CN114792886A - 一种波束可调的5g毫米波64天线阵列 - Google Patents

一种波束可调的5g毫米波64天线阵列 Download PDF

Info

Publication number
CN114792886A
CN114792886A CN202111364209.2A CN202111364209A CN114792886A CN 114792886 A CN114792886 A CN 114792886A CN 202111364209 A CN202111364209 A CN 202111364209A CN 114792886 A CN114792886 A CN 114792886A
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna
millimeter wave
substrate
adjustable
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111364209.2A
Other languages
English (en)
Inventor
何超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Yixuan Communication Co ltd
Original Assignee
Shenzhen Yixuan Communication Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Yixuan Communication Co ltd filed Critical Shenzhen Yixuan Communication Co ltd
Priority to CN202111364209.2A priority Critical patent/CN114792886A/zh
Publication of CN114792886A publication Critical patent/CN114792886A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/28—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the amplitude
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明涉及5G通信技术领域，尤其涉及一种波束可调的5G毫米波64天线阵列，包括：主基板，所述主基板上集成有幅相可调的毫米波天线单元，十六个幅相可调的毫米波天线单元在主基板上构成4×4的天线阵列，幅相可调的毫米波天线单元对波束的幅度和相位能够灵活调节；幅相可调的毫米波天线单元包括天线基板，所述天线基板上集成有天线发射单元，所述天线基板的上表面集成有天线单元模块；天线单元模块包括四个天线振子。本发明达到了基于AiP相控阵封装形式将64根5G毫米波天线集成到21.2mm×21.2mm×2.19mm的主基板上，并且每个天线振子均可以灵活调节幅度和相位的目的。

