CN116526162A - 一种双通道双线极化2比特阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双通道双线极化2比特阵列天线，由m×n个双通道双线极化2比特天线单元组成，其中m代表行，n代表列。每个天线单元的从上至下依次为微带振子辐射结构、直流偏置结构、金属地板、级联移相器、金属地板，其中微带振子辐射结构和直流偏置结构分别位于上层介质基板的上下表面，金属地板、级联移相器和金属地板形成带状线结构。在水平极化馈电端口和垂直极化馈电端口的激励下，通过改变微带振子辐射结构上集成的开关二极管和级联移相器上集成的开关二极管，使得单元的辐射电磁波的相位分别呈现0°、90°、180°和270°四种不同的电磁响应。因此，改变不同的馈电端口激励，在不同的相位补偿状态下，电磁波实现不同极化波束的扫描。

Description

一种双通道双线极化2比特阵列天线
技术领域
本发明涉及相控阵天线领域，具体设计一种双通道双线极化2比特阵列天线。
背景技术
无线移动通信系统，通常采用双极化的方式，由于其具有极化多样性，从而具有扩展通信系统容量的优点。目前，第五代(5G)通信已经快速部署在多种应用场景中，包括但不限于室外/城市环境、室内场景、无人机基站等。需要注意的是，室内场景与室外环境相比，多径效应严重，散射复杂。然而，传统的单元辐射状态单一、体积大，不适合在空间有限的设备中进行无线通信。波束扫描阵列可以实现强大的波束扫描能力，对于提高传输质量和增强信道抗干扰能力十分有利。引入了有源天线系统的5G基站天线，可以通过为每个阵元提供不同的功率和相位来充分实现在方位角和俯仰角上的实时波束成形。这种操作可以获得许多好处，包括容量增强，提高信道抗干扰能力等。然而当基站天线数量增加到数百甚至更多时，成本问题对超大规模天线阵列的影响不容忽视。多家天线制造商和运营商已经意识到占领未来市场的前提是降低基站的制造成本，也就是说，成本将成为超大规模天线阵列的重要指标，也是增加基站天线数量的关键制约因素。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种低成本、高增益、窄波束、电子扫描的双通道双线极化2比特阵列天线设计。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种双通道双线极化2比特阵列天线，由m×n个双通道双线极化2比特天线单元(1)组成，其中m代表行，n代表列。每个天线单元(1)的从上至下依次为微带振子辐射结构(2)、直流偏置结构(4)、金属地板(5)、级联移相器(6)、金属地板(7)，其中微带振子辐射结构(2)和直流偏置结构(4)分别位于上层介质基板的上下表面，金属地板(5)、级联移相器(6)和金属地板(7)形成带状线结构，在天线的层叠结构中，直流偏置结构(4)与金属地板(5)之间采用厚度为0.101mm的介质板进行隔离。在水平极化馈电端口(9-1)和垂直极化馈电端口(9-2)的激励下，通过改变微带振子辐射结构(2)上集成的开关二极管(3)和级联移相器(6)上集成的开关二极管(8)，使得单元的辐射电磁波的相位分别呈现0°、90°、180°和270°四种不同的电磁响应。因此，改变不同的馈电端口激励，在不同的相位补偿状态下，电磁波实现不同极化波束的扫描。
优选的，双通道双线极化2比特天线单元(1)的间距在0.5λ0～λ0之间，并且随着单元间距的增大，扫描范围减小。
优选的，微带振子辐射结构(2)采用正交放置的形式，沿x方向放置的天线辐射水平极化电磁波，沿y方向放置的天线辐射水平极化电磁波，两个通道对应不同的极化形式，辐射结构的馈电点位于振子中心，在振子末端放置了两个反向并联的开关二极管(3)等效改变振子的谐振边长度，通过交替改变开关二极管(3)的工作状态，可以引导电流走向实现0°和180°的交替。
