CN117117488A - 一种应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线 - Google Patents
一种应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线 Download PDFInfo
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Abstract
一种应用于B5G通信的1‑bit可重构低功耗反射阵天线，其特征在于，包括反射阵列与馈源，所述反射阵列包括多个周期排列的反射单元，所述反射单元包括自上而下设置的贴片、上地板和下地板；所述上地板刻蚀有短路槽，所述短路槽的槽中设置焊盘，焊盘的一侧与短路槽的一侧之间设置PIN二极管，焊盘的另一侧与短路槽的另一侧之间设置有电容，所述焊盘与直流偏置线连接，通过控制所述PIN二极管的导通与断开，得到0°与180°两种补偿相位状态，实现1‑bit可重构性能。本发明天线结构简洁，通过降低流过有源器件的电流以减小系统功耗，同时，天线实现了较高口面效率与较为精准的波束扫描角度。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术的天线设计技术领域，特别涉及一种应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线。
背景技术
近年来，第五代移动通信(5th Generation Mobile Communication,5G)的相关技术已趋于成熟，为了实现更高速率与更大容量的数据传输速率，学术界与工业界已开始对后5代移动通信(Beyond 5G,B5G)技术的研究。随着B5G移动通信对于可重构智能超表面(Intelligent Reflecting Surface,RIS)应用的推动，可重构反射阵天线得到了日益广泛的关注。可重构反射阵天线通过在每个单元加载PIN二极管、变容二极管、MEMS开关等器件，动态调节每个单元的反射相位，可快速、便捷、精准地实现波束扫描性能。此外，由于高频电磁信号空间衰减大，需要部署更多基站以实现良好的信号覆盖。基站数量的增多意味着供电成本的增大，为缓解供电压力，需要设计一种具有波束扫描性能的低功耗反射阵天线。
经过对现有技术的文献和专利检索发现，当前主要有两种实现反射阵天线低功耗性能的方法。第一种方法是降低有源器件使用数量，例如将两个相邻单元组成子阵，共用一个有源器件。这种方法的缺点在于可切换的波束状态有限。第二种方法是选用低损耗可重构器件，但考虑到天线工作频段等限制因素，可选的器件种类往往受到限制。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应用于B5G移动终端的1-bit可重构低功耗可重构反射阵天线，天线结构简洁，通过降低流过有源器件的电流以减小系统功耗，同时，天线实现了较高口面效率与较为精准的波束扫描角度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线，包括反射阵列与馈源，所述反射阵列包括多个周期排列的反射单元，所述反射单元包括自上而下设置的贴片、上地板和下地板；所述上地板刻蚀有短路槽，所述短路槽的槽中设置焊盘，焊盘的一侧与短路槽的一侧之间设置PIN二极管，焊盘的另一侧与短路槽的另一侧之间设置有电容，所述焊盘与直流偏置线连接，通过控制所述PIN二极管的导通与断开，得到0°与180°两种补偿相位状态，实现1-bit可重构性能。
在一个实施例中，所述短路槽为矩形槽，所述短路槽的一侧与另一侧，为其对称的长边侧。
在一个实施例中，所述中介质板的下表面印制有相位延迟线，所述短路槽的长度为0.2λ0，相位延迟线长度为0.14λ0，其中λ0为天线中心频率对应的自由空间波长。
在一个实施例中，所述贴片印刷于上介质板的上表面，所述上地板印刷于中介质板的上表面，所述下地板印刷于下介质板的上表面，上介质板与中介质板之间为上空气层，中介质板与下介质板之间为下空气层。
在一个实施例中，所述直流偏置线印刷在中介质板的下表面，与焊盘之间通过贯通中介质板的短路柱连接。
在一个实施例中，所述PIN二极管正极焊接在焊盘上，对直流偏置线提供高、低电平，控制PIN二极管通断，从而实现单元可重构性能。
在一个实施例中，所述直流偏直线包含偏置线与半径为四分之一波长的扇形开路枝节，所述扇形开路枝节连接于所述偏置线。
在一个实施例中，所述贴片的形状为方形，所述路槽位于贴片中心的正下方。
在一个实施例中，所述馈源采用标准增益喇叭天线，极化方向与相位延迟线长度方向平行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过减小流经导通状态下PIN二极管的电流，使得PIN二极管工作在低功耗状态时，阵列增益无显著降低，从而在天线反射损耗较低的同时，可实现较高口面效率。
2)天线可在极低功耗下正常工作并保持良好辐射性能。
附图说明
图1为具体实施方式中反射阵天线的结构示意图。
图2为具体实施方式中天线单元的三维结构分解图。
图3为具体实施方式中天线单元的侧视图。
图4为具体实施方式中天线单元中间层地板的顶视图。
图5为具体实施方式中反射单元幅度与相位仿真结果。
图6为具体实施方式中1-bit可重构反射阵天线的H面仿真与实测波束扫描方向图。
图7为具体实施方式中1-bit可重构反射阵天线的E面仿真与实测波束扫描方向图。
图8为具体实施方式中1-bit可重构反射阵天线0°出射时增益与对应口面效率随频率的变化曲线。
