CN108258436B

CN108258436B - 一种天线及通信终端

Info

Publication number: CN108258436B
Application number: CN201611238068.9A
Authority: CN
Inventors: 张长清
Original assignee: China Mobile Communications Group Co Ltd; China Mobile Group Henan Co Ltd
Current assignee: China Mobile Communications Group Co Ltd; China Mobile Group Henan Co Ltd
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2036-12-28
Also published as: CN108258436A

Abstract

本发明实施例提供一种天线及通信终端。所述天线包括天线背板，以及设置在所述天线背板上的多个有源阵列模块；多个所述有源阵列模块按照矩阵排列，各有源阵列模块之间具有第一预设距离；各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，且各有源集成天线单元之间具有第二预设距离；所述多个有源阵列模块包括多个低频阵列模块和多个高频阵列模块，所述低频阵列模块与所述高频阵列模块间隔排列。所述通信终端包括所述天线。本发明提供的天线及通信终端，通过将不同数量的有源集成天线单元分别集成高频阵列模块和低频阵列模块，高频阵列模块实现高频数据通信，低频阵列模块实现低频数据通信，使得MIMO天线具备同时支持多频通信的功能。

Description

一种天线及通信终端

技术领域

本发明实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种天线及通信终端。

背景技术

随着科技的发展，无线通信在人们生活中的应用越来越多，人们对无线通信的要求也越来越高。随着目前移动通信的普及和广泛应用，5G系统将会是一个移动蜂窝网、移动互联网、物联网、车联网、工业互联网等综合网络汇集的平台，其广泛的无线接入能力可以支持人与人、人与物、物与物的任意通信与交互，可以支持包括传感器、摄像头、监听器和控制器等获取的关于工业、社会和民用信息在内的所有数据的传输。

因此，5G网络中不仅会有大量的标准帧结构的语音数据流和互联网数据流，还会存在大量的特殊短帧结构的控制数据流，存在大量的经过专业压缩处理的专用视频、音频数据流，以及大量的经过低功率微基站或中继站桥接路过的数据流，为了提高数据传输的速率和信令传输的可行性，运行在新型的由大小基站组合群覆盖的网络中的数据流与信令流采用的频谱将是不同的，因此，无线通信中对与多频谱通信应用的要求越来越强烈。

现有技术条件下，目前大规模MIMO天线研究集中在振元固定分布式结构上，虽然振元数量高达128，甚至更多，但固定模式结构的天线一般只能应用于某一特定的频点或频带，不能够满足在发挥大规模MIMO天线在空间复用、空间分集和波束赋形功能的同时支持多频谱通信的需求。

因此，大规模MIMO天线进行多频谱通信的问题/需求是目前业界亟待解决的需要课题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种天线及通信终端。

一方面，本发明实施例提供一种天线，包括：

天线背板，以及设置在所述天线背板上的多个有源阵列模块；

多个所述有源阵列模块按照矩阵排列，各有源阵列模块之间具有第一预设距离；

各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，且各有源集成天线单元之间具有第二预设距离；

所述多个有源阵列模块包括多个低频阵列模块和多个高频阵列模块，所述低频阵列模块与所述高频阵列模块间隔排列，所述第二预设距离是根据所述有源阵列模块的工作波长确定的。

另一方面，本发明实施例提供一种通信终端，包括上述天线。

本发明实施例提供的天线及通信终端，通过将不同数量的有源集成天线单元分别集成高频阵列模块和低频阵列模块，高频阵列模块实现高频数据通信，低频阵列模块实现低频数据通信，使得MIMO天线具备同时支持多频通信的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。

图1为本发明实施例提供天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的低频阵列模块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的高频阵列模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的多频有源大规模MIMO天线结构示意图；

图5本发明实施例提供的8阵元低频阵列模块产生的赋形波束示意图；

图6本发明实施例提供的32阵元高频阵列模块产生的赋形波束示意图；

图7为低频8阵元和高频32阵元阵列模块的相邻阵元间相位差α_x与波束方向的关系曲线图；

图8为低频8阵元和高频32阵元阵列模块的相邻阵元间相位差α_z与波束方向的关系曲线图；

图9为有源阵列模块的阵元间的位相差α_x、α_y、α_z与辐射波束主瓣强度最大值的关系曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供天线的结构示意图，如图1所示，本实施例提供一种天线，包括：

天线背板01，以及设置在所述天线背板上01的多个有源阵列模块02；

多个所述有源阵列模块02按照矩阵排列，各有源阵列模块02之间具有第一预设距离；

各有源阵列模块02包括多个有源集成天线单元03，且各有源集成天线单元03之间具有第二预设距离；

所述多个有源阵列模块02包括多个低频阵列模块04和多个高频阵列模块05，所述低频阵列模块04与所述高频阵列模块05间隔排列，所述第二预设距离是根据所述有源阵列模块的工作波长确定的。

