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λg/2(λg介质波长)，每个阵子在中心处折叠90°，形成一个方环形状，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。