图9为具体实施方式中1-bit可重构反射阵天线中PIN二极管等效电阻取不同值时天线增益。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明一种应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线，包括反射阵列1与馈源2，其结构示意如图1所示。反射阵列1包括多个周期排列的反射单元11，本发明以M×N表示反射单元11的数量，反射阵列1也可仅由M×N个反射单元11组成，其中，M、N为大于2的整数。
参考图2、图3和图4所示，本发明的反射单元11包括自上而下设置的贴片111、上地板112和下地板117。其中，在上地板112刻蚀有短路槽118，并在短路槽118的槽中位置设置焊盘113，焊盘113的一侧与短路槽118的一侧之间设置PIN二极管1114，焊盘113的另一侧与短路槽118的另一侧之间设置有电容1115。即，在短路槽118的相对两侧之间，通过电容1115-焊盘113-PIN二极管1114进行连接，焊盘113与直流偏直线116连接。
根据以上结构，本发明的技术方案是这样实现的：
PIN二极管1114导通时，短路槽118被短路，上地板112作为反射板。PIN二极管1114断开时，上地板112为缝隙地板，电磁波经由短路槽118耦合至相位延迟线115，实现反射相位调控。相位延迟线115可以印刷在中介质板1110的下表面，或其它能够便于与短路槽118耦合的区域，其作用是调节反射电磁波的相位，从而得到预期单元反射相位。因此对于反射单元11，通过PIN二极管1114的导通与断开实现反射单元的1-bit可重构性能。其工作原理可以更具体地解释如下：当PIN二极管1114导通时，短路槽118被连通，由贴片111接收的电磁波直接被上地板112反射，再由贴片111辐射回自由空间；当PIN二极管1114截止时，由贴片111接收的电磁波经短路槽118耦合至相位延迟线115，被其开路末端反射，耦合至贴片111并辐射回自由空间。两种状态下反射相位之差约为180°，实现了1-bit可重构性能。其中电容1115起到隔离直流电、防止PIN二极管1114短路的作用。
由馈源2发射的电磁波照射到反射阵列1中不同反射单元时，由于电磁波传输的路径不同，会形成延迟相位差；若想获得特定方向的辐射波束，阵列1中的各单元应以特定相位分布，为实现该相位分布，应对各个单元进行不同的相位补偿。在1-bit可重构反射阵中，补偿相位被量化为0°与180°两种相位状态，对应单元11中PIN二极管1114的导通与断开。通过直流控制电路控制PIN二极管1114通断，使阵列11形成特定相位分布，即可实现特定角度的反射波束。
PIN二极管在导通状态下的等效电路包含电阻，其阻值越大，对应状态下的反射单元损耗越大，反射阵天线口面效率越低。PIN二极管1114在导通状态下的工作特性为：当施加在PIN二极管1114两端的正向电压增大，二极管的导通电流增大，其等效电阻值随之降低。本发明所述PIN二极管1114被焊接在电流较小的缝隙中心处。即使减小PIN二极管1114的导通电流，使其等效电阻升高，由于流过PIN二极管1114的电流较小，等效电阻消耗的能量仍维持在较低水平，反射单元损耗不会随PIN二极管1114等效电阻增大而显著增大。因此，当PIN二极管1114的导通电压与电流都降低，即让PIN二极管1114工作在低功耗状态时，天线的辐射性能不会受到显著影响。
在本发明的实施例中，贴片111的形状为方形，短路槽118位于贴片111中心的正下方。短路槽118为矩形槽，所述短路槽118的一侧与另一侧，为其对称的长边侧，即电容1115-焊盘113-PIN二极管1114连接在短路槽118的两长边侧之间，并且短路槽118可与相位延迟线115的长度方向垂直。其中，短路槽118的长度约为0.2λ0，相位延迟线115长度约为0.14λ0，其中λ0为天线中心频率对应的自由空间波长。通过该限定，能进一步优化电磁波的反射辐射效果。
在本发明的实施例中，贴片111印刷于上介质板119的上表面，所述上地板112印刷于中介质板1110的上表面，所述下地板117印刷于下介质板1111的上表面，上介质板119与中介质板1110之间为上空气层1112，中介质板1110与下介质板1111之间为下空气层1113。其中上介质板119、中介质板1110和下介质板1111的面积相等。
本实施例上空气层1112与下空气层1113的设计可提升单元带宽，同时增大调节自由度。下地板117作为反射板，可对入射电磁波进行反射。
在本发明的实施例中，直流偏置线116印刷在中介质板1110的下表面，与焊盘113之间通过贯通中介质板1110的短路柱114连接。具体地，直流偏置线116一端通过短路柱114连接至焊盘113，PIN二极管1114正极焊接在焊盘113上，对直流偏置线116提供高、低电平，即可控制PIN二极管1114通断，从而实现单元可重构性能。直流偏置线116的一种结构，如图3所示，包含偏置线与半径为四分之一波长的扇形开路枝节，其中扇形开路枝节连接于偏置线。
在本发明的一个具体实施例中，天线中心工作频率选定为5.4GHz，属于B5G移动通信工作频段。取M＝N＝14，即，反射阵列1由14×14个反射单元11周期性排列组成。反射单元11的尺寸为25mm，约为λg(介质中的波长)/2。贴片111为方形贴片，边长为17.5mm。地板112上的短路槽118长度为11mm，宽度为2mm。相位延迟线115长度为8mm，宽度为1mm。介质板119与介质板1110采用介电常数为2.65的F4B材质，介质板1111采用介电常数为4.4的FR4材质，三层介质板厚度均为1mm。空气层1112与空气层1113厚度均为2mm。馈源2采用标准增益喇叭天线，极化方向与相位延迟线115长度方向平行。
