一比特可重构毫米波阵列天线

1.本发明属于通信设备技术领域，涉及一种毫米波阵列天线，具体涉及一种一比特可重构毫米波阵列天线。


背景技术：

2.近年来，用于移动终端的毫米波天线取得了重大进展。但对于移动终端来说，成本和占用空间是天线设计的两个重要因素，具有更低成本、占用空间更小的毫米波阵列天线始终是天线工程师追求的目标。在ieee公开发表论文中，分别设计了一个60ghz网状网格相控阵天线模块；一种具有8ghz(25-33ghz)的宽带宽紧凑型四模毫米波阵列天线；一种在24-28ghz频率下工作的具有高天线增益和宽波束覆盖范围电容耦合贴片阵列天线；一种紧凑型双极化磁电平面覆盖23.5-28ghz的八木阵列天线；一种垂直极化的端火平面折叠槽天线；宽带毫米波双极化终端发射阵列天线。论文《integrated millimeter-wave wideband end-fire 5g beam steerable array and low-frequency 4g lte antenna in mobile terminals》分析了金属边框对毫米波天线的影响，并建议使用光栅条和寄生辐射贴片来减轻负面影响。在论文《co-designed mm-wave and lte handset antennas》中，金属边框中的矩形窗口用于安装毫米波阵列天线，以便毫米波阵列可以直接通过矩形窗口辐射功率。这种实用的解决方案已被一些商用5g移动终端采用，例如带有微毫米波窗口的apple iphone 12。此外，毫米波阵列天线也可以通过移动终端金属边框上的开槽直接实现。
3.虽然上述研究的毫米波阵列天线具有优越的性能，能够满足5g移动终端的一些要求，但通常需要增加移相器来控制波束方向。对于n位移相器，可以提供2n个可用的量化相位，步进为-2π/2n。阵列的每个元素都可以选择最近的可用量化相位来替换所需的相位。在公开文献中，提出了具有五位，四位，三位和两位移相器的阵列天线，这些阵列可以将波束引导到所需的方向。然而，事实上，每个单元的量子化相位通常与所需的相位不同，并且总是会发生相位量化误差。


技术实现要素：

4.本发明是为解决上述问题而进行的，目的在于提供一种无需额外的移相器即可实现合理的波束控制性能的毫米波阵列天线，从而克服手机天线尺寸的减小、手机中复杂的电磁环境所带来的影响，本发明采用了如下技术方案：
5.本发明提供了一种一比特可重构毫米波阵列天线，其特征在于，包括：多个天线单元，呈阵列排布，构成一比特阵列，其中，每个所述天线单元包括自上而下依次层叠设置的辐射层、天线介质层、金属地面、馈电介质层以及馈电线层，所述金属地面上开设有馈电槽，所述馈电线层上形成有馈电传输线路，所述辐射层通过所述馈电槽以及所述馈电传输线路与馈电源导通连接，所述馈电传输线路包括两个二极管，用于使所述天线单元的辐射电场的相位仅为第一预定相位或第二预定相位，从而实现随机相位无无栅瓣的功能。
6.本发明提供的一比特可重构毫米波阵列天线，还可以具有这样的技术特征，其中，
所述第一预定相位为0，所述第二预定相位为-π。
7.本发明提供的一比特可重构毫米波阵列天线，还可以具有这样的技术特征，其中，所述辐射层为矩形金属辐射贴片，其长度为2.7mm，宽度为2.7mm。
8.本发明提供的一比特可重构毫米波阵列天线，还可以具有这样的技术特征，其中，所述金属地面的长度和宽度均为10mm，所述矩形槽开设在所述金属地面的中部，所述矩形槽的长度为2.3mm，宽度为0.2mm。
