CN116802935A - 用于毫米波通信的圆极化阵列天线 - Google Patents

用于毫米波通信的圆极化阵列天线 Download PDF

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CN116802935A CN202280008390.XA CN202280008390A CN116802935A CN 116802935 A CN116802935 A CN 116802935A CN 202280008390 A CN202280008390 A CN 202280008390A CN 116802935 A CN116802935 A CN 116802935A
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Abstract

提供了一种圆极化阵列天线。该圆极化阵列天线包括接地层和多个圆极化天线。该多个圆极化天线中的每个圆极化天线被配置为在范围为24吉赫(GHz)至52GHz的频带上进行通信。该多个圆极化天线中的每个圆极化天线包括柱状基板，该柱状基板耦接到接地层。该柱状基板包括多个面。该多个圆极化天线中的每个圆极化天线还包括多个隔离磁偶极子元件。该多个隔离磁偶极子元件中的各个隔离磁偶极子元件设置在柱状基板的不同面上。

Description

用于毫米波通信的圆极化阵列天线
优先权声明
本申请要求申请日为2021年1月7日、名称为“Circularly Polarized ArrayAntenna for Millimeter Wave Communications”的第63/134,900号美国临时申请的优先权的权益，该申请通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及相控阵天线。更具体地，本公开涉及一种用于毫米波通信的圆极化阵列天线。
背景技术
被配置为用于毫米波通信(例如，第五代移动通信)的天线系统可以包括移相器电路和电耦接到该移相器电路的相控阵天线。移相器电路可以改变从射频(RF)源接收到的RF信号的相位，使得在RF移相器电路的输出处测量的RF信号的相位相对于在RF移相器电路的输入处测量的RF信号的相位不同。以这种方式，RF移相器电路可以控制RF信号的相移，以操纵与相控阵天线相关联的辐射方向图(radiation pattern)。
发明内容
本公开的实施例的各方面和优点将在下面的描述中得以部分阐述，或者可以从该描述中得知，或者可以通过对实施例的实施而得知。
在一方面，提供了一种圆极化阵列天线。该圆极化阵列天线包括接地层和多个圆极化天线。该多个圆极化天线中的每个圆极化天线被配置为在范围为24吉赫(gigahertz，GHz)至52GHz的频带上进行通信。该多个圆极化天线中的每个圆极化天线包括柱状基板，该柱状基板耦接到接地层。该柱状基板包括多个面。该多个圆极化天线中的每个圆极化天线还包括多个隔离磁偶极子元件。该多个隔离磁偶极子元件中的各个隔离磁偶极子元件设置在柱状基板的不同面上。
在另一方面，提供了一种天线系统。该天线系统包括移相器电路。该移相器电路包括多个移相器。该多个移相器中的每个移相器电耦接到射频(radio frequency，RF)源。该天线系统还包括圆极化阵列天线。该圆极化阵列天线电耦接到移相器电路。圆极化阵列天线包括接地层和多个圆极化天线。该多个圆极化天线中的每个圆极化天线被配置为在范围为24吉赫(GHz)至52GHz的频带上进行通信。该多个圆极化天线中的每个圆极化天线包括柱状基板，该柱状基板耦接到接地层。该柱状基板包括多个面。该多个圆极化天线中的每个圆极化天线还包括多个隔离磁偶极子元件。该多个隔离磁偶极子元件中的各个隔离磁偶极子元件设置在柱状基板的不同面上。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解各种实施例的这些和其它特征、方面和优点。结合到本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与该描述一起用于解释相关原理。
