一种适用于5G终端的宽带双极化毫米波端射天线阵列

毫米波通信由于具有大带宽、高速率的优势，被广泛应用于5G乃至6G无线通信系统中。毫米波在空气中传播存在较大的衰减以及极化旋转，因此对收发天线的带宽、极化分集、增益、波束扫描等能力提出了更高的要求。特别是对终端设备集成的毫米波天线而言，如何在低剖面、小净空的限制条件下，设计宽带双极化的毫米波相控阵天线，对天线的设计与封装均提出了挑战。

清华大学电子工程系李越副教授团队提出使用近零介电常数（ENZ）超材料应对这一挑战。ENZ超材料是一种介电常数接近于零的特殊电磁媒质，电磁波在这种媒质中，时间因子（频率）与空间因子（波长）相互解耦，因此两者几乎呈现无关的特性。基于ENZ超材料的天线，其谐振频率与天线的长度及几何形状无关，是针对空间受限场景下天线设计的一种新的解决方案。

团队将ENZ超材料应用到宽带天线的设计中。天线单元的设计流程如图1所示，首先在垂直极化的喇叭天线口面上周期性加载金属过孔，起到并联电感加载的作用，可以构造等效的ENZ超材料，其等效介电常数最低为0.11，从而使得喇叭天线的辐射口面增大，带宽相应增加。在此基础上，通过在天线前方添加金属贴片作为引向器，使天线单元能够向端射方向辐射。之后将引向器复用为偶极子天线以提供水平极化的辐射，从而实现了具有端射辐射方向的双极化天线单元。

在天线单元基础上，团队进一步开发了1×4天线阵列，以实现高增益与波束扫描功能。由于天线单元使用了ENZ超材料，其尺寸相比传统的天线有所增大，在设计天线阵列时，采用了交叠口面的方法，减小阵元间距，从而实现尺寸的缩减以及栅瓣的抑制。天线单元的辐射方向与S参数见图2。

该天线阵列采用8层PCB工艺加工，实物如图3所示，可以直接通过焊接的方式与射频前端芯片端口连接。测试结果显示，该天线阵列能够在仅有1.8 mm的净空与2.2 mm的剖面下，覆盖5G通信标准的n257（26.5～29.5 GHz）与n258（24.25～27.5 GHz）2个毫米波频段，并且实现最高9.16dBi的增益以及-34°～33°的3dB波束扫描范围。与其他毫米波天线阵列相比，该天线阵列占用了更小的净空与剖面，在移动终端毫米波通信的应用场景中具有更强的适用性。（李昊 李越）

原始文献：

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.