9.本发明提供的一比特可重构毫米波阵列天线，还可以具有这样的技术特征，其中，所述馈电传输线路包括直流传输线l1、直流传输线l2、馈电传输线l3、二极管k1、二极管k2、电阻r、电容c以及金属圆柱cl1，所述电阻r的一端连接至直流电源，所述电阻r的另一端连接至所述直流传输线l1的一端，所述直流传输线l1的另一端连接至馈电传输线l3，所述二极管k1和所述二极管k2串联在所述馈电传输线l3中，所述馈电传输线l3的另一端既连接至所述直流传输线l2的一端又连接至所述电容c的一端，所述电容c的另一端连接至所述馈电源，所述直流传输线l2的另一端通过所述金属圆柱cl1接地。
10.本发明提供的一比特可重构毫米波阵列天线，还可以具有这样的技术特征，其中，所述二极管k1和所述二极管k2的均为pin二极管，型号均为ma4agfcp910。
11.本发明提供的一比特可重构毫米波阵列天线，还可以具有这样的技术特征，其中，所述馈电传输线路还包括扇形金属线f1，连接在所述所述直流传输线l1靠近所述电阻r的一端。
12.本发明提供的一比特可重构毫米波阵列天线，还可以具有这样的技术特征，其中，所述天线介质层为罗杰斯rt5880单层介质基板，其相对介电常数为2.2，损耗正切为0.0009，高度为0.508mm。
13.本发明提供的一比特可重构毫米波阵列天线，还可以具有这样的技术特征，其中，所述馈电介质层为罗杰斯ro4003c双层介质基板，其馈电介质层的相对介电常数为3.55，损耗正切为0.0027，高度为0.203mm。
14.发明作用与效果
15.根据本发明的一比特可重构毫米波阵列天线，由于具有呈阵列排布的多个天线单元，因此构成可重构的一比特多单位阵列天线，每个天线单元通过其金属地面上的馈电槽以及相应的馈电传输线路进行馈电，且馈电传输线路中包含有两个二极管，将对应的天线单元的辐射电场的相位限定在第一预定相位或第二预定相位，因此能够减轻一比特相位量化误差所带来的负面影响，从而能够在不采用额外移相器的情况下就对波束的方向及性能实现理想的控制，实现一比特阵列随机相位无栅瓣的功能，有利于进一步减小阵列天线的尺寸。
附图说明
16.图1是本实施例中一比特可重构毫米波阵列天线的结构示意图；
17.图2是本实施例中天线单元的结构图；
18.图3是本实施例中天线单元不同角度的结构图；
19.图4是本实施例中馈电网络的结构示意图；
20.图5是图4中圈a内部分的放大图；
21.图6是本实施例中对微带馈电传输线路施加高电平时的等效电路图；
22.图7是本实施例中对微带馈电传输线路施加低电平时的等效电路图；
23.图8是本实施例中功分器的结构示意图；
24.图9是本实施例中一比特可重构毫米波阵列天线在两种状态下天线单元的s11仿真结果图；
25.图10是本实施例中一比特可重构毫米波阵列天线的主极化与交叉极化图；
26.图11是本实施例中一比特可重构毫米波阵列天线的阵列性能随开关参数变化的曲线图；
27.图12是本实施例中一比特可重构毫米波阵列天线在不同所需波束方向下的辐射方向仿真图。
具体实施方式
28.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明的一比特可重构毫米波阵列天线作具体阐述。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.《实施例》
31.本实施例提供一种一比特可重构毫米波阵列天线，用于设置在手机等移动终端中，进行信号的收发。
32.图1是本实施例中一比特可重构毫米波阵列天线的结构示意图。
33.如图1所示，本实施例的一比特可重构毫米波阵列天线10(以下简称天线10)包括四个天线单元11，四个天线单元11沿图1中x轴方向依次排布，呈阵列排布，构成一比特多单元阵列。图1中的“端口1”至“端口4”为各个天线单元11的馈电端口。
34.图2是本实施例中天线单元的结构图。
