CN105990671A - 天线、天线系统和通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天线，包括第一基板、第二基板、第一辐射片和第二辐射片，该第一辐射片设置在该第一基板上，该第二基板设置在该第一辐射片上，该第二辐射片设置在该第二基板上，该第一辐射片和该第二辐射片皆为圆形，该第一辐射片和该第二辐射片中的一个具有分别位于所在辐射片的水平对称轴和垂直对称轴上的第一馈电部和第二馈电部，该第一辐射片和该第二辐射片中的另一个具有位于所在辐射片的水平对称轴上的第三馈电部和第四馈电部，以及还具有位于所在辐射片的垂直对称轴上的第五馈电部和第六馈电部。

Description

天线、天线系统和通信设备

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是涉及一种天线，以及使用该天线的天线系统和通信设备。

背景技术

天线是一种用来发射或接收电磁波的电子器件。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。

但是，目前的现有技术中，当需要多频段(例如，双频段)天线或者多频段圆极化天线时，通常是通过多个馈电端口和多个天线来分别实现不同的频段，在这种情况下，通常一个馈电端口的输出需要后续一整套信号处理装置来进行处理，还需要多个天线来响应不同频段的天线信号，这样一来，现有技术中如果要实现多频段、高增益以及圆极化就势必增加天线的数量，但是如果增加天线的数量就会导致多个天线之间的相互干扰增强进而影响圆极化的性能，同时还会导致多个天线之间的结构设计复杂化，进而导致最终的天线尺寸变大，因此，如何实现使天线具有多频段、圆极化、小型化、宽覆盖等优点一直是业界亟需解决的问题。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种天线，包括第一基板、第二基板、第一辐射片和第二辐射片，该第一辐射片设置在该第一基板上，该第二基板设置在该第一辐射片上，该第二辐射片设置在该第二基板上，该第一辐射片和该第二辐射片皆为圆形，该第一辐射片和该第二辐射片中的一个具有分别位于所在辐射片的水平对称轴和垂直对称轴上的第一馈电部和第二馈电部，该第一辐射片和该第二辐射片中的另一个具有位于所在辐射片的水平对称轴上的第三馈电部和第四馈电部，以及还具有位于所在辐射片的垂直对称轴上的第五馈电部和第六馈电部。

在一实例中，该第二辐射片的尺寸小于该第二基板的尺寸。

在一实例中，该第一辐射片的尺寸小于该第一基板的尺寸。

在一实例中，该第一辐射片的尺寸大于该第二辐射片的尺寸。

在一实例中，该第三馈电部和第四馈电部关于所在辐射片的垂直对称轴对称，而该第五馈电部和第六馈电部关于所在辐射片的水平对称轴对称。

在一实例中，该第一馈电部、该第二馈电部、该第三馈电部、该第四馈电部、该第五馈电部、以及该第六馈电部为同轴馈电部。

在一实例中，各馈电部电性绝缘。

在一实例中，该第一基板、第二基板、第一辐射片和第二辐射片均为平面形状。

在一实例中，该第二辐射片的中心点在该第一辐射片上的投影与该第一辐射片的中心点重合。

在一实例中，该第二辐射片的水平对称轴和垂直对称轴在该第一辐射片上的投影分别与该第一辐射片的水平对称轴和垂直对称轴重合。

在一实例中，该第一基板、第二基板、第一辐射片和第二辐射片均为凸面形状。

在一实例中，该第一基板、第二基板、第一辐射片和第二辐射片均为凹面形状。

在一实例中，该第一基板、第二基板、第一辐射片和第二辐射片的曲率均相同。

在一实例中，该第一基板与该第二基板均为矩形。

在一实例中，该第一基板的厚度小于该第二基板的厚度。

在一实例中，在该第一基板的内部水平方向或者竖直方向放置有人造微结构。

在一实例中，在该第二基板的内部水平方向或者竖直方向放置有人造微结构。

在一实例中，该人造微结构的形状包括工字形、或者十字形、或者雪花形、或者断开的口字型。

根据本发明的另一方面，提供了一种天线系统，包括馈电端口、天线、合路器、以及第一功分器和第二功分器，该天线是上述的天线，该合路器的第一端连接该馈电端口，该合路器的第二端连接该第一功分器的第一端，该合路器的第三端连接该第二功分器的第一端，该第一功分器的第二端连接该第一馈电部，该第一功分器的第三端通过90°移相器连接该第二馈电部，以及该第二功分器的第二端连接该第三馈电部，该第二功分器的第三端通过90°移相器连接该第五馈电部，该第二功分器的第四端通过180°移相器连接该第四馈电部，该第二功分器的第五端通过270°移相器连接该第六馈电部。