图5为反射单元11在PIN二极管1114的导通与断开下的反射系数幅度与两种状态的反射相位差。1-bit可重构反射阵单元的两种状态在4.9-5.7GHz频带范围内实现了180°±20°相位差，实现了约15.1％的相位相对带宽。在4.8-6.0GHz频带内，PIN二极管导通与断开的情况下，单元的反射损耗始终低于0.1dB。
图6为5.4GHz处，1-bit可重构反射阵天线的H面仿真与实测波束扫描结果。天线实现了±50°的波束扫描。
图7为5.4GHz处，1-bit可重构反射阵天线的E面仿真与实测波束扫描结果。由于馈源2不在此平面内，由于对称性，仅需观察0°-50°波束扫描角。在5.4GHz，1-bit可重构反射阵天线最高增益为22.4dBi，对应峰值口面效率为34.8％。
图8为1-bit可重构反射阵天线0°出射时增益与对应口面效率随频率的变化曲线。在4.9-5.7GHz频段范围内，天线的口面效率高于20％，在较宽频带内实现了较为稳定的高口面效率性能。在4.9-5.7GHz频段内，0°出射波束的增益波动始终维持在3dB以内。
图9为1-bit可重构反射阵天线中PIN二极管等效电阻取不同值时天线增益。本发明选用SMP1340-079LF型号PIN二极管。以额定电流10mA导通时，该二极管的等效电阻约为0.85Ω，导通电流减小至0.03mA时，该二极管的等效电阻约为9Ω。等效电阻由0.85Ω升高至9Ω，对应单个PIN二极管消耗功率由8.5mW降低至0.021mW。对于0°出射波束，阵面中共有90路PIN二极管处于导通状态，PIN二极管总功耗由765mW降低至1.89mW，对应阵列增益从20.7dBi降低至21.1dBi，仅降低0.5dB。因此，该1-bit可重构反射阵天线可在低功耗状态下保持良好的辐射性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限定，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线，其特征在于，包括反射阵列(1)与馈源(2)，所述反射阵列(1)包括多个周期排列的反射单元(11)，所述反射单元(11)包括自上而下设置的贴片(111)、上地板(112)和下地板(117)；所述上地板(112)刻蚀有短路槽(118)，所述短路槽(118)的槽中设置焊盘(113)，焊盘(113)的一侧与短路槽(118)的一侧之间设置PIN二极管(1114)，焊盘(113)的另一侧与短路槽(118)的另一侧之间设置有电容(1115)，所述焊盘(113)与直流偏置线(116)连接，通过控制所述PIN二极管(1114)的导通与断开，得到0°与180°两种补偿相位状态，实现1-bit可重构性能。
2.根据权利要求1所述应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线，其特征在于，所述短路槽(118)为矩形槽，所述短路槽(118)的一侧与另一侧，为其对称的长边侧。
3.根据权利要求2所述应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线，其特征在于，所述中介质板(1110)的下表面印制有相位延迟线(115)，所述短路槽(118)的长度为0.2λ0，相位延迟线(115)长度为0.14λ0，其中λ0为天线中心频率对应的自由空间波长。
4.根据权利要求1所述应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线，其特征在于，所述贴片(111)印刷于上介质板(119)的上表面，所述上地板(112)印刷于中介质板(1110)的上表面，所述下地板(117)印刷于下介质板(1111)的上表面，上介质板(119)与中介质板(1110)之间为上空气层(1112)，中介质板(1110)与下介质板(1111)之间为下空气层(1113)。
5.根据权利要求4所述应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线，其特征在于，所述直流偏置线(116)印刷在中介质板(1110)的下表面，与焊盘(113)之间通过贯通中介质板(1110)的短路柱(114)连接。
6.根据权利要求1或5所述应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线，其特征在于，所述PIN二极管(1114)正极焊接在焊盘(113)上，对直流偏置线(116)提供高、低电平，控制PIN二极管(1114)通断，从而实现单元可重构性能。
7.根据权利要求6所述应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线，其特征在于，所述直流偏直线(116)包含偏置线与半径为四分之一波长的扇形开路枝节，所述扇形开路枝节连接于所述偏置线。
8.根据权利要求1所述应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线，其特征在于，所述贴片(111)的形状为方形，所述路槽(118)位于贴片(111)中心的正下方。
9.根据权利要求1所述应用于B5G通信的1-bit可重构低功耗反射阵天线，其特征在于，所述馈源(2)采用标准增益喇叭天线，极化方向与相位延迟线(115)长度方向平行。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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