CN113273033A - 具有固定馈电天线的相控阵列天线系统 - Google Patents

Abstract

根据本发明的示例方面，提供一种用于具有固定馈电天线的发射阵列天线系统的天线阵列，其包括用于从固定馈电天线接收第一信号的内辐射表面、用于从天线阵列发射第二信号的外辐射表面以及用于电连接设置在内辐射表面与外辐射表面之间的射频RF组件的平台，该平台具有用于可操作地连接内辐射表面与外辐射表面的移相器。

Description

具有固定馈电天线的相控阵列天线系统

技术领域

本发明实施例总体上涉及无线通信系统以及用于发射和/或接收的多个天线的用途。

背景技术

天线阵列包括用于发射或接收无线电波的多个天线。在天线阵列中，多个天线被连接并布置为使得各天线协作使用以便在一次工作中基本上充当单个的发射器或接收器。通常，与利用单个天线进行发射或接收相比，天线阵列可以用于通过采用更窄的无线电波束而实现更高的增益。天线阵列还可以用于例如通过利用具有不同特性的两个或更多个无线通信信道来提高可靠性，以及减轻来自某些方向的干扰。

在无线通信领域中，波束成形通常是指使用天线阵列来导向无线电信号的发射或接收。可以通过修改每个天线处的信号的相位和幅度来控制发射或接收的方向，以提高单个数据信号的发射性能或接收性能。

采用毫米波是用于提高无线通信系统性能的一个方面，因为它能够使用附加频谱。使用更高的频率也使得构建包括有更多天线的天线阵列变得可行，这可以用来增强可达到的增益。可达到的增益至少部分地取决于所使用的天线阵列。在某些应用中，还希望具有较大的波束转向角范围。因此，需要一种用于天线系统的能实现高增益和大波束转向角的模块。

发明内容

根据一些方面，提供了独立权利要求的主题。一些实施例则参阅从属权利要求中的限定。

根据本发明的一方面，一种用于具有固定馈电天线的发射阵列天线系统的天线阵列包括用于从固定馈电天线接收第一信号的内辐射表面、用于从天线阵列发射第二信号的外辐射表面以及用于电连接设置在内辐射表面与外辐射表面之间的射频(RF)组件的平台，所述平台具有用于可操作地连接内辐射表面与外辐射表面的移相器。

在一些实施例中，所述天线阵列可以包括至少两个单位单元，其中每个单位单元可以包括天线阵列的内辐射表面上的第一天线元件和天线阵列的外部辐射表面上的第二天线元件，并且所述平台可以布置为连接至少两个单位单元并且定位于第一天线元件与第二天线元件之间，其中所述平台包括用于每个单位单元的移相器。另外，在一些实施例中，天线元件可以是波导天线元件，能填充有介电材料。

在一些实施例中，所述天线阵列的尺寸可以为m列和n行，并且m可以等于n，所述天线阵列进一步包括m×n个单位单元，m个用于电连接RF组件的平台，其中每个平台可以包括n个移相器；每个平台可以布置为连接每列的n个单位单元或每行的m个单位单元。而且，在一些实施例中，m个平台可以布置为使得m个平台中的两个相邻平台之间的距离至少是天线阵列的半波长。在一些实施例中，天线阵列可以包括吸收材料，用于填充m个平台中的两个平台之间的间隙。在一些实施例中，第一端射辐射器可以连接到每个移相器的第一端，第二端射辐射器可以连接到每个移相器的第二端。

在一些实施例中，所述平台可以与内辐射表面和外辐射表面等距地定位于单位单元的列或行的大约中间。替代地或附加地，在一些实施例中，所述平台可以从天线阵列的一端延伸到天线阵列的相对端。

在一些实施例中，移相器可以是矢量调制器型移相器，如单片微波集成电路(MMIC)。而且，在一些实施例中，发射和/或接收放大器可以集成在MMIC中。

在一些实施例中，所述平台可以相对于天线阵列的内辐射表面和外辐射表面的孔垂直地定位。

在一些实施例中，所述天线阵列可以进一步包括连接到所述平台的用于偏置电压和控制信号的至少一个连接器。替代地或附加地，在一些实施例中，所述平台可以布置为经由内辐射表面从固定馈电天线接收第一信号，并且经由第一传输线将接收到的第一信号传输到移相器，其中移相器可以布置为对接收到的第一信号进行相移并调整其幅度以生成第二信号，并经由第二传输线将第二信号传输到外辐射表面，并经由外辐射表面将第二信号发射到自由空间。

