CN111541028A - 一种有源天线和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种有源天线及制造方法，解决现有天线成本高、功耗大的问题。一种有源天线，包含：相控阵天线、介质透镜；所述相控阵天线的天线阵列为微带电路，朝向所述介质透镜的一面设有微带振子辐射单元、另一面为金属地，水平方向微带振子数量为8～64、垂直方向微带振子数量为1～8，所述相控阵天线的波束至少在水平方向扫描；所述介质透镜在水平面实现波束锐化。所述方法用于制造所述有源天线。本发明实现了低功耗、低成本的5G通信毫米波相控阵天线。

Description

一种有源天线和制造方法
技术领域
本发明涉及移动通信领域，尤其涉及一种有源天线。
背景技术
随着5G毫米波通信和宽带低轨卫星通信的迅速崛起，毫米波有源天线开始了前所未有的发展，预计未来几年内将主宰市场。毫米波带来了大带宽和高速率，基于Sub-6GHz频段的4G LTE蜂窝系统可用使用的最大带宽是100MHz，数据速率不超过1Gbps；在毫米波频段，移动应用可用使用的最大带宽是400MHz，数据速率高达10Gbps甚至更多。传统基站可容纳两根到八根天线，而5G基站需要在“大规模MIMO”配置中排列64到数百根天线，以便提供必要的数据速率。
在5G通信中，有源相控阵天线的优点是使用微波集成的方法，将移相器、滤波器、衰减器、功放和低噪放等芯片集成，实现了设备的小型化、轻型化，波束指向精度较高和一定的波束旁瓣抑制能力；缺点是相控阵成本高，功耗大
发明内容
本发明提供一种有源天线和制造方法，解决现有天线成本高、功耗大的问题。
本发明实施例提供一种有源天线，包含：相控阵天线、介质透镜；所述相控阵天线的天线阵列为微带电路，朝向所述介质透镜的一面设有微带振子辐射单元、另一面为金属地，水平方向微带振子数量为8～64、垂直方向微带振子数量为1～8，所述相控阵天线的波束至少在水平方向扫描；所述介质透镜在水平面实现波束锐化。
优选地，所述介质透镜具有多层同心圆结构，各层材料的基材为介电常数为1～2的泡沫材料，每层厚度为1～3mm，每层材料表面分布有微扰材料。
优选地，所述介质透镜为介质圆柱透镜或介质球透镜。
优选地，所述相控阵天线的天线阵列为曲面排列的微带电路，曲面与所述介质透镜外表面平行，所述微带振子排列在所述介质透镜外围的等高线上。
优选地，每个微带振子为独立馈电的半波振子，沿水平方向单元间距最大值为0.6～0.65个波长，沿垂直方向单元间距最大值为0.85～0.9个波长。
进一步地，所述相控阵天线采用瓦片式封装结构，微带电路上包含馈电结构，与芯片层相连，芯片层包含CaAs或CaN放大电路、CMOS中频信道处理电路和射频处理电路，天线阵列、射频处理电路与中频信道处理电路封装在一起。
进一步地，还包含：带有介质外壳的安装体；所述相控阵天线的封装结构与所述介质透镜固定在所述安装体内部，通过同轴头馈线引出。
进一步地，所述介质圆柱透镜水平截面具有多层同心圆结构，等效介电常数从中心到表面在2.05～1.05之间渐变。
优选地，所述相控阵天线的天线阵列与所述介质透镜的距离，使天线增益最大。
优选地，所述相控阵天线的天线阵列包含沿圆周方向分布的多个子阵列，每个子阵列朝向透镜的轴心，每个子阵列包含多个微带振子单元。
本发明实施例还提供一种有源天线制造方法，用于制造所述有源天线，包含以下步骤：制造等效介电常数介质层；制造人工介质透镜；有源相控阵天线阵列和有源相控阵天线封装；最大辐射特性调整和整体安装。
本发明有益效果包括：本发明有源天线采用相控阵天线和介质透镜结合的结构设计，介质透镜具有旁瓣和后瓣小、方向图好的优点，相控阵天线波束指向精度高并有一定的波束旁瓣抑制能力，本发明有源天线通过相控阵天线形成的波束可通过介质透镜辐射出去，使得水平面辐射方向图锐化，可减少相控阵水平方向振子数量、降低功耗；另外，传统相控阵天线在±60°时增益会下降5dB左右，本发明有源天线可以在±60°角域天线阵列增益提升3dB左右，这样就可以确保在扫描角域内阵列增益不变的情况下，阵列规模可以减少一半；本发明有源天线与传统相控阵天线相比，在相同增益情况下，垂直方向振子数量减少。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为一种有源天线实施例；
