CN105990662A - 通信天线、天线系统及通讯设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信天线、天线系统及通讯设备。通信天线可包括第一辐射体，其中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，第一辐射片具有第一馈电部和切角，且第一辐射片的辐射面为凹面；以及第二辐射体，其中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，第二辐射片具有第二馈电部和切角，且第二辐射片的辐射面为凹面，其中第二辐射体的第二基板被层叠地放置在第一辐射体的第一辐射片之上。
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、具有该通信天线的天线系统、以及使用该通信天线或天线系统的通讯设备。
背景技术
天线是一种用来无线地发射和/或接收电磁波的电子器件，且广泛部署在广播和电视、无线电通信、雷达和太空探索等系统中。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。在许多特定应用中，对于天线性能的要求也越来越高，因此存在不同种类的天线以满足各种应用的不同需求，例如微带天线、环形天线、喇叭天线、平面天线等。在现代通信中，随着通信系统集成度的提高，要求所使用的天线具有高增益、宽频带或多频段、圆极化、小型化、或宽覆盖等特点。
在现有技术中，当需要采用多频段(例如，双频段)天线或者多频段圆极化天线时，通常是通过多端口、多天线来分别实现不同的频段。在这种情况下，通常还需要多套信号处理装置来处理不同的天线信号、或者使用一套信号处理装置时分复用地处理多套信号。因此，现有技术中的多频段天线具有天线数量多、结构复杂、尺寸较大、极化和增益性能差等缺点。
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，尤其是提供一种双频段通信天线，且进一步提供一种圆极化双频段天线系统以及使用此类通信天线或天线系统的通讯设备。
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，其中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，第一辐射片具有第一馈电部和切角，且第一辐射片的辐射面为凹面；以及第二辐射体，其中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，第二辐射片具有第二馈电部和切角，且第二辐射片的辐射面为凹面，其中第二辐射体的第二基板被层叠地放置在第一辐射体的第一辐射片之上。
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，所述第一辐射片和所述第二辐射片各自为具有切角的矩形。
优选地，所述第一辐射片在第一对角线上具有两个切角，且所述第二辐射片在第二对角线上具有两个切角。
优选地，所述第一辐射片的所述第一对角线与所述第二辐射片的所述第二对角线成一角度。
优选地，所述第一辐射片的所述第一对角线与所述第二辐射片的所述第二对角线相互垂直。
优选地，所述第一辐射片和所述第二辐射片的几何中心彼此对准。
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，所述第一辐射片的尺寸大于所述第二辐射片的尺寸。
优选地，所述第二基板的介电常数大于所述第一基板的介电常数。
优选地，所述第一辐射体和第二辐射体放置在腔体中，其中所述腔体在所述通信天线的辐射方向上开口。
优选地，所述第一辐射体和第二辐射体与所述腔体之间具有填充材料。
优选地，所述第一基板和第二基板各自为矩形。
优选地，所述第一基板和/或第二基板由掺杂有导电微结构的电介质基材制成。
优选地，所述第一辐射体和所述第二辐射体彼此电绝缘。
优选地，所述通信天线还包括：频选天线罩，所述频选天线罩设置于所述通信天线的辐射方向上。
在另一实施例中，本发明提供了一种天线系统，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；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第一馈电部，且所述功分器的第三端经由第二馈电线路连接至所述第二馈电部，其中所述第一馈电线路上的信号与所述第二馈电线路上的信号之间彼此有相移。
优选地，所述第一馈电线路或所述第二馈电线路上具有移相器。
优选地，所述移相器是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。
在进一步的实施例中，本发明提供了一种通讯设备，包括如上所述的通信天线或如上所述的天线系统。
本发明由于采用以上技术方案，因此与现有技术相比具有如下显著优点：
本发明的通信天线采用层叠的第一辐射体和第二辐射体，可以减小通信天线的体积和尺寸。通过使天线的每个辐射体具备凹面的辐射面，有利于提高辐射效率，并进一步满足特殊应用环境的小型化和共形化设计需求。例如，在第一辐射片和第二辐射片的辐射面为凹面的情况下，第一辐射体和第二辐射体(以及可选的腔体底部)可以为共形的凹陷状结构，使得该通信天线可以更加紧凑。
本发明中的通信天线通过对辐射片切角可以使得每个辐射片实现双频段线极化。此外，第一辐射体和第二辐射体可以工作在相同的双频段中。通过设置第一辐射片和第二辐射片的线极化方向，可以采用一个通信天线来实现双线极化双频段。