在一些实施例中，所述平台包括印刷电路板、低温共烧陶瓷、薄膜基底、片上天线技术或氧化铝。

附图说明

图1示出根据本发明至少一些实施例的天线系统；

图2示出根据本发明至少一些实施例的天线系统的第一天线阵列；

图3示出根据本发明至少一些实施例的天线阵列的子阵列；

图4示出根据本发明至少一些实施例的天线阵列的模块化机械结构；

图5示出发射阵列的一个单位单元的垂直截面；

图6示出根据本发明至少一些实施例的天线阵列的模块；

图7示出根据本发明至少一些实施例的波导至微带过渡部；

图8示出根据本发明至少一些实施例的两个单位单元的俯视图；

图9示出根据本发明至少一些实施例的天线系统的第二天线阵列；以及

图10示出根据本发明至少一些实施例的使用平面渐变开槽天线的天线阵列的一列。

具体实施方式

对附加频谱的需求不断增加，因此期望在无线通信中使用更高的毫米波频率。在例如5G网络的背景下会考虑这种频率，并且未来的蜂窝网络也会考虑这种频率。然而，本发明的实施例不限于蜂窝网络，而是能够采用到任何使用天线阵列的系统中。毫米波频率可用于无线设备之间的各种传输，包括无线电接入连接和回程连接。本发明提出的天线技术方案至少还适用于要求高增益和大波束转向角范围的军事通信和雷达系统。

例如，无线回程连接通常要求高增益天线以实现所需的信噪比。在某些应用中，可能要求30-44dBi的天线增益。在此要求之上，天线的波束转向范围应当尽可能最大。例如网状回程网络的某些应用可能要求宽的波束转向角，例如至少+/-30度。

一些现有技术方案可能能够提供高增益，但是由于有限的转向范围而不能提供宽的波束转向角，这将只能对天线波束的方向进行微调。另一方面，一些其他现有技术方案可能能够提供宽的波束转向角，但是由于复杂天线阵列馈电网络中的高线损耗缺而不能提供高增益，这限制了天线的最大增益。因此，需要一种既能提供高增益又能提供宽波束转向角的天线系统。

本发明的实施例涉及一种新颖的发射阵列天线概念，其实现了高增益和大波束转向角范围。发射阵列可以通过固定波束天线(例如，喇叭天线)进行馈电。发射阵列可以包括两个辐射表面(内辐射表面和外辐射表面)。辐射表面可以包括端射型辐射器。在本发明的一些实施例中，开口式波导可为优选。然而，在本发明的一些实施例中，例如偶极子、八木和Vivaldi的其他端射元件可为优选。

天线阵列可以包括至少一个印刷电路板(PCB)。在本发明的一些实施例中，天线阵列的内辐射表面和外辐射表面可以通过至少一个PCB彼此连接。至少一个PCB可以垂直于两个辐射表面定位。通常，PCB的数量可以等于天线阵列的列数或行数，这取决于PCB是在阵列天线中垂直还是水平设置。

至少一个PCB可称为用于电连接射频(RF)组件的平台。在一些实施例中，至少一个PCB可以设置在内辐射表面与外辐射表面之间。至少一个PCB(即平台)可以定位于单位单元的某列或某行的大约中间，与内辐射表面和外辐射表面等距。也就是说，至少一个PCB可以定位于天线阵列内，使得从内辐射表面到至少一个PCB的距离与从外辐射表面到至少一个PCB的距离相同。

在本发明的一些实施例中，一个PCB可以连接天线阵列的某列或某行的各个单位单元。而且，PCB可以包括一个移相器，并且可能针对每个单位单元包括一个放大器。在一些实施例中，移相器可以是矢量调制器型移相器，并且它可用于提供对信号的相位和幅度的连续控制。此外，在一些实施例中，放大器可以是功率放大器兼低噪声放大器式(PALNA)放大器，其可以与矢量调制器一起使用以使用相同的天线阵列来实现双向操作(接收和发射)。

可以通过空间馈电技术来照射发射阵列的内辐射表面，并由此天线阵列的馈电网络不会对天线阵列的尺寸设置任何限制。因此，非常高的天线增益是可行的。另一方面，在发射阵列的外辐射表面上的每个天线元件的幅度和相位可以在该元件的输入端处进行控制。因此，天线波束的方向可被转向，并且所达到的波束转向角范围可以等同于相控阵列天线。