图2为一种人造介质圆柱透镜结构实施例；
图3(a)为一种相控阵天线实施例的天线阵列；
图3(b)为一种相控阵天线实施例的天线子阵列；
图4为一种相控阵天线控制电路实施例；
图5为一种相控阵天线封装结构实施例；
图6为一种有源天线制造方法。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明创新点如下：本发明将传统相控阵天线与介质透镜组合运用，相控阵天线轴向分布，通过介质透镜使水平面辐射方向图锐化，减少相控阵天线水平方向振子数量、降低功耗。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
图1为一种有源天线实施例，可用于5G通信的毫米波天线，作为本发明实施例，一种有源天线，包含：相控阵天线1、介质透镜2、安装体3，所述相控阵天线包含天线阵列11。
所述相控阵天线的天线阵列为微带电路，朝向所述介质透镜的一面设有微带振子辐射单元、另一面为金属地，水平方向微带振子数量为8～64、垂直方向微带振子数量为1～8，所述相控阵天线的波束至少在水平方向扫描。
需要说明的是，所述相控阵天线可以为仅在水平方向扫描的一维相控阵天线，所述相控阵天线还可以为在水平方向、垂直方向均扫描的二维相控阵天线，水平方向扫描范围不小于120°。
在本发明实施例中，所述介质透镜用于在水平面实现波束锐化，需要说明的是，当所述介质透镜为介质球或圆柱透镜时也可在垂直面实现波束锐化。
由微带振子的具体结构不同，可以实现水平极化、垂直极化、交叉极化电磁波辐射和接收。
本发明为毫米波天线，采用相控阵天线和介质透镜组合的结构形式，介质透镜具有下列优点：旁瓣和后瓣小，因而方向图较好，在本发明申请中，介质透镜的作用是在水平方向(与透镜轴垂直的方向)形成锐形波束。
介质透镜是一种能透镜通过电磁波而其折射系数不等于1的三维结构，点源或线源发出的球面波或柱面波经过透镜可以变换成平面波，从而得到笔形或扇形波束。透镜的折射系数可能是位置的函数。
透镜的形状决定其口面场分布，透镜可以用折射系数nz大于1的自然介质制成，也可以是由金属栅网或金属片等组成的人工介质结构(nz>1或nz<1)，nz＝c/(vφ)，式中c为光速，vφ为介质中的相速。
例如，所述介质透镜为介质球透镜，所述折射系数随半径变化的函数为：
Figure BDA0002492369690000041
其中，nz为所述折射系数，R为介质球的半径大小，r为球心到射线的径向间距，C为设定的系数。
再例如，在本发明实施例中所述介质透镜为介质圆柱透镜，具有多层同心圆结构，所述相控阵天线为柱面共形相控阵天线，且所述相控阵天线与所述介质透镜共焦面，即所述相控阵天线的中心位于所述介质透镜的焦平面处，可使有源天线的增益最大。
优选地，所述相控阵天线的天线阵列为曲面排列的微带电路，曲面与所述介质透镜外表面平行，即微带振子排列在介质透镜外围的等高线上，所述相控阵天线的天线阵列的每个振子单元上的任何一点与所述介质透镜外表面之间的距离相等。
需要说明的是，所述相控阵天线不限于曲面共形，也可以是平面相控阵天线，这里不做特别限定。
进一步地，所述相控阵天线的天线阵列位于所述介质透镜的焦平面处，此时天线阵列与所述介质透镜的距离，使天线增益最大可以使本发明有源天线的增益最大。
在本发明实施例中，所述相控阵天线的封装结构18与所述介质透镜固定在安装体内部，通过同轴头馈线14引出，所述安装体包含介质外壳和泡沫塑料内胆，例如聚甲基丙烯酰亚胺。需要说明的是，所述安装体也可以其他方式固定所述介质透镜和所述相控阵天线的天线阵列的位置。
在本发明实施例中，所述介质透镜介质圆柱透镜，直径约为40cm，高度约为30cm，所述相控阵天线的天线阵列表面与所述介质透镜圆柱面之间的距离约为8cm。
