一種適用于5G終端的寬帶雙極化毫米波端射天線陣列

毫米波通信由于具有大帶寬、高速率的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于5G乃至6G無(wú)線通信系統(tǒng)中。毫米波在空氣中傳播存在較大的衰減以及極化旋轉(zhuǎn)，因此對(duì)收發(fā)天線的帶寬、極化分集、增益、波束掃描等能力提出了更高的要求。特別是對(duì)終端設(shè)備集成的毫米波天線而言，如何在低剖面、小凈空的限制條件下，設(shè)計(jì)寬帶雙極化的毫米波相控陣天線，對(duì)天線的設(shè)計(jì)與封裝均提出了挑戰(zhàn)。

清華大學(xué)電子工程系李越副教授團(tuán)隊(duì)提出使用近零介電常數(shù)（ENZ）超材料應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。ENZ超材料是一種介電常數(shù)接近于零的特殊電磁媒質(zhì)，電磁波在這種媒質(zhì)中，時(shí)間因子（頻率）與空間因子（波長(zhǎng)）相互解耦，因此兩者幾乎呈現(xiàn)無(wú)關(guān)的特性?；贓NZ超材料的天線，其諧振頻率與天線的長(zhǎng)度及幾何形狀無(wú)關(guān)，是針對(duì)空間受限場(chǎng)景下天線設(shè)計(jì)的一種新的解決方案。

團(tuán)隊(duì)將ENZ超材料應(yīng)用到寬帶天線的設(shè)計(jì)中。天線單元的設(shè)計(jì)流程如圖1所示，首先在垂直極化的喇叭天線口面上周期性加載金屬過(guò)孔，起到并聯(lián)電感加載的作用，可以構(gòu)造等效的ENZ超材料，其等效介電常數(shù)最低為0.11，從而使得喇叭天線的輻射口面增大，帶寬相應(yīng)增加。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)在天線前方添加金屬貼片作為引向器，使天線單元能夠向端射方向輻射。之后將引向器復(fù)用為偶極子天線以提供水平極化的輻射，從而實(shí)現(xiàn)了具有端射輻射方向的雙極化天線單元。

在天線單元基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了1×4天線陣列，以實(shí)現(xiàn)高增益與波束掃描功能。由于天線單元使用了ENZ超材料，其尺寸相比傳統(tǒng)的天線有所增大，在設(shè)計(jì)天線陣列時(shí)，采用了交疊口面的方法，減小陣元間距，從而實(shí)現(xiàn)尺寸的縮減以及柵瓣的抑制。天線單元的輻射方向與S參數(shù)見(jiàn)圖2。

該天線陣列采用8層PCB工藝加工，實(shí)物如圖3所示，可以直接通過(guò)焊接的方式與射頻前端芯片端口連接。測(cè)試結(jié)果顯示，該天線陣列能夠在僅有1.8 mm的凈空與2.2 mm的剖面下，覆蓋5G通信標(biāo)準(zhǔn)的n257（26.5～29.5 GHz）與n258（24.25～27.5 GHz）2個(gè)毫米波頻段，并且實(shí)現(xiàn)最高9.16dBi的增益以及-34°～33°的3dB波束掃描范圍。與其他毫米波天線陣列相比，該天線陣列占用了更小的凈空與剖面，在移動(dòng)終端毫米波通信的應(yīng)用場(chǎng)景中具有更強(qiáng)的適用性。（李昊 李越）

原始文獻(xiàn)：

LI H,LI Y,CHANG L,et al.A wideband dual-polarized endfire antenna array with overlapped apertures and small clearance for 5G millimeter-wave applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2021,69(2):815-824.