总之，发射阵列天线的操作可以简要地解释如下。例如，由聚焦馈源辐射的球面波可以照射发射阵列的内辐射元件。在一些实施例中，借助于移相器和单位单元，接收到的波可转换成从外部辐射元件向期望方向辐射的平面波。在一些实施例中，天线阵列的一个单位单元可以包括一个接收天线元件、移相器和相应的发射天线元件。如果发射阵列天线包括用于波束转向的移相器和放大器，则可称为有源。

图1示出了根据本发明的至少一些实施例的天线系统。天线系统110可以包括固定馈电天线120和发射阵列天线130。固定馈电天线120可以例如是馈电喇叭或固定波束天线阵列。天线120的位置可以固定，即固定馈电天线120在操作期间不会移动或不能移动。天线阵列130可以包括具有集成移相器还可能具有放大器的波导发射阵列。然而，在本发明的一些实施例中，也可能包括其他类型的端射天线。

在图1中，a表示固定馈电天线120与天线阵列130的内孔(即内辐射表面)之间的距离，b表示从天线阵列130的内孔到天线阵列130的外孔(即外辐射表面)的发射阵列130的厚度，并且c表示天线阵列130的宽度。通常，c在x和y方向上相同。通常，a由焦距F表示，而c由D表示，发射阵列的几何形状由F/D比率来表示，其中D可以是天线阵列孔的直径。例如，在E波段(频率从60GHz到90GHz)工作的发射阵列的典型尺寸a可以介于30-100mm，b为5-20mm并且c为20-150mm。天线阵列130的20mm的宽度c可以对应于8×8个单位单元的发射阵列，而150mm的宽度可以对应于60×60个元素的发射阵列。

天线系统110的馈电系统可考虑成空间馈电技术，因为所发射的信号在自由空间中传播并且在特征和行为上类似于光。这种馈电技术不会遭受像平面天线阵列馈电网络那样在毫米波频率下尤为明显的馈线损耗。因此，当实施大型天线阵列时，可以避免馈电系统中巨大且不断变化的损耗。因此，可以减少与复杂且有损馈电网络所负担的阵列尺寸有关的限制。

图2示出根据本发明至少一些实施例的天线系统的第一天线阵列。图2的示例呈现了具有8×8个单位单元220的发射阵列210，即在x轴上有8个单位单元220，在y轴上有8个单位单元220。在一些实施例中，x轴和y轴的长度可以是20mm，其中x轴对应于图1中的参数c。在这种情况下，单位单元220的宽度x2和长度y2将是2.5mm。发射阵列210的示例包括以8×8矩阵形式安装的64个开口式方形单位单元。单位单元的一端形成内天线阵列(即靠近馈电天线的内辐射表面)，另一端形成外天线阵列(即远离馈电天线的外辐射表面)。

在图2中，虚线230展示了鳍线基底印刷电路板(PCB)，其垂直设置在发射阵列210的每一列中。换句话说，一个PCB可以连接天线阵列210的一列中的所有单位单元220。在一些实施例中，PCB可以垂直地设置到单位单元220的中间或大约中间。PCB可以定位成与天线阵列的内辐射表面和外辐射表面等距。也就是说，PCB230可以在纵向方向上定位于单位单元220的大约中间。单位单元220也可称为方形波导或开口式波导。

两个PCB230之间的距离x3可以等于单位单元220的宽度x2。因此，作为示例，如果单位单元220的宽度x2是2.5mm，则两个PCB 230之间的距离x3也可以是2.5mm。在计算中可以考虑金属波导壁的厚度。

通常，垂直是指在由列限定的方向上，即列中的元件彼此堆叠的方向。一个PCB可以将一列或一行的所有内辐射元件和外辐射元件相互连接。因此，图2示出一个PCB垂直地连接各单位单元的实施例。然而，在一些实施例中，一个PCB可以水平设置以连接一行中的内辐射元件和外辐射元件。

图3示出根据本发明的至少一些实施例的天线阵列的子阵列。更具体地，图3示出图2的天线阵列210的子阵列。图中示出四个单位单元的子阵列。图3的单位单元可以对应于图2的单位单元220。单位单元可以是三维的。图3中的参数x2和y2与图2中的参数相同，而参数b对应于图1中的天线阵列130的厚度，也可以称为从天线阵列的内孔延伸到外孔的波导部分的长度。参数d表示波导壁的厚度。

作为示例，如果单位单元的间隔是2.5mm(即，如果x2和y2是2.5mm)，则d可以是0.2mm，x3(即波导的内尺寸)可以是2.30mm，并且b可以是16mm。在本发明的至少一些实施例中，可以将鳍线PCB(图3中未示出)垂直地设置在方形波导的中间或大致中间。通常，鳍线PCB可以称为与天线阵列的内孔和外孔等距地设置在矩形波导的中间处的PCB。该PCB可以设置在例如E(电场)平面的中间。