需要说明的是，本申请文件中，“约为”是在本数基础上±10％的范围，因此，所述介质透镜的直径为36cm～44cm，高度为27cm～33cm，所述相控阵天线的天线阵列表面与所述介质透镜圆柱面之间的距离为7.2cm～8.8cm。
本发明实施例实现的有源天线可以达到如下技术指标：频率范围Ka波段，振子单元数4垂直×8水平＝32，EIRP≥50dBmi，扫描角+/-60deg，波束宽度13deg(法向)，副瓣电平<-15dB，波束形成时间8us，接口Ethernet(以太网)、RS232；电源接口Single24VDC(<20W)。
对本发明实施例实现的有源天线进行实验，实验表明，经典的微带相控阵天线在大扫描角±60°时增益会下降5dB左右，采用本发明方向图可重构天线作为有源相控阵天线的辐射单元，可以在±60°角域天线阵列增益提升3dB左右，这样就可以确保在扫描角域内阵列增益不变的情况下，阵列规模可以减少一半。
图2为一种人造介质圆柱透镜结构实施例，可用于本发明有源天线的介质透镜，包含介质层21、微扰材料22。
在本发明实施例中，所述介质透镜为介质圆柱透镜，所述介质透镜由层结构制成，基材为介电常数在1～2之间的泡沫材料，优选为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯，基材为分层介质，在每层材料表面分布有微扰材料，例如，石墨或陶瓷颗粒。
当所述介质透镜为介质圆柱透镜时，水平截面具有多层同心圆结构，包含n个等效介电常数不同的同心层，中心圆柱层为第1层，围绕中心圆柱层一次向外套叠排列第2至第n层，各同心层被装配成一个多层圆柱体，n个同心层的等效介电常数从第1层至第n层渐变，例如在2.05～1.05之间渐变。
需要说明的是，本发明申请文件中的介电常数均为相对介电常数。
图2包含人造介质圆柱透镜纵向剖面示意图，放大部分显示，微扰材料分布在各层表面，当第i层的基材和第j层的基材相同时，第i层的微扰材料分布密度≥第j层的微扰材料分布密度，其中i<j。
本发明实施例提出了一种多层同心圆结构的介质透镜，当使用介质圆柱透镜，轴向垂直，作用是在水平方向(与透镜轴向垂直的方向)形成锐形波束，形成的波束旁瓣和后瓣小。
图3(a)为一种相控阵天线实施例的天线阵列，图3(b)为一种相控阵天线实施例的天线子阵列，可用于本发明有源天线的相控阵天线。
在图3(a)的相控阵天线的天线阵列中，天线阵列11，包含：微带振子15、馈电结构16。
在本发明实施例中，微带电路朝向透镜的一面设置有辐射单元，另一面为金属地，微带电路上包含馈电结构，与芯片层10相连，芯片层内设有相控阵天线的控制电路，包含有射频处理电路、中频信道处理电路。
在图3(b)的相控阵天线的天线阵列中，天线阵列包含多个天线子阵列17，每个天线子阵列包含：微带振子15、馈电结构16。
在本发明实施例中，若所述相控阵天线为柱面共形的结构形式，则天线阵列的多个子阵列沿圆周方向分布，每一个子阵列朝向透镜的轴心，每个天线子阵列包含多个微带振子单元，当一个天线阵列包含多个天线子阵列时，多个天线子阵列横向排列，子阵列横向排列的形式可以使相控阵天线在水平方向实现波束扫描。
在本发明实施例中，当天线阵列或天线子阵列由平面微带电路构成，平面微带电路与柱面相切，所述天线阵列包含多列微带振子，天线子阵列包含一列或多列微带振子。
最佳地，每个振子为独立馈电的半波振子。
当相控阵天线的微带天线阵列或子阵列为平面时，在5G系统毫米波频段，横向单元间距W最大值为0.55个波长，纵向单元间距H最大值为0.8个波长。本申请中所包含的相控阵天线的曲面微带天线阵列，在5G系统毫米波频段，横向单元间距W最大值为0.6～0.65个波长，纵向单元间距H最大值为0.85～0.9个波长。
本发明实施例提出了一种相控阵天线的天线阵列排布形式，可以为图3(a)中，每个微带振子单元单独受控，也可以如图3(b)中，多个微带振子单元形成一个天线子阵，每个子阵单独受控，柱面共形相控阵天线不仅具备相控阵天线精度高、扫描快的优势，柱面共形的形式还可以增大天线有效口径，有效利用体积空间。
