CN108511907B - 天线***及通讯终端 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种天线***，包括相互耦合的***地单元和天线单元，所述天线单元包括具有收容空间并盖设固定于所述***地单元的支撑框架、设于所述收容空间内的单极馈电针以及印设于所述支撑框架的单极辐射体；所述***地单元包括基板和铺设于所述基板表面的***地；所述单极馈电针抵接于所述基板并与所述***地形成耦合间隙，所述单极辐射体与所述***地间隔设置且电连接于所述单极馈电针的远离所述***地单元的一端，并呈螺旋结构向远离所述***地单元的方向延伸。本发明还提供了一种通讯终端。与相关技术相比，本发明天线***及通讯终端空间覆盖效率高且信号稳定。

Description

天线***及通讯终端
技术领域
本发明涉及一种天线，尤其涉及一种运用在通讯电子产品领域的天线***及通讯终端。
背景技术
随着移动通讯技术的发展，手机、PAD、笔记本电脑等逐渐成为生活中不可或缺的电子产品，并且该类电子产品都更新为增加天线***使其具有通讯功能的电子通讯产品。
5G作为全球业界的研发焦点，其三个主要应用场景：增强型移动宽带、大规模机器通信、高可靠低延时通信。这三个应用场景分别对应着不同的关键指标，其中增强型移动带宽场景下用户峰值速度为20Gbps，最低用户体验速率为100Mbps。毫米波独有的高载频、大带宽特性是实现5G超高数据传输速率的主要手段，因此，毫米波频段丰富的带宽资源为高速传输速率提供了保障。
然而，在所需的毫米波频段，无线电频率超过20GHz的毫米波天线要求很高。一方面，该波段空间损耗很大，另一方面，如果发射机和接收机非视距通信，通信链路也会被干扰甚至中断。
因此，有必要提供一种新的天线***及通讯终端解决上述问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种空间覆盖效率高且信号稳定的天线***及通讯终端。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种天线***，包括相互耦合的***地单元和天线单元；所述天线单元包括具有收容空间并盖设固定于所述***地单元的支撑框架、设于所述收容空间内的单极馈电针以及印设于所述支撑框架的单极辐射体；所述***地单元包括基板和铺设于所述基板表面的***地；所述单极馈电针抵接于所述基板并与所述***地形成耦合间隙，所述单极辐射体与所述***地间隔设置且电连接于所述单极馈电针的远离所述***地单元的一端，并呈螺旋结构向远离所述***地单元的方向延伸。
优选的，所述天线***包括多个所述天线单元，所述天线***为相控阵列天线***。
优选的，所述天线***包括若干且呈线性阵列排布的所述天线单元。
优选的，所述天线***包括若干呈平面阵列排布的所述天线单元。
优选的，所述单极辐射体包括第一辐射体、第二辐射体及连接所述第一辐射体和所述第二辐射体的第三辐射体，所述第一辐射体与所述单极馈电针电连接，所述第一辐射体和所述第二辐射体均与所述***地单元平行且相互间隔设置。
优选的，所述第一辐射体包括自所述单极馈电针依次呈螺旋式弯折延伸的第一段、第二段、第三段、第四段及第五段，所述第一段与所述单极馈电针电连接，所述第五段与所述第三辐射体电连接；所述第二辐射体包括自所述第三辐射体的远离所述第一辐射体的一端依次呈螺旋式弯折延伸的第六段和第七段，所述第六段与所述第三辐射体电连接；所述第一辐射体的相邻两段相互垂直设置；所述第二辐射体的相邻两段相互垂直设置；所述第三辐射体垂直于所述第一辐射体或所述第二辐射体。
优选的，所述第一辐射体和所述第三辐射体印设于所述支撑框架的内侧面，所述第二辐射体印设于所述支撑框架的外侧面。
优选的，所述***地包括一中空结构，所述单极馈电针位于所述中空结构中以与所述***地形成所述耦合间隙，所述单极辐射体在所述***地单元上的正投影位于所述***地的外轮廓以内。
优选的，所述天线单元的工作频率范围为26.5GHz～29.5GHz。
优选的，所述支撑框架为低温共烧陶瓷制成。
本发明还提供一种通讯终端，包括本发明提供的上述天线***。
与相关技术相比，本发明的天线***的所述天线单元采用螺旋结构的单极辐射体，所述单极馈电针固定支撑于所述***地单元并与所述***地形成耦合间隙，该结构使得所述天线***实现提供全向辐射模式，空间覆盖效率高且稳定；同时，所述天线***设计为相控阵列，占用空间小，其非扫描方向波束宽度大且均匀，也同样实现了良好的空间覆盖效率且稳定性好。运用该天线***的通讯终端通讯信号强且稳定，频段覆盖范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明天线***实施例1的结构示意图；