在一些实施例中，如果考虑例如71-76GHz的频率范围(其中71GHz等于所用波导尺寸的截止频率乘以1.09或大约1.09)，则可以使用如下的元件间隔-波长比。在71GHz的情况下，单位单元间隔/波长可以是0.59。在73.5GHz的情况下，间隔/波长可以是0.61。在76GHz的情况下，间隔/波长可以是0.63。通过使用乘数1.09或大约1.09，可以确保单位单元充分工作在波导的截止频率以上以避免损耗，但另一方面，可以保持使相邻单位单元的间隔接近一半波长，以允许宽角度波束转向。

根据一些实施例，通过工作在更接近截止频率处可以减小单位单元的间隔。替代地或附加地，可以通过使用介电波导来减小单位单元的间隔。也就是说，发射阵列的单位单元可以完全或仅部分填充有介电材料。

图4示出根据本发明的至少一些实施例的天线阵列的模块化机械结构。天线阵列(例如图1中的天线阵列130)可以具有包括一定数量的三个基本部分的模块化结构，该三个基本部分包括两个金属块和一个印刷电路板。例如，铝可以是用于块的合适金属。从制造和产品多样性的角度来看，这样的模块化结构是有利的，能够例如针对不同的天线增益类别来实现有效制造。

再次参照图4，示出任何包括m×n个元件的天线阵列可能必需的两个第一元件410(以方格图案示出)，其中m是天线阵列的列数，n是行数。第一元件410可以形成波导天线阵列的端部或侧面。此外，可能需要至少一个第二元件420，其以黑色示出。对于任何包括m列的天线阵列，所需的第二元件420的数量为m-1。

另外，每一列可以有一个印刷电路板430，该印刷电路板优选地定位于每一列的中间或大约中间，可布置为连接和支撑发射阵列的一列中的所有单位单元。印刷电路板430可以定位于与天线阵列的内辐射表面和外辐射表面等距的单位单元的中间或大约中间。波导/单位单元可以在波导/单位单元的中间分成两部分，因为没有电流流过波导/单位单元的纵向中心线。对于任何包括m列的天线阵列而言，所需的PCB430的数量可以是m。PCB430可以安装在第一元件410与第二元件420之间。

图5示出发射阵列的一个单位单元的垂直截面。单位单元也可以称为发射阵列的波导部分。在单位单元的两端可以有开口式方形波导，用作辐射元件。一端510可以用作发射阵列的内表面上的辐射器，而另一端550可以用作发射阵列的外表面上的辐射器。在结构中间(即与天线阵列的内辐射表面和外辐射表面等距处)可以有垂直的鳍线型PCB。术语“鳍线”指的是设置在波导内部、例如垂直于波导中间的PCB。

PCB可以包括波导至传输线过渡部510和550、PCB上的传输线520和540以及移相器530，例如单片微波集成电路(MMIC)。块510可以将从固定天线馈源接收的信号从波导模式转换为传输线模式。分别地，块550可以将要发射的信号从传输线模式转换为波导模式。元件510和550可以是相同的。同样，取决于移相器530的特性，元件520和540也可以是相同的。从波导至传输线过渡部的结构可以根据使用何种类型的传输线(即，共面波导、接地共面波导或微带线)而变化。共面波导(CPW)可适合于倒装芯片焊接，而微带适合于移相器530的线焊接组装。

PCB中间的移相器530可以连接到传输线520和540的焊盘。毫米波信号，即第一信号，可以首先通过波导过渡部510从内辐射表面耦接到内部传输线520，然后再传播到移相器530。可以通过执行适当的相移和幅度调整来生成第二信号。第二信号可以通过外传输线540和过渡部550传播到外辐射波导元件，即辐射表面。

移相器530可以是矢量调制器类型的移相器，并且可以通过使用例如倒装芯片焊接组装在PCB上。矢量调制器芯片可以包括附加的放大器，以提高发射时的输出功率或降低接收时的噪声系数。

移相器530可以通过第一传输线520接收第一信号，移相并调整该信号的幅度以生成第二信号。而且，移相器530可以布置为经由第二传输线540发射经相移的第二信号。第二传输线540也可以是GCPW。PCB还可以包括用于过渡经相移的第二信号以使其适合于输出波导的块550。移相器可以是单向的，即它可以发射或接收毫米波信号(即第一信号)。但是，也可以使用具有集成Rx和Tx矢量调制器的PALNA放大器。这使得在接收和发射中使用相同的发射阵列天线成为可能。在一些实施例中，元件510-550可以称为射频(RF)组件。