在一实例中，该90°移相器、180°移相器、270°移相器均通过传输线的长度来分别实现90°移相、180°移相、270°移相。

根据本发明的再一方面，提供了包括上述天线系统的一种通信设备。

本发明的天线采用层叠的第一辐射片和第二辐射片，可以减小天线的体积和尺寸。本发明的天线通过在每一个辐射片的水平对称轴和垂直对称轴上分别设计不同的多个馈电部，然后通过两组功分器以及90°、180°、270°移相器分别连接这多个馈电部，可以使得每一个辐射片能单独实现圆极化。本发明的这种单个天线就能实现圆极化的技术方案，相比于现有技术中需要多个天线共同配合来实现圆极化来说，很明显具有低成本的优势，而且结构设计简单，不需要多个天线的复杂结构设计。同时，本发明借助移相器、功分器等多种技术手段相结合，可以使得该天线能实现多频段、圆极化、小型化、宽覆盖等。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出本发明一实施例的天线的平视示意图；

图2示出本发明一实施例的天线的俯视示意图；

图3示出本发明一实施例的天线的馈电部示意图；

图4示出本发明一实施例的天线系统的结构示意图；

图5示出本发明实施例的天线的电压驻波比曲线图；

图6示出本发明实施例的天线的增益曲线图；

图7示出本发明实施例的天线的轴比曲线图。

为清楚起见，以下给出附图标记的简要说明：

10：天线10a、10b：辐射片

11：第一基板12：第二基板13：第一辐射片14：第二辐射片

15：第一馈电部16：第二馈电部17a：第三馈电部

17b：第四馈电部18a：第五馈电部18b：第六馈电部

20：合路器30：馈电端口22：第一功分器24：第二功分器

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

图1示出本发明一实施例的天线的平视示意图。图2示出本发明一实施例的天线的俯视示意图。参考图1和图2所示，本实施例的天线10可包括第一基板11、第二基板12、第一辐射片13和第二辐射片14。第一辐射片13设置在第一基板11上。第二辐射片14设置在第二基板12上。第一基板11和第二基板12由电介质基材制成。第一辐射片13和第二辐射片14由导电材料，例如金属制成。辐射片可以是贴片形式，也可以是经光刻刻蚀的镀层。每个辐射片及其对应的基板这种组合单元构成一个接收和发送路径。在本实施例中，两个组合单元进一步以叠合的方式组合成天线。换言之，第二基板12设置在第一辐射片13上。本发明的天线采用层叠的第一辐射片和第二辐射片，可以减小天线的体积和尺寸。

在本实施方式中，为了实现天线的圆极化，采用双馈法和四馈法相结合来实施。双馈法通过输出两个幅度相等，相位相差90°的两支路对辐射片馈电，激发两个正交工作模式，达到圆极化工作条件。四馈法通过四个馈电采用不同的相移进行相互补偿，从而可以提高阻抗带宽和圆极化带宽，抑制交叉极化，提高轴比性能。

根据本发明的实施例，采用了双馈法和四馈法相结合的方式来实施。即，第一辐射片13和第二辐射片14中的任意一个采用双馈法，而另一个采用四馈法。例如，第一辐射片13采用双馈法，第二辐射片14采用四馈法，或者第一辐射片13采用四馈法，第二辐射片14采用双馈法。

在图1、2、3所示的实施例中，第一辐射片13采用了双馈法，从而具有分别位于第一辐射片13的水平对称轴和垂直对称轴上的第一馈电部15、第二馈电部16，而第二辐射片14采用了四馈法，从而具有分别位于第二辐射片14的水平对称轴上的第三馈电部17a、第四馈电部17b和位于垂直对称轴上的第五馈电部18a和第六馈电部18b。具体地，参考图3，图3示出本发明一实施例的天线的馈电部示意图。

第一馈电部15、第二馈电部16可输入待发送的信号，或者输出已接收的信号。同样地，第三馈电部17a、第四馈电部17b、第五馈电部18a和第六馈电部18b可输入待发送的信号，或者输出已接收的信号。

