CN109687124A - 一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置及其实现方法，所述装置包括双面印刷的电偶极子天线阵、基片集成波导的双平衡馈电网络和功分相移网络。本发明组建的电偶极子天线相控阵列，具有低轮廓、易集成和H面宽波束覆盖的特性，利用相移网络的不同的相移特性馈电，可以得到E面的波束扫描特性，采用三付电偶极子天线阵列的方案可以满足终端设备超过半球的三维空间覆盖需求，其中主要空间区域满足双极化。

Description

一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置及其实现方法
技术领域
本发明属于无线通信***，具体涉及一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置及其实现方法。
背景技术
在未来无线通信***中，毫米波相控阵天线技术将会被广泛利用，以实现对空间资源的高效利用。毫米波相控阵天线作为无线通信***里的关键器件，其性能直接决定了***可达到的性能水准。而对于终端设备，更要求其所使用天线，除了能满足传统的带宽和增益指标外，还需要具备小型化、宽波束覆盖等特点；特别的，如果该天线还能具备端射辐射特性，则可以带来更多诸如提高能量利用率、减少天线与设备内部电路之间干扰等额外益处。
由于大气对于电磁波的衰减效应，具有高增益特性的阵列天线形式格外受到青睐，并被视为是毫米波通信***的潜在天线方案。考虑到高增益天线阵列固有的窄波瓣宽度以及终端设备的实际应用需求，终端设备上的天线阵列也需要具备可靠的波束扫描特性。
针对移动终端应用场景，其信号辐射的全方位覆盖能力也很有实际意义。然而使用单一天线或者单一天线阵列，并不能满足手持终端设备信号在整个三维空间上半球面全方位覆盖的需求。对于这一实际问题，业界到目前为止还没有明确的解决方案，但随着毫米波通信***的疾速发展，提出一种终端设备信号辐射全方位覆盖解决方案的必要性和实际意义不言而喻。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的针对上述现有技术的不足，提供一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置，本发明的另一目的是针对所提出的天线装置提供一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置的实现方法。
技术方案：一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置，所述装置用于移动终端，包括双面印刷的电偶极子天线阵、基片集成波导的馈电网络和功分相移网络，所述电偶极子天线通过金属化通孔相连，且与移动终端的金属外框连接。
进一步的，所述电偶极子天线阵数量为三副及其以上，设置在移动终端的四侧，包括上侧、下侧、左侧和右侧的任意一侧或任意两侧及两侧以上的组合设置，且和移动终端的金属边框相集成。
一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置的实现方法，所述方法包括组建电偶极子天线相控阵列，通过基片集成波导的双平衡特性构建电偶极子天线阵的平衡馈电电路，包括由基片集成导波形成的馈电网络和功分相移网络，且电偶极子天线阵通过金属通孔连接后与移动终端的金属边框连接。
进一步的，所述的功分相移网络对输入信号进行功率分配和完成相位偏移，且在射频或本振或中频进行移相；
更进一步的，所述电偶极子天线相控阵列通过相移网络的对输入信号附加不同的相移，得到E面的波束扫描特性。
有益效果：本发明与现有技术相比，显著的效果在于：第一、本发明提供的天线装置具有端射辐射方向图；第二、所述装置因为其辐射是由双面电偶极子，所以能实现大带宽；第三、在H面具有较宽的波束宽度，易于实现信号的大角度覆盖；第四、该装置利用三付天线阵列可以实现终端设备整个上半球面的信号覆盖；第四、波束可扫描：利用不同相移网络馈电的天线阵列，可以实现波束扫描的效果；第五、本发明所述的装置结构简单，加工容易，且因为制作于介质基片上，使用PCB技术，所以天线轮廓低、重量轻、利于大量生产、易集成于终端设备。
附图说明
图1是本发明相控阵天线的原理图；
图2是本发明相控阵天线的一种设计的顶层俯视图；
图3是本发明相控阵天线的一种设计的底层俯视图；
图4是本发明相控阵天线中的电偶极子天线阵；
图5是本发明相控阵天线中的电偶极子馈电网络；
图6是本发明相控阵天线中第一种相位差设计的功分移相网络；
图7是本发明相控阵天线中第二种相位差设计的功分移相网络；
图8是本发明相控阵天线中第三种相位差设计的功分移相网络；
图9是移动终端利用本发明相控阵天线(三付)实现毫米波通信信号上半球面覆盖的方案；
图10是本发明基于第一种功分移相网络设计的相控阵天线的S参数测试结果；
图11是本发明基于第二种功分移相网络设计的相控阵天线的S参数测试结果；
