列号为62/570,930的美国专利的权益，该专利的公开内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本文所公开的主题大体上涉及移动天线系统和设备。
背景技术
在5G相控阵天线中，可能需要针对移动终端应用来使端射毫米波高频天线元件和低频天线元件并置(collocated)。然而，通常由于将低频天线带放置在高频天线块前，毫米波天线的端射辐射方向图以及因此信号波将被扰乱，从而造成在端射方向上的增益降低并且在非期望方向上的辐射增加。
发明内容
根据此公开，提供了用于从并置天线阵列提供端射毫米波高频信号和低频RF信号的天线系统、设备和方法。在一个方面，提供了一种天线阵列，在其中至少一个第一天线元件和第二天线元件彼此间隔开，其中第一天线元件被配置为以第一频率进行辐射，并且至少一个第二天线元件被配置为以低于第一频率的第二频率进行辐射。多个栅带被定位在至少一个第一天线元件与第二天线元件之间，多个栅带具有定义的节距并且以定义的间距彼此间隔开，其中多个栅带被配置成使得来自至少一个第一天线元件的信号波通过第二天线元件传播。
在另一方面，一种用于操作并置天线阵列的方法，包括：从至少一个第一天线元件生成信号波，通过以定义间距彼此间隔开的多个栅带发射信号波的第一部分，以及通过与第一天线元件间隔开的第二天线元件发射信号波的第一部分的至少第一区段。
尽管上文已经陈述了本文所公开的主题的各方面中的一些方面，并且这些方面通过当前所公开的主题全部或部分地实现，但当结合附图进行描述时，其他方面将变得显而易见，如在下文中最佳描述的。
附图说明
从以下详细描述中将更容易地理解本主题的特征和优点，其应该结合附图来阅读，这些附图仅通过说明性和非限制性示例的方式给出，在附图中：
图1A和1B是根据当前所公开的主题的实施例的集成的低频和高频、端射相控阵天线的前视图和后视图；
图2是根据当前所公开的主题的实施例的供在天线阵列中使用的高频端射天线元件的前视图；
图3是根据当前所公开的主题的实施例的集成的低频和高频、端射相控阵天线的元件的后视图；
图4是根据当前所公开的主题的实施例的集成的低频和高频、端射相控阵天线的元件的示意图；
图5A和图5B是示出了根据当前所公开的主题的实施例的在28GHz下并置的低频和高频天线阵列的辐射方向图的图；
图6是示出了根据当前所公开的主题的实施例的并置的毫米波高频天线的仿真的散射参数的图；
图7是示出了根据当前所公开的主题的实施例的并置的毫米波高频天线的仿真的互耦的图；
图8是示出了根据当前所公开的主题的实施例的并置的毫米波高频天线的测量散射参数的图；
图9是示出了根据当前所公开的主题的实施例的并置的毫米波高频天线的测量的互耦的图；
图10是示出了根据当前所公开的主题的实施例的双波段低频天线的散射参数的仿真值和测量值的图；
图11示出了根据当前所公开的主题的实施例的在并置的低频天线和毫米波高频天线中的低频天线增益和天线总效率的图；
图12A、12B和12C是示出了根据当前所公开的主题的实施例的分别在26GHz、28GHz和30GHz的频率下在H平面处测量的天线辐射方向图的图；
图13A、图13B和图13C是示出了根据当前所公开的主题的实施例的所提出的天线阵列的测量的辐射方向图的图；
图14是示出了根据当前所公开的主题的实施例的在28GHz下在不同方向上天线系统的总扫描样式的图；
图15是示出了根据当前所公开的主题的实施例的天线系统在28GHz下的覆盖效率辐射方向图概念的图。
具体实施方式
本主题提供了用于针对移动终端应用使高频天线元件和低频天线元件的端射毫米波5G相控阵并置的系统、设备和方法。在移动终端上通常只有少量的空间可用于放置任何天线元件，这是因为大多空间专用于移动设备的其他部件(例如，屏幕、电池)，其中的很多是金属的并且因此影响天线的辐射方向图和性能。因此，天线元件普遍被放置在移动终端的顶部或底部上的小空间中。在这些约束下工作，本主题提供了宽边辐射方向图高频天线与低频天线的集成。高频天线阵列的放置占据了非常小的空间(例如，小于低频天线的0.007波长)，其中整个天线阵列占据小于低频天线的0.03波长。
