移动通信设备毫米波相控设计方案解析

　　一、简介

　　移动通信设备在我们的日常生活中是不可或缺的，并且设备的数量呈爆炸式增长，这对无线通信中的大数据流量提出了要求。研究人员已研究开发各种无线技术以满足需求。最近，毫米波频段 3 和 300 GHz 已被关注到未来的无线通信，因为允许大带宽以支持高数据速率。28 GHz 频段已被用于下一代 （5G） 移动蜂窝通信系统，室内和室外测试结果表明毫米波频段用于移动蜂窝通信 ［1］ ［2］ 的可行性。

　　然而，由于毫米波段与当前蜂窝系统的频带相比，毫米波段经历了严重的传播损耗，因此在移动通信中使用毫米波段存在许多挑战需要解决。在蜂窝系统中，移动设备被放置在与基站有关的任何地方和任何位置。因此，用于 3/4G 蜂窝系统的移动设备具有全向天线，这些天线很容易在具有高 SNR（信噪比）的频带上实现。全向天线不适用于毫米波蜂窝系统，因为高传播损耗导致 SNR 不够高。必须采用相控阵天线和可以引导其波束覆盖整个空间的波束成形技术来实现毫米波蜂窝系统的高信噪比。然而，在毫米波移动设备的实际实现中，几乎无法获得用于宽波束覆盖的类各向同性阵列元件。不仅如此，每条带有移相块的路径的数量还受到一些有关问题的限制。 对功耗或占用空间的要求。一些研究已经证明了 28 GHz 频段的相控阵天线以基板集成天线的形式应用于移动设备 ［3］-［5］。

　　在这封信中，展示了用于 28 GHz 射频测试平台的嵌入电介质基板中的毫米波波束可控 1ⅹ4 平面单极阵列天线，具有宽波束覆盖范围。

　　二、阵列天线设计和测量结果

　　A. 阵列天线设计

　　如图 1 所示，设计了一种嵌入介电材料中的垂直单极阵列天线。矩形金属条嵌入在两种介电材料 DM1 和 DM2 之间。DM1 是具有相对介电常数 ε r = 2.1 的 Teflon，DM2 是具有ε r = 2.2 的 Taconic TLY。金属结构，反射器位于 DM2 后面并与地短路。DM1 和 DM2 的宽度分别为λ /2 和λ /4，其中λ是介电材料中的波长。使用带状线传输线开发馈电网络，带状线的基板是具有ε r的 Taconic TLY =2.2。基板的顶部接地平面上有插槽，用于使用通孔将带状线与金属带连接起来。对于每条带状线，还开发了宽度为λ / 2 的短接孔。阵列天线尺寸列于表 I。请注意，λ 0 是自由空间的波长。

　　B. 波导到带状线的转换

　　阵列天线的 28 GHz 射频测试平台在射频前端具有波导，并且阵列天线具有带状线馈电网络。因此，已经开发了波导到带状线的过渡，以平面形式相互连接 ［6］ ［7］。波导到带状线过渡的几何形状如图 2 所示。具有 εr = 2.2 和 tanσ = 0.009 的厚度为 1 mm 的 Taconic TLY 用作电介质基板。在底部接地平面上，有一个与波导孔径尺寸相同的开口（WR-28）。耦合贴片图案化在底部接地平面上。波导短路图案与带状线印刷在同一平面上，并通过周围的通孔与顶部和底部接地层电短路。带状线的宽度为 0。78 mm 对应于 50 ohm 的特性阻抗，并且带状线插入到波导短图案中。至于模拟结果，波导到带状线的过渡对于 27.5 – 28.5 GHz 的频带具有 《-20 dB 的回波损耗和 《0.15 dB 的插入损耗。请注意，模拟中包括了铜包层的有限电导率 σ=5.8ⅹ107 S/m 的介电损耗和传导损耗。

　　C. 结果

　　提出的 1ⅹ4 平面电介质嵌入式单极 阵列天线制作并安装在 28 GHz 射频测试平台的顶部，如图 3 所示。阵列天线的辐射方向图在消声室中测量。室内未安装射频测试平台，将插入损耗为 10.5 dB 的功率分配器连接到阵列天线，将同相信号馈送到阵列天线的每个端口进行方向图测量。阵列天线辐射方向图的仿真和测量结果如图4所示。10 dBi的峰值增益在（

　　Φ=90°，θ=81°）。请注意，峰值增益是在升高的平面上观察到的，而不是在水平面 （θ=90°）。E 平面的 3-dB 波束宽度为 90°。对于 H 平面，3-dB 波束宽度为 30°，SLL（旁瓣电平）为 -10 dB。

　　阵列天线在 27.925 GHz 的 H 平面上的模拟扫描性能如图 5 所示。开发的 28 GHz 射频测试平台支持 8 个波束进行 波束成形。因此，所提出的阵列天线被模拟为 8 个主波束，其指向为 Φ =±5°、±25°、±45° 和 ±75°，如图 5 所示。注意，±45° 的波束和±75°几乎重叠。考虑到3-dB的波束宽度，所提出的阵列天线可以从-90°转向+90°，这是平面阵列天线的宽波束覆盖范围。为了测量扫描性能，阵列天线通过 WR-28 波导安装在 28 GHz 射频测试平台的顶部，并在转台上旋转。扫描性能的测量结果 阵列天线在 27.925 GHz 的 H 平面如图 6 所示。与模拟结果相似，阵列天线的测量扫描范围实现了从 -90° 到 +90° 的覆盖，3-dB光束宽度。SLL 约为 -10 dB。

　　图 4。27.925 GHz 平面 1ⅹ4 电介质嵌入式单极阵列天线的模拟和测量辐射方向图。（a） E 平面 （yz 平面）， （b） H 平面 （xy 平面）。

　　图 6。在 27.925 GHz 测量 1ⅹ4 平面电介质嵌入式单极阵列天线的 H 平面扫描性能。

　　三、结论

　　介绍了用于 28 GHz 射频测试平台的毫米波波束可控 1ⅹ4 平面电介质嵌入式单极阵列天线的设计和实验结果。用射频测试平台测量了阵列天线的扫描性能。测量结果表明，考虑到 3-dB 波束宽度，所提出的阵列天线可以提供从 -90° 到 90° 的宽波束覆盖。