图6示出包括有8个单位单元620的发射阵列天线的列610。在列610中，每个单位单元620可以包括移相器630。移相器630可以是类似于图5的移相器530的MMIC移相器。天线阵列的列610还可以包括用于有源矢量调制器偏置电压的连接器640。连接器640也可以用于矢量调制器控制信号。

在列610中，一个垂直印刷电路板可以服务于该列620的所有单位单元。也就是说，在图6的示例中，一个印刷电路板可以将内辐射表面上的8个辐射天线元件连接到外辐射表面上的对应的8个辐射天线元件，以形成8个单位单元。在波导发射阵列的情况下，列PCB可以定位于形成列610的垂直堆叠的单位单元的中间或大约中间。PCB可以与内辐射表面和外辐射表面等距地定位于堆叠的单位单元的中间或大约中间。辐射元件指的是波导部分的开口端。一个开口端可以形成内辐射元件，而另一开口端可以形成外辐射元件。

包括有移相器和放大器630的PCB可以连接到连接器640，并布置为通过列610垂直地接收偏置电压和控制信号。可以有一个或多个控制信号连接器，其可以定位于PCB的顶部或底部。移相器因此可以由计算机来控制。

PCB可以设置在例如E平面的中间。通常，E平面平行于波导中的电场矢量的方向。正交H平面包含磁场矢量。附加地或替代地，印刷电路板可以相对于内辐射表面和外辐射表面上的单位单元孔垂直地定位。

替代地或附加地，波导天线元件可以填充有介电材料，即用作天线罩。此外，印刷电路板可以与天线阵列的内表面和外表面等距地定位于阵列单位单元的中间或大约中间。

在本发明的实施例中，发射阵列可以包括可用作单位单元的开口式波导，并且矢量调制器型移相器可以倒装芯片焊接至接地共面波导线(GCPW)。因此，PCB可以包括波导至GCPW线过渡部。可以有多种方式来实施过渡部，但是在本发明的一些实施例中，可以使用两个连续的过渡部。首先是波导至微带过渡部，然后是微带至GCPW线过渡部。波导至微带过渡部可以使用以指数形式渐变的鳍线部分，其终止于短路部。靠近鳍线末端的开口式微带短节可以充当耦合元件。鳍线槽和耦合微带线可以彼此垂直地定位。

图7示出根据本发明至少一些实施例的波导至微带过渡部。波导710可以包括短路部715、微带短节720和鳍线PCB730。

在一些实施例中，印刷电路板可以布置为经由第一开口波导从固定馈电天线接收第一信号，并且经由传输线(例如，GCPW线)将接收到的第一信号传输到移相器，其中移相器可以布置为对接收到的第一信号进行移相并调整其幅度以生成第二信号，然后通过第二传输线(例如，GCPW线)将经相移的第二信号传输到GCPW再到波导过渡部。开口式波导可以充当辐射器。可以对每个辐射波导元件的相移进行调整，使得天线阵列的波束指向某个方向。

图8示出根据本发明的至少一些实施例的两个单位单元的俯视图。金属波导结构(图4中的部分410和420)可以包括垂直位于矢量调制器芯片820的前后的特定加热棒810，以便增强来自移相器(例如，MMIC)的热传递。通常，矢量调制器芯片820可以称为图5的移相器530。

参照图4，加热棒810的两端可以与垂直的PCB430的接地层相接触。加热棒810可以是金属块410和420的整合部分。此外，加热棒810可以与相应的金属块同时制造。在一些实施例中，加热棒810内部可以存在用于液体冷却的管道。例如，水或水与乙二醇的混合物可以用作冷却液体。

可能需要缩小天线系统的高度(图1中的尺寸a)。空间馈电系统的高度可以例如通过药盒型或径向平行板型馈电系统来降低。例如，在药盒型馈电系统中，可以通过馈电喇叭照射抛物面反射器的切片。平行板之间的反射平面波则可以通过狭槽耦合到发射阵列内表面上的天线元件。

同样，在中心馈送式径向平行板馈电系统中，从低圆柱体的中心点径向向外传播的前波可通过狭槽(在圆柱体的顶部)耦合到发射阵列内辐射表面上的天线元件。应当注意，在可以通过发射阵列的矢量调制器补偿馈电系统中出现的幅度和相位变化的意义上讲，本发明支持这些馈电系统的整合。

