4.9_GHz小型化集成相控阵天线设计_陈锡聪.pdf

DOI:1020079/jissn1001893x211104003引用格式:陈锡聪，林福民，周冬跃，等49 GHz 小型化集成相控阵天线设计 J 电讯技术，2023，63(2):267274 CHEN X C，LIN F M，ZHOU D Y，et alDesign of a 49 GHz miniaturized integrated phased array antenna J Telecommunication Engineering，2023，63(2):26727449 GHz 小型化集成相控阵天线设计*陈锡聪，林福民，周冬跃，李红涛，王媛媛陈锡聪，林福民，周冬跃，李红涛，王媛媛(广东工业大学 物理与光电工程学院，广州 510006)摘要:设计了一种相位控制和馈电一体化的 88 相控阵天线。将多路微带线功分器和移相器芯片集成于同一片电路板作为馈电网络并压合于阵列天线背面，形成了单端口馈电的 64 单元集成相控阵天线。该相控阵天线整体厚度仅225 mm，馈电端口至天线单元之间没有任何连接电缆，具有低剖面小型化和一体化的显著优点。电磁仿真结果显示，49 GHz的回波损耗小于25 dB，最大增益为225 dB。此外，主极化和交叉极化隔离度为30 dB，主波束可实现5862平面扫描，具有较好的交叉极化和波束宽角域连续扫描特性，可应用于 5G 移动通信小型基站。关键词:5G 基站;小型化相控阵天线;宽角域连续扫描;交叉极化开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流享本刊专属服务中图分类号:TN821文献标志码:A文章编号:1001893X(2023)02026708Design of a 49 GHz Miniaturized Integrated Phased Array AntennaCHEN Xicong，LIN Fumin，ZHOU Dongyue，LI Hongtao，WANG Yuanyuan(School of Physics and Optoelectronic Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)Abstract:An 8 8 phased array antenna with integrated phase control and feeding is designed Byintegrating the multi-channel microstrip power divider and phase shifter chip on the same circuit board asthe feeding network，and pressing them on the back of the array antenna，a 64-unit integrated phased arrayantenna with single feed port is formedWith the significant advantages of low profile miniaturization andintegration，the overall thickness of the phased array antenna is only 225 mm and no connecting cables arebetween the feed port and the antenna unitThe electromagnetic simulation results show that the return lossof the phased array antenna is less than 25 dB，and the maximum gain is 225 dB at 49 GHzIn addition，the isolation between main polarization and cross polarization is 30 dB and the main beam can achieve 58 to 62 plane scanning，which shows that it has good cross polarization and wide-angle continuousscanning characteristics and can be applied to 5G mobile communication small base stationsKey words:5G base station;miniaturized phased array antenna;wide-angle continuous scanning;cross-polarization0引言阵列天线具有方向性强和总增益高的优点，因而广泛应用于无线通信领域。进入 5G 时代，天线的工作频段越来越高，电磁波在发收和传输的过程762第 63 卷 第 2 期2023 年 2 月电讯技术Telecommunication EngineeringVol63，No2February，2023*收稿日期:20211104;修回日期:20211223基金项目:佛山市南海区“蓝海人才计划”创新创业项目(2030032001289)通信作者:林福民中存在更大的损耗。阵列天线由于高方向性和高增益性能，成为 5G 移动通信的重要解决方案之一。但是阵列天线的波束宽度窄，波束覆盖范围小。为此，引入了相控阵天线。相控阵天线由多个相同的天线单元组成，这些天线单元按照一定的位置分布，通过设置特定的馈电相位，可控制方向图波束扫描，实现方向图波束大范围覆盖。但是由于现代相控阵天线单元和馈电端口数量多，目前阵列天线与馈电网络都是分离的，导致馈电网络需要使用几十条甚至上百条电缆将多路功分器、移相器和天线单元连接。