图2为图1的立体结构分解图；
图3为图1的天线***反射系数曲线图和效率曲线图；
图4为图1的天线***在28GHz、平面Phi＝0°和平面Phi＝90°内，增益的直角坐标图和极坐标图；
图5为本发明天线***实施例2的结构示意图；
图6为图5的天线***在28GHz、平面Phi＝0°内，不同扫描角下增益的直角坐标图和极坐标图；
图7为图5的天线***在28GHz的合成增益曲线图；
图8为本发明天线***实施例3的结构示意图；
图9为图8的天线***在28GHz、平面Phi＝0°内，不同扫描角下增益的直角坐标图和极坐标图；
图10为图8的天线***在28GHz、平面Phi＝90°内，不同扫描角下增益的直角坐标图和极坐标图；
图11为图8的天线***在28GHz、平面Phi＝45°内，不同扫描角下增益的直角坐标图和极坐标图；
图12为图8的天线***在28GHz、平面Phi＝315°内，不同扫描角下增益的直角坐标图和极坐标图；
图13为图8的天线***在28GHz的合成增益曲线图；
图14为本发明天线***实施例4的结构示意图；
图15为图14的天线***在28GHz的合成增益曲线图；
图16为实施例3和4的天线***在28GHz、平面Phi＝315°内，合成增益比较曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
请参阅图1-2，本发明提供了一种天线***100，包括相互耦合的***地单元1和天线单元2。
所述***地单元1包括基板11和铺设于所述基板11表面的***地13。
所述天线单元2包括支撑框架21、单极馈电针22以及单极辐射体23。
本实施方式中，天线单元为毫米波天线，其工作频率范围为26.5GHz～29.5GHz。
所述支撑框架21具有收容空间，其呈一端开口一端封闭的柱状结构，如矩形柱状。所述支撑框架21的呈开口的一端盖设固定于所述***地单元1。
本实施方式中，所述支撑框架21的尺寸为2.8mm*2.8mm*2mm，当然不限于此。
所述支撑框架21具体为低温共烧陶瓷(Low TemperatureCo-Fired Ceramic，LTCC)制成。
所述单极馈电针22设于所述支撑框架21的收容空间内。具体的，所述单极馈电针22抵接于所述基板11并与所述***地13形成耦合间隙。
具体为，所述***地13设有贯穿其上并与所述支撑框架21正对设置的中空结构12，所述单极馈电针22位于所述中空结构12内并与所述***地13形成所述耦合间隙。所述耦合间隙内可填充FR-4板。
所述单极辐射体23设置于所述支撑框架21，比如通过印刷方式印设于支撑框架21。
本实施方式中，所述单极辐射体23与所述***地13间隔设置且电连接于所述单极馈电针22的远离所述***地单元1的一端，并呈螺旋结构向远离所述***地单元1的方向延伸。
具体的，所述单极辐射体23包括第一辐射体231、第二辐射体232及连接所述第一辐射体231和所述第二辐射体232的第三辐射体233。
所述第一辐射体231与所述单极馈电针22电连接，所述第一辐射体231和所述第二辐射体232均与所述***地单元1平行且相互间隔设置。
更优的，所述第一辐射体231包括自所述单极馈电针22依次呈螺旋式弯折延伸的第一段2311、第二段2312、第三段2313、第四段2314及第五段2315，比如沿逆时针方向呈螺旋式弯折延伸。所述第一段2311与所述单极馈电针22电连接，所述第五段2315与所述第三辐射体233电连接。所述第一辐射体231的相邻两段相互垂直设置。即所述第一段2311、第二段2312、第三段2313、第四段2314及第五段2315之间，相邻两个相互垂直。所述第一段2311、第二段2312、第三段2313、第四段2314及第五段2315均位于同一平面。
所述第二辐射体232包括自所述第三辐射体233的远离所述第一辐射体231的一端依次弯折延伸的第六段2321和第七段2322，所述第六段2321与所述第三辐射体233电连接，比如沿逆时针方向呈螺旋式弯折延伸。所述第二辐射体232的相邻两段相互垂直设置，即所述第六段2321和第七段2322相互垂直，所述第六段2321和第七段2322均位于同一平面。
所述第一辐射体231与所述第二辐射体232为相异两平面。所述第三辐射体233垂直于所述第一辐射体231或所述第二辐射体232。
因此，本发明的天线***100的单极辐射体23中，所述第一段2311、第二段2312、第三段2313、第四段2314、第五段2315、第三辐射体233、第六段2321和所述第七段2322依次沿螺旋状轨迹延伸形成螺旋结构。