优选的，微带振子的放置方式可以沿±x或±y方向形成水平、垂直极化，也可以沿±45°方向放置形成±45°双极化阵列。
优选的，直流偏置结构(4)采用“台阶式”设计，包括微带振子辐射结构(2)上弯曲的高阻微带线、金属过孔与微带扇形枝节，将微带扇形枝节直接放置在微带振子辐射结构(2)的下方可以有效减小其物理尺寸，使天线结构也更加紧凑。
优选的，级联移相器(6)采用反射型移相器组成，将90°电桥的直通端和耦合端分别与开路的带状线连接，由于阻抗不匹配会在隔离端形成反射，反射波的相位差可以通过开关控制的不同长度的开路线切换。
优选的，设开关二极管依次为第一开关二极管(P1)、第二开关二极管(P2)、第三开关二极管(P3)、第四开关二极管(P4)、第五开关二极管(P5)、第六开关二极管(P6)、第七开关二极管(P5)、第八开关二极管(P8)：第一开关二极管(P1)和第二开关二极管(P2)位于水平极化微带振子辐射结构(2)上，控制水平极化振子0°和180°的移相，第三开关二极管(P3)和第四开关二极管(P4)位于垂直极化微带振子辐射结构(2)上，控制垂直极化振子0°和180°的移相，第五开关二极管(P5)及第六开关二极管(P6)为水平极化振子提供0°和90°的级联移向量，第七开关二极管(P7)及第八开关二极管(P8)为垂直极化振子提供0°和90°的级联移向量。通过不同开关的组合方式，实现不同的辐射相位功能。
优选的，该阵列设计频段为sub-6G，但很容易推广到毫米波或更高频段。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.2比特相位的集成以及成熟的多层层压加工工艺大大缩减了电扫阵列的成本，同时每个单元集成的离散相位响应提供了更多的设计自由度使得构建二维电扫阵列成为可能：通过激励不同的极化通道，可以实现不同极化的电磁场辐射(垂直/水平线极化)，同时在无外接T/R组件情况下能够通过开关二极管状态的切换产生φ,φ+π/2,φ+π,φ+3π/2的相位分布(其中，φ为任意参考相位)，即产生2比特相位差；
2.正交排列的天线单元形式可以克服有限的空间尺寸限制，小型化的级联移相器结构可以提高天线单元的相位分辨率，2比特的天线单元相比于1比特设计具有更优的阵列辐射性能；
3.双极化双通道的天线设计为基站系统提供了一种全双工的工作形式，可以实现信号的同时收发功能；此外，相较于单天线单元单一的辐射状态，所设计的低成本电扫阵列具有波束扫描的能力。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种双通道双线极化2比特阵列天线整体结构示意图；
图2是本发明的双通道双线极化2比特天线单元(1)的层叠结构示意图；
图3是本发明的双通道双线极化2比特天线单元(1)中微带振子辐射结构(2)和相应的开关二极管(3)装配示意图；
图4是本发明的双通道双线极化2比特天线单元(1)中级联移相器(6)和相应的开关二极管(8)示意图；
图5是图1所示的双通道双线极化2比特天线单元(1)工作在水平极化和垂直极化时的反射系数曲线；
图6是图1所示的双通道双线极化2比特天线单元(1)的端口隔离度；
图7是图1所示的双通道双线极化2比特天线单元(1)工作在水平极化和垂直极化时的主极化电场相位分布曲线；
图8是图1所示双通道双线极化2比特阵列天线按照m＝n＝8进行排列时，所采用的三种相位分布方式，分别对应(0°，0°)、(20°，0°)、(45°，0°)扫描。
图9是图8所示的相位分布所形成的水平极化扫描波束；
图10是图8所示的相位分布所形成的垂直极化扫描波束。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种双通道双线极化2比特阵列天线作进一步详细说明。
