一、簡介

　　移動通信設(shè)備在我們的日常生活中是不可或缺的，并且設(shè)備的數(shù)量呈爆炸式增長，這對無線通信中的大數(shù)據(jù)流量提出了要求。研究人員已研究開發(fā)各種無線技術(shù)以滿足需求。最近，毫米波頻段 3 和 300 GHz 已被關(guān)注到未來的無線通信，因?yàn)樵试S大帶寬以支持高數(shù)據(jù)速率。28 GHz 頻段已被用于下一代 （5G） 移動蜂窩通信系統(tǒng)，室內(nèi)和室外測試結(jié)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(dāng)前蜂窩系統(tǒng)的頻帶相比，毫米波段經(jīng)歷了嚴(yán)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(zhàn)需要解決。在蜂窩系統(tǒng)中，移動設(shè)備被放置在與基站有關(guān)的任何地方和任何位置。因此，用于 3/4G 蜂窩系統(tǒng)的移動設(shè)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(shí)現(xiàn)。全向天線不適用于毫米波蜂窩系統(tǒng)，因?yàn)楦邆鞑p耗導(dǎo)致 SNR 不夠高。必須采用相控陣天線和可以引導(dǎo)其波束覆蓋整個空間的波束成形技術(shù)來實(shí)現(xiàn)毫米波蜂窩系統(tǒng)的高信噪比。然而，在毫米波移動設(shè)備的實(shí)際實(shí)現(xiàn)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(shù)量還受到一些有關(guān)問題的限制。 對功耗或占用空間的要求。一些研究已經(jīng)證明了 28 GHz 頻段的相控陣天線以基板集成天線的形式應(yīng)用于移動設(shè)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(zhì)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(shè)計和測量結(jié)果

　　A. 陣列天線設(shè)計

　　如圖 1 所示，設(shè)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(shù) ε r = 2.1 的 Teflon，DM2 是具有ε r = 2.2 的 Taconic TLY。金屬結(jié)構(gòu)，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(fā)饋電網(wǎng)絡(luò)，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(fā)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(dǎo)到帶狀線的轉(zhuǎn)換

　　陣列天線的 28 GHz 射頻測試平臺在射頻前端具有波導(dǎo)，并且陣列天線具有帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)。因此，已經(jīng)開發(fā)了波導(dǎo)到帶狀線的過渡，以平面形式相互連接 ［6］ ［7］。波導(dǎo)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(zhì)基板。在底部接地平面上，有一個與波導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)于 50 ohm 的特性阻抗，并且?guī)罹€插入到波導(dǎo)短圖案中。至于模擬結(jié)果，波導(dǎo)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(dǎo)率 σ=5.8ⅹ107 S/m 的介電損耗和傳導(dǎo)損耗。

　　C. 結(jié)果

　　提出的 1ⅹ4 平面電介質(zhì)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(nèi)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(jìn)行方向圖測量。陣列天線輻射方向圖的仿真和測量結(jié)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(fā)的 28 GHz 射頻測試平臺支持 8 個波束進(jìn)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?yàn)?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(zhuǎn)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(dǎo)安裝在 28 GHz 射頻測試平臺的頂部，并在轉(zhuǎn)臺上旋轉(zhuǎn)。掃描性能的測量結(jié)果 陣列天線在 27.925 GHz 的 H 平面如圖 6 所示。與模擬結(jié)果相似，陣列天線的測量掃描范圍實(shí)現(xiàn)了從 -90° 到 +90° 的覆蓋，3-dB光束寬度。SLL 約為 -10 dB。

　　圖 4。27.925 GHz 平面 1ⅹ4 電介質(zhì)嵌入式單極陣列天線的模擬和測量輻射方向圖。（a） E 平面 （yz 平面）， （b） H 平面 （xy 平面）。

　　圖 6。在 27.925 GHz 測量 1ⅹ4 平面電介質(zhì)嵌入式單極陣列天線的 H 平面掃描性能。

　　三、結(jié)論

　　介紹了用于 28 GHz 射頻測試平臺的毫米波波束可控 1ⅹ4 平面電介質(zhì)嵌入式單極陣列天線的設(shè)計和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。用射頻測試平臺測量了陣列天線的掃描性能。測量結(jié)果表明，考慮到 3-dB 波束寬度，所提出的陣列天線可以提供從 -90° 到 90° 的寬波束覆蓋。