E-Band Beam-Steerable和可伸缩的相控天线阵5 g接入点

文摘

本文提出一种新的实现beam-steerable二维相控天线阵的即将到来的5 g网络。天线可以轻松集成相移和其他活跃的电子在一个电路板,低损耗提要网络、低调,和光束控制平面方位角和仰角。此外,天线数量的可伸缩的元素,它可以兼容低成本大规模生产塑料注射成型用金属涂层。天线由一个矩形波导馈电网络,waveguide-to-PCB过渡,相移在PCB,喇叭天线辐射元素。部分已经第一次单独设计和模拟,然后整个结构的操作验证了电磁模拟。这项工作中所使用的移相器是一种扑鼻微带线部分,但是结构还使活跃阶段换档器的实现。造天线阵列原型制造。的光束控制属性相控天线阵与辐射测试模式测量在72.5 GHz,和测量的收益与模拟的。测量的收益是15.2和11.2 dBi孔径梁,梁是引导到40°。

1。介绍

毫米波频率链接等28个、38和60 GHz,以及E-band(71 - 76和81 - 86 GHz),提出了用于无线回程基础设施使5 g网络(1- - - - - -6]。尤其是E-band提供了一个巨大的频谱资源相比传统微波波段(6-42 GHz)和带宽与10 - 100 Gb / s与低延迟光纤连接。

电子束流控制在两个维度,也就是说,在方位角和仰角要求减轻天线安装和应对5 g小细胞手术期间部署网站(7]。此外,天线要小,听不清安装的低调。高增益天线需要一起可能很容易地适应活性成分,如相移和放大器,克服传播损失mm-wave频率,增加覆盖范围,提高系统性能。解决方案是理想的可伸缩的元素数量的不同的天线增益。

有许多方法提出了实现电子束流控制天线,包括波束切换/梁选择网络,可重构高阻抗表面(他的),和移相或时滞网络。一个集成透镜天线(马尼拉)提供了很好的光束控制特点的方位角和仰角的飞机(7,8]。对于每一个梁,焦饲料中有一个对应的独立元素数组。为了这个目的,一个复杂的交换网络是必要的。每个开关都有相当大的衰减mm-waves从2到3 dB导致较高的交换网络的整体衰减。Another7缺点是镜头笨重。

梁转换还用于被动波束形成网络,如罗特曼透镜(9巴特勒]或矩阵(10]。完成60 GHz射束交换天线提出了基于Rotman透镜(11]。罗特曼镜头迅速增加的复杂性和数量的输入端口。交换网络的设计权衡的ILAs相似。更多的光束可以导致增加方向性或更广泛的角度报道,但以牺牲大量的开关和更高的切换损失。类似于一个传统的透镜,Rotman透镜和巴特勒矩阵是笨重的,尤其是当他们被用于二维光束控制。

在毫米波频段,reflectarray的优点是重量轻。提出了可重构reflectarrays,例如,在12,13]。然而,一个单独的提要天线需要增加天线体积。为了克服这个问题,一个折叠reflectarray提出解决方案(14]。Reflectarray避免一些饲料网络损失beam-switchable眼镜相关或相控阵,但使它具有挑战性的增加相移。最近,传统的镜头和reflectarray-type天线实现使用超材料(15- - - - - -20.]。虽然提出了一些宽带解决方案,大多数材料都基于谐振结构,通常有一个窄带。

光束控制的另一个方法是使用相控天线阵列。在全数字波束形成(21),完整的射频链和数据转换器需要每个天线元素一起巨大的处理能力。因此,它是复杂的,昂贵的,饥饿和权力在高频率。最近,几个有趣的可伸缩的相控阵结构和设计提出了mm-wave频率(22,23]。一个重大的挑战在低调的高增益毫米波天线馈电网络的高损失,因为传输线实现PCB成为相对较长,他们固有的高损失在高频率。此外,被动的可重构相移还介绍许多dBs的损失(24,25]。也可能出现不必要的光栅叶在二维光束控制天线间距的限制元素的数组。