Description

一种波束可调的5G毫米波64天线阵列
技术领域
本发明涉及5G通信技术领域，尤其涉及一种波束可调的5G毫米波64天线阵列。
背景技术
5G毫米波具有超大带宽、多用户大容量并发接入和低时延等优良特性，其工作频段在24.25～52.6GHz之间。5G毫米波支持超大频宽（400/800MHz），下行峰值速率可以达到10Gbit/s，上行峰值速率可以达到1Gbit/s，给用户带来前所未有的超大传输带宽的业务能力。
但由于毫米波的频率高，波长短，波束信号传输的衍射能力差，信号接收距离变短。因此5G毫米波设备中射频部件非常关键，需要通过大规模天线阵列和波束赋形等核心技术对空口信号进行增强，达到良好信号覆盖的效果。
现有5G毫米波天线设计方案大部分只是集成2×2=4天线振子或4×4=16天线振子的天线阵列，采用的电介质材料作为天线发射单元在高频段（30GHz以上）性能很不稳定，同时采用的是固定幅相的天线波束形态，虽然结构简易，但无法适应复杂环境下5G毫米波性能稳定性。
而且目前的5G毫米波天线设计方案集成度较低，无法形成大规模天线阵列集成到一个较小面积的天线基板上，因此无法满足5G毫米波采用大规模天线阵列形成的混合波束赋形的功能需求。
同时现有解决方案采用的固定幅相的天线波束形态，无法满足灵活变化的无线环境，特别是在雨天或雪天等多样化复杂场景在提供稳定无线传输性能。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种波束可调的5G毫米波64天线阵列，达到了基于AiP相控阵封装形式将64根5G毫米波天线集成到21.2mm×21.2mm×2.19mm的主基板上，并且每个天线振子均可以灵活调节幅度和相位的目的。
（二）技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种波束可调的5G毫米波64天线阵列，包括：
主基板，所述主基板上集成有幅相可调的毫米波天线单元，十六个幅相可调的毫米波天线单元在主基板上构成4×4的天线阵列，幅相可调的毫米波天线单元对波束的幅度和相位能够灵活调节；
幅相可调的毫米波天线单元包括天线基板，所述天线基板上集成有天线发射单元，所述天线基板的上表面集成有天线单元模块；
天线单元模块包括四个天线振子，四个天线振子采用两两极化正交模式并以九十度组成一个天线单元模块；
在天线基板上串连一组高精度衰减器和移相器，高精度衰减器和移相器与天线基板上的馈线形成回路，通过衰减器和移相器的调整来改变天线发射单元信号发射的幅度和相位。
进一步地，天线基板采用通孔PCB设置，天线发射单元通过馈线与设置在天线基板上的接地线串连。
进一步地，天线单元模块集成在主基板的上表面，主基板的下表面为天线振子的接地面。
进一步地，十六个天线单元模块在主基板上为水平方向和垂直方向4×4的排列方式构成天线单元阵列。
进一步地，天线振子由多层的Ferro A6M材料组成，主基板的介电常数为5.9，损耗因子为0.002，每层LTCC生瓷带烧结完厚度为94um。
进一步地，主基板的尺寸为21.2mm×21.2mm×2.19mm，天线基板的尺寸为5mm×5mm×0.813mm，天线发射单元的尺寸为3mm×3mm。
进一步地，天线基板为集成贴片附着在主基板上。
（三）有益效果
本发明提供了一种波束可调的5G毫米波64天线阵列，具备以下有益效果：
1、本发明充分发挥64天线阵列的波束赋形能量叠加强度和灵活度，64天线可灵活调节波束幅度和相位，每个天线振子均可独立在赋形方向上计算出最优的波速幅值和相位角，并与天线单元其他天线的幅相值进行两极化正交叠加，使得整个天线阵列形成一个最优波束覆盖性能。
2、本发明解决了5G毫米波由于高频导致路损过大引起的覆盖问题和性能不稳定的问题，并实现5G毫米波射频单元下行峰值速率达到10Gbit/s和上行峰值速率达到1Gbit/s的指标；
通过采用64天线高集成度集成到21.2mm×21.2mm×2.19mm的主基板上，实现小型化和低成本的效果，同时能够解决5G毫米波在雨天和雪雾天气等复杂环境下性能非常不稳定的问题，给出了天线振子的波束可调节的创新解决方案。
3、本发明适用于工作在5G毫米波全频段（24.25GHz～52.6GHz）的网格天线阵列，阵列集成了64个天线振子，其中4个天线振子采用两两极化正交模式90度组成一个天线单元，形成由4×4个天线单元组成的天线阵列。
64个天线振子独立发送射频波束信号，形成大规模天线波束赋形给目标设备提供高性能和具有传输稳定性的5G毫米波射频性能。
4、本发明通过采用AiP相控阵封装形式将64根5G毫米波天线集成到21.2mm×21.2mm×2.19mm的主基板上，提供高集成度天线阵列设计，满足5G毫米波独特的大规模天线形成的波束赋形和空间覆盖的强大性能优势。
5、本发明为了使得天线单元模块在水平面形成全方面角波束赋形，通过采用4×4的天线单元模块阵列布局，当天线阵列在水平面位置变化时，整体波束赋形的相位不会出现能量变化，具有更加灵活性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明64个天线振子的阵列布局示意图；
图2为本发明幅相可调的毫米波天线单元与天线发射单元的形态示意图；
图3为本发明天线单元模块的排布示意图；
图4为本发明基于64天线5G毫米波的波束赋形示意图；
图5为本发明天线振子的3D空间幅相图；
图6为本发明主基板的尺寸标注图；
图7为本发明天线基板和天线发射单元的尺寸标注图。
图中：11、主基板；12、幅相可调的毫米波天线单元；121、天线基板；122、天线发射单元；123、天线单元模块；1231、天线振子。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
图1-7为本发明的一个实施例：一种波束可调的5G毫米波64天线阵列，包括：
主基板11，主基板11上集成有幅相可调的毫米波天线单元12，十六个幅相可调的毫米波天线单元12在主基板11上构成4×4的天线阵列，幅相可调的毫米波天线单元12对波束的幅度和相位能够灵活调节，本发明充分发挥64天线阵列的波束赋形能量叠加强度和灵活度，64天线可灵活调节波束幅度和相位，每个天线振子均可独立在赋形方向上计算出最优的波速幅值和相位角，并与天线单元其他天线的幅相值进行两极化正交叠加，使得整个天线阵列形成一个最优波束覆盖性能；
幅相可调的毫米波天线单元12包括天线基板121，天线基板121上集成有天线发射单元122，天线基板121的上表面集成有天线单元模块123，本发明适用于工作在5G毫米波全频段（24.25GHz～52.6GHz）的网格天线阵列，阵列集成了64个天线振子，其中4个天线振子采用两两极化正交模式90度组成一个天线单元，形成由4×4个天线单元组成的天线阵列。
64个天线振子独立发送射频波束信号，形成大规模天线波束赋形给目标设备提供高性能和具有传输稳定性的5G毫米波射频性能；
天线单元模块123包括四个天线振子1231，四个天线振子1231采用两两极化正交模式并以九十度组成一个天线单元模块123，本发明达到了基于AiP相控阵封装形式将64根5G毫米波天线集成到21.2mm×21.2mm×2.19mm的主基板上，并且每个天线振子均可以灵活调节幅度和相位的目的。
