CN105990647B - 通信天线、天线系统和通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通信天线，包括第一辐射体和第二辐射体，所述第一辐射体包括第一基板和设置在第一基板上的第一辐射片，所述第二辐射体包括第二基板和设置在第二基板上的第二辐射片，所述第一辐射体具有第一馈电部，所述第二辐射体具有第二馈电部，所述第一辐射体和第二辐射体设置在同一安装表面上，并且所述第一辐射片和第二辐射片的辐射面为凹面。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线，尤其是涉及一种通信天线，以及使用该通信天线的天线系统和通信设备。
背景技术
天线是无线通信系统中的必要组成部分，用于发射和接收电磁波。天线应用于广播和电视、点对点无线电通信、雷达和太空探索等系统。随着无线通信技术的飞速发展，天线技术所涉及的领域越来越广泛。在许多特殊应用中，对于天线性能的要求也越来越高。在现代通信中，随着通信系统集成度的提高，要求使用的天线具有高增益、宽频带或多频段、圆极化、小型化、宽覆盖等特点。
现有技术中，常见的实现双频/多频天线的方案包括：在微带天线上以加载短路探针或者开槽的方法改变高次模的电流分布以实现双频；采用多层微带贴片层叠法(每个贴片工作在一个单独频率下)实现双频/多频。
以上现有技术均不同程度地存在结构复杂、制作工艺复杂的问题。同时，随着通信系统集成度的提高，这些现有技术渐渐不能满足通信天线的小型化和共形化设计需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种通信天线及相应天线系统和通信设备，尤其是提供一种小型化、双频段、圆极化的通信天线及包括该通信天线的天线系统和通信设备。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种通信天线，包括第一辐射体和第二辐射体，所述第一辐射体包括第一基板和设置在第一基板上的第一辐射片，所述第二辐射体包括第二基板和设置在第二基板上的第二辐射片，所述第一辐射体具有第一馈电部，所述第二辐射体具有第二馈电部，所述第一辐射体和第二辐射体设置在同一安装表面上，并且所述第一辐射片和第二辐射片的辐射面均为凹面。
优选地，所述第一辐射体和所述第二辐射体分别实现双频段线极化。
优选地，所述第一辐射体和所述第二辐射体工作在相同的双频段。
优选地，所述第一辐射体与所述第二辐射体实现不同的线极化方向。
优选地，所述安装表面为凹面，并且所述第一辐射体和第二辐射体与所述安装表面共形。
优选地，所述第一辐射片和所述第二辐射片均为具有切角的矩形。
优选地，所述第一辐射片具有两个所述切角，且两个所述切角位于所述第一辐射片的第一对角线上，所述第二辐射片具有两个所述切角，且两个所述切角位于所述第二辐射片的第二对角线上。
优选地，所述第一辐射片和所述第二辐射片的位置被摆放为使得所述第一对角线与所述第二对角线成一角度。
优选地，所述第一辐射片和所述第二辐射片的位置被摆放为使得所述第一对角线与所述第二对角线垂直。
优选地，所述第一馈电部和第二馈电部是同轴馈电部。
优选地，所述第一馈电部设置在所述第一辐射片的第一对称轴上，所述第二馈电部设置在所述第二辐射片的第二对称轴上，所述第一对称轴和所述第二对称轴方向不同。
优选地，所述第一对称轴和所述第二对称轴正交。
优选地，所述第一基板由电介质基材制成，所述第二基板由掺杂有导电微结构的所述电介质基材制成。
优选地，所述第一辐射片和所述第二辐射片的尺寸不同，且尺寸较大的辐射片的对应基板的介电常数较小。
优选地，所述第一辐射片和所述第二辐射片的尺寸相同，所述第一基板和所述第二基板的介电常数相同。
优选地，所述第一基板和所述第二基片是同一基板。
优选地，所述第一辐射片和所述第二辐射片由支撑结构支撑在安装表面上方，不与所述安装表面接触，所述第一基板和所述第二基板是所述第一辐射片和所述第二辐射片与所述安装表面间的空气。
优选地，所述通信天线还包括腔体，所述第一辐射体和所述第二辐射体放置在所述腔体内。
优选地，所述腔体为圆形或方形金属腔体。
优选地，在所述腔体和所述第一、第二辐射体之间的空隙内设置有填充材料。
优选地，所述通信天线还包括频选天线罩，其置于所述通信天线接收和/或发射的电磁波的传播方向上。
优选地，所述频选天线罩和所述通信天线共形。