塑料注射成型是一种有效的方式产生毫米波天线与平面设计,低重量,和有竞争力的价格。在这种制造技术,机械公差可以控制非常严格和复杂三维形状可以实现在高数量。塑料注射成型技术实现毫米波组件与应用程序一直在深入调查(26,27]。技术是成熟的,和塑料注塑天线是商用,如诺基亚MetroHopper(基于工作发表在28,29日])和Huber + Suhner SENCITY矩阵(30.]。然而,最先进的塑料注塑天线不适应活跃的电子,使电子束流控制它来执行。

正如我们前面所讨论的,所有以前提出的天线类型有一些不便。没有单一的天线类型可以同时表现出5 g网络所需的所有功能。在本文中,我们提出了相控天线阵结构可能能够提供较低的所有好处E-band (71 - 76 GHz),也就是说,低损耗,容易集成的活跃电子、可伸缩性和二维光束控制范围宽。此外,我们提出了天线可以使用低成本的生产塑料注射成型用金属涂层。首次提出了一种注塑可塑结构的相移和其他可能活跃的电子在一个电路板。

该相控天线阵由矩形波导功率分配器结构,waveguide-to-PCB过渡,微带相移和锥体喇叭天线元素。在这种工作,一个4×4相控天线阵设计,模拟,验证了测量结果的原型制作的。数据1和2显示的图片提出天线的馈电网络实现与矩形波导的损失最小化。扑鼻的微带线作为相移在这工作。对于一个实际的光束控制应用程序,活动应该实现相移。不包括PCB板,该天线结构的部分可以用塑料注塑生产金属化使一个有成本效益的生产过程。

本文组织如下。部分2描述了天线阵的关键组件:波导电力部门网络,waveguide-to-PCB过渡,相移和喇叭天线元素。部分4显示测量结果的原型制作的。使用天线概念提出的5 g场景中讨论部分4,得出结论5。

2。mm-Wave天线阵列的关键组件的设计

天线的关键组件的设计提出了部分2.1- - - - - -2.4。使用CST电磁仿真软件部分的设计。铜的含铜量65%(电导率 )用于金属的模拟。

2.1。电力部门网络

功率分配器的设计为每个喇叭天线元素提供统一的信号强度和尽可能低的电力部门的损失。数据3和4显示了波导馈电网络的两个主要部分。主要饲料分配器包括三个E-plane丁字路口结合在一起。这四个二级分规是由三个h平面丁字路口。表1提出了优化值的维度数据3和4。

天线是用一个标准WR-12波导(3。1×1。55毫米²)。所需的元素之间的间距 在最高运行频率,以避免光栅叶光束控制角度。然而,由于喂养波导的大小,相邻波导之间的有限壁厚,和空间所需的相移,间距大于 必须使用。此外,尽管天线结构设计为注塑可塑,原型是由铣削制造原型成本降低。这个生产过程也带来了一些额外的限制最小壁厚等结构 和一个内0.2 - -0.5毫米的弯曲半径根据铣工具。元素间距设置为最小的可能值,大概是0。8λ在这种情况下在75 GHz。因此,光栅叶开始引导光束时出现。均匀间隔的数组,第一个栅瓣出现梁带领14°时,最终,栅瓣等于主光束的振幅38°的转向角。内部尺寸的矩形波导馈电网络设置为2。7×1。35毫米²。波导的截止频率与这些尺寸是55 GHz足够低,以确保较低的低损耗操作E-band (71 - 76 GHz)。

2.1.1。主要饲料分配器

主要饲料分配器的目的是把权力从输入波导同样分成四个输出波导。三功分器的主要饲料分配器由哪两个是相同的。第一功率分配器将权力平分两输出分支。输出分支都是紧随其后的是第二个功分器,这样原始信号分为四个。的维数l1,l3,匹配步骤(l3和l4)所有导致最终的港口之间的阻抗匹配和功率比。

最后的内部结构的主要饲料分配器如图3。端口(f1 = 2.4毫米,f2 = 1.6毫米,f3 = 0.8毫米)略有偏移量,如图3。元素的位置略有偏移,以避免光栅叶切(以及在主模式 )。