本实施方式中，所述第一辐射体231和所述第三辐射体233印设于所述支撑框架21的内侧面；所述第二辐射体232印设于所述支撑框架21的外侧面，即外露于所述支撑框架21。
请结合图3-4，图3为图1的天线***反射系数曲线图和效率曲线图，其中图3a为天线***反射系数曲线图；图3b为效率曲线图。图3a的反射系数曲线图表明，所述天线单元2工作频率范围为26.5GHz至29.5GHz。再结合图3b的效率曲线图可知，在26.6GHz和29.5GHz的频率范围内，效率达到80％以上，效率高。
图4为图1的天线***在28GHz的增益的直角坐标图和极坐标图，其中，图4a为直角坐标图，图4b为极坐标图。图4显示了平面Phi＝0°和平面Phi＝90°内的天线增益，可知天线单元2提供了全向辐射模式，最大增益约为5.7dBi，增益效果好。
另外本发明的天线***100中，还可设计所述天线***100包括多个所述天线单元2且形成相控阵天线***。
实施例2：
请结合图5所示，本实施方式与实施例1基本相同，不同在于所述天线***500包括若干所述天线单元52且呈线性阵列排布，比如包括至少三个所述天线单元52且呈线性阵列排布于所述***地单元51之上，除此外，其它结构与实施例1相同，在此不再赘述。
本实施方式以包括3个所述天线单元52为例进行说明，三个所述天线单元52形成相控阵天线。
请结合图6-7所示，图6为天线***在28GHz的增益的直角坐标图和极坐标图，其中图6a为Phi＝0°面上的直角坐标图，图6b为Phi＝0°面上的极坐标图。
图6显示了在不同扫描角下的天线增益，可知天线波束的主瓣可以从-60°Theta角扫描到60°Theta角。从极坐标图6b可以看出相同的观测结果。
图7为所述天线***500在28GHz的合成增益的直角坐标图，此合成增益图是Phi＝0°平面上的波束在不同扫描角下获得的增益总和。可知天线***500在-75°Theta角到70°Theta角(共覆盖145°范围)，天线增益超过7dBi。
实施例3：
请结合图8所示，本实施方式与实施例1基本相同，不同在于所述天线***800包括若干天线单元82包括若干且呈平面阵列排布，比如包括至少四个所述天线单元82且呈矩形阵列排布于所述***地单元81之上。除此外，其它结构与实施例1相同，在此不再赘述。
本实施方式以包括4个所述天线单元82为例进行说明，四个所述天线单元82形成矩形相控阵天线，即2*2矩阵排布。阵列排布的天线单元82可以在任何一个平面上的不同角度进行波束形成和波束转向，即波束转向几乎是全向的。
请结合图9-13所示，图9为所述天线***800在平面Phi＝0°、频率28GHz的增益直角坐标图和极坐标图，图9a为直角坐标图，图9b为极坐标图。可以观察到，天线波束的主瓣可以从-60°Theta角扫描到60°Theta角。
图10为所述天线***800在平面Phi＝90°、频率28GHz的增益直角坐标图和极坐标图，其中图10a为直角坐标图，图10b为极坐标图。可以观察到，天线波束的主瓣可以从-60°Theta角扫描到80°Theta角。
图11为天线***800在平面Phi＝45°、频率28GHz的增益直角坐标图和极坐标图，其中图11a为直角坐标图，图11b为极坐标图。可以观察到，天线波束的主瓣可以从-80°Theta角扫描到75°Theta角。
图12为天线***800在平面Phi＝315°、频率28GHz的增益直角坐标图和极坐标图，其中图12a为直角坐标图，图12b为极坐标图。可以观察到，天线波束的主瓣可以从-90°Theta角扫描到80°Theta角。
图13为天线***800在28GHz的合成增益曲线图。合成增益图是在Phi＝0°、Phi＝45°、Phi＝90°和Phi＝315°平面上，不同扫描角下获得的增益总和。
图13可知，天线***800在任何一个Phi平面上都能进行波束扫描，从而使天线***800全向辐射。同时可知，在Phi＝315°平面上波束扫描范围更大，在-78°Theta角到70°Theta角(共覆盖148°范围)，天线增益超过7dBi。
在另外三个平面Phi＝0°,Phi＝45°和Phi＝90°平面上，波束扫描范围分别为101°(从-53°Theta角到48°Theta角)、118°(从-66°Theta角到52°Theta角)和118°(从-53°Theta角到65°Theta角)。
实施方式4：
请结合图14所示，本实施方式与实施例1基本相同，不同在于所述天线***1400包括至少9个天线单元142且呈矩形阵列排布于所述***地单元141之上。除此外，其它结构与实施例1相同，在此不再赘述。
