CN114156661A - 小型化多波束可重构天线及平面相控阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化多波束可重构天线及平面相控阵列天线，该小型化多波束平面相控阵列天线包括由多个小型化多波束可重构天线作为阵元构成的相控阵列，该小型化多波束可重构天线包括金属地板，设置在金属地板上的环形等效磁流缝隙结构及设置在金属地板和环形等效磁流缝隙结构上的混合电磁超材料结构体。本发明具有小型化、宽带宽、低成本、波束扫描/切换灵活等优点，能够满足5G多波束基站和MIMO的应用需求。

Description

小型化多波束可重构天线及平面相控阵列天线

技术领域

本发明涉及多波束可重构天线和相控阵列技术领域，具体涉及一种小型化多波束可重构天线及平面相控阵列天线。

背景技术

目前以5G和物联网为核心的无线通信技术正在快速推进，高速无线通信正在深刻改变甚至颠覆人们过去的生活生产。其中，依托Sub 6GHz频段的5G通信技术，作为5G无线通信的重要组成部分，被广泛部署到室内、城区、城郊和农村等场景。对于基站而言，相比于传统的全向基站天线和双极化定向波束基站天线，5G基站天线需要面对更高传输速率、更复杂的信道环境和传输方向动态可变的来波等挑战。多波束可重构天线，不仅能够动态的切换辐射波束的指向，还能够利用动态切换的波束实现辐射空间的扫描覆盖。得益于多波束带来的分集能力和抗干扰能力，多波束可重构天线被引入5G多波束基站和5G MissiveMIMO设计中。

多波束可重构天线，按照可重构形式，大致可分为四类：机械多波束扫描天线、相控阵天线、液体可重构天线和电可重构天线。传统的机械多波束扫描天线，该类天线主要形式为带有机电转台的抛物面反射天线等，主要用于雷达系统中。由于需要机电转台，因此存在占用空间体积大和波束切换响应慢等问题。传统的相控阵天线，为了实现波束扫描和波束赋形，需要加装昂贵的T/R组件，因此存在造价高昂和射频前端复杂等问题。传统的液体可重构天线，采用的是可重塑的液态金属来改变辐射体的结构，需要加装额外的液压控制系统，因此会造成结构复杂和动态响应慢的问题。传统的电可重构天线，通过在天线辐射结构上加装各种电子开关元件(PIN二极管、变容管、开关芯片和MEMS开关器件等)，改变天线表面辐射体的电流分布，进而实现方向图的可重构，因此存在波束扫描能力受限和工作带宽受限等缺点。通过对上诉现有技术的综述分析，目前的多波束可重构天线，均难以同时实现小型化、低成本、宽带宽和灵活的多波束扫描能力，因此现有的多波束可重构天线和多波束扫描阵列均难以满足Sub 6GHz 5G基站的通信需求。为了满足5G多波束基站/MassiveMIMO对多波束天线/阵列的性能需求，宽带多波束可重构天线/扫描阵列亟待被研究和设计出来。

发明内容

针对现有5G基站天线难以在小型化和低成本的同时，兼顾宽频带和灵活的平面多波束扫描能力等问题，本发明提供了一种小型化多波束可重构天线及平面相控阵列天线。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，本发明提出了一种小型化多波束可重构天线，包括：

金属地板；

设置在所述金属地板上以引入水平极化磁偶极子模式并进行方向选择的环形等效磁流缝隙结构；及

设置在所述金属地板和环形等效磁流缝隙结构上的混合电磁超材料结构体。

进一步地，所述混合电磁超材料结构体包括：

设置在所述金属地板和环形等效磁流缝隙结构上的柱形介质谐振器；及

设置在所述柱形介质谐振器上表面的超材料结构。

进一步地，所述超材料结构为由多个贴片超材料表面结构板构成的圆形蘑菇型超材料结构。

进一步地，所述混合电磁超材料结构体中心设置有贯穿加载的馈电金属探针(5)，所述馈电金属探针(5)的末端与所述环形等效磁流缝隙结构连接。

进一步地，所述环形等效磁流缝隙结构包括：

开设在所述金属地板(9)上的环形耦合馈电缝隙槽(6)；及

设置在所述金属地板(9)和环形耦合馈电缝隙槽(6)上的方向选择电路(8)。

进一步地，所述方向选择电路(8)包括中心对称设置在所述环形等效磁流缝隙槽(6)四周的第一开关及偏置电路、第二开关及偏置电路、第三开关及偏置电路和第四开关及偏置电路。

