4.9 GHz小型化集成相控陣天線設(shè)計(jì)*

陳錫聰，林福民，周冬躍，李紅濤，王媛媛

(廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣州 510006)

0 引 言

陣列天線具有方向性強(qiáng)和總增益高的優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域。進(jìn)入5G時(shí)代，天線的工作頻段越來越高，電磁波在發(fā)收和傳輸?shù)倪^程中存在更大的損耗。陣列天線由于高方向性和高增益性能，成為5G移動(dòng)通信的重要解決方案之一。但是陣列天線的波束寬度窄，波束覆蓋范圍小。為此，引入了相控陣天線。相控陣天線由多個(gè)相同的天線單元組成，這些天線單元按照一定的位置分布，通過設(shè)置特定的饋電相位，可控制方向圖波束掃描，實(shí)現(xiàn)方向圖波束大范圍覆蓋。但是由于現(xiàn)代相控陣天線單元和饋電端口數(shù)量多，目前陣列天線與饋電網(wǎng)絡(luò)都是分離的，導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)需要使用幾十條甚至上百條電纜將多路功分器、移相器和天線單元連接。如此龐大和復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)限制了相控陣天線的應(yīng)用，特別是小型基站的應(yīng)用。

一個(gè)完整相控陣天線的研究主要分為天線層次和饋電網(wǎng)絡(luò)兩部分。饋電網(wǎng)絡(luò)傳輸線部分，可以通過微帶線串聯(lián)和并聯(lián)兩種方法實(shí)現(xiàn)與天線集成一體化設(shè)計(jì)[1-6]。使用微帶線串聯(lián)饋電的方式有走線布局簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是端口之間隔離度差，同時(shí)端口之間的相位和幅度差異較大。并聯(lián)微帶線饋電，即多路功率分配器，通過功分器為天線單元饋電，輸出端口之間隔離度較好，饋電相位和幅度差異較小。

相控陣天線需要解決饋電網(wǎng)絡(luò)的相位變化問題，因此饋電網(wǎng)絡(luò)部分變得更復(fù)雜。有一些相控陣天線省略饋電網(wǎng)絡(luò)部分的設(shè)計(jì)，在測試和應(yīng)用時(shí)，使用現(xiàn)成的多路功分器和移相器進(jìn)行饋電[7-12]。這無疑增加了相控陣天線的體積和成本，在較大規(guī)模相控陣天線中，將出現(xiàn)幾十條甚至上百條連接電纜。顯然，由此設(shè)計(jì)的相控陣天線體積大，天線與饋電網(wǎng)絡(luò)分離，不利用小型化。

近年來，也有學(xué)者致力于小型化和集成一體化相控陣的研究和設(shè)計(jì)[13-17]。文獻(xiàn)[13]的設(shè)計(jì)無需移相器，利用不同的工作頻率，實(shí)現(xiàn)波束掃描，但是每次波束掃描都需要改變工作頻率，并且掃描角度小。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了一款集成可調(diào)相位相控陣天線，但是相位移動(dòng)效果差，波束僅僅掃描1°。文獻(xiàn)[15]通過集成波導(dǎo)移相器，在5～6 GHz實(shí)現(xiàn)了集成一體化1×4相控陣天線，但是由于使用波導(dǎo)功分器，僅僅4單元相控陣整體體積就非常大。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一款低剖面集成相控陣天線，天線與饋電網(wǎng)絡(luò)疊層設(shè)計(jì)，但是剖面也有81.5 mm。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)，將型號為JSPHS-2484+的模擬移相器集成到饋電網(wǎng)絡(luò)中，但是仍然把饋電網(wǎng)絡(luò)與天線分離，相控陣天線只有6單元但是整體體積很大。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一款工作于4.9 GHz頻段的集移相器、多路微帶線功分器和陣列天線于一體的小型化集成64單元相控陣天線。該相控陣天線按照8×8二維矩形陣排列分布，并采用45°線極化方式。本設(shè)計(jì)僅僅通過一個(gè)端口饋電，測試和使用過程中僅需一條饋電電纜，通過改變移相器芯片的輸入電壓即可實(shí)現(xiàn)水平和垂直二維掃描。該集成相控陣天線總厚度只有2.25 mm，具有低剖面小型化和集成一體化的顯著優(yōu)點(diǎn)。實(shí)測結(jié)果顯示，該相控陣天線有著較好的主極化和交叉極化隔離度，實(shí)測交叉極化隔離度≥30 dB，實(shí)測最大增益達(dá)15.3 dB，在4.9 GHz頻段主波束可在水平和垂直平面實(shí)現(xiàn)-58°～62°掃描。