本实施方式以包括9个所述天线单元142为例进行说明，9个所述天线单元142呈矩形相控阵天线布局，即3*3矩阵排布。阵列排布的天线单元142可以在任何一个平面上的不同角度进行波束形成和波束转向，即波束转向几乎是全向的。
请结合图15-16所示，图15为所述天线***1400在28GHz的合成增益曲线图。此合成增益图是在Phi＝0°、Phi＝45°、Phi＝90°和Phi＝315°平面上，不同扫描角下增益的总和。可知天线***1400仍然能够在任何一个Phi平面上进行波束扫描，从而使阵列排列的天线***1400具有全向性。
天线***在Phi＝315°平面上扫描范围更大，在-85°Theta角到85°Theta角(共覆盖170°范围)，天线增益超过7dBi。在另外三个平面Phi＝0°,Phi＝45°和Phi＝90°平面上，波束扫描范围分别为137°(从-72°Theta角到65°Theta角)、125°(从-75°Theta角到50°Theta角)和153°(从-73°Theta角到80°Theta角)。
图16为实施例3和4的天线***在28GHz的合成增益比较曲线图。将2*2阵列和3*3阵列在平面Phi＝-315°的增益进行比较，图中清晰显示了3*3阵列因增加了阵列中的天线单元数量，天线增益和扫描范围都有明显增加。
当然，还可以提供更多数量的天线单元形成相控阵列排布。
本发明还提供一种通讯终端(图未示)，包括本发明提供的上述天线***。
与相关技术相比，本发明的天线***的所述天线单元采用螺旋结构的单极辐射体，所述单极馈电针固定支撑于所述***地单元并与所述***地13形成耦合间隙，该结构使得所述天线***实现提供全向辐射模式，空间覆盖效率高且稳定；同时，所述天线***设计为相控阵列，占用空间小，其非扫描方向波束宽度大且均匀，也同样实现了良好的空间覆盖效率且稳定性好。运用该天线***的通讯终端通讯信号强且稳定，频段覆盖范围广。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种天线***，包括相互耦合的***地单元和天线单元，其特征在于，所述天线单元包括具有收容空间并盖设固定于所述***地单元的支撑框架、设于所述收容空间内的单极馈电针以及印设于所述支撑框架的单极辐射体；所述***地单元包括基板和铺设于所述基板表面的***地；所述单极馈电针抵接于所述基板并与所述***地形成耦合间隙，所述单极辐射体与所述***地间隔设置且电连接于所述单极馈电针的远离所述***地单元的一端，并呈螺旋结构向远离所述***地单元的方向延伸。
2.根据权利要求1所述的天线***，其特征在于，所述天线***包括多个所述天线单元，所述天线***为相控阵天线***。
3.根据权利要求2所述的天线***，其特征在于，所述天线***包括若干呈线性阵列排布的所述天线单元。
4.根据权利要求2所述的天线***，其特征在于，所述天线***包括若干呈平面阵列排布的所述天线单元。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的天线***，其特征在于，所述单极辐射体包括第一辐射体、第二辐射体及连接所述第一辐射体和所述第二辐射体的第三辐射体，所述第一辐射体与所述单极馈电针电连接，所述第一辐射体和所述第二辐射体均与所述***地单元平行且相互间隔设置。
6.根据权利要求5所述的天线***，其特征在于，所述第一辐射体包括自所述单极馈电针依次呈螺旋式弯折延伸的第一段、第二段、第三段、第四段及第五段，所述第一段与所述单极馈电针电连接，所述第五段与所述第三辐射体电连接；所述第二辐射体包括自所述第三辐射体的远离所述第一辐射体的一端依次呈螺旋式弯折延伸的第六段和第七段，所述第六段与所述第三辐射体电连接；所述第一辐射体的相邻两段相互垂直设置；所述第二辐射体的相邻两段相互垂直设置；所述第三辐射体垂直于所述第一辐射体或所述第二辐射体。
7.根据权利要求6所述的天线***，其特征在于，所述第一辐射体和所述第三辐射体印设于所述支撑框架的内侧面，所述第二辐射体印设于所述支撑框架的外侧面。
8.根据权利要求1所述的天线***，其特征在于，所述***地包括一中空结构，所述单极馈电针位于所述中空结构中以与所述***地形成所述耦合间隙，所述单极辐射体在所述***地单元上的正投影位于所述***地的外轮廓以内。
9.根据权利要求1所述的天线***，其特征在于，所述天线单元的工作频率范围为26.5GHz～29.5GHz。
10.根据权利要求1所述的天线***，其特征在于，所述支撑框架为低温共烧陶瓷制成。
11.一种通讯终端，包括如权利要求1-10任意一项所述的天线***。
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