如图3中所示，第一辐射片13具有水平对称轴X1和垂直对称轴Y1，第二辐射片14具有水平对称轴X2和垂直对称轴Y2。参考图3所示，作为特定实例，水平对称轴X1,X2位于同一直线上，且垂直对称轴Y1,Y2位于同一直线上。换言之，第二辐射片14的中心点在第一辐射片13上的投影与第一辐射片13的中心点重合，并且第二辐射片14的水平对称轴和垂直对称轴在第一辐射片13上的投影分别与第一辐射片13的水平对称轴和垂直对称轴重合。

对于第一辐射片13而言，第一馈电部15和第二馈电部16需要其中一个位于水平对称轴X1上，而另一个位于垂直对称轴Y1上，如图3所示。对于第二辐射片14而言，第三馈电部17a、第四馈电部17b需要位于水平对称轴X2或垂直对称轴Y2上，而第五馈电部18a、第六馈电部18b需要位于正交的另一对称轴上。图3示出了第三馈电部17a、第四馈电部17b位于水平对称轴X2上，而第五馈电部18a、第六馈电部18b位于垂直对称轴Y2上。特别地，第三馈电部17a、第四馈电部17b需要关于垂直对称轴Y2对称，而第五馈电部18a、第六馈电部18b需要关于水平对称轴X2对称。当然，如果第三馈电部17a、第四馈电部17b位于垂直对称轴Y2上，而第五馈电部18a、第六馈电部18b位于水平对称轴X2上，则第三馈电部17a、第四馈电部17b需要关于水平对称轴X2对称，而第五馈电部18a、第六馈电部18b需要关于垂直对称轴Y2对称。第三馈电部17a、第五馈电部18a、第四馈电部17b、第六馈电部18b通过依次相差90°相位的激励信号完成圆极化。

在形状设计上，第一基板11和第二基板12优选为矩形，当然，也可以是其它形状。第一辐射片13、第二辐射片14优选为圆形。当然可以理解，第一辐射片13和第二辐射片14还可以是其他形状。不过，第一辐射片13和第二辐射片14优选为形状相同。较优地，第一辐射片13的尺寸小于第一基板11的尺寸，第二辐射片14的尺寸小于第二基板12的尺寸。第一辐射片13的尺寸最好大于第二辐射片14的尺寸，图1示出第一辐射片13的尺寸大于第二辐射片14的尺寸的实例，从而以确保第一辐射片13辐射出的信号不被位于其上的第二辐射片14所遮挡。

进一步，第一基板11和第二基板12内可具有人造微结构，例如导电微结构。基板内的人造微结构可以是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。通过在基板内设置人造微结构，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。作为特定实例，人造微结构的形状可包括工字形、十字形、雪花形、或者断开的口字型。在尺寸上，第一基板11的厚度可小于第二基板12的厚度。

本实施例的天线被设计为具有双频发送和接收能力。为此，第一至第六馈电部各自电性绝缘，以分别将待发送的频段信号输入到各自的组合单元中，或者将已接收的信号从各自的组合单元中输出。

优选地，第一馈电部15、第二馈电部16是同轴馈电部。类似地，第三馈电部17a、第四馈电部17b、第五馈电部18a、第六馈电部18b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。

在本实施例中，第一基板11、第二基板12、第一辐射片13和第二辐射片14可均为平面。但是，本发明并不局限于此，在其他实施例中，第一基板11、第二基板12、第一辐射片13和第二辐射片14可均为弧面，例如凸面形状或凹面形状。第一基板11、第二基板12、第一辐射片13和第二辐射片14可具有相同的曲率，从而这些结构层11-14之间因其相似的三维形状而贴合。在该实施例中，通过第一基板11、第二基板12、第一辐射片13和第二辐射片14可以是共形的凹面形状或凸面形状，这样一来，可以使得该天线设计更加紧凑，减小平面尺寸，通过这种曲面的共形设计还能增加天线的辐射面积，辐射能量集中，进而提高天线的增益以及扩宽覆盖范围。

图5示出了图1中的天线的电压驻波比曲线图。图6示出了图1中的天线的增益曲线图。图7示出了图1中的天线的轴比曲线图，参考图7，本发明实施例的天线可以在±50°范围内，实现轴比小于等于6。结合图5至图7，可知本发明中的天线可以产生两个圆极化的频段。