附图说明
针对本领域普通技术人员，在本说明书中参考附图阐述了实施例的详细论述，在附
图中：
图1描绘了根据本公开示例实施例的天线系统的多个部件的框图。
图2描绘了根据本公开示例实施例的圆极化阵列天线。
图3描述了根据本公开示例实施例的圆极化阵列天线的圆极化天线中的多个部件。
图4描绘了根据本公开示例实施例的图3的圆极化天线的示意图。
图5描述了根据本公开示例实施例的圆极化阵列天线的圆极化天线中的多个部件。
图6描绘了根据本公开示例实施例的图5的圆极化天线的示意图。
图7描绘了根据本公开示例实施例的与圆极化阵列天线相关联的辐射方向图的图示。
图8描绘了根据本公开示例实施例的与圆极化阵列天线的辐射方向图相关联的轴比(axial ratio)的图示。
图9描绘了根据本公开示例实施例的与圆极化阵列天线的第一辐射方向图和第二辐射方向图相关联的增益的图示。
图10描绘了根据本公开示例实施例的另一天线系统中的多个部件的框图。
具体实施方式
现在将详细参考实施例，这些实施例的一个或多个示例在附图中示出。每个示例是通过对这些实施例进行解释而不是对本公开进行限制来提供的。事实上，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在不脱离本公开的范围或精神的情况下，对这些实施例进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分而示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用，以产生又一实施例。因此，本公开的各方面旨在涵盖这些修改和变型。
相控阵天线包括多个天线单元。该多个天线单元中的每个天线单元可以电耦接到移相器电路。该移相器电路可以被配置为控制与提供至相控阵天线的RF信号相关联的相移。通过控制与RF信号相关联的相移，可以在不物理移动这些天线单元中的一个或多个天线单元的情况下，对与相控阵天线相关联的辐射方向图进行操纵。
本公开的示例方面涉及一种用于毫米波通信的圆极化阵列天线。该圆极化阵列天线可以包括多个圆极化天线。例如，在一些实施方式中，圆极化阵列天线可以包括128个圆极化天线。在替代实施方式中，圆极化阵列天线可以包括更多或更少的圆极化天线。这些圆极化天线中的每个圆极化天线可以被配置为在与毫米波通信相关联的频带(例如，约24GHz至约52GHz)上进行通信。现在将对圆极化天线的细节进行更详细地讨论。
该多个圆极化天线中的每个圆极化天线可以包括柱状基板，该柱状基板耦接到接地层。该柱状基板可以包括多个面。例如，在一些实施方式中，柱状基板可以包括四个不同的面(例如，第一面、第二面、第三面和第四面)。在替代实施方式中，柱状基板可以包括更多或更少的面。
该多个圆极化天线中的每个圆极化天线还可以包括多个隔离磁偶极子元件。此外，该多个隔离磁偶极子元件中的各个隔离磁偶极子元件可以设置在柱状基板的不同面上。例如，在一些实施方式中，该多个圆极化天线中的每个圆极化天线可以包括四个隔离磁偶极子元件。在这种实施方式中，第一隔离磁偶极子元件可以设置在柱状基板的第一面上，第二隔离磁偶极子元件可以设置在柱状基板的第二面上，第三隔离磁偶极子元件可以设置在柱状基板的第三面上，并且第四隔离磁偶极子元件可以设置在柱状基板的第四面上。
该多个隔离磁偶极子元件中的每个隔离磁偶极子元件可以经由移相器电路电耦接到RF源。以这种方式，可以经由移相器电路向该多个隔离磁偶极子元件中的每个隔离磁偶极子元件提供由RF源产生的RF信号。此外，移相器电路可以被配置为对与RF信号相关联的相角进行调整。以这种方式，提供至该多个隔离磁偶极子元件中的各个隔离磁偶极子元件的RF信号的相角可以是不同的。例如，在一些实施方式中，移相器电路可以将第一RF信号提供至第一隔离磁偶极子元件、将第二RF信号提供至第二隔离磁偶极子元件、将第三RF信号提供至第三隔离磁偶极子元件、并将第四RF信号提供至第四隔离磁偶极子元件。第二RF信号可以相对于第一RF信号异相90度。第三RF信号可以相对于第一RF信号异相180度。第四RF信号可以相对于第一RF信号异相270度。