进一步，本发明的天线系统通过使进入其中一个辐射体的输入信号移相，层叠的第一辐射体和第二辐射体能够形成圆极化或椭圆极化辐射信号。与现有技术中需要两套信号处理装置来实现双频段圆极化、或者使用一套信号处理装置时分复用地处理两套信号相比，本发明减小了天线系统的体积、重量和成本。
综上，本发明的通信天线具有剖面低、重量轻、体积小、易于共形和批量生产等优点，能够实现双频段线极化或者甚至进一步实现双频段圆极化，可以广泛应用于测量和通讯各个领域。
附图说明
为了使本发明的上述目的、特征和优点能更明白易懂，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示出根据本发明一实施例的通信天线的立体结构示意图；
图2示出根据本发明一实施例的通信天线的平面示意图；
图3示出根据本发明一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示出根据本发明一实施例的天线系统的结构示意图；
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示出根据本发明实施例的天线系统的增益曲线图；
图7示出根据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示出根据本发明一实施例的通信天线100的立体结构示意图。图2示出根据本发明一实施例的通信天线100的平面示意图。参考图1和图2所示，通信天线100可包括层叠放置的第一辐射体10和第二辐射体20，其中第一辐射体10包括第一基板11和设置在第一基板11上的第一辐射片12，而第二辐射体20包括第二基板21和设置在第二基板21上的第二辐射片22。第二辐射体20的第二基板21层叠地放置在第一辐射体10的第一辐射片12之上。
第一辐射片12和第二辐射片22由导电材料(例如金属)制成。第一辐射片12和第二辐射片22可以分别是第一基板11和第二基板21上的贴片，也可以分别是第一基板11和第二基板21上经光刻工艺刻蚀的镀层。每个辐射片和相应基板组成的辐射体构成一个发送/接收单元。在一个实施例中，第一辐射片12的辐射面(图1中的上表面)为凹面。类似地，第二辐射片22的辐射面(图1中的上表面)为凹面。第一基板11可与第一辐射片12共形地为凹陷状，而第二基板21可与第二辐射片22共形地为凹陷状。在其他实施例中，第一基板11、第二基板21也可各自为平板结构或其他形状。
图1中示出了第一基板11、第一辐射片12、第二基板21和第二辐射片22各自为矩形，但是在其他替换实施例中也可以分别采用其他形状，并且可以彼此相同/相似或不同。例如，第一辐射片12和第二辐射片22的形状可以相同。优选地，第一辐射片12的尺寸可以大于第二辐射片22的尺寸，例如使得第一辐射片12的边缘不被第二辐射片22(或第二辐射体20)遮挡。在一个实施例中，第一辐射片12和第二辐射片22的几何中心可以彼此对准。第一基板11和第二基板21可由电介质基材制成，从而在第一辐射体10和第二辐射体20层叠放置时，第二基板21使得第一辐射体10和第二辐射体20彼此电绝缘。同时，第一基板11可将通信天线100与其他结构组件隔离开。
进一步，第一基板11和第二基板21内可具有导电(例如，金属)微结构。基板内的导电微结构具有一定几何图形的平面或立体结构，且可以水平和/或竖直地放置在基材内，也称为超材料微结构。通过在基板内设置导电微结构，可以改变基板的介电常数，从而适合提供具有不同介电常数的基板。在一个实施例中，第二基板21的介电常数可大于第一基板11的介电常数。
如图1、2中所示，第一辐射片12和第二辐射片22可各自具有切角，即切除辐射片的某个/某些角或部分材料。通过控制切角的几何形态(切角的大小、位置、切除角度等)，第一辐射片12和第二辐射片22各自可实现双频段线极化，且可以控制双频段的频段位置。在一个实施例中，第一辐射片12和第二辐射片22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。例如，第一辐射片12可在第一对角线A上具有两个切角15a和15b，而第二辐射片22可在第二对角线B上具有两个切角25a和25b。在一个实施例中，第一辐射片12的第一对角线A与第二辐射片22的第二对角线B成一角度。优选地，第一辐射片12的第一对角线A与第二辐射片22的第二对角线B相互垂直。可以理解，在本发明的其他实施例中，第一辐射片12和第二辐射片22各自的两个切角可以不在对角线上。通过控制第一辐射片12和第二辐射片22的切角，第一辐射体10和第二辐射体20各自可以发射/接收双频段线极化信号，且第一辐射体10和第二辐射体20可以工作在相同的双频段中。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10和第二辐射体20的线极化信号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，可以使两个线极化处于相互垂直的状态，即，一个为水平极化，一个为垂直极化，从而在其中一路线极化信号有90度相移的情况下与另一路线极化信号形成良好的圆极化辐射信号。
切角可具有各种形态，如大小、位置、切除角度(即，与辐射片边缘的夹角)等。优选地，各个切角15a、15b、25a和25b的角度在35度至55度间选取。更优选地，各个切角15a、15b、25a和25b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，各个切角15a、15b、25a和25b的形状相同。