现有技术中，需要使用两个天线或者甚至更多个天线来构成双频段或者多频段圆极化天线，因此，在后端信号处理时，通常需要两套或者甚至更多套信号处理装置来分别进行信号的处理，这样很明显就增加了设备的体积、重量和成本。

但是，通过本发明的天线设计，以及图5至图7的实际效果图来看，单个辐射片就能实现圆极化效果，而且也具备双频段、高增益以及轴比性能好的优点。

图4示出本发明一实施例的天线系统的结构示意图。参考图4所示，本实施例的天线系统包括图1所示实施例的天线10、合路器20、第一功分器22、第二功分器24以及馈电端口30。合路器20的第一端连接馈电端口30，合路器20的第二端连接第一功分器22的第一端，合路器20的第三端连接第二功分器24的第一端，第一功分器22的第二端连接辐射片10a的第一馈电部15，第一功分器22的第三端通过90°移相器连接辐射片10a的第二馈电部16。第二功分器24的第二端连接辐射片10b的第三馈电部17a，第二功分器24的第三端通过90°移相器连接辐射片10b的第五馈电部18a，第二功分器24的第四端通过180°移相器连接辐射片10b的第四馈电部17b，第二功分器24的第五端通过270°移相器连接辐射片10b的第六馈电部18b。

在图1-3中的第一辐射片13采用双馈法，而第二辐射片14采用四馈法的实施例中，图4中的辐射片10a对应于图1-3中的第一辐射片13，辐射片10b对于于图1-3中的第二辐射片14。容易理解，在第一辐射片13采用四馈法，而第二辐射片14采用双馈法的实施例中，图4中的辐射片10a对应于图1-3中的第二辐射片14，辐射片10b对于于图1-3中的第一辐射片13。

合路器20一方面是将输入激励信号分成多频段的信号，分别输出到对应的功分器22、24。此时合路器亦可称为分路器，相应地，天线系统处于发射信号的状态。合路器20另一方面是将多频段的接收信号合路到一个馈电端口，此时天线系统处于接收信号的状态。举例来说，本实施例中合路器20一方面负责将馈电端口30提供的激励信号的第一频段输出到第一功分器22，将激励信号的第二频段输出到第二功分器24。合路器20另一方面负责将分别来自各个功分器22、24频段信号组合到在一起后输出给馈电端口30。举例来说，第二频段的频率可以高于第一频段，形成高频和低频的配合。

第一功分器22负责将一个频段的信号分成两路，一路通过传输线输出到天线10的第一馈电部15，另一路经过90°移相器输出到天线10的第二馈电部16。类似地，第二功分器24负责将另一个频段的信号分成四路，一路通过传输线输出到天线10的第三馈电部17a，另三路分别经过90°、180°、270°移相器输出到天线10的第五馈电部18a、第四馈电部17b和第六馈电部18b。

发射工作时，激励信号从一个馈电端口30进入合路器20的第一端(此时其为输入端)，经合路器20后，分成两路信号，其中一路信号经过合路器20的第二端(此时其为输出端)提供给第一功分器22，另一路信号经过合路器20的第三端(此时其为输出端)提供给第二功分器24。接收工作时，两路同频接收信号分别从第一馈电部15和第二馈电部16传输到第一功分器22的第二端(此时其为输入端)和第三端(此时其为输入端)，从第一功分器22的第一端(此时其为输出端)输出，然后经合路器20的第二端(此时其为输入端)组合成一个第一频段信号。另四路同频接收信号分别从第三馈电部17a、第四馈电部17b、第五馈电部18a、第六馈电部18b传输到第二功分器24的第二端(此时其为输入端)、第三端(此时其为输入端)，第四端(此时其为输入端)、第五端(此时其为输入端)，从第二功分器24的第一端(此时其为输出端)输出，然后经合路器20的第三端(此时其为输入端)组合成一个第二频段信号信号。最后，两路不同频段的信号再从合路器20的第一端(此时其为输出端)输出给馈电端口30，由后续的接收电路处理。

在一实施例中，90°移相器、180°移相器和270°移相器可通过调节传输线的长度实现。具体地说，设置彼此不同长度的传输线，使该长度之差造成的相位延迟刚好是90°、180°或270°。