1 理論與設(shè)計(jì)

1.1 天線單元設(shè)計(jì)

陣列天線的性能與天線單元關(guān)系密切。天線單元選取的天線類型為微帶貼片天線，微帶天線具有結(jié)構(gòu)簡單、低剖面和低成本的優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)64單元相控陣天線，天線單元采用高厚度的單層介質(zhì)片雙面覆銅的結(jié)構(gòu)。天線單元需要有盡量大的增益，這樣相控陣天線的整體增益也會(huì)更大。為了便于通過一個(gè)端口給相控陣天線所有單元饋電，天線單元采用饋電探針單饋電的方法實(shí)現(xiàn)線性極化。同時(shí)，為了便于雙極化應(yīng)用，要求增益方向圖主極化和交叉極化隔離度大于20 dB。

在上述基礎(chǔ)和要求下，設(shè)計(jì)了如圖1所示的天線單元。圖1(a)是天線單元的頂層覆銅圖案，作為輻射層。其中天線覆銅圖案的主要變量參數(shù)如表1所示。圖1(b)是沿著輻射層邊長a切開的剖面圖，結(jié)構(gòu)1正是頂層覆銅天線，結(jié)構(gòu)2是介質(zhì)層，結(jié)構(gòu)3為覆銅金屬地板,結(jié)構(gòu)4是饋電探針，結(jié)構(gòu)1和3分別緊貼介質(zhì)層上下面。介質(zhì)片采用相對介電常數(shù)為2.2，損耗正切角0.001，厚度h為1.93 mm的F4bm板材，整體尺寸為33 mm×33 mm。該板材的選取能實(shí)現(xiàn)大尺寸板材加工，同時(shí)使64單元組成陣列天線時(shí)具有一定的厚度，不易變形甚至斷裂。輻射天線由穿過介質(zhì)片的單一饋電探針饋電，饋電探針距離天線中心距離K=2.35 mm。天線單元采用一個(gè)饋電點(diǎn)，利于在相控陣中把各個(gè)天線單元匯合于一個(gè)輸入端口。

(a)天線單元頂層覆銅圖案

(b)天線單元剖面圖圖1 天線單元圖

表1 天線頂層覆銅圖案的主要變量參數(shù)

通過電磁仿真軟件CST仿真，天線單元S11、增益和輻射方向圖結(jié)果如圖2所示。圖2(a)所示為回波損耗S11與真實(shí)增益隨頻率變化曲線圖，天線在4.9 GHz的S11達(dá)到-19.9 dB，4.85～4.93 GHz頻段范圍內(nèi)S11小于-10 dB，帶寬為80 MHz。在帶寬80 MHz頻段內(nèi)，天線真實(shí)增益均大于6.27 dB，在4.9 GHz達(dá)到最大值7 dB。圖2(b)所示為天線4.9 GHz主極化與交叉極化方向圖，由圖可知在XOZ平面和YOZ平面±60°范圍內(nèi)，天線主極化和交叉極化隔離度分為大于22 dB和40 dB。這表明該天線主極化和交叉極化隔離度很好，適用于雙極化天線設(shè)計(jì)。