进一步地，所述混合电磁超材料结构体中设置有贯穿加载的超材料短路电感(4)。

第二方面，本发明还提出了一种小型化混合超材料平面相控阵列天线，包括：

由多个上述小型化混合超材料多波束可重构天线作为阵元构成的相控阵列。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所提出的小型化多波束可重构天线及平面相控阵列天线具有尺寸小、结构紧凑、带宽宽、高辐射特性(损耗低)、多波束扫描能力好以及多功能的选择等优点，适用于不同的无线通信应用和雷达天线应用的性能需求，特别是5G微基站和宏基站天线；

(2)本发明中的天线尺寸小和结构紧凑的优点，使得该发明适用于小型化基站和空间受限的场景中；

(3)本发明中的天线工作带宽宽，能够覆盖sub 6GHz应用的频段，满足5G通信和物联网通信需求；

(4)本发明中的天线具有高辐射性能、成本低(少量阵元)等优点，能够满足大规模的基站部署；

(5)本发明中的天线具有空间二维波束连续扫描角度大和空间波束赋形的优点，能够满足多波束基站对宽角扫描覆盖的需求；

(6)本发明中的天线提供了多个方案，可以根据实际的使用场景，通过选择单元/阵列形式，以及阵列阵元数量等，进而实现不同波束扫描角度的选择，从而实现满足不用应用场景的需求。

(7)本发明中的天线成本低，仅采用PCB板、陶瓷介质和金属铝板、螺钉等结构，易于生产和大规模应用。

附图说明

图1为本发明实施例1中小型化多波束可重构天线的结构示意图；

图2为本发明实施例1中小型化多波束可重构天线的俯视结构图；

图3为本发明实施例1中混合电磁超材料结构体的俯视结构图；

图4为本发明实施例1中金属地板的俯视结构图；

图5为本发明实施例1中小型化多波束可重构天线的带宽性能示意图；

图6为本发明实施例1中小型化多波束可重构天线的辐射性能示意图；

图7为本发明实施例2中小型化多波束平面相控阵列天线的结构示意图；

图8为本发明实施例2中小型化多波束平面相控阵列天线的俯视结构图；

图9为本发明实施例2中小型化多波束平面相控阵列天线的带宽性能示意图；

图10为本发明实施例2中小型化多波束平面相控阵列天线的辐射性能示意图。

其中附图标记为：1、超材料结构，2、柱形介质谐振器，3、贴片超材料表面结构板，4、超材料短路电感，5、馈电金属探针，6、环形耦合馈电缝隙槽，7、方向选择电路，8、金属地板。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种小型化多波束可重构天线，包括：

金属地板8；

设置在金属地板8上以引入水平极化磁偶极子模式并进行方向选择的环形等效磁流缝隙结构；及

设置在金属地板8和环形等效磁流缝隙结构上的混合电磁超材料结构体。

在本实施例中，本发明基于混合电磁超材料机制、电可重构技术和惠更斯辐射理论，基于介质谐振器辐射体，提出了一种新的具有垂直极化辐射特性的混合电磁超材料结构，具有结构紧凑、工作带宽宽、辐射性能好等优点。

上述混合电磁超材料结构体包括设置在金属地板8和环形等效磁流缝隙结构上的柱形介质谐振器2；及设置在柱形介质谐振器2上表面的超材料结构1。

具体而言，上述柱形介质谐振器2由高介电常数陶瓷材料制成，采用方形、圆形、棱形等类似柱形结构。柱形介质谐振器2放置在金属地板8上，用于作为天线的能量辐射体，在谐振时向外辐射能量。