根据本主题的用于天线系统的示例性配置被示出在图1A至图3中。在该实施例中，一般标记为100的天线阵列包括低频天线元件102和与低频天线元件102隔开的一个或多个高频天线元件104。在一些实施例中，低频天线元件102是平面倒F天线(PIFA)，其可以与地平面110间隔开。参见图1A和图1B，低频天线元件102被示出为C馈电(C-fed)双波段PIFA天线，但是本领域普通技术人员将认识到各种众所周知的天线配置中的任一个可以被用于提供低频信号的期望覆盖范围。不管它的具体配置如何，低频天线元件102被配置为以相对低的频率进行操作，诸如在来自740至960MHz和/或1.7至2.2GHz的LTE频段中的一个或多个中操作。此外，在一些实施例中，低频天线元件102是可以诸如通过调谐在低频天线元件102的馈电点处连接的一个或多个电容进行调谐的，以提供宽带性能。
在一些实施例中，高频天线元件104包括折叠双极天线元件，但是本领域普通技术人员将认识到此类天线元件可以用各种毫米波端射天线元件中的任一个代替。在图1A至图1B中示出的实施例中，高频天线元件104包括4个元件，但是本领域普通技术人员还将认识到元件的数量可以被选择以实现期望的天线性能。在一些实施例中，在并置配置中存在较大地平面110的情况下，为了增大总扫描角度和覆盖效率，可以交替布置高频天线元件104，以便针对从左侧馈电的高频天线元件104中的每个，高频天线元件104中的一个相邻元件从右侧馈电，如图2中所示。这一馈电布置可以被配置为针对交替天线元件提供180度相位差。此外，在一些实施例中，高频天线元件104包括高频天线元件的相控阵，以便高频天线元件104生成的信号波在期望方向上是可操纵的(steerable)。
在任何配置中，高频天线元件104被配置为以相对高的频率进行操作，诸如以约22GHz至31GHz之间的5G毫米波频率进行操作。在一些实施例中，此类高频天线元件104利用可操纵波束展现高增益。如上所述，在常规布置中，由于将低频天线元件102放置在高频天线元件104的前面，高频天线元件104的端射辐射方向图以及因此信号波将不能够沿主方向传播。然而，如根据本主题所实施的，通过将低频天线元件102配置成对高频天线元件104生成的信号波是有效透明的(transparent)，使得在不干扰性能的情况下在较小的空间中使低频天线元件102和高频天线元件104并置成为可能。
为了实现这样的有效透明并且使天线元件的并置成为可能，在一些实施例中，多个抗反射栅带106被定位在高频天线元件104与低频天线元件102之间。参见图1A至图1B中示出的实施例，高频天线元件104被布置在基底101的第一“顶”侧，并且多个栅带106被定位在与该顶侧相对的基底101的相对第二“底”侧。本领域普通技术人员将认识到在基底101的顶侧或底侧的任一个上放置栅带106可以具有类似的效果，但是如图1B示出的将栅带106放置在底侧上允许更对称地布置高频天线元件104的方向图，并且可以帮助补偿较大地平面110的影响。在一些实施例中，栅带106由具有良好传导性的材料组成。
此外，如图1B中所示，可以在基底101的底侧添加多个带状反射器109以改善高频天线元件104的匹配。在一些实施例中，这些反射器109被配置为不仅改善天线匹配还改善天线性能(诸如增益)，以降低较大地面对天线辐射方向图的影响，和/或减少表面波。在一些实施例中，反射器109的尺寸被选择为稍大于期望的高频操作波段中的信号的四分之一波长。在一些实施例中，反射器109之间的间距和与地平面110的间距被优化，以具有匹配和辐射方向图的最佳操作。
不管具体配置如何，栅带106都可以在阵列中彼此相邻地布置，在阵列中它们都与低频天线元件102基本平行并且相对于彼此基本平行，其中相邻的栅带106以定义的间距彼此隔开。在一些实施例中，多个栅带106为以预先确定的间隔对齐的单独元件。可替选地，在其他实施例中，多个栅带106为单片材料的元件，在其中形成有一个或多个开口(例如，槽)以限定带106的方向图和间隙。在又另一可替选实施例中，以导向器(与高频天线元件104中的每个相关联)的形式提供栅带106，这可以造成天线增益的增大。
在任何配置中，可以定位和/或配置栅带106以调节来自高频天线元件104的信号波可以以最小干扰传播通过低频天线元件102的方式，其结果是基本端射辐射方向图。除了实现基本端射辐射方向图，高频天线元件104的实际增益的值与好像未与低频天线元件102并置的单独的高频天线元件104的增益近似相同。换句话说，低频天线元件102对于高频信号是有效透明的。