在本发明的一些实施例中，可以借助于在其间插入有鳍线型PCB的开口式波导来实现有源发射阵列天线。然而，根据本发明的一些实施例，可以存在实现发射阵列的替代方式。

图9示出根据本发明至少一些实施例的天线系统的第二天线阵列。参照图2的天线阵列，形成图9的阵列910的结构中可以省略波导220。在这种情况下，发射阵列可以包括垂直的PCB930，其他们可以彼此间隔至少半个波长距离。在图9中，各PCB 930之间的距离由x4表示。参照图2和图4，PCB 930可以分别对应于PCB 230和430。图9的天线阵列可以包括内辐射表面、外辐射表面和PCB 930。PCB 930可具有可操作地连接内表面与外表面的移相器。而且，PCB 930可以定位成与内辐射表面和外辐射表面大致等距。通常，PCB 930可以称为用于电连接设置在内辐射表面与外辐射表面之间的射频(RF)组件的平台。

原则上，可以在图9的天线阵列中的PCB两端处使用任何类型的端射辐射器。合适的端射辐射器例如包括Vivaldi天线、平面偶极子天线、平面渐变开槽天线(PlanarTapered Slot Antenna)、平面开槽天线和八木天线。通常，端射辐射器可称为天线元件。

此外，图10示出根据本发明至少一些实施例的使用平面渐变开槽天线的第二天线阵列的列。该列示出在内辐射表面和外辐射表面上都有两个平面渐变开槽天线的情况。

在第二天线阵列配置中，可能需要适当的支撑件和间隔件结构以将PCB固定到正确的位置。机械支撑件可以采用各种方式来制造。例如，可以使用与用于第一天线阵列配置中的波导的金属结构相似的金属结构，但却不用波导。在这种情况下，天线阵列的内辐射表面上的第一金属结构可以形成第一天线元件，并且天线阵列的外辐射表面上的第二金属结构可以形成第二天线元件。PCB可以定位于天线阵列的中间或大约中间，例如与内辐射表面和外辐射表面等距。此外，在本发明的一些实施例中，支撑件可以在金属或塑料等上进行机械加工或3D打印。此外，隔离件可以是PCB之间的独立组件。

参照图5，图10所示的列可以包括PCB520和540上的传输线以及例如MMIC集成电路的移相器530。然而，第二天线阵列配置可以包括无波导或鳍线结构的端射天线。因此，作为示例，信号可以从传输线(例如，GCPW)直接耦合到端射天线。

在第二实施例中，发射阵列还可包括吸收材料以填充m个印刷电路板中的两个印刷电路板之间的间隙。而且，在第二实施例中，发射阵列可以包括连接到每个移相器的第一端的第一端射辐射器以及连接到每个移相器的第二端的第二端射辐射器。

在第二实施例中，天线阵列还包括单位单元。第二实施例的单位单元可以包括内辐射元件/表面、PCB和外辐射元件/表面。PCB可以进一步包括移相器。PCB可以与内辐射表面和外辐射表面等距地定位于单位单元的列或行的中间或大约中间。

本发明的第一或第二实施例可以包括用于具有固定馈电天线的发射阵列天线系统的天线阵列。天线阵列可以包括至少两个单位单元，其中每个单位单元包括天线阵列的内辐射表面上的第一天线元件以及天线阵列的外辐射表面上的第二天线元件。此外，天线阵列还可以包括连接至少两个单位单元的印刷电路板，其中该印刷电路板定位于第一天线元件与第二天线元件之间，并且该印刷电路板包括用于每个单位单元的移相器。在一些实施例中，用于方位角和仰角波束转向的天线阵列的最小尺寸是四个单位单元，该四个单位单元两两位于内辐射表面和外辐射表面上，并组织成两个相同的天线列。

在第一或第二实施例中，天线阵列的尺寸可以是m列和n行。天线阵列可以包括m×n个单位单元和m个印刷电路板，其中每个印刷电路板可以包括n个移相器。每个印刷电路板可布置为连接每列的n个单位单元或每行的m个单位单元。

有源矢量调制器型移相器的连续相位和幅度调整将针对天线波束的每个方向而允许每个辐射单位单元的最优相位和幅度激励。因此，不会发生相位量化误差，从而不会降低天线方向性。由于矢量调制器中的放大器，单位单元中不会发生信号损失。相反，可以在单位单元中放大信号。放大将补偿空间馈电系统中的固有损耗以及聚焦馈源可能的溢出损耗。单位单元中的连续增益控制还允许自由地选择发射阵列的F/D比率。

常规上，单位单元以平面PCB堆叠来实现，该平面PCB堆叠平行于入射无线电波的E场。然而，根据本发明的一些实施例，单位单元可以是3D的，并且可以实现在垂直于发射阵列的各辐射表面定位的多层PCB上。