如图3所示，上述超材料结构1为由多个贴片超材料表面结构板3构成的圆形蘑菇型超材料结构，包括但不限于2×2蘑菇型结构，其他形状或更多单元的蘑菇型结构或者超表面均可。以2×2圆形蘑菇型超材料结构为例，采用2×2个扇形贴片超材料表面结构板3以及中心位置的圆形贴片超材料表面结构板构成本发明的超材料结构1。上述超材料结构1通过加载在柱形介质谐振器2上表面，与柱形介质谐振器2构成混合电磁超材料结构体。本发明将柱形介质谐振器2和零阶电磁超材料结构1混合共形在一起，通过在传统的介质谐振器的垂直极化模式上，基于混合机制，引入垂直极化零阶超材料进行共同作用，实现了天线尺寸小型化、宽工作宽带和高辐射性能。

在本实施例中，上述混合电磁超材料结构体中心设置有贯穿加载的馈电金属探针5，馈电金属探针5的末端与耦合馈电结构连接。

具体而言，本发明在混合电磁超材料结构体中心设置贯穿其上、下表面进行加载的馈电金属探针5，该馈电金属探针5由插入到混合超材料结构中心的金属探针(SMA的探针)构成，激励出垂直极化的全向辐射模式，引入了垂直极化的电偶极子模式。

在本实施例中，上述混合电磁超材料结构体中设置有贯穿加载的超材料短路电感4。

具体而言，本发明在混合电磁超材料结构体的四周设置贯穿其上、下表面进行加载的超材料短路电感4。超材料短路电感4用于将贴片超材料表面结构板3和金属地板9电连接起来，通过形成加载电感，增强超谐振器模式的谐振效果，从而降低混合电磁超材料结构体的谐振频率，进而进一步实现小型化设计。

在本实施例中，上述环形等效磁流缝隙结构包括开设在金属地板8上的环形等效磁流缝隙槽6；及设置在金属地板8和环形等效磁流缝隙槽6上的方向选择电路8。

上述方向选择电路8包括中心对称设置在环形等效磁流缝隙槽6四周的第一开关及偏置电路、第二开关及偏置电路、第三开关及偏置电路和第四开关及偏置电路。

具体而言，如图4所示，本发明通过在金属地板8上腐刻一圈环形等效磁流缝隙槽6，用于实现对金属地板8上表面电流的控制，进而引入水平极化的磁偶极子模式；并在环形等效磁流缝隙槽6的四周的加载第一开关及偏置电路、第二开关及偏置电路、第三开关及偏置电路和第四开关及偏置电路；第一开关及偏置电路、第二开关及偏置电路、第三开关及偏置电路和第四开关及偏置电路结构相同，均由在金属地板8上腐刻的微带偏置电路和PIN开关二极管组成，具体包括直流DC+、隔交电感、隔直电容、开关二极管、限流电阻、直流DC-以及起电连接作用的焊盘。因此可以通过组合控制4个PIN开关二极管的状态，实现对水平极化磁偶极子的方向选择，根据惠更斯辐射理论，选择不同方向的磁偶极子模式，使得天线能够在水平面实现方向图可重构和多波束的扫描，同时保持宽带宽和高辐射效率，从而满足了5G基站对多波束可重构的应用需求。

在本实施例中，上述金属地板8由单面覆铜的介质基板构成，用作天线的参考地板，实现天线的定向辐射和天线的固定装配。。

本发明基于新型半模Huygens原理，通过探针激励起垂直极化的超材料，以及在金属地板8上进行开槽，构造出基于超材料电偶极子模式和基于缝隙辐射的磁偶极子模式，提出了一种新颖的互补天线实现形式。通过地板上的四根开关选择辐射缝隙的激励位置，即可实现垂直极化水平面方向图可重构。