图1、2还示出第一辐射片12具有第一馈电部16(图1中未示出，图2中以虚圆圈示出，表示位于下面的第一辐射片12上)，第二辐射片22具有第二馈电部26。第一馈电部16和第二馈电部26可分别从馈源接收输入信号以通过第一辐射片12和第二辐射片22辐射出去，或者将由第一辐射片12和第二辐射片22接收到的信号输出至处理单元。在一个实施例中，第一馈电部16可位于第一辐射片12的水平对称轴上，而第二馈电部26可位于第二辐射片22的垂直对称轴上。替换地，第一馈电部16可位于第一辐射片12的垂直对称轴上，而第二馈电部26可位于第二辐射片22的水平对称轴上。其中，第一馈电部16和第二馈电部26可在其所处的对称轴上移动，以调节相应辐射片的阻抗匹配。优选地，第一馈电部16是同轴馈电部。类似地，第二馈电部26优选为同轴馈电部。采用同轴馈电的方式，降低了馈电结构的干扰。
如上所述的通信天线100结构紧凑，并且各个辐射片和基板可以具有共形结构，减小了通信天线的尺寸，提高了集成度。另一方面，通过在第一辐射片12和第二辐射片22上设置切角，每个辐射片可以实现双频段线极化，并且可以按需控制第一辐射片12和第二辐射片22的工作频段和线极化方向，从而可以采用一个通信天线100来实现双线极化双频段。
图3示出根据本发明一实施例的带有示例性腔体300和可选天线罩310的通信天线的分解示意图。如图1所示的通信天线100可以放置在腔体300中，其中腔体300在通信天线100的辐射方向上开口。腔体300可以具有各种合适的形状，例如方形或圆形腔体。
腔体300的作用包括但不限于：支承通信天线100、使通信天线100免受周围环境的影响和人为操作的影响等。腔体300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。在腔体300为导电材质的情况下，微带天线100优选不接触腔体300的侧壁。作为可选的方案，可在腔体300与通信天线100之间适当设置填充材料，以更好地起到固定、减震和/或支承作用。例如，可在腔体300内放置泡沫填充材料以填充通信天线100与腔体300之间的空隙，防止通信天线100在使用时气压不稳定。在一个实施例中，通信天线100的第一辐射体10和第二辐射体20与腔体300底部可以为共形的凹陷状结构，使得该通信天线可以更加紧凑。
在一个可选实施例中，可以在通信天线100的辐射方向上设置天线罩310。天线罩310可以固定至通信天线100的基板，或者在具有腔体300的情况下可以固定至腔体300从而盖住腔体300的开口。天线罩310可设置成为与通信天线100和/或腔体300共形(例如，凹陷状)，以充分满足小型化的要求。天线罩310也可具有其他形状，例如平板状。天线罩310可以为通信天线100提供防护作用，且优选具有良好的透波性能，从而不影响通信天线100的信号辐射/接收。
在进一步的实施例中，天线罩310可以是频选天线罩310，频选天线罩310具有良好透波性能且可以产生预期的电磁响应，从而控制电磁波的传播。
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、功分器420、第一馈电线路430a和第二馈电线路430b、以及图1和图2所述的通信天线100。在一个实施例中，功分器420可以是一分二功分器。馈电端口410、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10的第一馈电部16和第二辐射体20的第二馈电部26。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16，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26。功分器420可以将来自馈电端口410的激励信号拆分成多路(例如，两路)激励信号以输送至第一馈电线路430a和第二馈电线路430b，或者将经由第一馈电线路430a和第二馈电线路430b来自多个天线辐射体的接收信号汇合成一路接收信号并输送至馈电端口410。功分器420可采用微带线功分方式的3dB功分器，以节省空间和有效减轻系统的重量。进一步地，3dB功分器可以去掉其中的隔离电阻。
在一个实施例中，第一馈电线路430a上的信号与第二馈电线路430b上的信号之间彼此有相移。在一个实施例中，如在图4所描绘的天线系统中，第一馈电线路430a和第二馈电线路430b中的至少一者可具有移相器440(例如，90°移相器)，使得馈入第一辐射体10和第二辐射体20的激励信号彼此异相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(未示出)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。如上所述，通信天线100通过层叠的第一辐射体10和第二辐射体20可以实现双线极化双频段。通过使进入其中一个辐射体的输入信号移相90°，第一辐射体10的线极化双频段信号与第二辐射体20的有90°移相的线极化双频段信号叠加能够形成圆极化或椭圆极化辐射信号。即，本发明的天线系统最终能够实现单端口双频段圆极化。
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10的第一馈电部16，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(及移相器440)提供给通信天线100的第二辐射体20的第二馈电部26。在进行接收工作时，由第一辐射体10和第二辐射体20接收的两路接收信号分别从第一馈电部16和第二馈电部26经第一馈电线路430a和第二馈电线路430b(及移相器440)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。本领域技术人员可以理解，移相器440可以位于第一馈电线路430a上，工作原理相同。