在一些实施方式中，该多个圆极化天线中的每个圆极化天线可以包括寄生元件。该寄生元件可以与对应的隔离磁偶极子元件电磁耦接。以这种方式，寄生元件之间的电磁耦接可以允许将该多个圆极化天线中的每个圆极化天线至少调谐到频带上的第一频率和频带上的第二频率。例如，在一些实施方式中，第一频率可以是约28GHz，而第二频率可以是约39GHz。
根据本公开各示例方面的圆极化阵列天线提供了许多技术效果和益处。例如，圆极化阵列天线可以在与毫米波通信相关联的频带上提供圆极化(例如，左旋圆极化、右旋圆极化)的辐射方向图。
如本文中所使用的，术语“约”与数值一起使用意指在所陈述的数值的20％范围内。此外，术语“第一”和“第二”可以可互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分，并且不旨在表示各单个部件的位置或重要性。
现在参考各附图，图1描绘了根据本公开示例实施例的天线系统100。如图所示，天线系统100可以包括RF移相器电路110和圆极化阵列天线120。RF移相器电路110可以包括多个毫米波移相器112。该多个毫米波移相器112中的每个毫米波移相器可以电耦接到RF源130。以这种方式，该多个毫米波移相器112中的每个毫米波移相器可以从RF源130接收RF信号。该RF信号可以与毫米波通信相关联。以这种方式，RF信号的频率可以在约24GHz至约52GHz的范围内。例如，在一些实施方式中，RF信号的频率可以在24GHz至30GHz的范围内。在替代实施方式中，RF信号的频率可以在30GHz至40GHz的范围内。应当理解的是，该多个毫米波移相器112中的每个毫米波移相器可以被配置为对从RF源130接收到的RF信号的相移进行控制。以这种方式，可以在不对圆极化阵列天线120中的一个或多个圆极化天线200进行物理移动的情况下，来操纵经由圆极化阵列天线120发射的RF波的辐射方向图。
天线系统100可以包括一个或多个控制设备140。该一个或多个控制设备140可以通信地耦接到圆极化阵列天线120。以这种方式，该一个或多个控制设备140可以被配置为对圆极化阵列天线120中的一个或多个圆极化天线200进行控制，以沿着方位角平面(azimuth plane)或仰角平面(elevation plane)中的至少一者来操纵与圆极化阵列天线120相关联的辐射方向图。
此外，在一些实施方式中，该一个或多个控制设备140可以通信地耦接到RF移相器电路110。以这种方式，该一个或多个控制设备140可以被配置为对RF移相器电路110中的毫米波移相器112进行控制，以沿着方位角平面或仰角平面中的至少一者来操纵圆极化阵列天线120的辐射方向图。
如图所示，该一个或多个控制设备140可以包括一个或多个处理器142和一个或多个存储设备144。该一个或多个处理器142可以包括任何合适的处理设备，例如微处理器、微控制器、集成电路、逻辑设备或其它合适的处理设备。该一个或多个存储设备144可以包括一个或多个计算机可读介质，该一个或多个计算机可读介质包括但不限于非暂态计算机可读介质、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘驱动器、闪存驱动器或其它存储设备。
该一个或多个存储设备144可以存储可由该一个或多个处理器142访问的信息，该信息包括可由该一个或多个处理器142执行的计算机可读指令。所述计算机可读指令可以是如下的任何指令集：该任何指令集在被该一个或多个处理器142执行时，使得该一个或多个处理器142执行多个操作。计算机可读指令可以是以任何合适的编程语言编写的软件，或者可以在硬件中实现计算机可读指令。在一些实施方式中，计算机可读指令可以被该一个或多个处理器执行，以使得该一个或多个处理器执行诸如对圆极化阵列天线120中的圆极化天线200进行控制等操作。此外，这些操作可以包括：对RF移相器电路110中的一个或多个毫米波移相器112进行控制。