具体地，如图1所示，本发明实施例提供一种天线，天线中包括天线背板01，天线背板01上设置有多个按照矩阵排列的有源阵列模块02。各有源阵列模块02包括多个有源集成天线单元03，各有源集成天线单元之间具有第二预设距离，各有源阵列模块02之间具有第一预设距离，其中第一预设距离大于第二预设距离，即相邻有源阵列模块02之间的第一预设距离要大于有源阵列模块02中的相邻有源集成天线单元03之间的距离。所述多个有源阵列模块02包括多个低频阵列模块04和多个高频阵列模块05，所述低频阵列模块04与所述高频阵列模块05间隔排列；所述低频阵列模块的工作波长为λ₁，用于低频数据的通信，所述高频阵列模块的工作波长为λ₂，用于低频数据的通信。可以理解的是，由于所述高频阵列模块和所述低频阵列模块的工作波长不同，所述高频阵列模块中包括的所述各个有源集成天线单元之间的第二预设距离与所述低频阵列模块包括的所述各个有源集成天线单元之间的第二预设距离不同，而所述高频阵列模块和所述低频阵列模块的几何尺寸大小相同，因此，所述高频阵列模块包括的所述各个有源集成天线单元的数量和所述低频阵列模块包括的所述各个有源集成天线单元的数量不同；各有源阵列模块02之间的第一预设距离可以相同也可以不同，各有源集成天线单元03之间的第二预设距离也可以相同或不同，具体可以根据实际需要进行设置，本发明实施例不作具体限定。

其中，有源阵列模块和有源集成天线单元表示其具有有源电路，能够独立的工作。由于波束赋形技术要求天线所有振子的间距满足空间相干性，使由每个振子产生的电磁波相互干涉而能够相长相消，因此各振子之间的距离要比较小，而空间复用和空间分集技术要求天线所有振子的间距必须满足空间无关性，使由多振子产生的多通信信道间的干扰最小，理论上各振子间距越大越好。其中振子即为本发明实施例中的有源集成天线单元，将多个有源集成天线单元03集成有源阵列模块02，且各有源集成天线单元03之间的第二预设距离可以设置的比较小，单个有源阵列模块02中的有源集成天线单元03就可以独立实现波束赋形功能。而将有源阵列模块02之间的第一预设距离设置的比较大，使得各有源阵列模块02中的多振子产生的多通信信道间的干扰最小，可以实现空间复用和空间分集功能。因此本发明实施例提供的天线在空间复用、空间分集和波束赋形功能的同时支持多频谱通信。

例如：如图1所示，本发明实施例中的MIMO天线包括16个有源阵列模块02，其中包括8个低频阵列模块04和8个高频阵列模块05；各有源阵列模块02按照矩阵排列，高频阵列模块05和低频阵列模块04间隔排列。低频阵列模块04中包括8个有源集成天线单元03，高频阵列模块05中包括32个有源集成天线单元03。其中，相邻有源阵列模块02之间沿如图1所示的x轴方向的距离为A，y轴方向的距离为B；低频阵列模块04中包括的相邻有源集成天线单元03沿如图1所示的x轴方向的距离为a₁，y轴方向的距离为b₁；高频阵列模块05中包括的相邻有源集成天线单元03沿如图1所示的x轴方向的距离为a₂，y轴方向的距离为b₂。

其中，a₁、b₁、a₂和b₂为上述实施例中描述的第一预设距离，a₁和b₁的值可以相同也可以不同，a₂和b₂的值可以相同也可以不同，A和B为所述的第二预设距离，A和B的值也可以相同或不同，具体数值可以根据需要进行设置，但是一般a和b的值远远小于A和B的值。低频阵列模块04用于低频数据的通信，高频阵列模块05用于高频数据的通信，不同的两个或三个有源阵列模块02可以实现对用户信号进行空间分集和空间复用功能，即天线可以通过不同的有源阵列模块02同时对不同用户的信号进行处理，不同用户的信号的频率、时序可以相同，但所占空间不同。

本发明实施例提供的天线，通过将不同数量的有源集成天线单元分别集成高频阵列模块和低频阵列模块，高频阵列模块实现高频数据通信，低频阵列模块实现低频数据通信，使得MIMO天线具备同时支持多频通信的功能。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述多个所述有源阵列模块按照矩阵排列，具体为：