2.1.2。二次饲料分配器

辅助饲料分配器的目的是细分的四个输出通道从主分隔成4端口,以便中小学分隔器将信号分成16个端口。这二次饲料分配器是由结合h平面丁字路口。适当的匹配和电力部门已经通过调整大小和位置的金属脊和输出波导的耦合孔径尺寸(- - - - - -,- - - - - -)。请注意,有一个最终的港口之间的相位差与相移补偿。

图4显示了最终的内部结构的二级分支。图5显示了 - - - - - -波导馈电网络的参数。参数调整来实现最佳的性能在低E-band (71 - 76 GHz)。分支机构之间的插入损耗变化9至15分贝。

2.2。Waveguide-to-PCB转换和移相器

有两种不同的waveguide-to-PCB天线结构的转换。一个是输出波导功率分配器的PCB,另一个是从PCB天线波导。过渡,波导是锥形的一半高度的原始波导有足够的空间相移。这也有助于在阻抗匹配。PCB削减通过波导和微带线在顶部,通过一个小孔进入波导,因此形成了一个调查。此外,波导的墙壁斜移相器,以便有更多的空间。图6显示了仿真模型的waveguide-to-PCB过渡,移相器,PCB-to-waveguide过渡。图7显示了模拟 - - - - - -参数结构,包括转换和移相器。反射系数远低于−E-band 10 dB几乎完整的低。移相器的长度 本模拟中使用。

图8 (b)显示了多层PCB层叠RO5880 ( 和 ),和FR4用于移相器实现。通过制作之间1,3通过RO5880形成波导层,而腔之间FR-4层处理3和6在波导。最后,边金属化应用于腔表面,以确保接地之间3和6。表2提出了优化尺寸的转换。扑鼻的E-band移相器实现微带线部分层1(见图8(一个))。微带线的长度根据需要调整时间延迟或相变。微带线实现RO5880层,下面一层FR4模拟一层携带数字控制信号的相移和供应电压也可能是活跃型的。移相器的腔面以上集成天线结构(见图6)。图9显示的反射和透射系数的振幅移相器的三种不同的值 。

在这项工作中,几个PCB组件,每个包含一组16相移,是为了符合预定义的光束控制角度。32个不同的离散相移值对应于位移相器设计。这些相移值定义PCB组件使用一次。阶段的的相移的函数(移相器的长度),如图所示10。

2.3。喇叭天线

锥体喇叭天线辐射元素,见图2。角孔径大小是3.1毫米×3.1毫米,主要是定义的波导尺寸。波导的宽度和相邻元素之间的壁厚确定E-plane的孔径尺寸。h面孔径的大小是由对称。一个0.1毫米宽脊之间左邻喇叭天线。光圈是顺利锥形的降低波导PCB-to-waveguide过渡。喇叭天线的长度是4.08毫米。

2.4。完整的天线阵

图2显示了4×4相控天线阵的模型。最后的仿真模型完整的天线阵列是由集成所有的关键部件。模拟反射系数下的孔径方向如图11。模拟反射系数低于−10 dB几乎在整个预期的频率范围。

3所示。原型制造和测量结果

提要的原型被铣制造网络和天线结构的黄铜CuZn39Pb3 (CW614N) 57 - 59%的铜含量,因此电导率可能略低于用于仿真。转换和相移实现了多层在董事会(PCB)。图12显示了组装天线和一个捏造的移相器PCB原型。天线的远场模式是由近场测量。近场测量的距离30 mm的开放式WR-10波导探针。测量设置如图13。探头补偿应用基于使用探针的测量性能。收益是由与喇叭天线的引用。

尽管天线设计演示光束控制属性在73.5 GHz中心频率,天线的中心频率响应测量观察以略低的频率为72.5 GHz由于制造误差。有一个小铣错误;也就是说,去年的高度匹配的步骤( )和高度由0.07毫米每一步太低。然而,这种差异并没有改变天线的波束控制属性。天线测试使用11种不同的移相器在电路板(PCB)在72.5 GHz。每个PCB对应一个不同的光束控制角。