本发明采用了垂直极化水平面方向图可重构，能够进行水平面辐射覆盖，实现了小型化设计、宽带宽和多波束可重构，能够适用于5G微基站天线或5G MIMO单元的应用。

本发明的混合超材料结构，具有小型化、高辐射特性和灵活可控的优点，使得基于混合超材料机制的多波束可重构天线实现了宽带宽、低成本和灵活的多波束扫描，如图5和6所示，图5为所提出的小型化混合超材料多波束可重构天线在不同辐射状态下的阻抗带宽性能，其中S11表示端口反射系数，one Switch off表示仅其中一个PIN开关二极管关闭，two switch off表示两个PIN开关二极管都关闭，由于所提出的垂直极化多波束可重构天线是完全对称的结构，因此其存在单个开关动作或者两个相邻开关动作的两种工作模式。所提出的多波束可重构天线在小型化的前提下，实现了宽带宽工作3.30-3.80GHz，覆盖了5G-N78频段以及部分S波段，因此该天线适用于5G多波束基站应用和雷达阵元。图6为小型化混合超材料多波束可重构天线的多波束可重构性能，其中Phi表示方向图参考面为XOY平面。通过对地板缝隙上的四个开关，单独动作或者相邻开关同步动作，在小型化和低成本(极简的控制电路)的前提下，天线实现了垂直极化下的水平面上八波束可重构，波束的切换步进为45°，多波束的3dB带宽均能交叠，实现了良好的水平多波束覆盖，因此该天线特别适用于5G多波束基站、大规模MIMO和智能天线。。

实施例2

如图7和图8所示，本发明实施例还提供了一种小型化多波束平面相控阵列天线，包括：

由多个如实施例1所描述的小型化多波束可重构天线作为阵元构成的相控阵列。

在本实施例中，本发明以实施例1所描述的小型化混合超材料多波束可重构天线为基础，将小型化混合超材料多波束可重构天线作为平面相控阵列天线的阵元，采用任意至少两单元的阵元构成线阵、面阵、二维阵、圆阵、稀疏/稀布阵等多形式的相控阵列。

上述相控阵列由多个小型化混合超材料多波束可重构天线作为阵元构成，通过组合控制地板上的PIN开关二极管，选择阵元的主辐射波束指向，再通过综合面阵上的馈电相位和幅度，实现二维空间波束的连续扫描和波束赋形。特别是，采用了方向图可重构天线作为阵列的阵元，能够在小规模阵列(少量阵元)的情况下，实现二维的宽角波束扫描，满足了5G多波束基站对宽角覆盖的性能需求。

本发明综合考虑到5G多波束基站天线对波束扫描性能的需求和成本情况，将该阵列的阵元设置为16个(4×4)，构成4×4平面阵列。通过将多个多波束可重构阵元排列成等阵间距的面阵，临近单元间的阵间距大致设置为0.5λ0其中λ0是中心频率自由空间波长，以增大波束的扫描角度，获得更高的辐射增益，同时也可通过馈电相位和幅度综合实现波束赋形。

本发明利用阵元的八个水平面波束，将二维平面按照每45°角进行划分，分别进行相控一维扫描【-75度,75度】，组合实现宽角波束二维扫描和波束赋形。每一个阵元的四个开关状态D1、D2、D3、D4设置为(D1＝ON,D2＝D3＝D4＝OFF)，单元方向图偏转方向为Phi＝0度方向，对4×4阵列的16个阵元端口进行馈电幅相的调制，即在Phi＝0度平面实现【-75度，75度】的一维扫描；以此遍历控制四个开关的状态，在Phi＝0,45,90,135平面即可分别实现一维扫描；最后将以上四个一维扫描进行组合，即完成二维宽角波束扫描。对于面阵的波束赋形，即根据所需的波束赋形要求，选择不同扫描平面(开关状态)，综合出面阵各阵元的馈电幅相。

由于阵元天线的方向图是可重构的，在水平面实现了以45°为步进的8波束扫描。与传统定向辐射波束的阵元相比，该多波束扫描阵列的阵元采用倾斜波束作为方向图因子，再利用相控原理进行波束的扫描，从而拓展了主辐射波束的扫描角度。由于阵元的可重构波束是呈二维且对称分布的，因此该阵列的主辐射波束能够在二维空间实现连续的波束扫描。

为了实现二维多波束宽角度扫描和波束赋形，将水平面方向图可重构天线作为阵元，进行单元波束选择和阵列相控扫描。在面阵中，利用移相馈电网络或者T/R组件，对阵列的每个阵元端口的馈电相位按照等步进递增或调制相位，馈电幅度选择为等幅、三角分布或者锥削分布等，进行激励，即可实现阵列的波束扫描；通过对馈电相位和馈电幅度按照波束形态进行综合，即可实现阵列的波束赋形。