在另一实施例中，本发明提供一种天线系统，包括：馈电端口；功分器，所述功分器的第一端连接至所述馈电端口；以及如上所述的通信天线，其中所述功分器的第二端经由第一馈电线路连接至所述通信天线的第一馈电部，所述功分器的第三端经由第二馈电线路连接至所述通信天线的第二馈电部，其中所述第一馈电线路和所述第二馈电线路之间有相移。
优选地，所述第一馈电线路和所述第二馈电线路的其中一个包括90°移相器。
优选地，所述第一馈电线路和所述第二馈电线路的长度相差1/4波长来实现90°移相。
在进一步的实施例中，本发明提供一种通信设备，包括如上所述的通信天线，和/或如上所述的天线系统。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，至少具有如下显著优点：
本发明的通信天线由设置在同一安装表面的两个辐射体构成，这样的平面结构具有剖面低的优点，降低了对于安装高度的需求。
本发明通过对辐射片切角可以使得每个辐射体实现双频段线极化。进一步，通过设置两个辐射体的相对位置，并向两个辐射体馈送有90°相移的激励，可获得两个空间上相互正交的双频段线极化波，进而合成得到双频段圆极化波。本发明的这种平面天线减小了工艺制作复杂程度，简化了设计需求和实现过程。
本发明通过使天线的每个辐射片的辐射面为凹面，从而改善通信天线的辐射效率。进一步，通过使整个辐射片制作为凹面，可使其充分地和凹面的安装表面共形，进一步满足特殊应用环境的小型化和共形化设计需求。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1示出根据本发明实施例的示例性通信天线平面图。
图2示出根据本发明实施例的天线辐射体的立体图。
图3A示出根据本发明实施例的示例性通信天线平面图，其带有可选的腔体和频选天线罩。
图3B示出根据本发明实施例的另一种可选腔体的平面图。
图3C示出根据本发明实施例的带有示例性腔体和天线罩的通信天线的分解示意图。
图4示出根据本发明实施例的天线系统的示意图。
图5A示出根据本发明实施例的通信天线的电压驻波比曲线图。
图5B示出根据本发明实施例的天线系统的电压驻波比曲线图。
图6示出本发明实施例的天线系统的增益曲线图。
图7示出本发明实施例的天线系统的轴比曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
图1示出根据本发明实施例的示例性通信天线的平面示图(俯视图)。参考图1所示，本实施例的通信天线100由第一辐射体101和第二辐射体102组成，其中第一辐射体101包括第一基板11和第一辐射片12，第二辐射体包括第二基板13和第二辐射片14。第一基板11和第二基板13可由电介质基材制成。第一辐射片12和第二辐射片14由导电材料制成，例如，由金属制成。辐射片可以是贴片形式，也可以是经光刻刻蚀的镀层。每个辐射片和基板的组合单元构成一个接收和发送路径。第一辐射片具有第一馈电部15，第二辐射片具有第二馈电部16。第一馈电部15和第二馈电部16可分别输入待发送的信号，或者输出已接收的信号。优选地，第一馈电部15和第二馈电部16可为同轴馈电部。
在形状设计上，第一基板11和第二基板13优选为矩形，当然，也可以是其它形状。第一辐射片12和第二辐射片14优选为如图1所示的具有切角的矩形(即，矩形辐射片的某个/某些角或部分材料被予以切除)。当然可以理解，第一辐射片12和第二辐射片14还可以是其他形状。不过，第一辐射片12和第二辐射片14优选为形状相同(不考虑切角)，进一步地，第一辐射片12的尺寸和第二辐射片14优选为尺寸相同。当两辐射片的尺寸相同时，两基板的介电常数亦是相同的，此时，第一基板11和第二基板13可为同一个基板。另一方面，第一辐射片12和第二辐射片14的尺寸可以是不同的，此时，尺寸较大的辐射片的对应基板的介电常数应较小，以确保第一辐射体11和第二辐射体12的工作频段相同。作为另一个可选的实施例，第一基板11和第二基板12可以不是实体的电介质，而是由空气充当电介质，具体来说，可采用支撑结构将第一辐射片12和第二辐射片14支撑在安装表面上，使其不与安装表面接触，而是由辐射片与安装表面之间的空气作为电介质。