如此庞大和复杂的馈电网络限制了相控阵天线的应用，特别是小型基站的应用。一个完整相控阵天线的研究主要分为天线层次和馈电网络两部分。馈电网络传输线部分，可以通过微带线串联和并联两种方法实现与天线集成一体化设计16。使用微带线串联馈电的方式有走线布局简单的优点，但是端口之间隔离度差，同时端口之间的相位和幅度差异较大。并联微带线馈电，即多路功率分配器，通过功分器为天线单元馈电，输出端口之间隔离度较好，馈电相位和幅度差异较小。相控阵天线需要解决馈电网络的相位变化问题，因此馈电网络部分变得更复杂。有一些相控阵天线省略馈电网络部分的设计，在测试和应用时，使用现成的多路功分器和移相器进行馈电712。这无疑增加了相控阵天线的体积和成本，在较大规模相控阵天线中，将出现几十条甚至上百条连接电缆。显然，由此设计的相控阵天线体积大，天线与馈电网络分离，不利用小型化。近年来，也有学者致力于小型化和集成一体化相控阵的研究和设计1317。文献 13的设计无需移相器，利用不同的工作频率，实现波束扫描，但是每次波束扫描都需要改变工作频率，并且扫描角度小。文献 14设计了一款集成可调相位相控阵天线，但是相位移动效果差，波束仅仅扫描 1。文献 15 通过集成波导移相器，在 56 GHz实现了集成一体化 14 相控阵天线，但是由于使用波导功分器，仅仅 4 单元相控阵整体体积就非常大。文献 16 设计了一款低剖面集成相控阵天线，天线与馈电网络叠层设计，但是剖面也有815 mm。文献 17 设计的馈电网络，将型号为 JSPHS-2484+的模拟移相器集成到馈电网络中，但是仍然把馈电网络与天线分离，相控阵天线只有 6 单元但是整体体积很大。为解决上述问题，本文设计了一款工作于49 GHz频段的集移相器、多路微带线功分器和阵列天线于一体的小型化集成 64 单元相控阵天线。该相控阵天线按照 88 二维矩形阵排列分布，并采用45线极化方式。本设计仅仅通过一个端口馈电，测试和使用过程中仅需一条馈电电缆，通过改变移相器芯片的输入电压即可实现水平和垂直二维扫描。该集成相控阵天线总厚度只有225 mm，具有低剖面小型化和集成一体化的显著优点。实测结果显示，该相控阵天线有着较好的主极化和交叉极化隔离度，实测交叉极化隔离度30 dB，实测最大增益达153 dB，在49 GHz频段主波束可在水平和垂直平面实现5862扫描。1理论与设计11天线单元设计阵列天线的性能与天线单元关系密切。天线单元选取的天线类型为微带贴片天线，微带天线具有结构简单、低剖面和低成本的优点。为实现 64 单元相控阵天线，天线单元采用高厚度的单层介质片双面覆铜的结构。天线单元需要有尽量大的增益，这样相控阵天线的整体增益也会更大。为了便于通过一个端口给相控阵天线所有单元馈电，天线单元采用馈电探针单馈电的方法实现线性极化。同时，为了便于双极化应用，要求增益方向图主极化和交叉极化隔离度大于20 dB。在上述基础和要求下，设计了如图 1 所示的天线单元。图 1(a)是天线单元的顶层覆铜图案，作为辐射层。其中天线覆铜图案的主要变量参数如表 1所示。图 1(b)是沿着辐射层边长 a 切开的剖面图，结构 1 正是顶层覆铜天线，结构 2 是介质层，结构 3为覆铜金属地板，结构 4 是馈电探针，结构 1 和 3 分别紧贴介质层上下面。介质片采用相对介电常数为22，损耗正切角0001，厚度 h 为193 mm的 F4bm 板材，整体尺寸为33 mm33 mm。该板材的选取能实现大尺寸板材加工，同时使 64 单元组成阵列天线时具有一定的厚度，不易变形甚至断裂。辐射天线由穿过介质片的单一馈电探针馈电，馈电探针距离天线中心距离 K=235 mm。天线单元采用一个馈电点，利于在相控阵中把各个天线单元汇合于一个输入端口。862wwwteleonlinecn电讯技术2023 年(a)天线单元顶层覆铜图案(b)天线单元剖面图图 1天线单元图表 1天线顶层覆铜图案的主要变量参数变量参数值/mma159b12c10e42f29g13i42j29通过电磁仿真软件 CST 仿真，天线单元 S11、增益和辐射方向图结果如图 2 所示。图 2(a)所示为回波损耗 S11与真实增益随频率变化曲线图，天线在49 GHz的 S11达到199 dB，485493 GHz频段范围内 S11小 于10 dB，带 宽 为 80 MHz。在 带 宽80 MHz频段内，天线真实增益均大于627 dB，在49 GHz达到最大值7 dB。图 2(b)所示为天线49 GHz主极化与交叉极化方向图，由图可知在 XOZ平面和 YOZ 平面60范围内，天线主极化和交叉极化隔离度分为大于22 dB和40 dB。这表明该天线主极化和交叉极化隔离度很好，适用于双极化天线设计。(a)回波损耗 S11与增益随频率变化曲线图(b)49 GHz 主极化与交叉极化方向图图 2天线单元 S11、增益和辐射方向图12馈电网络设计为了从一个输入端口给 64 单元的阵列天线馈电，并集移相器于一体，本文设计的馈电网络采用 9个 1 分 8 微带线功分器。一个输入端口通过 1 分 8功分器输出为能量均等分配的 8 路端口，这 8 个端口分别接入电压控制型移相器芯片的输入端，每个芯片的输出端再接入相同的 1 分 8 功分器。移相器芯片能工作于 36 GHz，符合49 GHz工作频段要求，插入损耗约为4 dB。为了验证移相器在馈电网络环境下工作性能，加工板材选取与功分器板材一致，均为相对介电常数为 255 的 F4b。移相器芯片的尺寸仅5 mm5 mm，相比传统相控阵器件，具有体积小、易集成和低成本的优点。该移相器芯片与微带线功分器集成以后，仅需调节芯片的供电电压就可以实现移相器所在支路的相位，集成芯片相位移动范围超过 360，能满足波束宽角域连续扫描要求。图 3 所示为实物移相器输出相位随电压变化实测曲线图，可见在49 GHz频段周围，相位移动效果较好。集成移相器与多路功分器后，最终