在一些实施例中，可以选择以下项中的一个或多个来实现期望的辐射方向图：以栅带106中的每个的长度定义的栅带的间隙宽度Ls、相邻对栅带106之间的间隙的间距S、和栅带106与低频天线元件102之间的距离Dd。在一些实施例中，例如，栅带106与低频天线元件102之间的距离Dd近似为低频天线元件102的四分之一波长。通过调节该间距，可以优化栅带106和低频天线元件102的有效透明度。类似地选择影响辐射方向图的形状和实际增益的水平的其他参数，诸如间距S和宽度Ls。在一个示例性实施例中，例如，实现以近似28GHz的操作频率的期望操作，其中宽度的值Ls＝1.8mm，间距的值S＝0.85mm，并且距离的值Dd＝2mm。也就是说，本领域普通技术人员将意识到，可以依据天线元件和/或集成了天线系统的移动终端的特定配置来使用宽度Ls、间距S和距离Dd参数的不同值。
在此布置下，栅带106被配置为修改高频天线元件生成的信号波与低频天线元件102交互的方式，以便保持期望的端射辐射方向图。如图4中所示，例如，当在毫米波频率范围(例如，具有大约22GHz至31GHz之间的频率)内的信号波从高频天线元件104传播时，栅带106充当抗反射表面，以便透射该波的第一部分201并且将第二部分202反射回高频天线元件104。信号波的第一部分201还可以在低频天线元件102处进行衍射，其中第一部分201的透射部分203被低频天线元件102透射并且反射部分204被低频天线元件102反射。然而，因为到达高频元件的两个反射波(即，被栅带106反射的第二部分202和被低频天线元件102反射的反射部分204)相对于彼此异相，所以它们互相抵消。为了实现这一结果，在一些实施例中，栅带106与低频天线元件102之间的距离Dd近似为低频天线元件102的四分之一波长。以此方式，信号波的透射部分203可以在端射方向上传播而不受干扰。
在一些实施例中，低频天线元件102与高频天线元件104之间的栅带106的影响被示出在图5A和图5B中。如图5A中所示，当高频天线元件104与低频天线元件102之间不存在栅带时，高频天线元件104产生的信号波被向下反射，并且所产生的辐射方向图并不完全是端射的。通过在低频天线元件102与高频天线元件104之间插入栅带106，并且通过调节栅带106的宽度Ls、它们之间的间距S、以及栅带106与低频天线元件102之间的距离Dd，可以获得如图5B中所示的端射辐射方向图。
已经利用全波CST微波studio软件对根据本主题的完整的、集成的毫米波四元件天线阵列与双波段低频天线系统的配置进行了建模和仿真。此外，已经制造了经优化的原型并且在大消声室中对其进行了测量，以用于测量高频毫米波天线阵列的辐射方向图。已经在SATIMO室中测量了所提出的双波段低频天线。并置毫米波高频天线的仿真的散射参数被示出在图6中。如图所示，所提出的天线阵列在22GHz至31GHz频段上具有优于-10dB的良好反射系数。并置拓扑中的高频天线之间的仿真的互耦被示出在图7中。如图所示，所提出的天线阵列在整个操作带宽中具有优于-15dB的非常好的互耦。应该指出的是，在28GHz下，互耦优于-18dB。
并置毫米波高频天线的测量散射参数被示出在图8中。该测量是以67GHz的四端口N5227A PNA微波网络分析机来实施的。如图所示，所提出的制造的高频天线阵列在22GHz至31GHz频段上具有优于-10dB的良好反射系数。并置拓扑中的高频天线阵列的元件之间的测量的互耦被示出在图9中。如图所示，所提出的天线阵列在整个操作带宽中具有优于-13dB的非常好的互耦。应该指出的是，在28GHz下，互耦优于-16dB。如图所示，测量出的结果基本上与仿真出的结果很好地吻合。
双波段低频天线的仿真的散射参数和测量散射参数被呈现在图10中。所提出的天线在覆盖4G LTE中的一些实用波段的750MHz至960MHz和1.7GHz至2.2GHz的范围内具有良好的阻抗带宽，优于-6dB。在仿真和测量结果之间有很好的一致性。低频天线增益和总效率被示出在图11中。如图11中所示的总天线效率在最好的情况下优于75％并且其在整个频段中总体上优于50％。如图11中所示的天线增益在750MHz至960MHz和1.7GHz至2.2GHz频段中分别大于0.35dBi和3.6dBi。
正如前面提到的在消声室中进一步测量天线辐射方向图。已经在大消声室中逐个测量了高频天线元件的3D辐射方向图。已经利用了22GHz至31GHz的良好角精度在消声室中测量了3D天线辐射方向图。在26GHz、28GHz和30GHz下在H平面处测量出和仿真出的天线辐射方向图被分别示出在图12A、图12B和图12C中。如图所示，天线辐射方向图在H平面中具有导致宽扫描覆盖范围的宽波束宽度的辐射方向图。在测量每个元件的辐射方向图之后，已经利用三个宽带40GHz组合器的组合对阵列的四个折叠双极元件的总辐射方向图进行了测量。利用组合器测量出的所提出阵列的辐射方向图已经被示出在图13A至图13C中。如图所示，22GHz至31GHz的辐射方向图的仿真出的结果和测量出的结果之间有良好的一致性。