第一辐射片12具有在第一对角线A两端的切角12a和12b，类似的，第二辐射片14具有在第二对角线B两端的切角14a和14b。切角可具有各种形态，如大小、位置、切除角度(即，切缘与辐射片边缘的夹角)等。在优选实施例中，本实施例的通信天线被设计为具有双频发送和接收能力。具体来说，通过控制切角的几何形态(切角的大小、位置、切除角度等)，使第一辐射片12和第二辐射片14各自可实现双频段线极化，且可以控制双频段的频段位置。在图1所示的实施例中，第一辐射片12和第二辐射片14为矩形辐射片，其各自在切除一条对角线上的两个对角后呈六边形。优选地，各个切角12a、12b、14a和14b的角度在35度至55间选取。更优选地，各个切角12a、12b、14a和14b的角度为45度。可以理解的是，切角也可以是其它角度。优选地，所有切角12a、12b、14a和14b的形状相同。“切角的角度”这一表述所指的是被切角部分的切缘和辐射片矩形边的夹角(取锐角)，以图1为例，被切除的部分是直角三角形，该直角三角形的斜边是切缘，斜边和该直角三角形的直角边的夹角即是切角的角度。
如图1所示，第一辐射片12的馈电部15设置在第一辐射片12的垂直对称轴上。第二辐射片14的馈电部16设置在第二辐射片14的水平对称轴上。需注意所示情况仅是多种可能配置的一种。例如，也可以是第一馈电部15设置在水平对称轴上，第二馈电部16设置在垂直对称轴上。然而，通常应排除馈电部15和16均设置在辐射片的几何中心的情况。
如图1所示，第一辐射体101和第二辐射体102设置在同一安装表面上。在本申请的上下文中，“在同一安装表面”旨在涵盖两个辐射体在同一几何面上的情况。然而，应排除两个辐射体摆放为叠层的情况，该情况致使天线的总体厚度增加，在某些应用环境下有违小型化的设计要求。
根据本发明的实施例，可以将图1所示的天线100的辐射片制作成具有凸起的辐射表面，这样的设计可以改善通信天线100的辐射效率。图2示出了根据该实施例的天线辐射体的立体图，其可对应第一辐射体101和第二辐射体102中的任一个，如图所示，设置在基材202上的辐射片201具有凸起的辐射表面。进一步，通过将整个辐射体(包括辐射片201和下方的基材202)制作成凸起状，可以使通信天线更好地和凹面的安装表面共形，获得更紧凑的天线系统，从而满足特殊应用环境的小型化和共形化设计需求。
当通过馈电部施加激励时，第一辐射体101和第二辐射体102的每一个工作为线极化辐射元。根据本发明的实施例，为了实现圆极化通信天线，将第一辐射体101和第二辐射体102摆放成使得第一辐射体101的第一对角线A和第二辐射体102的第二对角线B成一角度。优选地，第一对角线A和第二对角线B相互垂直。由于第一对角线A和第二对角线B成一定角度，第一辐射体101和第二辐射体102的线极化波在彼此有相移的情况下能够形成圆极化或椭圆极化辐射信号。尤其是当切角所在的对角线A和B垂直时，第一辐射体101和第二辐射体102发出的线性极化波彼此正交，例如，第一辐射体101发出水平极化波，第二辐射体102发出垂直极化波，反之亦可。进一步，通过馈电网络，使得馈送给第一辐射体101的激励信号和馈送给第二辐射体102的激励信号之间有90°的相移，这使得第一辐射体101和第二辐射体102发出的线性极化波彼此相位相差90°。此时，第一辐射体101和第二辐射体102发出的两个幅度相等、相位相差90°，空间上相互正交的线极化波合成为圆极化波。
在图1的示例实施例中，以第一对角线A和第二对角线B彼此正交的摆放方式实现了第一辐射体101和第二辐射体102的线极化波彼此正交。然而，本领域技术人员可以理解的是，取决于辐射片12和14的具体几何形状，可以采取不同的摆放方式，只要第一辐射体101和第二辐射体102能发出空间正交或近似正交的线极化波即可。
第一基板11和第二基板13可由相同的电介质材料制成。在进一步的实施例中，第一基板11和第二基板13可由不同的电介质材料制成。例如，第一基板11可由电介质基材制成，第二基板13可由掺杂导电微结构(例如，金属微结构)的同一电介质基材制成。导电微结构的掺杂可调节第二基板13的介电性质。
图3A示出根据本发明实施例的示例性通信天线300A的平面图，其带有可选的圆形腔体310a和可选的频选天线罩320a。如图3A所示，可将如图1所示的通信天线100放置在腔体310a中。腔体310a的作用包括但不限于：使天线免受周围环境的影响和人员操作的影响。腔体310a的材料不作限制，通常为金属，但亦可为适合实施需求的非金属材料。腔体310a的壁通常和天线辐射体并不接触。作为可选的方案，可在腔体310a内放置诸如泡沫的填充材料以填充通信天线与腔体310a之间的空隙，防止通信天线在使用时气压不稳定，同时，填充材料也起到更好的减震和支承作用。进一步地，可在通信天线100上方设置频选天线罩320a。频选天线罩320a设置于天线接收/发射的电磁波的传播方向上。频选天线罩可设置成为与通信天线100共形，以充分满足小型化的要求。在使用腔体310a的情况下，频选天线罩320a可设置成盖住腔体310a的开口。