(a)回波損耗S11與增益隨頻率變化曲線圖

(b)4.9 GHz主極化與交叉極化方向圖圖2 天線單元S11、增益和輻射方向圖

1.2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為了從一個(gè)輸入端口給64單元的陣列天線饋電，并集移相器于一體，本文設(shè)計(jì)的饋電網(wǎng)絡(luò)采用9個(gè)1分8微帶線功分器。一個(gè)輸入端口通過1分8功分器輸出為能量均等分配的8路端口，這8個(gè)端口分別接入電壓控制型移相器芯片的輸入端，每個(gè)芯片的輸出端再接入相同的1分8功分器。

移相器芯片能工作于3～6 GHz，符合4.9 GHz工作頻段要求，插入損耗約為-4 dB。為了驗(yàn)證移相器在饋電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下工作性能，加工板材選取與功分器板材一致，均為相對介電常數(shù)為2.55的F4b。移相器芯片的尺寸僅5 mm×5 mm，相比傳統(tǒng)相控陣器件，具有體積小、易集成和低成本的優(yōu)點(diǎn)。該移相器芯片與微帶線功分器集成以后，僅需調(diào)節(jié)芯片的供電電壓就可以實(shí)現(xiàn)移相器所在支路的相位，集成芯片相位移動(dòng)范圍超過360°，能滿足波束寬角域連續(xù)掃描要求。圖3所示為實(shí)物移相器輸出相位隨電壓變化實(shí)測曲線圖，可見在4.9 GHz頻段周圍，相位移動(dòng)效果較好。集成移相器與多路功分器后，最終表現(xiàn)為端口1的能量均等分配到64個(gè)端口，每個(gè)移相器控制同一列的8個(gè)天線單元相位。在電壓改變的情況下，移相器相位隨之變化，實(shí)現(xiàn)增益方向圖波束掃描。

圖3 移相器輸出相位隨電壓變化實(shí)測曲線圖

饋電網(wǎng)絡(luò)部分采用相對介電常數(shù)2.55，損耗正切角0.001，厚度H為0.18 mm的F4b板材。根據(jù)介質(zhì)片與微帶線寬度的關(guān)系，在該介質(zhì)片厚度下，微帶線50 Ω特性阻抗的寬度較小，有利于降低電磁波在微帶線中的損耗。同時(shí)，該板材種類有較低的損耗正切角，也能減少1分8功分器的插入損耗。此外，小寬度微帶線有利于減小布線占據(jù)面積，也能減少饋電網(wǎng)絡(luò)中微帶線之間的耦合度。功分器設(shè)計(jì)通過在介質(zhì)片的上面覆銅，形成一分八微帶線線路，再在介質(zhì)片下面覆銅作為金屬地板。

圖4所示是功分器實(shí)物加工與實(shí)測結(jié)果圖。圖4(a)是4.9 GHz一分八功分器實(shí)物加工圖，輸出端口之間的間距為33 mm，整體尺寸為260 mm×27.18 mm×0.18 mm。圖4(b)為1分8功分器的輸入端口回波損耗S11和其中兩個(gè)輸出端口的插入損耗S21與S41的仿真與實(shí)測結(jié)果圖，另外6個(gè)輸出端口的插入損耗與端口2和端口4是一致對稱的。

(a)4.9 GHz一分八功分器實(shí)物加工圖

(b) 回波損耗和輸出端口插入損耗圖圖4 功分器實(shí)物加工與實(shí)測結(jié)果圖

由圖4(b)可以看到，仿真與實(shí)測結(jié)果一致，在4.64～5.3 GHz頻段范圍實(shí)測S11≤-10.1 dB，而在4.9 GHz的S11達(dá)到-15.7 dB，輸出端口插入損耗約-9.8 dB。實(shí)測結(jié)果說明該1分8功分器能為工作于4.9 GHz的天線單元饋電，具有反射小和低損耗的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 陣列天線設(shè)計(jì)理論