现在参考图2，提供了根据本公开示例实施例的圆极化阵列天线120的示例实施例。如图所示，在一些实施方式中，圆极化阵列天线120可以包括接地层(ground plane)125。在一些实施方式中，接地层125的长度尺寸127可以与接地层125的宽度尺寸129大致相同(例如，在约10毫米内)。在替代实施方式中，接地层125的长度尺寸127可以与接地层125的宽度尺寸129不同(例如，比该宽度尺寸更长、更短)。
如图所示，在一些实施方式中，圆极化阵列天线120可以包括4个圆极化天线200，该4个圆极化天线200以行-列配置被布置在接地层125上。例如，该行-列配置可以包括两行圆极化天线200和两列圆极化天线200。应当理解的是，在替代实施方式中，圆极化阵列天线120可以包括更多或更少的圆极化天线200。现在将对圆极化天线200的细节进行更详细地讨论。
现在参考图3和图4，提供了圆极化阵列天线120(图2)中的圆极化天线200的示例实施例。如图所示，圆极化天线可以包括柱状基板210。柱状基板210可以设置在圆极化阵列天线120(图2)的接地层125(图2)上。在一些实施方式中，柱状基板210的高度212可以比接地层125的长度尺寸127(图2)和接地层125的宽度尺寸129短。如图所示，柱状基板210可以包括多个面。例如，在一些实施方式中，柱状基板210可以包括第一面220、第二面222、第三面224和第四面226。在替代实施方式中，柱状基板210可以包括更多或更少的面。
多个圆极化天线200中的每个圆极化天线可以包括多个隔离磁偶极子元件230。该多个隔离磁偶极子元件230中的各个隔离磁偶极子元件可以设置在柱状基板210的不同面(例如，第一面220、第二面222、第三面224、第四面226)上。此外，该多个隔离磁偶极子元件230中的每个隔离磁偶极子元件可以经由RF移相器电路110(图1)电耦接到RF源130(图1)。以这种方式，可以经由RF移相器电路110将由RF源130产生的RF信号提供至该多个隔离磁偶极子元件230中的每个隔离磁偶极子元件。
在一些实施方式中，RF移相器电路110可以向设置在柱状基板210的第一面220上的隔离磁偶极子元件230提供第一RF信号，向设置在柱状基板210的第二面222上的隔离磁偶极子元件230提供第二RF信号，向设置在柱状基板210的第三面224上的隔离磁偶极子元件230提供第三RF信号，并向设置在柱状基板210的第四面226上的隔离磁偶极子元件230提供第四RF信号。第二RF信号可以相对于第一RF信号异相90度。第三RF信号可以相对于第一RF信号异相180度。第四RF信号可以相对于第一RF信号异相270度。
在一些实施方式中，隔离磁偶极子元件230可以包括弯曲导体。如图所示，弯曲导体可以包括底部部分302，该底部部分302可以耦接到RF移相器电路110(图1)。此外，底部部分302可以包括一个或多个接地连接304、306。弯曲导体可以包括从底部部分302的相对端延伸的一对竖直部分。例如，弯曲导体可以包括第一竖直部分308和第二竖直部分310，第一竖直部分从底部部分302的第一端延伸，第二竖直部分从底部部分302的第二端延伸。弯曲导体还可以包括第一水平部分312和第二水平部分314。第一水平部分312可以从第一竖直部分308的远端(例如，离底部部分302最远)延伸。第二水平部分314可以从第二竖直部分310的远端延伸。如图所示，第一水平部分312和第二水平部分314可以彼此重叠，以在它们之间形成电容区RC。另外，底部部分302、第一竖直部分308、第二竖直部分310、第一水平部分312和第二水平部分314可以共同形成环路(loop)，电感区Ri绕该环路而形成。
现在参考图5和图6，提供了圆极化阵列天线120(图2)中的圆极化天线200的另一示例实施例。可以以与上面参考图3和图4讨论的圆极化天线200大致相同的方式来配置该圆极化天线200。例如，该圆极化天线200可以包括柱状基板210和多个隔离磁偶极子元件230。此外，图5和图6的圆极化天线200可以包括多个寄生元件240。现在将对寄生元件240的细节进行更详细地讨论。
