相控阵天线设计方案

相控阵天线设计方案

一、相控阵天线需求分析

1.天线应用场景

图1-(a)

图1-(b)

如图1所示，定义XOY平面为天线安装面，天线采用平板结构外形，与天花板共形安装。为了实现AP的远距离覆盖能力，天线需要在天花板平面具备高增益特性；在AP的高密度部署区域，需要天线波束集中于垂直向下区域，同时窄波束有利于降低AP之间的相互干扰。由此可知，天线需要具备高增益、大角度覆盖的能力。

2.天线指标要求

图2

5G频段：4.9GHz~5.9GHz

在xz/yz面：

第一档：theta=90°增益大于5dB

第二档：theta=90°增益比第一档增益下降4dB

第三档：theta=90°/-90°增益小于-9dB

theta=60°/-60°增益小于-6dB

2.4G频段：2.4GHz~2.49GHz

在xz/yz面：

第一档：theta=90°增益大于3dB

第二档：theta=90°增益比第一档增益下降4dB

第三档：theta=90°/-90°增益小于-9dB

theta=60°/-60°增益小于-6dB

根据图2坐标定义，天线波束需要具备在±90°角度内满足大角度、高增益扫描状态。

图3

根据图3阵列布局要求，每个天线子阵采用线阵形式，各自覆盖俯仰0°~90°角度，最终实现整阵对于下半空间的全覆盖。二、天线设计方案

阵列天线的大角度扫描是阵列天线设计的一大难点。从理论上讲阵列的天线增益满足：阵列增益=单元增益+阵因子增益，天线单元的广角辐射特性决定了阵列波束的宽角扫描特性。当阵列主波束扫描时，随着扫描角度的不同，其增益也在天线单元方向图的限制范围内改变。当阵列波束扫描至天线单元的增益降至-3dB 的角度时，阵列增益将减小-3dB。因此，天线单元的3dB 波束覆盖范围，也是阵列的3dB 波束扫描范围。如图4，虚线是微带单元增益曲线；实线是阵列天线波束扫描图。

图4

所以，如何实线天线的宽角辐射特性是阵列天线大角度扫描的关键所在。

1.单元类型：

为了实现天线的广角辐射特性，采用可重构天线技术。天线的可重构是基于调整集成于辐射口径的诸如开关、变容二极管等可变器件的状态，实现对天线性能的重构。根据对天线性能的需求分析，要求天线方向图为半球形式，且具有较高的天线辐射增益。本设计天线采用方向图重构技术，天线结构简单，重构易于实现，不需要增加多余的集成器件。如下图所示：

图5-(a)

图5-(b)

天线单元由两个180°对称的折合阵子组成，阵子长度为λ

/2(λg介质波长)，每个阵子在中心处折叠90°，形成一个方环形g

状，面积为λg/4*λg/4；为了保证天线辐射方向图为半球状，在距离辐射介质板h2处设置天线反射地。

阵子馈电端口分别在Port1和Port2，分别对Port1和Port2进行等幅同相和反相馈电，天线方向图如下：

图6

阵子天线在等幅同相馈电时，天线单元为侧射形式，最大增益为法向；阵子天线在等幅反相馈电时，天线单元为水平全向形式，最大增益在水平面附近。通过以上单元形式，可实现方向图重构，天线单元具备广角辐射特性。

2.阵面设计

根据天线增益要求，天线阵列采用1x5线阵形式实现。由于天线单元的重构方向图呈现全向和法向两种波束状态，当阵列采用等幅同相馈电时，天线波束最大指向为水平和垂直两种状态，分别对应天线的第一和第三档波束要求；同时，在重构方向图为法向辐射

时，对阵列进行相控设计，实现天线的第二档波束要求。

3. 存在的难点

3.1 天线带宽：对于5G 天线，工作带宽为

4.9GHz~

5.9GHz,相对带宽约为20%，对平板形式天线实现存在难度，建议工作带宽为5.6GHz~5.9GHz 。

3.2 天线尺寸：对于5G 天线，1x5线阵长度至少为100mm ；对于2.4G 天线，1x5线阵长度至少为200mm ，所以采用图3的布阵形式实现，阵面尺寸至少为400mm*400mm 。

3.3 天线隔离度：天线的隔离度通常取决于天线间距以及方向图属性。当各个阵列间距增大时，可以有效改善天线隔离度；在受限于天线阵列尺寸的前提下，方向图分别处于三个不同状态时，阵列之间隔离度很难保证大于20dB 。

三、 组件设计方案

1 收发组件概述：

末级

驱动限幅器

LNA 增益补偿

图7

C 波段收发组件包括发射支路和接收支路，在发射周期内，发射支路工作，接收支路不工作，发射支路将从信号处理单元传递过来的信号进行预防大、衰减、移相、最后通过末级功率放大器实现大信号

功率输出，传递给辐射单元（天线）；在接收周期内，接收支路工作，发射支路不工作，接收支路将从天线接收到的微弱信号，进行低噪声放大、移相、衰减、传递给信号处理单元；为了降低成本，简化电路，将数控衰减和数控移相设计在公共支路上，通过开关选择发射支路或者接收支路，数控移相器、数控衰减器用于对通道相位和幅度的控制，在组件内采用SPI总线对组件实现电源、信号统一控制，从而可以减少数字芯片数量和缩小组件体积，组件具备温度检测功能。

2.功能要求和性能指标

2.1功能要求

发射支路的功能为：将收发处理模块输出的C频段信号进行预放大、移相、衰减、路径选择后，送入发射通道对信号进行功率放大，最终将所需幅度、相位的信号送至天线单元。

接收支路的功能为：将天线接收到的信号进行低噪声放大、移相、衰减、增益补偿后，馈送至输出端口输出。

2.2性能指标要求

表4-1给出了发射组件的技术指标要求：

表4-1收发组件技术指标