陣列天線需要合理設(shè)計(jì)天線單元的分布位置，以避免增益方向圖出現(xiàn)旁瓣。在二維矩形陣中，天線單元可以比擬為點(diǎn)源，點(diǎn)源之間間距為d，點(diǎn)源的饋電相位差為φ,方向圖波束指向與兩點(diǎn)源所在直線的夾角為θ，K為電磁波傳播常數(shù)。陣列方向圖波束掃描公式如式(1)所示，當(dāng)ψ=0時(shí)，代表兩點(diǎn)源方向圖同相疊加，有最大增益。

ψ=Kdcosθ+φ。

(1)

再根據(jù)方向圖乘積原理，可得到陣列天線最終的方向圖。在相控陣天線設(shè)計(jì)中，為避免旁瓣方向圖出現(xiàn)，要求天線單元之間間距滿足如式(2)所示的關(guān)系。

(2)

式中：λ為電磁波工作波長；θmax代表增益方向圖波束掃描角度最大值。式(2)中間距d是一個(gè)上限值，而下限值不能太小。當(dāng)相控陣中所有輻射單元都互相耦合時(shí)，最終將產(chǎn)生巨大明顯反射和惡化相控陣天線的方向圖，使之無法正常工作。因此相控陣天線單元間距d過小，將會(huì)導(dǎo)致陣列單元之間強(qiáng)耦合而無法正常工作。

本文設(shè)計(jì)的相控陣要求方向圖波束掃描最大值為62°，為避免方向圖出現(xiàn)明顯旁瓣，同時(shí)也為了避免天線單元間距過小而導(dǎo)致較強(qiáng)的耦合，采用d=33 mm作為相控陣天線的單元間距，并采用8×8矩形平面陣列分布形式。在該間距下，天線單元之間有20 dB隔離度，避免了強(qiáng)耦合而惡化相控陣天線性能，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)-58～62°寬角域方向圖波束掃描。

2 8×8陣列仿真與測試

在上述設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，將陣列天線與饋電網(wǎng)絡(luò)兩部分采用PCB壓合的方式集成于一體。圖5所示為相控陣天線的輻射天線層(頂層)和剖面圖。圖5(a)是輻射天線層(頂層)，天線單元之間間距d=33 mm，尺寸為A×B=286 mm×310 mm。圖5(b)為相控陣天線剖面圖，陣列天線和饋電網(wǎng)絡(luò)兩部分都有金屬地板，因此兩者可以共用同一片金屬地板(標(biāo)記1)，頂端為陣列天線輻射單元(標(biāo)記2)，底端為饋電微帶線功分器和移相器(標(biāo)記3)，標(biāo)記4和5分別是天線介質(zhì)層和饋電網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)層。通過這樣的方式，陣列天線與饋電網(wǎng)絡(luò)兩部分在雙層PCB就可以實(shí)現(xiàn)，具有便于攜帶、低剖面和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。陣列天線采用45°線性極化形式，每個(gè)單元按二維矩形平面陣排列，組成8×8相控陣天線。包括覆銅厚度在內(nèi)，天線整體厚度為2.25 mm。相控陣天線整體最終僅僅有一個(gè)輸入端口，使饋電網(wǎng)絡(luò)簡易化，解決了為64個(gè)天線單元饋電的難題，避免了饋電網(wǎng)絡(luò)與天線分離所需要的超多數(shù)量的電纜連接線，也極大減小了相控陣天線的體積，使測試和應(yīng)用更加簡單方便。

(a)輻射天線層(頂層)