如图所示，该多个寄生元件240中的各个寄生元件可以设置在柱状基板210的不同面(例如，第一面220、第二面222、第三面224、第四面226)上。该多个寄生元件240中的每个寄生元件可以电磁耦接到对应的隔离磁偶极子元件230。以这种方式，寄生元件240和对应的隔离磁偶极子元件230之间的电磁耦合可以允许将圆极化天线200至少调谐到频带上的第一频率和频带上的第二频率。例如，在一些实施方式中，第一频率可以是约28GHz，而第二频率可以是约39GHz。
在一些实施方式中，寄生元件240可以与对应的隔离磁偶极子元件230集成一体。例如，如图6所示，寄生元件240和对应的隔离磁偶极子元件230可以被配置为如下的弯曲导体：该弯曲导体以与上面参考图4讨论的弯曲导体大致相同的方式来配置。如图所示，寄生元件240可以包括竖直部分400，该竖直部分从弯曲导体的底部部分302延伸。此外，寄生元件240可以包括水平部分402，该水平部分从竖直部分400的远端(例如，离弯曲导体的底部部分302最远)延伸。
现在参考图7，提供了根据本公开示例实施例的与圆极化阵列天线120(图2)相关联的辐射方向图500。应当理解的是，接地层125防止辐射方向图500的反向传播。以这种方式，将辐射方向图500引导远离极化阵列天线120的接地层125。
现在参考图8，提供了根据本公开示例实施例的与圆极化阵列天线的辐射方向图相关联的轴比的图示。如图所示，该轴比被描绘为角度的函数。沿竖直轴以分贝(decibel，dB)表示轴比，并且沿水平轴以度表示角度。如图所示，在角度对应于零度时，轴比大致等于零。应当理解的是，零度角对应于与圆极化天线的辐射方向图相关联的天顶轴(zenithaxis)。
现在参考图9，为与(例如左旋圆极化的)第一辐射方向图600和(例如左旋圆极化的)第二辐射方向图610相关联的增益的图示，该第一辐射方向图与圆极化阵列天线相关联，该第二辐射方向图与圆极化阵列天线相关联。如图所示，该增益被描绘为角度的函数。沿竖直轴以分贝(dB)表示增益，并且沿水平轴以度表示角度。
现在参考图10，提供了根据本公开示例实施例的另一天线系统700。应当理解的是，可以以与上面参考图1讨论的天线系统100大致相同的方式来配置该天线系统700。例如，天线系统700可以包括RF移相器电路110和圆极化阵列天线120。
此外，与图1的天线系统100相比，图10的天线系统700可以包括振幅控制电路114。该振幅控制电路114可以包括多个放大器115。该多个放大器115中的每个放大器可以电耦接到RF移相器电路110中的对应毫米波移相器112和圆极化阵列天线120中的对应圆极化天线200。以这种方式，该多个放大器115中的每个放大器可以放大从对应的毫米波移相器112接收到的相移RF信号，并将放大后的相移RF信号提供至对应的圆极化天线200。
在一些实施方式中，一个或多个控制设备140可以通信地耦接到振幅控制电路114。例如，该一个或多个控制设备140可以通信地耦接到该多个放大器115中的每个放大器。以这种方式，该一个或多个控制设备140可以对该多个放大器115中的每个放大器的操作进行独立地控制。例如，在一些实施方式中，该一个或多个控制设备140可以对放大器115的操作进行控制，使得仅振幅控制电路114从RF移相器电路110接收的多个相移RF信号的一子集被放大。在替代实施方式中，该一个或多个控制设备140可以对放大器115的操作进行控制，使得振幅控制电路114从RF移相器电路110接收的多个相移RF信号中的每个相移RF信号被放大。
尽管已关于本主题的具体示例实施例对本主题进行了详细描述，但是应理解的是，本领域技术人员在理解了上述内容后，可以很容易地产生对这些实施例的改变、变型和等同。因此，本公开的范围采用示例的方式而非限制的方式，并且本主题公开内容不排除包括对于本领域普通技术人员是显而易见的、对本主题的这种修改、变型和/或添加。

Claims (18)

1.一种圆极化阵列天线，包括：
接地层；以及