因而，可以仅用一套信号处理装置来实现双频段圆极化，大大简化了天线的结构，降低了成本。本发明上述实施例的通信天线或天线系统可结合于通讯设备中，从而为通讯设备发送/接收信号。
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。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20或30)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。
结合图5至图7的性能曲线，可知本发明中的通信天线通过对辐射片切角可以使得每个辐射片实现双频段线极化。此外，第一辐射体和第二辐射体可以工作在相同的双频段中。进一步，本发明的天线系统通过使进入其中一个辐射体的输入信号移相90°，层叠的第一辐射体和第二辐射体能够形成圆极化或椭圆极化辐射信号。与现有技术中需要两套信号处理装置来实现双频段圆极化、或者使用一套信号处理装置时分复用地处理两套信号相比，本发明减小了天线系统的体积、重量和成本。
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天线系统应用范围更加广泛，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 (25)
1.一种通信天线，包括：
第一辐射体，其中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，第一辐射片具有第一馈电部和切角，且第一辐射片的辐射面为凹面；以及
第二辐射体，其中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，第二辐射片具有第二馈电部和切角，且第二辐射片的辐射面为凹面，
其中第二辐射体的第二基板被层叠地放置在第一辐射体的第一辐射片之上。
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各自为具有切角的矩形。
6.如权利要求5所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射片在第一对角线上具有两个切角，且所述第二辐射片在第二对角线上具有两个切角。
7.如权利要求6所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射片的所述第一对角线与所述第二辐射片的所述第二对角线成一角度。
8.如权利要求7所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射片的所述第一对角线与所述第二辐射片的所述第二对角线相互垂直。
9.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射片和所述第二辐射片的几何中心彼此对准。
10.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，所述第一馈电部和第二馈电部是同轴馈电部。
11.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。
12.如权利要求11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。
13.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射片的尺寸大于所述第二辐射片的尺寸。
14.如权利要求13所述的通信天线，其特征在于，所述第二基板的介电常数大于所述第一基板的介电常数。
15.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射体和第二辐射体放置在腔体中，其中所述腔体在所述通信天线的辐射方向上开口。
16.如权利要求15所述的通信天线，其特征在于，所述第一辐射体和第二辐射体与所述腔体之间具有填充材料。
17.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，所述第一基板和第二基板各自为矩形。
18.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，所述第一基板和/或第二基板由掺杂有导电微结构的电介质基材制成。
19.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彼此电绝缘。
20.如权利要求1所述的通信天线，其特征在于，还包括：
频选天线罩，所述频选天线罩设置于所述通信天线的辐射方向上。
21.一种天线系统，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；
如权利要求1至20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第一馈电部，且所述功分器的第三端经由第二馈电线路连接至所述第二馈电部，其中所述第一馈电线路上的信号与所述第二馈电线路上的信号之间彼此有相移。
22.如权利要求21所述的天线系统，其特征在于，所述第一馈电线路或所述第二馈电线路上具有移相器。
23.如权利要求22所述的天线系统，其特征在于，所述移相器是90°移相器。
24.如权利要求21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。
25.一种通讯设备，包括如权利要求1至20中任一项所述的通信天线或如权利要求21至24中任一项所述的天线系统。
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