(b)相控陣天線剖面圖圖5 相控陣天線的輻射天線層(頂層)和剖面圖

根據(jù)相控陣波束掃描理論，在波束掃描角度越大，最大增益越小,3 dB波瓣寬度變大。同時(shí)，在大角度掃描時(shí)，由于接近θ極限值，增益方向圖也會(huì)出現(xiàn)稍大的副瓣，導(dǎo)致副瓣電平高。相控陣的增益方向圖XOZ平面波束掃描仿真圖如圖6所示，在4.9 GHz工作頻段，相控陣波束在0°掃描角有最大的增益，達(dá)到22.5 dB。在大角度波束掃描下，波束最大增益下降不大，當(dāng)波束掃描至62°時(shí)，副瓣電平約為-3.2 dB；在掃描至-58°時(shí)，副瓣電平小于-2.1 dB。在3 dB波束寬度下，增益方向圖波束甚至可以覆蓋141°范圍。本文設(shè)計(jì)的相控陣天線可以掃描-58°～62°內(nèi)任意角度，不存在掃描盲區(qū)。表2列舉了增益方向圖部分掃描角度的詳細(xì)情況，包括掃描角度、最大增益、副瓣電平和3 dB波束寬度。

圖6 增益方向圖XOZ平面波束掃描仿真圖

表2 增益方向圖部分掃描角度的詳細(xì)情況

實(shí)物加工的唯一輸入端口采用2.92 mm連接器，圖7所示為相控陣天線實(shí)物加工和實(shí)測環(huán)境圖。圖7(a)和(b)分別是相控陣天線實(shí)物天線層(頂層)和饋電網(wǎng)絡(luò)層(底層)，圖7(c)是相控陣天線實(shí)物測試環(huán)境，在64近場微波暗室中對相控陣天線進(jìn)行單端口饋電。仿真與實(shí)物測試S11如圖8所示，可見實(shí)測S11在4.63～4.85 GHz范圍均小于-10 dB，帶寬為220 MHz。由于加工誤差，實(shí)測最佳諧振點(diǎn)由4.9 GHz偏移至4.8 GHz，實(shí)測最佳頻點(diǎn)S11≤-32 dB。相控陣天線在實(shí)測最佳諧振頻點(diǎn)4.8 GHz和4.9 GHz的實(shí)測主極化與交叉極化增益方向圖如圖9所示，可見該陣列天線增益方向圖的主極化和交叉極化在最佳諧振點(diǎn)的隔離度約為30 dB，在4.9 GHz的隔離度約為25 dB。這有利于進(jìn)一步研制雙極化同時(shí)工作的相控陣天線，更高效地進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。在調(diào)節(jié)移相器芯片的電壓時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)方向圖波束掃描，如圖10所示為實(shí)測最佳諧振點(diǎn)和4.9 GHz的相控陣波束部分掃描角度實(shí)測結(jié)果圖。在實(shí)測最佳諧振頻點(diǎn)，當(dāng)俯仰角掃描至26°時(shí)，有最大增益15.3 dB。實(shí)測掃描圖掃描至55°時(shí)，最大增益為11.3 dB，副瓣電平為-6 dB。此時(shí)，副瓣電平較大，說明進(jìn)一步調(diào)節(jié)相位，可實(shí)現(xiàn)更大的波束掃描范圍。由于波束寬度大，俯仰角為62°時(shí)，增益約為10 dB，因此增益方向圖可以覆蓋至62°。在3 dB波束寬度覆蓋下，掃描角度可以達(dá)到更大范圍。相控陣天線實(shí)物在4.9 GHz的波束掃描性能比實(shí)測最佳諧振頻點(diǎn)下降一些，在波束掃描至25°時(shí)有最大增益14 dB，波束掃描至52°時(shí)增益為9 dB。事實(shí)上，實(shí)測最佳諧振頻點(diǎn)的性能就是本文設(shè)計(jì)的4.9 GHz頻段，只是由于加工誤差導(dǎo)致諧振點(diǎn)偏移。

圖7 相控陣天線實(shí)物加工和實(shí)測環(huán)境圖

圖8 仿真與實(shí)物測試S11圖

(a)實(shí)測最佳頻點(diǎn)