本发明的实施例可以包括如上所述的具有至少两个单位单元的天线阵列。然而，本发明特别有利的是，发射阵列中的单位单元的数量庞大。

在第一或第二实施例中，移相器可以是具有相关的放大器(例如，LNA和缓冲放大器或PA兼缓冲放大器)的矢量调制器型移相器，例如集成为单片微波集成电路(MMIC)。替代地或附加地，移相器可以是双向移相器。在这种情况下，可能需要PALNA型放大器。在一些实施例中，发射和/或接收放大器可以集成在MMIC中。

在一些实施例中，第一或第二实施例的发射阵列可以包括连接到印刷电路板的用于偏置电压和控制信号的至少一个连接器。移相器可以布置为使用印刷电路板经由天线阵列的列来垂直地接收偏置电压和控制信号。至少一个连接器可以连接到印刷电路板。

替代地或附加地，印刷电路板可以相对于发射阵列的内辐射表面和外辐射表面垂直地定位。在一些实施例中，印刷电路板可以垂直地定位于天线阵列中。天线阵列也可以具有三维结构。

在一些实施例中，印刷电路板可以布置为经由内辐射表面从固定馈电天线接收第一信号，并且经由第一传输线将接收到的第一信号传输到移相器，其中移相器布置为对接收到的第一信号进行相移并调整其幅度以产生第二信号，并且经由第二传输线将经相移的第二信号传输到外辐射表面。印刷电路板还可以布置为经由外辐射表面将经相移的信号发射至自由空间。

本发明的实施例还可以包括一种天线系统，其包括第一或第二实施例的天线阵列，以及用于照射发射阵列的内孔的固定馈电天线。

该结构可以设计为使其能够防止电磁场经由PCB之间的间隙泄漏出阵列。例如，出于该目的可以使用一些吸收材料，例如

波导阵列的益处是内辐射表面与外辐射表面之间的天然隔离。另一方面，PCB上的端射辐射器直接允许辐射元件之间的半波长间隔。

在第一和第二实施例中，可以通过适合于射频(RF)组件的电连接而非PCB的其他平台技术来实现发射阵列的列(或行)。例如，毫米波平台技术(例如，低温共烧陶瓷(LTCC)和薄膜基底(石英和硅))可用于RF组件的电连接。此外，在一些实施例中，可以例如以非常高的频率来利用片上天线技术。另外，可以使用氧化铝。通常，PCB可以称为用于RF组件的电连接的平台技术。

应当理解，所公开的本发明实施例不限于本文所公开的特定结构、工艺步骤或材料，而应扩展至其等同物，正如相关领域普通技术人员将认识到的那样。还应理解，本文采用的术语仅旨在描述特定实施方案，而非旨在限制意义。

整个说明书中提到一个实施例或一实施例意思是结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”并不一定都指同一实施例。在使用诸如大约或大致等术语来提及数值的情况下，也公开了确切的数值。

如在本文使用的，方便起见，可在共同的列表中呈现多个项目、结构要素、组成元素和/或材料。但是，应将这些列表理解为就像列表的每一项都视为单独且唯一的项。因此，在未作相反说明的情况下，都不应仅基于它们是呈现在共同的组中就将这样的列表中的单个项理解为同一列表中其他项的等同物。另外，本文中本发明的各种实施例和示例可能同其各种组件的替代组件一起进行描述。应该理解，这样的实施例、示例和替代方案不应被理解为构成彼此实际的等同物，而应视为对本发明的单独和自主的呈现。

此外，所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。在前文的描述中，提供了大量的具体细节，例如长度、宽度、形状等的示例，以提供对本发明实施例的透彻理解。但是，相关领域的技术人员将认识到，本发明可以在没有一个或多个这些具体细节的情况下实践，或者用其他方法、组件、材料等来实践。在其他实例中，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，目的是避免混淆本发明的各个方面。

尽管上述示例说明了本发明在一个或多个特定应用中的原理，但对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在不发挥任何创造力的情况下并且在不背离本发明的原理和构思的情况下，可以对形式、用法和实施细节进行各种修改。相应地，除权利要求之外，本发明不受任何其他限制。

动词“包含”和“包括”在本文中用作开放式限制，既不排除也不要求存在未记载的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。另应理解，全文中使用“一”或“一个”，即单数形式并不排除多个。