图11显示了测量和模拟反射系数( )相控天线阵的孔径方向指向。反射系数匹配良好,测量反射系数几乎是低于−10 dB在整个E-band (71 - 86 GHz)。此外,不同的测量反射光束控制角度如图14。测量和模拟辐射模式仰角和方位平面,即相控天线阵的E-plane和h面,指向孔径方向如图所示15。实测与模拟的辐射模式也相当不错。此外,图16显示测量和模拟二维辐射模式在72.5 GHz的天线装置。

表3总结了模拟和测量天线特性对不同光束控制在72.5 GHz的角度。这里,测量天线增益和半功率波束宽度不同的光束控制角与仿真结果相匹配。结果的基础上,提出了天线结构有一个大约5 dB光束扫描损失40°两架飞机。测量天线增益是15.2 dBi和半功率波束宽度是18.4°,而模拟值16.9 dBi和18.6°,分别,当光束指向瞄准线。原型,使用铜导电率可能略有不同的用于模拟可能导致略低增益的测量。

十一个组件的一个例子,辐射模式的四光束控制角度10°20°30°,和40°仰角和方位平面,如图17和18,分别。从图可以看出17,在高程平面光束引导好。然而,30°的栅瓣出现光束控制角度,和40°光束控制角栅瓣在略高于所需的光束在高程平面。这个结果预计由于天线之间的空间元素超过 在72.5 GHz。另一方面,由于抵消了方位平面,40°的栅瓣光束控制角并不高于主光束。从图可以看出18,在方位平面光束控制表现的也不错。

4所示。讨论

这种天线的概念可以用于5 g毫米波通信三个条件:(1)天线必须是可伸缩的更高的收益,(2)它必须是可实现的低成本和高容量的制造技术,和(3)阶段换档器可以实现合理的性能和成本。可伸缩性不会成为一个问题,一旦电力部门网络可以可靠地生产。例如,一个可以很容易地规模提出了天线阵为8×8通过整合四4×4天线阵列与额外1:4的波导馈电网络。注塑可以提供这类天线的低成本制造技术。相移,有很多最近的和正在进行的研究表明合适的小型活动组件将在不远的将来[24,25]。

这种天线的波束控制性能可以利用例如5 g mm-wave无线回程或mm-wave接入点天线。对于有限光束控制范围(±5度)的微调可以使用点对点的连接梁。侧叶可以通过适当的圆锥形的抑制天线的功率分布。另一方面,宽光束控制范围的概念可以用于无线回程自组织网络。它将提供多样性的信号路由可能性和鲁棒性对视距堵塞街道的小细胞。在无线移动接入的情况下,beam-steerable基站天线将提供高增益向用户设备,使更大的细胞覆盖率和高数据率。侧叶的缓解和光栅叶在达到这些目标至关重要。积极的使用,向量modulator-based相移能够改善天线的辐射特性。这些组件也将允许振幅逐渐减少旁瓣水平降到最低。栅瓣的缓解,潜在的方法包括dielectric-filled降低角孔径尺寸允许的波导 间距或使用一个不规则网格间距的角元素(31日]。

5。结论

一个低调的、可伸缩的和beam-steerable相控天线阵设计的低E-band (71 - 76 GHz)。这部小说天线概念结合相移的轻松集成电路板和低损耗波导馈电网络。光束控制属性的相控天线阵在72.5 GHz演示。设计天线阵列由波导喂养网络划分权力同样从输入波导16个输出波导。PCB是用于实现微带延迟线移相器,以及waveguide-to-PCB过渡给网络连接到移相器和进一步辐射喇叭天线阵列。在这个工作中,使用固定相移;然而,这些可以被积极的使用倒装芯片或线焊相移。天线阵是伪造的,其操作的测试和近场测量。测量辐射模式展示光束控制40°的72.5 GHz的方位角和仰角的飞机。然而,由于大元素间距光栅叶出现在最大的光束控制角度。 The results are very promising and suggest that it is possible to combine active components with plastic injection moldable antennas to enable low-cost beam-steerable phased arrays.

数据可用性

模拟和测量数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢先生Eino Kahra天线生产准备图纸。本研究部分支持诺基亚贝尔实验室。m . m .伊斯兰教的工作是诺基亚支持的基础。

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