(b)實(shí)測4.9 GHz頻點(diǎn)圖9 實(shí)測主極化與交叉極化增益方向圖

(a)實(shí)測最佳頻點(diǎn)

(b)實(shí)測4.9 GHz頻點(diǎn)圖10 相控陣波束部分掃描角度實(shí)測結(jié)果

相控陣天線的仿真與實(shí)測S11曲線顯示，最佳諧振點(diǎn)從4.9 GHz偏移至4.8 GHz，輸入端口的回波損耗也變好了。對于實(shí)測最佳諧振點(diǎn)偏移，主要原因是相控陣天線尺寸加工誤差導(dǎo)致的，包括天線單元和微帶線功分器，天線單元尺寸偏大，會(huì)導(dǎo)致諧振點(diǎn)偏??；同時(shí)，本設(shè)計(jì)為一體化相控陣天線，微帶線功分器的工作頻點(diǎn)也要求準(zhǔn)確，否則與天線單元的諧振點(diǎn)也不一致，也會(huì)導(dǎo)致頻偏。次要原因是仿真過程采用理想移相器，通過設(shè)置饋電相位達(dá)到移相效果，而實(shí)物采用真實(shí)移相器芯片，因此相控陣天線的實(shí)測S11與仿真S11的最佳諧振點(diǎn)存在偏差。此外，由于壓層和焊接芯片的溫度偏高，64單元規(guī)模的相控陣天線實(shí)物會(huì)存在微小幅度的彎曲，該誤差也會(huì)導(dǎo)致諧振點(diǎn)偏移情況。而對于S11的實(shí)測回波損耗比仿真效果好，主要是由于移相器的插入損耗大，導(dǎo)致經(jīng)過移相器的反射信號減弱，反射減少。因此，相控陣天線的實(shí)測效果與仿真效果基本一致。

在增益方向圖中，實(shí)測增益低于仿真增益約6 dB。造成增益下降的主要原因是移相器芯片在工作時(shí)，會(huì)導(dǎo)致約-4 dB插入損耗，而移相器在非工作狀態(tài)，插入損耗將更大，達(dá)到-5 dB。這就是為什么掃描0°的方向圖增益比波束掃描26°的增益更低的原因，同時(shí)這也說明在0～26°之間還有更大的實(shí)測增益。除了移相器芯片的插入損耗影響，1分8微帶線功分器的真實(shí)插入損耗也更大，從而導(dǎo)致測試增益下降。另外，移相器芯片的移動(dòng)相位隨電壓的變化不是線性關(guān)系，在陣列天線中，還沒有調(diào)整到最準(zhǔn)確的相位。因此，實(shí)物增益方較仿真圖有所下降。但該相控陣天線與設(shè)計(jì)的效果一致，從一個(gè)端口即可為64單元的相控陣饋電，可以實(shí)現(xiàn)小型化和集成一體化優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還保持高增益、方向圖波束大角度連續(xù)掃描和較好的交叉極化性能。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種4.9 GHz集成相控陣天線，在輻射天線與包括微帶線功分器和移相器在內(nèi)的饋電網(wǎng)絡(luò)集成一體化下，整體厚度僅2.25 mm。傳統(tǒng)相控陣天線饋電網(wǎng)絡(luò)與陣列天線分離，不但體積大而且饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，而本文將饋電網(wǎng)絡(luò)與陣列天線合并在一起，兩者之間無連接電纜，具有小型化和集成化特點(diǎn)，解決了相控陣天線饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、移相難的問題。該相控陣天線可以應(yīng)用于雙極化、高增益、方向圖波束寬角域連續(xù)掃描的5G通信領(lǐng)域小型基站。但該相控陣天線還存在實(shí)測增益比仿真增益下降的問題，下一步可以繼續(xù)優(yōu)化饋電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)雙極化同時(shí)工作并減少能量損耗，如使用插入損耗更小的移相器。