35.图3是本实施例中天线单元不同角度的结构图。
36.如图2和图3所示，每个天线单元11包括自上而下依次层叠设置的辐射层111、天线介质层112、粘合层113、金属地面114、馈电介质层115以及馈电层116。
37.其中，辐射层111为设置在天线介质层112顶部的矩形金属辐射贴片，贴片的长度和宽度均为2.7mm。
38.天线介质层112为罗杰斯rt5880单层介质基板，其相对介电常数为2.2，损耗正切为0.0009，高度为h1＝0.508mm。
39.粘合层113用于粘合天线介质层112、馈电介质层114以及金属地面11，粘合层113的高度h3＝0.101mm。
40.金属地面114设置在馈电介质层115的顶部，金属地面114的长度和宽度均为10mm。金属地面114的中部开设有矩形槽1141，也即馈电槽，用于进行馈电，矩形槽1141的长度为2.3mm，宽度为0.2mm。
41.馈电介质层115为罗杰斯ro4003cpcb双层介质基板，其相对介电常数为3.55，损耗
正切为0.0027，高h2＝0.203mm。
42.馈电线层116设置在馈电介质层115下方，馈电线层116上形成有微带馈电传输线路。
43.图4是本实施例中馈电网络的结构示意图。
44.图5是图4中圈a内部分的放大图。
45.如图4和图5所示，微带馈电传输线路包括直流传输线l1、直流传输线l2、馈电传输线l3、扇形金属线f1、二极管k1和k2、电阻r、电容c、短路金属圆柱cl1和cl2，各元件之间按照图4、图5中所示的方式连接，构成馈电网络，馈电网络隔离直流电流元件和交流电流元件。具体地，电阻r的一端连接至直流电源，电阻r的另一端连接至直流传输线l1的一端，直流传输线l1一端连接至馈电传输线l3，二极管k1和二极管k2串联在馈电传输线l3中，馈电传输线l3的另一端既连接有直流传输线l2又连接有电容c，电容c的另一端连接至馈电源，直流传输线l2的另一端通过短路金属圆柱cl1接地，扇形金属线f1连接在直流传输线l1靠近电阻r的一端。短路金属圆柱cl2接地。其中，直流传输线l1、直流传输线l2以及馈电传输线l3为两个二极管k1、k2提供电压。二极管k1和k2均为pin二极管，其型号均为ma4agfcp910，可视作两个开关。电阻r的电阻值为100ω，电容c的容值为3.3pf。
46.本实施例中，每个天线单元11的直流电源端v1、v2均连接至直流控制器，该直流控制器可提供0v、1.5v和3v三种直流电压，用于连接直流基准线。其中，直流控制器的1.5v电压端连接至每个直流电源端v2，0v和3v电压端连接至每个直流电源端v1，以控制每个pin二极管的状态。此外，为了成功馈电，需要使用k型连接器来连接各个馈电端口。
47.此外，图5中，馈电传输线路各部分的尺寸分别为：a1＝0.6，a2＝0.2，a3＝0.4，a4＝0.44，b1＝0.3，b2＝0.84，b3＝0.6，b4＝0.7，b5＝0.5，b6＝1.0，单位均为mm。
48.图6是本实施例中对微带馈电传输线路施加高电平时的等效电路图。
49.如图6所示，当施加在电阻r一端的电压v1为预定的电压值v0时，二极管k1为导通，二极管k2为断开(即开关1为开，开关2为关)，此时天线单元11的辐射电场的相位为0。
50.图7是本实施例中对微带馈电传输线路施加低电平时的等效电路图。
51.如图7所示，当施加在电阻r一端的电压v1为0时，二极管k1为断开，二极管k2为导通(即开关1为关，开关2为开)，此时天线单元11的辐射电场的相位为-π。
52.如上所述，天线单元11通过选择微带馈电传输线路的馈电方向实现-π或0相位，也即应用两个固定相位，从而减轻一比特相位量化误差的负面影响。