图12是本发明基于第三种功分移相网络设计的相控阵天线的S参数测试结果；
图13是本发明基于第一种功分移相网络设计的相控阵天线的测试方向图E面和H面结果；
图14是本发明相控阵天线E面波束扫描测试结果。
具体实施方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的阐述。
一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置及其实现方法。所述用于移动终端的毫米波相控阵包括双面印刷的电偶极子天线阵，基片集成波导的馈电网络，功分相移网络；所述的移动装置如手机、平板电脑、笔记本电脑等。电偶极子的辐射由印刷在基板的双面的金属片形成，并通过金属化过孔相连。电偶极子的辐射由在基板的四个双面印刷的偶极子天线，以金属化通孔相连，具备端射特征，利用手机等移动终端的金属外框提升天线性能的同时，解决了金属外框屏蔽毫米波信号的瓶颈问题。
具体的说，采用基片集成波导馈电结构，依靠基片集成波导的双平衡特性实现偶极子天线的平衡馈电，并解决了与手机等移动终端金属外框的无缝连接；当使用四个电偶极子天线组成天线相控阵列时，利用相移网络的不同的相移特性馈电，可以得到E面的波束扫描特性。
将此天线阵列应用于毫米波终端通信时，拟采用三付天线阵列安装在终端设备的上侧面、左侧面和右侧面，分别用来实现终端设备的上方、左方和右方三个方向的信号覆盖。借助于电偶极子天线阵列方向图在其H面的宽波束特性，能实现一种解决终端设备超过半球的三维空间覆盖需求，其中主要空间区域满足双极化特性。
本具体实施方式公开的一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置及实现方法，原理图如图1所示。
本发明采用了一个设计实例进行原理验证，通过延迟线来实现不同相移的特性，顶层俯视图如图2所示，底层俯视图如图3所示。所有介质材料均选用Taconic TLY-5。
如图4所示，本例子中的电偶极子的辐射由印刷在基板的双面的金属片形成，并通过金属化过孔相连。构成偶极子的双面金属片宽度为0.6mm,长度为2.45mm,金属化过孔直径为0.3mm，介质厚度为0.254mm,缝隙为0.3mm。
如图5所示，本例子中的基片集成波导双平衡馈电结构，长度为4mm，宽度为4.9mm，金属化过孔直径为0.3mm，间隔为0.5mm，介质厚度为0.254mm。
如图6-8所示，本例子中通过不同的延迟线网络来实现不同相移的特性，当使用四个电偶极子天线组成天线阵列时，以三种功分移相网络方案为例，验证同幅度等相位馈电和同幅度不等相位馈电，进而得到天线阵列波束的扫描特性。
如图9所示，将此天线阵列应用于毫米波终端通信时，拟采用三付天线阵列安装在终端设备的上侧面、左侧面和右侧面，分别用来实现终端设备的上方、左方和右方三个方向的信号覆盖。借助于电偶极子天线阵列方向图在其H面的宽波束特性，能实现一种解决终端设备超过半球的三维空间覆盖需求，其中主要空间区域满足双极化特性。
由图10-12可看出天线阻抗带宽测试结果，本例子覆盖5G频段的24.75GHz至28.5GHz范围，满足S11<-10dB。
图13为本例子电偶极子阵列天线在等相位馈电时的E面和H面的方向图测试结果，可以看出，该天线在其H面具有良好的大角度覆盖能力。
图14所示为所述毫米波相控阵天线的E面方向图扫描测试结果，扫描范围达到90度，可以看到其具有有效的波束扫描能力。

Claims (5)

1.一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置，其特征在于：所述装置用于移动终端，包括双面印刷的电偶极子天线阵、基片集成波导的馈电网络和功分相移网络，所述电偶极子天线通过金属化通孔相连，且与移动终端的金属外框连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置，其特征在于：所述电偶极子天线阵数量为三副及其以上，设置在移动终端的四侧，包括上侧、下侧、左侧和右侧的任意一侧或任意两侧及两侧以上的组合设置，且和移动终端的金属边框相集成。
3.如权利要求1所述的一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置的实现方法，其特征在于：所述方法包括组建电偶极子天线相控阵列，通过基片集成波导的双平衡特性构建电偶极子天线阵的平衡馈电电路，包括由基片集成导波形成的馈电网络和功分相移网络。
4.根据权利要求3所述的一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置，其特征在于：所述的功分相移网络对输入信号进行功率分配和完成相位偏移，且在射频或本振或中频进行移相。
5.根据权利要求3所述的一种用于移动终端的毫米波相控阵天线装置的实现方法，其特征在于：所述电偶极子天线相控阵列通过相移网络的对输入信号附加不同的相移，得到E面的波束扫描特性。
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