因而，本发明只需要一个馈电端口输出，可以仅用一套信号处理装置，大大简化了天线的结构，降低了成本。

本发明上述实施例的圆极化天线及天线系统可结合于通信设备中。

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。本发明实施例的圆极化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。圆极化天线在实际应用方面的主要优势有：

1)任意的极化电磁波均可分解为两个旋向相反的圆极化波，如对于线极化波来说，可以分解为两个反向等幅的圆极化波。因此，任意极化的电磁波均可被圆极化天线接收，而圆极化天线发射的电磁波则可被任意极化的天线接收到，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线；

2)在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天线的旋向正交性；

3)圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时旋向逆转，所以圆极化天线在移动通信、卫星导航等领域抑制雨雾干扰和抗多径反射。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (19)

1.一种天线，包括第一基板、第二基板、第一辐射片和第二辐射片，所述第一辐射片设置在所述第一基板上，所述第二基板设置在所述第一辐射片上，所述第二辐射片设置在所述第二基板上，所述第一辐射片和所述第二辐射片皆为圆形，所述第一辐射片和所述第二辐射片中的一个具有分别位于所在辐射片的水平对称轴和垂直对称轴上的第一馈电部和第二馈电部，所述第一辐射片和所述第二辐射片中的另一个具有位于所在辐射片的水平对称轴上的第三馈电部和第四馈电部，以及还具有位于所在辐射片的垂直对称轴上的第五馈电部和第六馈电部。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第二辐射片的尺寸小于所述第二基板的尺寸，所述第一辐射片的尺寸小于所述第一基板的尺寸。

3.如权利要求1所述的天线，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。

4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第三馈电部和第四馈电部关于所在辐射片的垂直对称轴对称，而所述第五馈电部和第六馈电部关于所在辐射片的水平对称轴对称。

5.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一馈电部、所述第二馈电部、所述第三馈电部、所述第四馈电部、所述第五馈电部、以及所述第六馈电部为同轴馈电部。

6.如权利要求1所述的天线，其特征在于，各馈电部电性绝缘。

7.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一基板、第二基板、第一辐射片和第二辐射片均为平面形状。

8.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第二辐射片的中心点在所述第一辐射片上的投影与所述第一辐射片的中心点重合。

9.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第二辐射片的水平对称轴和垂直对称轴在所述第一辐射片上的投影分别与所述第一辐射片的水平对称轴和垂直对称轴重合。

10.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一基板、第二基板、第一辐射片和第二辐射片均为凸面形状，或所述第一基板、第二基板、第一辐射片和第二辐射片均为凹面形状。

11.如权利要求10所述的天线，其特征在于，所述第一基板、第二基板、第一辐射片和第二辐射片的曲率均相同。

12.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一基板与所述第二基板均为矩形。

13.如权利要求12所述的天线，其特征在于，所述第一基板的厚度小于所述第二基板的厚度。

14.如权利要求1所述的天线，其特征在于，在所述第一基板的内部水平方向或者竖直方向放置有人造微结构。

15.如权利要求1所述的天线，其特征在于，在所述第二基板的内部水平方向或者竖直方向放置有人造微结构。

16.如权利要求14或15所述的天线，其特征在于，所述人造微结构的形状包括工字形、或者十字形、或者雪花形、或者断开的口字型。

17.一种天线系统，包括馈电端口、天线、合路器、以及第一功分器和第二功分器，所述天线是权利要求1至16中任一项所述的天线，所述合路器的第一端连接所述馈电端口，所述合路器的第二端连接所述第一功分器的第一端，所述合路器的第三端连接所述第二功分器的第一端，所述第一功分器的第二端连接所述第一馈电部，所述第一功分器的第三端通过90°移相器连接所述第二馈电部，以及所述第二功分器的第二端连接所述第三馈电部，所述第二功分器的第三端通过90°移相器连接所述第五馈电部，所述第二功分器的第四端通过180°移相器连接所述第四馈电部，所述第二功分器的第五端通过270°移相器连接所述第六馈电部。

18.如权利要求17所述的天线系统，其特征在于，所述90°移相器、180°移相器、270°移相器均通过传输线的长度来分别实现90°移相、180°移相、270°移相。

19.一种通信设备，包括权利要求17至18中任一项所述的天线系统。