A 28 GHz Beam Steering Antenna for 5G Cellular Phones

Bin Yu, Kang Yang and Guangli Yang，上海大学；Zhanyi Qian，惠州硕贝德无线科技股份有限公司；Chow-Yen-Desmond Sim，逢甲大学

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一种用于5G手机的28GHz波束导向背腔槽（cavity-backed slot）天线阵列在金属外壳中开发成功了。该天线阵列有八个背腔槽阵列单元，由两个4x4巴特勒矩阵馈电网络（BMFN）激励，该网络使波束能够以大约±22度的覆盖范围在所需方向上转向。测得的10dB回波损耗频带为26.2～29GHz，而28GHz频点的阵列单元增益在9～10.1dBi之间。

5G移动网络将使用毫米波（mmWave）技术，因为这些频率的可用带宽很大^1-2。毫米波移动通信区别于其它频段的一个特征是在发射机和接收机处使用天线阵列以获得定向增益。使用天线阵列，毫米波移动通信系统可以在发射机和接收机处实现波束赋形和波束导向，以获得更高的增益，可以补偿频率有关的路径损耗，并克服噪声和减少小区外干扰²。毫米波天线应用于5G智能手机是移动通讯行业的一个重要进展，可以被视为完成4G向5G网络过渡的关键赋能技术之一。

最近，在5G手机的波束导向天线设计中采用低成本基板^3-10取得了良好的性能，但这些天线可能不适合实际使用金属框架或外壳的手机。例如，Y. Huo等人¹⁰使用封装天线（AiP）模块方案来实现波束扫描。然而，其AiP模块的配置不适合在金属环境中使用。即使使用玻璃或陶瓷外壳，手机的金属框架仍会影响AiP模块的性能，尤其是影响其辐射场型。

本文介绍了一种新型的用于5G金属外壳手机的28GHz波束导向天线。它采用两个阵列，每个阵列有四个单元，集成在金属外壳的两侧。为了达到阵列的波束导向性能，采用了两个4x4巴特勒矩阵馈电网络（BMFN）。由于4x4型BMFN的移相限制，其波束导向性能仅限于四种状态。对于手机的实际应用，此天线设计概念可与5G收发器一起用于连续的波束导向解决方案。

图1显示了原型机的布局。手机的外壳是由金属材料制成的。相同的波束导向阵列（1和2）分别建立在手机的左边缘和右边缘。每个波束导向阵列包括四个由4x4 BMFN³激励的背腔槽天线单元。八个背腔槽天线单元由数控车床在金属后壳上加工而成。顶部和底部金属框架（4和5）通常预留给其他天线使用，例如不同制式的4G LTE、GPS和Wi-Fi等的天线。

图1：5G手机原型机的前视图、后视图和侧视图 

天线单元与阵列的设计

图2a显示了其中一个波束导向阵列的设计原理，四个背腔槽单元中的每一个都由穿过背腔槽的小螺钉通过其突出部分馈送，并焊接到BMFN的一个馈线（图2b）。两个槽单元中心之间的距离接近10毫米，在28GHz频点大约相当于一个波长。为了实现良好的阻抗匹配，馈送螺杆的中心距背腔槽的中间偏移量为1.4mm。这种阵列设计无论是位于金属外壳的左边缘或右边缘都能确保良好的定向辐射场型和较高的增益。

图2：具有四个背腔槽（a）和巴特勒矩阵馈电网络（b）的波束导向阵列

图3列出了两个相同的波束导向阵列的尺寸和位置，以及金属外壳上背腔槽的尺寸和位置。背腔槽的长度和宽度分别是8.8mm和1.5mm。由于电波从腔体底部反射，其深度为4mm，并与直接从背腔槽辐射的电波叠加，因此电波的辐射场型就如设计所需是单向的。

图3：天线的详细尺寸（单位：mm）。

两个4x4 BMFN的框图和布局如图4所示。因为它们可以提供必要的带宽、波束导向能力和波束宽度，所以它们被用来为两个波束导向阵列供电。每个BMFN由四个混合耦合器、两个交叉器和两对移相器组成，以实现输出端口之间所需的振幅分布和相位差。BMFN的馈电端口是端口1到8，它们相应地输出到全部8个天线单元的端口是9到16。馈电端口和输出相位差如表1所示。BMFN是在0.254mm厚的Rogers 5880基板上实现的，其ε_r=2.2，tanδ=0.0009。八个小型SMP连接器用于测量。

图4：两个4x4巴特勒矩阵馈电网络的框图（a）和布局图（b）。

表1：馈电端口的相位关系

结果和讨论

采用HFSS Version 15仿真软件来模拟波束导向天线阵列，在装配小型SMP连接器之前，原型机的S₁₁使用地-信号-地RF探针进行测量。图5是对端口1至4的S₁₁测量得到反射率与频率的曲线图，可以看出，26.2至29 GHz之间，2.8GHz带宽最小反射为10dB，它覆盖了27.5至28.35GHz之间的28GHz FCC频带。为简洁起见，端口5到8的结果没有列出来。

图5：测量手机馈电口S₁₁得到的曲线

在毫米波频率范围内测量了天线增益和辐射场型。对应28GHz这个频点，图6分别显示了端口1、2、3和4馈送的四个背腔槽天线单元实测性能与模拟性能的比较，峰值增益对应为10.1、9、9.4和9.8 dBi。插入损耗大约为1.5dB，损耗主要来源于BMFN，以及螺钉馈送结构和微型SMP连接器。在不同的端口激励下，输出端口得到了具有不同相位分布的相同振幅，使得阵列能够分别以-22度（端口3）、-8度（端口1）、+8度（端口4）和+22度（端口2）的角度辐射波束，总共为±22度。原型机如图7所示。

图6：在28GHz频点下模拟和实测的辐射图

图7：试验用的原型机

结论

一个28GHz的波束导向天线阵列成功在手机的金属外壳中实现了，并通过仿真软件验证了实验结果的正确性，证明了其具有良好的性能——回波损耗、增益和波束指向性。由于该设计方法具有性能好、易于集成、制造成本低、适合体积有限的手机等优点，为5G毫米波手机的设计提供了一种极具吸引力的解决方案。