本发明通过采用AiP相控阵封装形式将64根5G毫米波天线集成到21.2mm×21.2mm×2.19mm的主基板上，提供高集成度天线阵列设计，满足5G毫米波独特的大规模天线形成的波束赋形和空间覆盖的强大性能优势。
在天线基板121上串连一组高精度衰减器和移相器，高精度衰减器和移相器与天线基板121上的馈线形成回路，通过衰减器和移相器的调整来改变天线发射单元122信号发射的幅度和相位。
本发明解决了5G毫米波由于高频导致路损过大引起的覆盖问题和性能不稳定的问题，并实现5G毫米波射频单元下行峰值速率达到10Gbit/s和上行峰值速率达到1Gbit/s的指标；
通过采用64天线高集成度集成到21.2mm×21.2mm×2.19mm的主基板上，实现小型化和低成本的效果，同时能够解决5G毫米波在雨天和雪雾天气等复杂环境下性能非常不稳定的问题，给出了天线振子的波束可调节的创新解决方案。
通过控制每个天线振子的天线发射单元中的射频衰减器来调节天线信号的幅度，然后通过改变天线振子的移相器的相位来改变天线信号的相位，最终每个天线单元模块馈以调整后的幅度和相位的信号以形成制定的波束并实现波束赋形，各天线单元模块的信号叠加形成阵列天线的复合信号。
为了实现幅相可调灵活设计，本方案采用天线发射单元加天线基板两层叠加设计方案，设计集成3mm×3mm的天线发射单元放置于5mm×5mm×0.813mm的天线基板顶层上，天线基板采用通孔PCB设计，通过馈线将天线发射单元与放置在天线基板上的接地线串连起来。
在天线基板上串连了一组高精度衰减器和移相器，与天线单元模块馈线形成回路，通过衰减器和移相器的调整来改变射频天线发射单元信号发射的幅度和相位。
天线基板121采用通孔PCB设置，天线发射单元122通过馈线与设置在天线基板121上的接地线串连。
天线单元模块123集成在主基板11的上表面，主基板11的下表面为天线振子1231的接地面。
十六个天线单元模块123在主基板11上为水平方向和垂直方向4×4的排列方式构成天线单元阵列，本发明为了使得天线单元模块在水平面形成全方面角波束赋形，通过采用4×4的天线单元模块阵列布局，当天线阵列在水平面位置变化时，整体波束赋形的相位不会出现能量变化，具有更加灵活性。
天线振子1231由多层的Ferro A6M材料组成，主基板11的介电常数为5.9，损耗因子为0.002，每层LTCC生瓷带烧结完厚度为94um。
主基板11的尺寸为21.2mm×21.2mm×2.19mm，天线基板121的尺寸为5mm×5mm×0.813mm，天线发射单元122的尺寸为3mm×3mm。
天线基板121为集成贴片附着在主基板11上。
本发明采用高集成度设计模式将64个天线振子按照（4×4）×4组合方案集成到尺寸为21.2mm×21.2mm×2.19mm的主基板上，采用两两正交双极化将4个天线振子组成一个天线单元模块，形成水平方向4个天线单元模块，垂直方向4个天线单元模块，形成4×4的天线单元阵列。并采用AiP工艺进行天线封装，将天线阵列集成到5G毫米波芯片封装中，形成一体化结构。
为了发挥5G毫米波多天线波束赋形特性，本解决方案给出64天线阵列封装的高集成度的设计。
为了将64个天线高集成度部署在21.2mm×21.2mm×2.19mm小体积主基板上，本解决方案采用高频性能优越的Ferro生瓷带工艺，天线振子由多层Ferro A6M材料组成，主基板介电常数约为5.9，损耗因子约为0.002，每层LTCC生瓷带烧结完厚度约为94um。
按照4个天线振子采用两两极化正交模式组成一个天线单元，形成由4×4个天线单元组成的天线阵列放置在PCB主基板顶部，PCB主基板底部是天线单元模块的接地面。
为了使得天线阵列模块在水平面形成全方面角波束赋形，我们采用4×4的天线模块阵列布局，当天线阵列在水平面位置变化时，整体波束赋形的相位不会出现能量变化，具有更加灵活性。
本发明采用高集成度硬件设计方案，将64个天线振子阵列设计到尺寸为21.2mm×21.2mm×2.19mm的主基板上，并将5G毫米波射频其他模块，包括射频功率放大器、混频器和射频综合器等模块与64天线阵列集成在一颗芯片模块上，形成一个低功耗、小型化并具有大规模量产的5G毫米波射频芯片模块。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种波束可调的5G毫米波64天线阵列，其特征在于，包括：
主基板（11），所述主基板（11）上集成有幅相可调的毫米波天线单元（12），十六个幅相可调的毫米波天线单元（12）在主基板（11）上构成4×4的天线阵列，幅相可调的毫米波天线单元（12）对波束的幅度和相位能够灵活调节；
幅相可调的毫米波天线单元（12）包括天线基板（121），所述天线基板（121）上集成有天线发射单元（122），所述天线基板（121）的上表面集成有天线单元模块（123）；
天线单元模块（123）包括四个天线振子（1231），四个天线振子（1231）采用两两极化正交模式并以九十度组成一个天线单元模块（123）；
在天线基板（121）上串连一组高精度衰减器和移相器，高精度衰减器和移相器与天线基板（121）上的馈线形成回路，通过衰减器和移相器的调整来改变天线发射单元（122）信号发射的幅度和相位。
2.根据权利要求1所述的一种波束可调的5G毫米波64天线阵列，其特征在于：天线基板（121）采用通孔PCB设置，天线发射单元（122）通过馈线与设置在天线基板（121）上的接地线串连。
3.根据权利要求1所述的一种波束可调的5G毫米波64天线阵列，其特征在于：天线单元模块（123）集成在主基板（11）的上表面，主基板（11）的下表面为天线振子（1231）的接地面。
4.根据权利要求1或3所述的一种波束可调的5G毫米波64天线阵列，其特征在于：十六个天线单元模块（123）在主基板（11）上为水平方向和垂直方向4×4的排列方式构成天线单元阵列。
5.根据权利要求1所述的一种波束可调的5G毫米波64天线阵列，其特征在于：天线振子（1231）由多层的Ferro A6M材料组成，主基板（11）的介电常数为5.9，损耗因子为0.002，每层LTCC生瓷带烧结完厚度为94um。
6.根据权利要求1所述的一种波束可调的5G毫米波64天线阵列，其特征在于：主基板（11）的尺寸为21.2mm×21.2mm×2.19mm，天线基板（121）的尺寸为5mm×5mm×0.813mm，天线发射单元（122）的尺寸为3mm×3mm。
7.根据权利要求1或2所述的一种波束可调的5G毫米波64天线阵列，其特征在于：天线基板（121）为集成贴片附着在主基板（11）上。
CN202111364209.2A 2021-11-17 2021-11-17 一种波束可调的5g毫米波64天线阵列 Pending CN114792886A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111364209.2A CN114792886A (zh) 2021-11-17 2021-11-17 一种波束可调的5g毫米波64天线阵列