图4为一种相控阵天线控制电路实施例，可用于本发明相控阵天线的控制电路，典型的有源相控阵天线主要包括天线阵面、TR组件、馈电网络、波控器、电源、信号调制器以及结构件如含散热装置等，作为本发明实施例，所述相控阵天线，包含：天线阵列或天线子阵列、射频处理电路12、中频信道处理电路13、数字处理电路14。
当所述相控阵天线向外辐射信号时，所述数字处理电路，用于产生所述控制电路的参考时钟信号和模拟基带信号；所述中频信道处理电路，用于接收所述模拟基带信号，上变频后输出射频发射信号；所述射频处理电路，用于接收所述射频发射信号，根据预设的波束指向角实现波控解算，并将所述射频发射信号根据波控解算结果放大后输出给所述天线阵列或天线子阵列。
当所述相控阵天线接收空间回波信号时，所述射频处理电路，用于在预设的波束指向角上接收所述空间回波信号，放大后输出射频回波信号；所述中频信道处理电路，用于，接收所述射频回波信号，与接收本振信号进行混频、放大、滤波，输出模拟回波信号；接收基带本振信号，上变频后输出所述接收本振信号；所述数字处理电路，用于，产生基带本振信号，产生参考时钟信号发送给所述中频信道处理电路；接收所述模拟回波信号，模数转换后实现数字信号处理。
具体地，本发明实施例提供了典型的数字阵列相控阵天线的设计框图，它包含阵列天线、射频处理电路、中频信道处理电路、数字处理电路，所述射频处理电路包含有多个数字TR组件，构成多功能芯片组件，每个多功能芯片包含开关、功放、低噪放。直接数字综合器(DDS)输入信号主要包括频率、相位、幅度3个二进制形式的控制信号，以及一个参考时钟信号。
发射时，由DDS产生的数字基带信号经数模转换器(DAC)变成模拟信号，经上变频器后产生相控阵天线的发射激励信号，再经数字TR组件的功率放大器传送到天线单元，最后由各天线单元的辐射信号在空间合成所需的发射方向图。
接收时，DDS产生基带本振信号，经DAC和上变频器后变为接收本振信号，与数字TR组件的低噪声放大器接收的天线单元的射频信号进行混频，获得中频信号，再经中频放大器、滤波器、模数转换器(ADC)变换，获得模拟回波信号，最后通过数字波束形成(DBF)传到用户终端。
波控器核心器件是FPGA，其主要功能是将终端控制命令计算成控制TR组件内移相器的电平，并生成移相码，从而改变天线阵面信号相位因子，完成有源相控阵天线的波束快速扫描，此外波控器还可以具有电源分发的功能，从而实现给TR组件内的芯片供电。
图5为一种相控阵天线封装结构实施例，可用于本发明有源天线的相控阵天线封装。
本发明实施例中，所述相控阵天线采用瓦片式封装结构，微带电路上包含馈电结构，与芯片层相连，芯片层包含CaAs或CaN放大电路、CMOS中频信道处理电路和射频处理电路，天线阵列或子阵列、射频处理电路与中频信道处理电路封装在一起。
瓦式技术可以大幅减少印制电路板和连接器的数量，并能通过大规模微波制造技术和封装工艺使有源相控阵天线成本降低，甚至可以做到只有砖式电路布局设计技术的1/5。
在本发明实施例中，射频处理模块采用硅基工艺设计，砷化镓或氮化镓放大芯片作为末级放大。
通过硅基工艺(CMOS)将设计成本降得更低，CMOS工艺可以在同一芯片上集成模拟电路、数字电路和射频电路等功能模块，为提高CMOS输出功率、降低接收通道噪声，采用砷化镓或氮化镓放大芯片作为末级放大，以提高有源相控阵天线的发射功率或接收能力。
例如，在本发明实施例中，通过多功能芯片组件集成功率放大器、低噪声放大器、射频开关、移相器，以及数字控制电路等，从而达到减少有源相控阵天线的芯片数目、互连工序与连线，以及减少芯片电路面积和简化芯片外围电路的目的，同时通过采用硅基异构集成工艺，将多个通道集成在一块晶圆级芯片上，提高了TR组件的集成度和综合性能，大幅降低有源相控阵天线的成本。
在本发明实施例中，还可采用片上系统(SOC)和和系统级封装(SOP)技术实现相控阵天线的结构简化设计，减少多重封装、接口、连接电缆和结构装配，减少了材料消耗，降低成本。
