移動通信設備毫米波相控設計方案解析

　　一、簡介

　　移動通信設備在我們的日常生活中是不可或缺的，并且設備的數量呈爆炸式增長，這對無線通信中的大數據流量提出了要求。研究人員已研究開發各種無線技術以滿足需求。最近，毫米波頻段 3 和 300 GHz 已被關注到未來的無線通信，因為允許大帶寬以支持高數據速率。28 GHz 頻段已被用于下一代（5G）移動蜂窩通信系統，室內和室外測試結果表明毫米波頻段用于移動蜂窩通信［1］［2］的可行性。

　　然而，由于毫米波段與當前蜂窩系統的頻帶相比，毫米波段經歷了嚴重的傳播損耗，因此在移動通信中使用毫米波段存在許多挑戰需要解決。在蜂窩系統中，移動設備被放置在與基站有關的任何地方和任何位置。因此，用于 3/4G 蜂窩系統的移動設備具有全向天線，這些天線很容易在具有高 SNR（信噪比）的頻帶上實現。全向天線不適用于毫米波蜂窩系統，因為高傳播損耗導致 SNR 不夠高。必須采用相控陣天線和可以引導其波束覆蓋整個空間的波束成形技術來實現毫米波蜂窩系統的高信噪比。然而，在毫米波移動設備的實際實現中，幾乎無法獲得用于寬波束覆蓋的類各向同性陣列元件。不僅如此，每條帶有移相塊的路徑的數量還受到一些有關問題的限制。對功耗或占用空間的要求。一些研究已經證明了 28 GHz 頻段的相控陣天線以基板集成天線的形式應用于移動設備［3］-［5］。

　　在這封信中，展示了用于 28 GHz 射頻測試平臺的嵌入電介質基板中的毫米波波束可控 1ⅹ4 平面單極陣列天線，具有寬波束覆蓋范圍。

　　二、陣列天線設計和測量結果

　　A. 陣列天線設計

　　如圖 1 所示，設計了一種嵌入介電材料中的垂直單極陣列天線。矩形金屬條嵌入在兩種介電材料 DM1 和 DM2 之間。DM1 是具有相對介電常數 ε r = 2.1 的 Teflon，DM2 是具有ε r = 2.2 的 Taconic TLY。金屬結構，反射器位于 DM2 后面并與地短路。DM1 和 DM2 的寬度分別為λ /2 和λ /4，其中λ是介電材料中的波長。使用帶狀線傳輸線開發饋電網絡，帶狀線的基板是具有ε r的 Taconic TLY =2.2。基板的頂部接地平面上有插槽，用于使用通孔將帶狀線與金屬帶連接起來。對于每條帶狀線，還開發了寬度為λ / 2 的短接孔。陣列天線尺寸列于表 I。請注意，λ 0 是自由空間的波長。

　　B. 波導到帶狀線的轉換

　　陣列天線的 28 GHz 射頻測試平臺在射頻前端具有波導，并且陣列天線具有帶狀線饋電網絡。因此，已經開發了波導到帶狀線的過渡，以平面形式相互連接［6］［7］。波導到帶狀線過渡的幾何形狀如圖 2 所示。具有 εr = 2.2 和 tanσ = 0.009 的厚度為 1 mm 的 Taconic TLY 用作電介質基板。在底部接地平面上，有一個與波導孔徑尺寸相同的開口（WR-28）。耦合貼片圖案化在底部接地平面上。波導短路圖案與帶狀線印刷在同一平面上，并通過周圍的通孔與頂部和底部接地層電短路。帶狀線的寬度為 0。78 mm 對應于 50 ohm 的特性阻抗，并且帶狀線插入到波導短圖案中。至于模擬結果，波導到帶狀線的過渡對于 27.5 – 28.5 GHz 的頻帶具有《-20 dB 的回波損耗和《0.15 dB 的插入損耗。請注意，模擬中包括了銅包層的有限電導率 σ=5.8ⅹ107 S/m 的介電損耗和傳導損耗。

　　C. 結果

　　提出的 1ⅹ4 平面電介質嵌入式單極陣列天線制作并安裝在 28 GHz 射頻測試平臺的頂部，如圖 3 所示。陣列天線的輻射方向圖在消聲室中測量。室內未安裝射頻測試平臺，將插入損耗為 10.5 dB 的功率分配器連接到陣列天線，將同相信號饋送到陣列天線的每個端口進行方向圖測量。陣列天線輻射方向圖的仿真和測量結果如圖4所示。10 dBi的峰值增益在（

　　Φ=90°，θ=81°）。請注意，峰值增益是在升高的平面上觀察到的，而不是在水平面（θ=90°）。E 平面的 3-dB 波束寬度為 90°。對于 H 平面，3-dB 波束寬度為 30°，SLL（旁瓣電平）為 -10 dB。

　　陣列天線在 27.925 GHz 的 H 平面上的模擬掃描性能如圖 5 所示。開發的 28 GHz 射頻測試平臺支持 8 個波束進行波束成形。因此，所提出的陣列天線被模擬為 8 個主波束，其指向為 Φ =±5°、±25°、±45° 和 ±75°，如圖 5 所示。注意，±45° 的波束和±75°幾乎重疊。考慮到3-dB的波束寬度，所提出的陣列天線可以從-90°轉向+90°，這是平面陣列天線的寬波束覆蓋范圍。為了測量掃描性能，陣列天線通過 WR-28 波導安裝在 28 GHz 射頻測試平臺的頂部，并在轉臺上旋轉。掃描性能的測量結果陣列天線在 27.925 GHz 的 H 平面如圖 6 所示。與模擬結果相似，陣列天線的測量掃描范圍實現了從 -90° 到 +90° 的覆蓋，3-dB光束寬度。SLL 約為 -10 dB。