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111364209.2A CN114792886A (zh) 2021-11-17 2021-11-17 一种波束可调的5g毫米波64天线阵列

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114792886A true CN114792886A (zh) 2022-07-26

Family

ID=82460612

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111364209.2A Pending CN114792886A (zh) 2021-11-17 2021-11-17 一种波束可调的5g毫米波64天线阵列

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114792886A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11264726B2 (en) Lensed antennas for use in cellular and other communications systems
US10673135B2 (en) 5G terminal antenna with reconfigurable radiation pattern
CN109643839B (zh) 适合用于蜂窝和其它通信系统的多频带多波束透镜式天线
US10959110B2 (en) Lensed antennas for use in wireless communications systems
US6956537B2 (en) Co-located antenna array for passive beam forming
KR101677521B1 (ko) 고 이득 메타물질 안테나 소자
CN111247695A (zh) 宽带堆叠贴片辐射元件及相关的相控阵列天线
Gu et al. 3-D coverage beam-scanning antenna using feed array and active frequency-selective surface
TW201937811A (zh) 容許同時多重天線功能性之組合式天線孔口
CN113285220B (zh) 双频共口径相控阵天线、通信装置及系统
EP3336965B1 (en) Space-fed active phased antenna array
US11721910B2 (en) Lens-enhanced communication device
EP3750212A1 (en) Interleaved array of antennas operable at multiple frequencies
Kim et al. Performance enhancement of 5G millimeter wave antenna module integrated tablet device
CN110829010A (zh) 一种双圆极化波束可重构微带天线
WO2021003030A1 (en) Antenna feed networks and related antennas and methods
Artemenko et al. Multiple-feed integrated lens antenna with continuous scanning range
CN114792886A (zh) 一种波束可调的5g毫米波64天线阵列
Pedram et al. Evolution and move toward fifth-generation antenna
Bolkhovskaya et al. Cost-Efficient RAA Technology for Development of the High-Gain Steerable Antennas for mmWave Communications
Tahat et al. A compact 38 GHz millimetre-wave MIMO antenna array for 5G mobile systems
Cho et al. Ultra-low power beamforming wideband OFDM signal with active GRIN lens at 19 GHz
Sun et al. A review of microwave electronically scanned array: Concepts and applications
Che et al. Antenna-in-Package in HDI technology for 5G Millimeter-Wave Communications
Mustafa et al. A 60 GHz Pattern-Reconfigurable Antenna Design Using a Suspended Parasitic Pixel Layer

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination