5G毫米波端射天线阵列设计文献综述

 2023-08-15 02:08

文献综述(或调研报告):

1954年,Clavin提出将电偶极子和磁偶极子结合的天线设计思路,通过控制两者的距离来调节馈电幅度和相位,同时激励两种辐射结构以实现电偶极子和磁偶极子的互补特性,天线方向图在E面和H面形状一致,且后向辐射很小。

2006年,香港城市大学陆贵文教授和黄衡博士共同提出了一种结构简单的磁电偶极子天线,结构如图1所示。该天线中,水平方向的平面贴片作为电偶极子,垂直方向的短路贴片作为磁偶极子,Г型探针可同时激励垂直放置的两种偶极子,通过调节馈线部分的容性和感性达到宽带的阻抗匹配。此款新型磁电偶极子天线结构紧凑,相对阻抗带宽达44%(VSWRlt;1.5),工作频段内增益稳定在8dBi,且后向辐射小,方向图对称。由于简单的结构设计以及优异的工作性能,这款天线也成为近年来磁电偶极子天线研究方向的热点。

2018年,陆贵文教授在A Dual Linearly Polarized End-fire Antenna Array For The 5G Applications一文中,通过将垂直极化和水平极化两种工作方式的磁电偶极子相结合,提出了一种60GHz的双线性极化端射天线阵。在基片集成波导结构上,通过共用同一个金属柱壁,将两种磁电偶极子紧密地放置在一起,实现了0.77lambda;0的单元空间,如图2所示。对于垂直极化激励,获得了21%的带宽,增益高达16.1dB。对于水平极化激励,带宽为18%,峰值增益为15.1dB。两个极化的交叉极化均低于-30dB,端口隔离度在45dB以上,辐射效率与增益一样稳定,峰值达到82%。整个结构被集成到四个基板层中,并采用经济高效的PCB技术制造。

2019年,东南大学洪伟教授在Broadband End Fire Magnetoelectric Dipole Antenna Array Using SICL Feeding Network For 5g Millimeter-Wave Applications一文中,提出了一种用于5G毫米波应用的宽带端射天线阵列,如图3所示。设计了一种改进的具有缺陷接地结构的磁电偶极子,其由平面L探头激发,利用基片集成同轴线(SICL)馈电方案来构建宽带天线阵列。该天线阵列覆盖了28和39GHz两个主要5G的应用频带,在工作带宽内(25-41GHz),其|S11|le;minus;10dB阻抗带宽和3dB的增益带宽的总工作带宽为50.7%。在整个工作带宽中,交叉极化小于-19.0dB,前后比大于20.0dB。

己有文献中所提出的磁电偶极子天线大多采用L形或其他类型探针结构馈电,此类馈电结构在较低的微波频段可以方便地采用金属条带结构实现。然而,随着天线工作频率不断升高,天线结构尺寸将随之减小。在毫米波频段,馈电探针的结构具有很小的结构尺寸,且对于天线工作特性具有显著影响。针对馈电结构的问题,2016年陆贵文教授将缝隙耦合馈电技术引入毫米波磁电偶极子天线的研究,提出一种工作于60GHz频段的简单结构的双极化缝隙耦合馈电的磁电偶极子天线,有效解决了探针结构难以加工和与馈电网络集成的问题。

60 GHz的双极化磁电偶极子天线虽然有较高的增益、前后比和较低的交叉极化,但当前5G系统的频带主要部署在28GHz左右。如果将相同的设计应用于28 GHz,则天线的厚度将远大于60GHz时的尺寸,从而不易于集成。因此如何设计尺寸更小且工作于28GHz频段的耦合馈电天线,是本文工作的重点。

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