对于腔体的形状可不作限制，而是根据应用环境来相应选择。例如，除了圆形腔体，还可以使用方形腔体，以及其他几何形状的腔体。图3B示出根据本发明实施例的示例性通信天线300B的平面图，其带有可选的方形腔体310b和可选的频选天线罩320b。
图3C示出根据本发明实施例的带有示例性腔体和天线罩的通信天线的分解示意图。图3C中的腔体310可对应附图3A的腔体310a，或附图3B的腔体310b，或其他几何形状的腔体。图3C中的频选天线罩320可对应附图3A的频选天线罩320a，或附图3B的频选天线罩320b，或其他几何形状的频选天线罩。通信天线100置于腔体内310，频选天线罩320设置于天线接收/发射的电磁波的传播方向上，且优选地，盖住腔体310的开口。
图4示出根据本发明实施例的天线系统的示意图。图4所示的天线系统包括前端的馈电端口410，一分二功分器420，第一馈电线路430a和第二馈电线路430b，以及天线440，其包括如图1所示的通信天线，以及必要的安装和支承结构。馈电端口410，一分二功分器420，第一馈电线路430a和第二馈电线路430b构成天线系统的馈电网络，其中第一馈电线路430a和第二馈电线路430b分别连接至第一辐射体101的第一馈电部15和第二辐射体102的第二馈电部16。例如，例如，功分器420的第一端连接至馈电端口410，功分器420的第二端经由第一馈电线路430a连接至第一馈电部15，且功分器420的第三端经由第二馈电线路430b连接至第二馈电部16。
在进行发射工作时，一路激励信号从馈电端口410进入功分器420的第一端(此时其为输入端)，经功分器420分成两路信号，其中一路信号经过第二端(此时其为输出端)及第一馈电线路430a提供给通信天线100中的第一辐射体101的第一馈电部15，另一路信号经过第三端(此时其为输出端)及第二馈电线路430b提供给通信天线100的第二辐射体102的第二馈电部16。在进行接收工作时，由第一辐射体101和第二辐射体102接收的两路接收信号分别从第一馈电部15和第二馈电部16经第一馈电线路430a和第二馈电线路430b传输到功分器420的第二端(此时其为输入端)和第三端(此时其为输入端)，经功分器420组合成一个信号，再从第一端(此时其为输出端)输出给馈电端口410，由后续的接收电路处理。
在图4所示的天线系统中，第一馈电线路430a和第二馈电线路430b的至少其中一个具有移相器，使得馈入第一辐射体101和第二辐射体102的激励信号的相位彼此异相90°，从而能够实现通信天线100的圆极化工作模式。在另一实施例中，第一馈电线路430a和第二馈电线路430b的长度可相差1/4波长，从而实现90°移相。此外，功分器420可采用微带线功分方式的功分器，以节省空间和有效减轻系统的重量。进一步地，功分器可以去掉其中的隔离电阻。
图5A示出根据本发明实施例的通信天线100的辐射电压驻波比曲线图，其中横轴为频率，纵轴为电压驻波比(VSWR)实部。如图5A所示的电压驻波比示出了如图1所述的通信天线100(或其中一个辐射体101或102)在接收到一路激励信号的情况下可以实现线极化双频段辐射，其在两个频段中具有良好的电压驻波比。
图5B示出了根据本发明一实施例的天线系统的接收电压驻波比曲线图，其中横轴为频率，纵轴为电压驻波比(VSWR)实部。图5B所示的电压驻波比示出了如图4所示的天线系统的通信天线100(包括两个天线辐射体)接收到的信号经功分器420汇合之后在馈电端口410输出的信号，其在整个工作频段上具有良好的电压驻波比。
图6示出了根据本发明一实施例的天线系统的增益曲线图，其中横轴为俯仰角(度)，纵轴为远场增益，其在±50°俯仰角范围内实现了良好的增益。
图7示出了根据本发明一实施例的天线系统的轴比曲线图，其中横轴为方位角(度)，纵轴为远场轴比。可以看出本发明实施例的天线系统可以在±50°方位角范围内，实现轴比小于等于5，达成了良好的圆极化性能。
本发明上述实施例的圆极化通信天线和/或天线系统可结合于通信设备中。
本发明的通信天线由于具有剖面低、重量轻、体积小、易于共形和批量生产优点，可以广泛应用于测量和通讯各个领域。本发明实施例的实现圆极化性能的通信天线应用范围更加广泛，可以应用于移动通信、卫星导航等领域。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
Claims (18)
1.一种通信天线，包括：