多个圆极化天线，所述多个圆极化天线中的每个圆极化天线被配置为在范围为24GHz至52GHz的频带上进行通信，所述多个圆极化天线中的每个圆极化天线包括：
柱状基板，所述柱状基板耦接到所述接地层，所述柱状基板具有多个面；以及
多个隔离磁偶极子元件，所述多个隔离磁偶极子元件中的各个隔离磁偶极子元件设置在所述柱状基板的所述多个面中的不同面上。
2.根据权利要求1所述的圆极化阵列天线，其中，所述多个圆极化天线中的每个圆极化天线还包括：
多个寄生元件，所述多个寄生元件中的各个寄生元件设置在所述柱状基板的不同面上，所述多个寄生元件中的每个寄生元件电耦接到对应的隔离磁偶极子。
3.根据权利要求1所述的圆极化阵列天线，其中，与所述圆极化阵列天线相关联的辐射方向图是左旋圆极化的或右旋圆极化的。
4.根据权利要求1所述的圆极化阵列天线，其中，所述多个隔离磁偶极子元件包括：
第一磁偶极子元件，所述第一磁偶极子元件设置在所述柱状基板的第一面上；
第二磁偶极子元件，所述第二磁偶极子元件设置在所述柱状基板的第二面上；
第三磁偶极子元件，所述第三磁偶极子元件设置在所述柱状基板的第三面上；以及
第四磁偶极子元件，所述第四磁偶极子元件设置在所述柱状基板的第四面上。
5.根据权利要求1所述的圆极化阵列天线，其中，所述柱状基板的高度比所述接地层的长度和所述接地层的宽度短。
6.根据权利要求1所述的圆极化阵列天线，其中，所述接地层的长度尺寸与所述接地层的宽度尺寸大致相同。
7.根据权利要求1所述的圆极化阵列天线，其中，所述频带在24GHz至30GHz的范围内。
8.根据权利要求1所述的圆极化阵列天线，其中，所述频带在30GHz至40GHz的范围内。
9.一种天线系统，包括：
移相器电路，所述移相器电路包括多个移相器，所述多个移相器中的每个移相器电耦接到射频(RF)源；以及
圆极化阵列天线，所述圆极化阵列天线电耦接到所述移相器电路，所述圆极化阵列天线包括多个圆极化天线，所述多个圆极化天线中的每个圆极化天线被配置为在范围为24GHz至52GHz的频带上进行通信，所述多个圆极化天线中的每个圆极化天线包括：
柱状基板，所述柱状基板耦接到接地层，所述柱状基板具有多个面；以及
多个隔离磁偶极子元件，所述多个隔离磁偶极子元件中的各个隔离磁偶极子元件设置在所述柱状基板的不同面上。
10.根据权利要求9所述的天线系统，其中，所述多个圆极化天线中的每个圆极化天线还包括：
多个寄生元件，所述多个寄生元件中的各个寄生元件设置在所述柱状基板的不同面上，所述多个寄生元件中的每个寄生元件电耦接到对应的隔离磁偶极子。
11.根据权利要求9所述的天线系统，其中，与所述圆极化阵列天线相关联的辐射方向图是左旋圆极化的或右旋圆极化的。
12.根据权利要求9所述的天线系统，其中，所述多个隔离磁偶极子元件包括：
第一磁偶极子天线，所述第一磁偶极子天线设置在所述柱状基板的第一面上；
第二磁偶极子天线，所述第二磁偶极子天线设置在所述柱状基板的第二面上；
第三磁偶极子天线，所述第三磁偶极子天线设置在所述柱状基板的第三面上；以及
第四磁偶极子天线，所述第四磁偶极子天线设置在所述柱状基板的第四面上。
13.根据权利要求9所述的天线系统，其中，所述柱状基板的高度比所述接地层的长度和所述接地层的宽度短。
14.根据权利要求9所述的天线系统，其中，所述接地层的长度尺寸与所述接地层的宽度尺寸大致相同。
15.根据权利要求9所述的天线系统，其中，所述频带在24GHz至30GHz的范围内。
16.根据权利要求9所述的天线系统，其中，所述频带在30GHz到40GHz的范围内。
17.根据权利要求9所述的天线系统，还包括：
振幅控制电路，所述振幅控制电路包括多个放大器，所述多个放大器中的每个放大器耦接在所述移相器电路的对应移相器和所述圆极化阵列天线的对应圆极化天线之间，所述多个放大器中的每个放大器被配置为放大从所述对应移相器接收到的相移RF信号。
18.根据权利要求9所述的天线系统，其中，所述多个移相器中的每个移相器包括毫米波移相器。
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