本发明实施例提供了一种瓦片式结构封装的相控阵天线，具有体积小的优势。
图6给出了有源天线制作方法的流程图。
本申请实施例还包含一种制造人工介质透镜和有源天线的方法，包含以下步骤：
步骤100、制造等效介电常数介质层(或介质体)；
如图3所示实施例，用基材制备介质层，将微扰材料均匀分布在厚度1～3mm介质层，测试等效介电常数。将多层均匀分布有微扰材料的介质层叠置为介质体，测试等效介电常数。根据所需要的介电常数值，确定微扰材料的分布密度。所述微扰材料优选陶瓷和石墨颗粒，使用金属物会劣化性能。
步骤200、制造人工介质透镜，例如介质球或介质圆柱透镜；
如图2所示实施例，根据所需要的介电常数分布，布置介质体内微扰材料分布密度，将步骤100所得介质体分层粘合，使其中包含满足所需要的介电常数分布的介质球或介质圆柱透镜。
步骤300、有源相控阵天线阵列和有源相控阵天线封装；
如图4～5所示实施例，将有源相控阵天线阵列或子阵列，与芯片层组成一个封装体。
步骤400、最大辐射特性调整和整体安装。
如图1所示实施例，调整天线阵列或每一个子阵列与人工介质透镜的位置关系，使辐射增益最大。调整性相对位置关系，还可以使辐射方向图方向下倾。
如图1所示实施例，将所述封装体和所述人工介质透镜固定在一带介质壳安装体内。
本发明实施例提供的有源天线制造方法，可用于制造本发明中的5G毫米波相控阵天线，具有低功耗、低成本的优势。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种有源天线，其特征在于，包含：相控阵天线、介质透镜；
所述相控阵天线的天线阵列为微带电路，朝向所述介质透镜的一面设有微带振子辐射单元、另一面为金属地，水平方向微带振子数量为8～64、垂直方向微带振子数量为1～8，所述相控阵天线的波束至少在水平方向扫描；
所述介质透镜在水平面实现波束锐化。
2.如权利要求1所述的有源天线，其特征在于，所述介质透镜具有多层同心圆结构，各层材料的基材为介电常数为1～2的泡沫材料，每层厚度为1～3mm，每层材料表面分布有微扰材料。
3.如权利要求1所述的有源天线，其特征在于，所述介质透镜为介质圆柱透镜或介质球透镜。
4.如权利要求1所述的有源天线，其特征在于，所述相控阵天线的天线阵列为曲面排列的微带电路，曲面与所述介质透镜外表面平行，所述微带振子排列在所述介质透镜外围的等高线上。
5.如权利要求1所述的有源天线，其特征在于，每个微带振子为独立馈电的半波振子，沿水平方向单元间距最大值为0.6～0.65个波长，沿垂直方向单元间距最大值为0.85～0.9个波长。
6.如权利要求1所述的有源天线，其特征在于，所述相控阵天线采用瓦片式封装结构，微带电路上包含馈电结构，与芯片层相连，芯片层包含CaAs或CaN放大电路、CMOS中频信道处理电路和射频处理电路，天线阵列、射频处理电路与中频信道处理电路封装在一起。
7.如权利要求1所述的有源天线，其特征在于，还包含：带有介质外壳的安装体；
所述相控阵天线的封装结构与所述介质透镜固定在所述安装体内部，通过同轴头馈线引出。
8.如权利要求3所述的有源天线，其特征在于，所述介质圆柱透镜水平截面具有多层同心圆结构，等效介电常数从中心到表面在2.05～1.05之间渐变。
9.如权利要求2所述的有源天线，其特征在于，所述相控阵天线的天线阵列与所述介质透镜的距离，使天线增益最大。
10.如权利要求3所述的有源天线，其特征在于，所述相控阵天线的天线阵列包含沿圆周方向分布的多个子阵列，每个子阵列朝向透镜的轴心，每个子阵列包含多个微带振子单元。
11.一种有源天线制造方法，用于制造权利要求1～10任一项所述有源天线，其特征在于，包含以下步骤：
制造等效介电常数介质层；制造人工介质透镜；有源相控阵天线阵列和有源相控阵天线封装；最大辐射特性调整和整体安装。
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