高性能大规模校准网络一体化设计
发布时间：2021-07-25 18:43
通过精确控制5G系统中的大规模MIMO天线各单元的幅度和相位,实现的波束赋形技术可以提高天线增益和空间复用能力,因此该种天线需要相对应的校准网络对天线阵列进行定期校准。提出了一种一体化设计的1分32路校准网络,该校准网络采用带状线结构的印制板,在同一电路层上结合Wilkinson功分网络和平行线定向耦合器,工作频段为4.4～5.0 GHz。在工作频带内,所有端口驻波小于1.4,校准端口至32路射频端口的幅度一致性小于0.6 dB,相位一致性小于6.5°。测试结果表明该设计拥有良好的耦合度、幅相一致性及驻波特性,同时一体化设计降低了剖面高度并且使结构紧凑易于天线阵面集成。
【文章来源】：固体电子学研究与进展. 2020,40(01)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
耦合器仿真模型
对于图2中所示平行线定向耦合器，端口1为输入端口，也是校准端口，用于发射或接收校准信号；端口2为直通端口，作为匹配端口，接50Ω负载；端口3为耦合端口，该端口与TR组件的射频端口相连；端口4为隔离端口，该端口与天线的馈电端口相连。以接收通道校准为例，校准信号从输入端1进入，通过耦合器与天线端口4形成弱耦合，而天线耦合得到的能量直通传输到TR组件的端口3内，进而由信号处理模块分析接收到能量的幅度和相位，使系统完成校准功能。图2中的耦合器奇偶模阻抗Z0o和Z0e与耦合线间距S、耦合线的线宽W和整个带状线的上下距离b由耦合线公式[8]确定。在奇偶模的特性阻抗及介质厚度固定的情况下，W和S成反比。当平行耦合线间距过小时，对加工精度要求大大提高，会导致成本上升成品率下降，为了降低对于加工精度的要求，在耦合段处减小耦合线宽W，从而实现增大耦合线间距的目的；另外，为了保证整个耦合线在改变了线宽后仍处于匹配状况，改变线宽的耦合段线长为四分之一等效介质波长。最后，经过多次优化，耦合段的线宽W=0.4 mm，耦合线间距S=0.26 mm，仿真结果如图3所示。图3中的S21(S43）代表直通段的损耗，为0.3 dB左右，S31代表耦合度，达到预计的13 dB，但是该耦合度仅仅为单个耦合器的耦合度，随着校准输入端口1的走线增长，端口数变多，功率分配比及线损将会进一步增加，最终导致整个校准网络的耦合度变大。因此在和功分网络的一体化设计中，耦合线的间距S还需进一步缩小调整以满足耦合度要求。
每一级功分器的隔离电阻及网络末级的吸收负载对整个校准网络必不可少，但带状线的多层封闭结构增加了金属线上焊接电阻的难度，加工工艺复杂，成本较高，因此在大型阵列设计中的应用中受到限制。为此，需要将电阻的焊盘从夹层中的金属走线投影到表层的地面，通过金属化通孔与金属走线相连接，并在另一侧的金属地上开孔做绝缘处理，如图4所示，这样的设计能够在保证良好性能的同时有效降低生产难度。1.3 带状线校准网络一体化设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]5G大规模天线系统架构探讨[J]. 通信世界. 2018(26)
[2]射电天文X波段极化网络一体化设计与研究[J]. 王冬冬,仲伟业,秦卫平,柳聪. 微波学报. 2017(05)
[3]有源天线及Massive MIMO天线测试探讨[J]. 伍裕江. 电信技术. 2016(08)
[4]浅析大规模MIMO天线设计及对5G系统的影响[J]. 栾帅,冯毅,张涛,许珺. 邮电设计技术. 2016(07)
[5]S波段宽边耦合线耦合器的设计[J]. 李博文,戴永胜,李永帅. 固体电子学研究与进展. 2016(03)
[6]面向5G的大规模MIMO天线阵列研究[J]. 张长青. 邮电设计技术. 2016(03)
[7]一种圆形智能天线阵列与校正网络的设计[J]. 张福顺,于晓乐,商远波,倪大宁,焦永昌. 电波科学学报. 2006(06)
硕士论文
[1]星载相控阵天线与校准网络技术研究[D]. 卓超.西安电子科技大学 2018