53.此外，如图1所示，将四个天线单元11组合成天线10时，可以采用一块大的金属地面114a来作为四个天线单元11的金属地面。图1中，大的金属地面114a的长度alg＝27mm，宽度awg＝10mm，相邻的两个天线单元11沿x轴方向的间距p＝6mm。大的金属地面114a上开设有四个矩形的馈电槽，分别对应于四个天线单元11。
54.图8是本实施例中功分器的结构示意图。
55.如图8所示，本实施例的天线10还包括功分器20，功分器20为一分四功分器，功分器20的端口2-5分别连接至四个天线单元11的馈电端口p1，功分器20的端口1连接至输入信号。一分四功分器的结构及工作原理具体为现有技术，因此不再赘述。
56.此外，图8中，功分器各部分的尺寸分别为：w1＝0.44，w2＝0.2,w3＝0.1，w4＝0.33，w5＝0.33，w6＝0.46，w7＝0.8，l1＝11.8，l2＝1.9，l3＝5.8，l4＝1.65，l5＝0.9，l6＝
1.33，l7＝1.27，l8＝0.76，单位均为mm。
57.图9是本实施例中一比特可重构毫米波阵列天线在两种状态下天线单元的s11仿真结果图。
58.图10是本实施例中一比特可重构毫米波阵列天线的主极化与交叉极化图。
59.图11是本实施例中一比特可重构毫米波阵列天线的阵列性能随开关参数变化的曲线图。
60.图12是本实施例中一比特可重构毫米波阵列天线在不同所需波束方向下的辐射方向仿真图。
61.如图9-12所示，本实施例中，对上述一比特可重构毫米波阵列天线10进行了仿真实验以及实际产品的测试，在实际测试中，天线10的s参数使用德科技pna网络分析仪n5227a(10mhz-67ghz)进行测量，辐射方向图在电磁波暗室中测量，且需注意，天线10的带宽需大于用于引入功分器的元件的带宽。
62.经测量，在26ghz-28 ghz的频率范围内，本实施例的天线10可以在没有栅瓣的情况下将主波束从-34
°
引导到35
°
。此外，在主波束方向上测得的交叉计划值低于-16db。实际产品测量的辐射方向图与仿真模拟的辐射方向图一致。实测方向图与仿真方向图之间存在一定的差异，该差异可能来自实测和仿真中pin二极管的制造误差和不同规格参数。
63.本发明中未详细说明的部分为本领域的公知技术。
64.实施例作用与效果
65.根据本实施例提供的一比特可重构毫米波阵列天线，由于具有呈阵列排布的多个天线单元，因此构成可重构的一比特多单位阵列天线，每个天线单元通过其金属地面上的馈电槽以及相应的馈电传输线路进行馈电，且馈电传输线路中包含有两个二极管，将对应的天线单元的辐射电场的相位限定在第一预定相位或第二预定相位，因此能够减轻一比特相位量化误差所带来的负面影响，从而能够在不采用额外移相器的情况下就对波束的方向及性能实现理想的控制，实现一比特阵列无栅瓣的功能，有利于进一步减小阵列天线的尺寸。
66.实施例中，进行了仿真实验以及实际产品的测试，经测试，本实施例的一比特可重构毫米波阵列天线在不同波束方向上的重叠-10db阻抗带宽达到3ghz(25-28ghz)。在26-28ghz的频率范围内，具有固定相位的阵列可以在没有光栅波瓣的情况下控制主波束相位范围在-34
°
～35
°
之间，控制波束实现了良好的阵列增益、正常范围内的旁瓣电平以及低交叉极化的指标。
67.上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。
68.在上述实施例中，一比特可重构毫米波阵列天线10具有四个天线单元11，构成了一比特四单元阵列，在替代方案中，一比特可重构毫米波阵列天线10也可以具有八个或更多个天线单元11，或具有双极化的元线单元，也能实现本发明的技术效果。