在示例性实施例中，例如天线阵列的装置可以包括用于执行上述实施例及其任意组合的机构。

工业实用性

本发明的至少一些实施例在无线通信系统中具备工业实用性。本文描述的用于天线阵列的模块和相应的方法可用于实现各种设备之间的无线通信。无线通信可以包括用户设备(例如，智能电话)与通信网络基站之间的通信。无线通信还可包括基站之间或基站与中继节点之间的回程连接。除了无线通信之外，本发明的概念还可以应用于需要高增益和大波束转向角范围的雷达天线。

无线通信网络的示例包括无线局域网、WLAN以及4G和5G网络。天线阵列的模块可以连接到基站，例如通过天线阵列来发射和/或接收无线电信号。天线阵列可以至少利用到注重具有大波束转向角范围的高增益天线的基站部署中。例如，天线阵列特别适合于工作在毫米波频率的网状回程网络。

缩略语列表

5G 第五代

CPW 共面波导

GCPW 接地共面波导

LTCC 低温共烧陶瓷

MMIC 单片微波集成电路

PCB 印刷电路板

PALNA 功率放大器兼低噪声放大器

RF 射频

WLAN 无线局域网

附图标记说明

110 天线系统

120 固定馈电天线

130、210、910 天线阵列

220、620 单位单元

230、430、730、930 印刷电路板

410 第一金属件

420 第二金属件

510 接收波导过渡部

520 第一传输线，即GCPW线

530、630 移相器

540 第二传输线，即GCPW线

550 发射波导过渡部

610 发射阵列的列

640 控制信号连接器

710 A波导

715 短路部

720 微带短节

810 加热棒

820 矢量调制器芯片

Claims (15)

1.一种用于具有固定馈电天线的发射阵列天线系统的天线阵列，包括：

用于从所述固定馈电天线接收第一信号的内辐射表面、用于从天线阵列发射第二信号的外辐射表面以及用于电连接布设在所述内辐射表面与所述外辐射表面之间的射频RF组件的平台，所述平台具有用于可操作地连接所述内辐射表面与所述外辐射表面的移相器。

2.根据权利要求1所述的天线阵列，进一步包括：

至少两个单位单元，其中每个单位单元包括所述天线阵列的内辐射表面上的第一天线元件和所述天线阵列的外辐射表面上的第二天线元件；以及

所述平台布置为连接至少两个单位单元并且定位于所述第一天线元件与所述第二天线元件之间，其中，所述平台包括用于每个单位单元的移相器。

3.根据权利要求2所述的天线阵列，其中，所述天线元件是波导天线元件，能填充有介电材料。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的天线阵列，其中，所述天线阵列的尺寸为m列和n行，并且m等于n，所述天线阵列进一步包括：

m×n个单位单元；

用于电连接RF组件的m个平台，其中，每个平台包括n个移相器；以及

每个平台布置为连接每列的n个单位单元或每行的m个单位单元。

5.根据权利要求4所述的天线阵列，其中，将所述m个平台布置为使得所述m个平台中的两个相邻平台之间的距离至少是所述天线阵列的半波长。

6.根据权利要求5所述的天线阵列，进一步包括：

用于填充所述m个平台中的两个平台之间的间隙的吸收材料。

7.根据权利要求5或6所述的天线阵列，进一步包括：

连接到每个移相器的第一端的第一端射辐射器；以及

连接到每个移相器的第二端的第二端射辐射器。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的天线阵列，其中，所述平台与所述内辐射表面和所述外辐射表面等距地定位于单位单元的列或行的大约中间。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的天线阵列，其中，所述平台从所述天线阵列的一端延伸到所述天线阵列的相对端。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的天线阵列，其中，所述移相器是矢量调制器型移相器，例如单片微波集成电路MMIC。

11.根据权利要求10所述的天线阵列，其中，发射和/或接收放大器集成在所述MMIC中。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的天线阵列，其中，所述平台相对于所述天线阵列的所述内辐射表面和所述外辐射表面的孔垂直地定位。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的天线阵列，进一步包括：

连接到所述平台的用于偏置电压和控制信号的至少一个连接器。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的天线阵列，其中，所述平台布置为：

经由所述内辐射表面从所述固定馈电天线接收所述第一信号，并且经由第一传输线将所接收的第一信号传输到所述移相器，

其中，所述移相器布置为对所接收的第一信号进行移相并调整其幅度以生成第二信号，并经由第二传输线将所述第二信号传输到所述外辐射表面；并且

经由所述外辐射表面将所述第二信号发射到自由空间。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的天线阵列，其中，所述平台包括印刷电路板、低温共烧陶瓷、薄膜基底、片上天线技术或氧化铝。

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