[2]一种毫米波分波器的设计[D]. 徐彦飞.安徽大学 2017
[3]多波束阵列天线馈电网络及平面印刷中继天线研究[D]. 李霞.西安电子科技大学 2013
[4]数字波束形成（DBF）校准网络研究[D]. 王嫣然.南京理工大学 2012
本文编号：3302565
【文章来源】：固体电子学研究与进展. 2020,40(01)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
耦合器仿真模型
对于图2中所示平行线定向耦合器，端口1为输入端口，也是校准端口，用于发射或接收校准信号；端口2为直通端口，作为匹配端口，接50Ω负载；端口3为耦合端口，该端口与TR组件的射频端口相连；端口4为隔离端口，该端口与天线的馈电端口相连。以接收通道校准为例，校准信号从输入端1进入，通过耦合器与天线端口4形成弱耦合，而天线耦合得到的能量直通传输到TR组件的端口3内，进而由信号处理模块分析接收到能量的幅度和相位，使系统完成校准功能。图2中的耦合器奇偶模阻抗Z0o和Z0e与耦合线间距S、耦合线的线宽W和整个带状线的上下距离b由耦合线公式[8]确定。在奇偶模的特性阻抗及介质厚度固定的情况下，W和S成反比。当平行耦合线间距过小时，对加工精度要求大大提高，会导致成本上升成品率下降，为了降低对于加工精度的要求，在耦合段处减小耦合线宽W，从而实现增大耦合线间距的目的；另外，为了保证整个耦合线在改变了线宽后仍处于匹配状况，改变线宽的耦合段线长为四分之一等效介质波长。最后，经过多次优化，耦合段的线宽W=0.4 mm，耦合线间距S=0.26 mm，仿真结果如图3所示。图3中的S21(S43）代表直通段的损耗，为0.3 dB左右，S31代表耦合度，达到预计的13 dB，但是该耦合度仅仅为单个耦合器的耦合度，随着校准输入端口1的走线增长，端口数变多，功率分配比及线损将会进一步增加，最终导致整个校准网络的耦合度变大。因此在和功分网络的一体化设计中，耦合线的间距S还需进一步缩小调整以满足耦合度要求。
每一级功分器的隔离电阻及网络末级的吸收负载对整个校准网络必不可少，但带状线的多层封闭结构增加了金属线上焊接电阻的难度，加工工艺复杂，成本较高，因此在大型阵列设计中的应用中受到限制。为此，需要将电阻的焊盘从夹层中的金属走线投影到表层的地面，通过金属化通孔与金属走线相连接，并在另一侧的金属地上开孔做绝缘处理，如图4所示，这样的设计能够在保证良好性能的同时有效降低生产难度。1.3 带状线校准网络一体化设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]5G大规模天线系统架构探讨[J]. 通信世界. 2018(26)
[2]射电天文X波段极化网络一体化设计与研究[J]. 王冬冬,仲伟业,秦卫平,柳聪. 微波学报. 2017(05)
[3]有源天线及Massive MIMO天线测试探讨[J]. 伍裕江. 电信技术. 2016(08)
[4]浅析大规模MIMO天线设计及对5G系统的影响[J]. 栾帅,冯毅,张涛,许珺. 邮电设计技术. 2016(07)
[5]S波段宽边耦合线耦合器的设计[J]. 李博文,戴永胜,李永帅. 固体电子学研究与进展. 2016(03)
[6]面向5G的大规模MIMO天线阵列研究[J]. 张长青. 邮电设计技术. 2016(03)
[7]一种圆形智能天线阵列与校正网络的设计[J]. 张福顺,于晓乐,商远波,倪大宁,焦永昌. 电波科学学报. 2006(06)
硕士论文
[1]星载相控阵天线与校准网络技术研究[D]. 卓超.西安电子科技大学 2018
[2]一种毫米波分波器的设计[D]. 徐彦飞.安徽大学 2017
[3]多波束阵列天线馈电网络及平面印刷中继天线研究[D]. 李霞.西安电子科技大学 2013
[4]数字波束形成（DBF）校准网络研究[D]. 王嫣然.南京理工大学 2012
本文编号：3302565
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wltx/3302565.html