本发明设计了一种双通道双线极化的2比特阵列天线，用于支持高隔离度的广角波束扫描应用。该天线针对Sub 6GHz基站天线应用，采用交叉排布的微带振子结构以改善阵列中的互耦，在整个工作带宽内满足25dB的双端口隔离度。此外，通过级联小型化移相器的方法，实现了紧凑的天线结构。由于具有2比特相位响应的单元既可以充当辐射元件，也可以实现移相功能，天线能够在不同的相位分布状态下实现波束扫描。
如图1所示，阵列天线包括m×n个双通道双线极化2比特天线单元(1)，m代表行，n代表列，以m＝n＝8为例，单元间距为0.5λ0。
图2为本发明的双通道双线极化2比特天线单元(1)的三维结构示意图，从上至下依次为微带振子辐射结构(2)、直流偏置结构(4)、金属地板(5)、级联移相器(6)、金属地板(7)，其中微带振子辐射结构(2)和直流偏置结构(4)分别位于上层介质基板的上下表面，金属地板(5)、级联移相器(6)和金属地板(7)形成带状线结构，在天线的层叠结构中，直流偏置结构(4)与金属地板(5)之间采用厚度为0.101mm的介质板进行隔离。在水平极化馈电端口(9-1)和垂直极化馈电端口(9-2)的激励下，通过改变微带振子辐射结构(2)上集成的开关二极管(3)和级联移相器(6)上集成的开关二极管(8)，使得单元的辐射电磁波的相位分别呈现0°、90°、180°和270°四种不同的电磁响应。因此，改变不同的馈电端口激励，在不同的相位补偿状态下，电磁波实现不同极化波束的扫描。
图3为本发明的双通道双线极化2比特天线单元(1)中微带振子辐射结构(2)和相应的开关二极管(3)装配示意图。第一开关二极管(P1)和第二开关二极管(P2)位于水平极化微带振子辐射结构(2)上，控制水平极化振子0°和180°的移相，第三开关二极管(P3)和第四开关二极管(P4)位于垂直极化微带振子辐射结构(2)上，控制垂直极化振子0°和180°的移相。
图4本发明的双通道双线极化2比特天线单元(1)中级联移相器(6)和相应的开关二极管(8)装配示意图。第五开关二极管(P5)及第六开关二极管(P6)为水平极化振子提供0°和90°的级联移向量，第七开关二极管(P7)及第八开关二极管(P8)为垂直极化振子提供0°和90°的级联移向量。
下表总结了开关二极管在不同状态下对应的工作模式、相对相位以及天线编码状态，其中状态一作为参考状态，将此时天线的辐射场在法线方向的相位设置为0°。在开关二极管的状态分布中，“1”代表正向导通状态，“0”代表反向截止状态。对于四种工作模式，总共可以采用两位二进制编码来实现单元状态编码。
图5是图1所示的双通道双线极化2比特天线单元(1)工作在水平极化和垂直极化时的反射系数曲线，图6是图1所示的双通道双线极化2比特天线单元(1)的端口隔离度。仿真结果显示所有工作模式下单元的-15dB阻抗带宽均覆盖4.8至4.9GHz范围，同时每个单元中两个极化端口之间的隔离度大于30dB，实现了高隔离特性。
图7是图1所示的双通道双线极化2比特天线单元(1)工作在水平极化和垂直极化时的主极化电场相位分布曲线。从图中可以看出，不同的电场相位曲线在维持着一定的相位梯度的同时随频率线性变化，这种相位梯度在中心频点处十分接近90°，实现了良好的2比特相位分布。
图8是图1所示双通道双线极化2比特阵列天线按照m＝n＝8进行排列时，所采用的三种相位分布方式，分别对应(0°，0°)、(20°，0°)、(45°，0°)扫描，相应的波束扫描结果如图9(水平极化)和图10(垂直极化)所示。从图中可以观察到，对不同的端口激励，可以得到不同极化的扫描波束。当各单元编码相同，相邻阵元之间不具有相位梯度差，因此可以得到在法线方向上的主波束；当编码图样整体沿x方向具有一定相位差，主波束按照预设角度扫描且没有指向误差。