第一辐射体和第二辐射体，所述第一辐射体包括第一基板和设置在第一基板上的第一辐射片，所述第二辐射体包括和第一基板分开的第二基板和设置在第二基板上的第二辐射片，所述第一辐射体具有第一馈电部，所述第二辐射体具有第二馈电部，所述第一辐射体和第二辐射体分别设置在同一安装表面上，并且所述第一辐射片和第二辐射片的辐射面均为凹面，所述安装表面为凹面，并且所述第一辐射体和第二辐射体分别与所述安装表面共形，
其中，所述第一辐射片和所述第二辐射片的尺寸是不同的，其中尺寸较大的辐射片的对应基板的介电常数较小，以确保所述第一辐射体和所述第二辐射体的工作频段相同，
所述通信天线还包括腔体，所述第一辐射体和所述第二辐射体放置在所述腔体内，
所述通信天线还包括频选天线罩，该频选天线罩置于所述通信天线接收和/或发射的电磁波的传播方向上，并盖住所述腔体的开口，
所述腔体和所述第一、第二辐射体之间的空隙内设置有填充材料以防止所述通信天线在使用时气压不稳定。
2.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射体和所述第二辐射体分别实现双频段线极化。
3.如权利要求2所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射体和所述第二辐射体工作在相同的双频段。
4.如权利要求2所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射体与所述第二辐射体实现不同的线极化方向。
5.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射片和所述第二辐射片均为具有切角的矩形。
6.如权利要求5所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射片具有两个所述切角，且两个所述切角位于所述第一辐射片的第一对角线上，所述第二辐射片具有两个所述切角，且两个所述切角位于所述第二辐射片的第二对角线上。
7.如权利要求6所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射片和所述第二辐射片的位置被摆放为使得所述第一对角线与所述第二对角线成一角度。
8.如权利要求6所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射片和所述第二辐射片的位置被摆放为使得所述第一对角线与所述第二对角线垂直。
9.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，所述第一馈电部和第二馈电部是同轴馈电部。
10.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，所述第一馈电部设置在所述第一辐射片的第一对称轴上，所述第二馈电部设置在所述第二辐射片的第二对称轴上，所述第一对称轴和所述第二对称轴方向不同。
11.如权利要求10所述的通信天线，其特征在于，所述第一对称轴和所述第二对称轴正交。
12.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，所述第一基板由电介质基材制成，所述第二基板由掺杂有导电微结构的所述电介质基材制成。
13.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，所述腔体为圆形或方形金属腔体。
14.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，所述频选天线罩和所述通信天线共形。
15.一种天线系统，包括：
馈电端口；
功分器，所述功分器的第一端连接至所述馈电端口；以及
权利要求1－14中任一项所述的通信天线，其中所述功分器的第二端经由第一馈电线路连接至所述通信天线的第一馈电部，所述功分器的第三端经由第二馈电线路连接至所述通信天线的第二馈电部，
其中所述第一馈电线路和所述第二馈电线路之间有相移。
16.如权利要求15所述的天线系统，其特征在于，所述第一馈电线路和所述第二馈电线路的其中一个包括90°移相器。
17.如权利要求15所述的天线系统，其特征在于，所述第一馈电线路和所述第二馈电线路的长度相差1/4波长来实现90°移相。
18.一种通信设备，包括权利要求1－14中任一项所述的通信天线，或权利要求15－17中任一项所述的天线系统。
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