利用多波束扫描阵元的偏转朝向辐射模式，进行相控扫描。通过开关选择到多波束扫描阵元的偏转朝向的辐射模式，在进行相控扫描，由于单元天线的辐射方向图本身存在偏转，因此获得额外地偏转角度，即实现大角度波束扫描。

本发明中阵元天线本身为方向图可重构天线，能顾实现水平面八波束的覆盖(45°为切换步进)。因此在二维扫描中，将二维平面按照45°为步进划分为八个等分区域。然后在每个区域进行宽角扫描，即可接力实现二维平面扫描。

与现有经典二维面阵相比，本发明采用了更少的阵元数量规模和可重构技术，即实现了同等级的功能，极大的降低了成本，特别适用于大规模的5G基站商用。

本发明采用了垂直极化二维全空域宽角波束连续扫描和波束赋形，能够实现多功能的空间覆盖(大角度覆盖、二维波束切换、波束赋形等)，实现了在小型阵列布局(少量阵元)的前提下，宽带宽和多波束二维扫描的性能，能够适用于5G多波束基站天线的应用。同时，阵列的形式，包含但不限于线阵、矩形面阵、圆形和稀疏/稀布阵列，具体可更加实际基站应用场景选择和调整。如图9和图10所示，图9为所提出平面相控阵列天线的S参数，即散射参数，所提出的平面阵列天线在低剖面、紧凑空间、和低成本的前提下，阵元实现了宽带工作3.30-3.80GHz，阵元间的各端口隔离度均低于-15dB，各阵元均覆盖5G-N78频段和部分S波段，因此该天线能够满足宽带系统工作需求。图10为所提出平面相控阵列天线的波束扫描性能，其中phase表示阵列中阵元间馈电相差，通过组合可重构阵元的八个不同的辐射指向和阵列幅相控制，平面相控阵列天线能够在少量阵元和低成本的前提下，实现二维宽角扫描[-75°,+75°]和波束赋形，因此适用于大范围的5G多波束基站部署和大规模的MIMO组阵。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种小型化多波束可重构天线，其特征在于，包括：

金属地板(8)；

设置在所述金属地板(8)上以引入水平极化磁偶极子模式并进行方向选择的环形等效磁流缝隙结构；及

设置在所述金属地板(8)和环形等效磁流缝隙结构上的混合电磁超材料结构体。

2.根据权利要求1所述的小型化多波束可重构天线，其特征在于，所述混合电磁超材料结构体包括：

设置在所述金属地板(8)和环形等效磁流缝隙结构上的柱形介质谐振器(2)；及

设置在所述柱形介质谐振器(2)上表面的超材料结构(1)。

3.根据权利要求2所述的小型化多波束可重构天线，其特征在于，所述超材料结构(1)为由多个贴片超材料表面结构板(3)构成的圆形蘑菇型超材料结构。

4.根据权利要求1、2、3任一所述的小型化多波束可重构天线，其特征在于，所述混合电磁超材料结构体中心设置有贯穿加载的馈电金属探针(5)，所述馈电金属探针(5)的两端分别与所述环形等效磁流缝隙结构(6)和多个贴片超材料表面结构板(3)连接。

5.根据权利要求4所述的小型化多波束可重构天线，其特征在于，所述环形等效磁流缝隙结构包括：

开设在所述金属地板(8)上的环形等效磁流缝隙槽(6)；及

设置在所述金属地板(8)和环形等效磁流缝隙槽(6)上的方向选择电路(7)。

6.根据权利要求5所述的小型化多波束可重构天线，其特征在于，所述方向选择电路(7)包括中心对称设置在所述环形等效磁流缝隙槽(6)四周的第一开关及偏置电路、第二开关及偏置电路、第三开关及偏置电路和第四开关及偏置电路。

7.根据权利要求1至6任一所述的小型化多波束可重构天线，其特征在于，所述混合电磁超材料结构体中设置有贯穿加载的超材料短路电感(4)。

8.一种小型化多波束平面相控阵列天线，其特征在于，包括：

由多个如权利要求1至7任一所述小型化多波束可重构天线作为阵元构成的相控阵列。

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