具有不同定相的并置高频四元件天线阵列的辐射方向图的组合被示出在图14中。所提出的高频天线阵列在H平面中具有覆盖±50度的较宽扫描角度。在具有添加栅带的并置拓扑中，天线辐射方向图保持完全端射，并且在大扫描角度中，该方向图保持端射。如果希望在较大的扫描角度上进行扫描，则主元件具有可以在较大角度上进行扫描的此类能力，尽管在这种情况下可能会增加高频元件的数量。
在图14中已经呈现了天线在不同方向上的总扫描样式。如图所示，所提出的具有仅四个折叠双极元件的并置高频天线在空间(一般标记为300)中具有覆盖非常大的区域的总扫描样式，具有极高的增益。例如，该天线在空间中大于一半的覆盖区域内具有大于7dBi的增益。在图15中示出了覆盖效率辐射方向图概念。
本主题可以以不脱离其精神和实质特征的其他形式来体现。所描述的实施例因此在所有方面都被视为说明性而非限制性的。尽管已经根据某些优选实施例描述了本主题，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其他实施例也在本主题的范围内。

Claims (12)

1.一种天线阵列，包括：
至少一个第一天线元件；
第二天线元件，其与所述第一天线元件间隔开；以及
多个栅带，其被定位在所述至少一个第一天线元件与所述第二天线元件之间，所述多个栅带以定义的间距彼此间隔开；
其中所述第一天线元件被配置为以第一频率进行辐射，并且所述至少一个第二天线元件被配置为以低于所述第一频率的第二频率进行辐射；并且
其中所述多个栅带被配置成使得来自所述至少一个第一天线元件的信号波传播通过所述第二天线元件。
2.根据权利要求1所述的天线阵列，其中所述至少一个第一天线元件包括至少一个毫米波端射天线元件。
3.根据权利要求1所述的天线阵列，其中，所述第二天线元件包括平面倒F天线元件。
4.根据权利要求1所述的天线阵列，其中，所述至少一个第一天线元件被安装在基底的第一侧上；并且
其中所述第二天线元件和所述多个栅带被安装在与所述第一侧相对的所述基底的第二侧上。
5.根据权利要求1所述的天线阵列，包括被安装在所述基底的所述第二侧上的多个带状反射器，其中所述多个带状反射器被定位和配置成改善所述至少一个第一天线元件的匹配。
6.根据权利要求1所述的天线阵列，其中，所述栅带被配置成选择以下项中的一个或多个来实现所述至少一个第一天线元件的期望端射辐射方向图：所述栅带的间隙宽度、所述栅带之间的间距、以及所述栅带与所述第一天线元件之间的距离。
7.一种用于操作并置天线阵列的方法，所述方法包括：
从至少一个第一天线元件生成信号波；
通过以定义的间距彼此间隔开的多个栅带发射所述信号波的第一部分；以及
通过与所述第一天线元件间隔开的第二天线元件发射所述信号波的所述第一部分的至少第一区段。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述信号波包括毫米波频率范围。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个第一天线元件包括至少一个毫米波端射天线元件。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二天线元件包括平面倒F天线元件。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，通过所述第二天线元件发射所述信号波的所述第一部分的至少第一区段包括调节以下中的一个或多个来实现所述至少一个第一天线元件的期望端射辐射方向图：所述多个栅带的间隙宽度、所述多个栅带中的相邻对之间的间距、以及所述多个栅带与所述第一天线元件之间的距离。
12.根据权利要求7所述的方法，包括通过所述多个栅带反射所述信号波的第二部分；以及
通过所述第二天线元件反射所述信号波的所述第一部分的第二区段；
其中所述信号波的所述第二区段和所述信号波的所述第一部分的所述第二区段是异相的，使得它们互相抵消。
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