以上例子主要说明了辐射单元的2比特辐射特性。尽管只对其中一些本专利的实施方式进行描述，但是本专利不受上述实施例的限制，可以在不偏离其主旨与范围内的其他实施例，应当受到本专利的保护。

Claims (8)

1.一种双通道双线极化2比特阵列天线，其特征在于：包括m×n个双通道双线极化2比特天线单元(1)，其中m代表行，n代表列，每个天线单元(1)的从上至下依次为微带振子辐射结构(2)、直流偏置结构(4)、金属地板(5)、级联移相器(6)、金属地板(7)，
其中微带振子辐射结构(2)和直流偏置结构(4)分别位于上层介质基板的上下表面，金属地板(5)、级联移相器(6)和金属地板(7)形成带状线结构，在天线的层叠结构中，直流偏置结构(4)与金属地板(5)之间采用厚度为0.101mm的介质板进行隔离；在水平极化馈电端口(9-1)和垂直极化馈电端口(9-2)的激励下，通过改变微带振子辐射结构(2)上集成的开关二极管(3)和级联移相器(6)上集成的开关二极管(8)，使得单元的辐射电磁波的相位分别呈现0°、90°、180°和270°四种不同的电磁响应。
2.根据权利要求1所述的一种双通道双线极化2比特阵列天线，其特征在于：双通道双线极化2比特天线单元(1)的间距在0.5λ0λ0之间，并且随着单元间距的增大，扫描范围减小。
3.根据权利要求1所述的一种双通道双线极化2比特阵列天线，其特征在于：微带振子辐射结构(2)采用正交放置的形式，沿x方向放置的天线辐射水平极化电磁波，沿y方向放置的天线辐射水平极化电磁波，两个通道对应不同的极化形式，辐射结构的馈电点位于振子中心，在振子末端放置了两个反向并联的开关二极管(3)等效改变振子的谐振边长度，通过交替改变开关二极管(3)的工作状态，可以引导电流走向实现0°和180°的交替。
4.根据权利要求3所述的一种双通道双线极化2比特阵列天线，其特征在于：微带振子的放置方式可以沿±x或±y方向形成水平、垂直极化，也可以沿±45°方向放置形成±45°双极化阵列。
5.根据权利要求1所述的一种双通道双线极化2比特阵列天线，其特征在于：直流偏置结构(4)采用“台阶式”设计，包括微带振子辐射结构(2)上弯曲的高阻微带线、金属过孔与微带扇形枝节，将微带扇形枝节直接放置在微带振子辐射结构(2)的下方可以有效减小其物理尺寸，使天线结构也更加紧凑。
6.根据权利要求1所述的一种双通道双线极化2比特阵列天线，其特征在于：级联移相器(6)采用反射型移相器组成，将90°电桥的直通端和耦合端分别与开路的带状线连接，由于阻抗不匹配会在隔离端形成反射，反射波的相位差可以通过开关控制的不同长度的开路线切换。
7.根据权利要求1所述的一种双通道双线极化2比特阵列天线，其特征在于：设开关二极管依次为第一开关二极管(P1)、第二开关二极管(P2)、第三开关二极管(P3)、第四开关二极管(P4)、第五开关二极管(P5)、第六开关二极管(P6)、第七开关二极管(P5)、第八开关二极管(P8)：第一开关二极管(P1)和第二开关二极管(P2)位于水平极化微带振子辐射结构(2)上，控制水平极化振子0°和180°的移相，第三开关二极管(P3)和第四开关二极管(P4)位于垂直极化微带振子辐射结构(2)上，控制垂直极化振子0°和180°的移相，第五开关二极管(P5)及第六开关二极管(P6)为水平极化振子提供0°和90°的级联移向量，第七开关二极管(P7)及第八开关二极管(P8)为垂直极化振子提供0°和90°的级联移向量；通过不同开关的组合方式，实现不同的辐射相位功能。
8.根据权利要求1所述的一种双通道双线极化2比特阵列天线，其特征在于：该阵列设计频段为sub-6G，但很容易推广到毫米波或更高频段。
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