所述多个所述有源阵列模块按照矩阵排列形成包括N×M个所述有源阵列模块的二维结构；其中，N和M均为正整数。

具体地，所述多个所述有源阵列模块可以排列成N×M的二维结构，其中，N和M均为正整数，具体数值可以根据实际需要进行设置，本发明实施例不作具体限定。如图1所示，N＝4，M＝4，其中x方向和y方向各有4个所述有源阵列模块，即4个有源阵列模块排列成正方形的二维结构；其中x方向有2个高频阵列模块和2个低频阵列模块，y方向有2个高频阵列模块和2个低频阵列模块。可以理解的是，本发明实施例中各有源阵列模块间采用二维结构排列方式，既可降低多个所述有源阵列模块间架构的复杂度，又可降低MIMO天线架构的厚度；当然，所述有源阵列模块间也可以采用三维结构排列方式，具体可以根据实际情况进行调整。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述各有源阵列模块包括由n×m×q个所述有源集成天线单元组成的三维结构；其中，n、m和q均为正整数。

具体地，各有源阵列模块中的多个有源集成天线单元可以排列成n×m×q的三维结构，其中，n、m和q均为正整数，具体数值可以根据所述各个有源阵列模块的工作波长和所述各个有源阵列模块的几何尺寸确定。图2为本发明实施例提供的低频阵列模块的结构示意图，如图2所示，对于所述低频阵列模块，n＝2，m＝2，q＝2，其中x方向有2个所述有源集成天线单元，y方向有2个所述有源集成天线单元，z方向有2个所述有源集成天线单元。图3为本发明实施例提供的高频阵列模块的结构示意图，如图3所示，对于所述高频阵列模块，n＝4，m＝4，q＝2，其中x方向有4个所述有源集成天线单元，y方向有4个所述有源集成天线单元，z方向有2个所述有源集成天线单元。应当说明的是，本发明实施例中所述多个有源集成天线单元排列成立体的三维结构，是为了能够更好地实现波束赋形功能，当然，所述有源集成天线单元也可以采用二维结构排列方式，具体可以根据实际情况进行调整。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述低频阵列模块的工作波长为λ₁，所述高频阵列模块的工作波长为λ₂，λ₁>λ₂；相应地，所述各有源集成天线单元之间具有第二预设距离，具体为：

所述各有源集成天线单元在x轴方向上的间距为0.5λ的整数倍，在y轴方向上的间距为0.25λ的整数倍，在z轴方向上的间距为0.6λ的整数倍，其中，λ＝λ₁或λ＝λ₂。

具体地，将有源阵列模块中的各有源集成天线单元在x轴方向上的间距设置为0.5λ的整数倍，在y轴方向上的间距设置为0.25λ的整数倍，在z轴方向上的间距设置为0.6λ的整数倍，其中λ为所述有源阵列模块的工作波长。也就是说，参看图2，对于所述低频阵列模块，其工作波长为λ₁，则所述低频阵列模块中包括的有源集成天线单元在x轴方向上的间距设置为0.5λ₁的整数倍，在y轴方向上的间距设置为0.25λ₁的整数倍，在z轴方向上的间距设置为0.6λ₁的整数倍。参看图3，对于所述高频阵列模块，其工作波长为λ₂，则所述高频阵列模块中包括的有源集成天线单元在x轴方向上的间距设置为0.5λ₂的整数倍，在y轴方向上的间距设置为0.25λ₂的整数倍，在z轴方向上的间距设置为0.6λ₂的整数倍。本发明实施例中，将所述有源阵列模块中包括的有源集成天线单元在x轴方向、y轴方向和z轴方向上的间距设置为不相同是为了更好的实现波束赋形功能，当然，所述有源阵列模块中包括的有源集成天线单元在x轴方向、y轴方向和z轴方向上的间距设置为相同，具体可以根据实际使用需要进行设置，本发明实施例不作具体限定。

在上述各实施例中，所述第一预设距离为5.1λ₁的整数倍。

具体地，将天线中的各有源阵列模块之间的距离设置为5.1λ₁的整数倍，其中λ₁为所述低频阵列模块的工作波长。

要使各有源阵列模块中的有源集成天线单元产生的多通信信道间的干扰越小越好，以更好的实现空间复用和空间分集功能，则所述各有源阵列模块之间的第一预设距离越大越好，一般情况下所述各有源阵列模块之间的距离为10.2λ，其中λ为所述有源阵列模块的工作波长。当高频数据和低频数据同为谐波时，高频率载波和低频率载波之间的相关的性关系小于0.3，由此可知，高频阵列模块与低频阵列模块之间产生的多通信信道间的干扰较小，因此，所述各有源阵列模块之间的干扰主要为同频阵列模块之间的干扰，也就是高频阵列模块与高频阵列模块之间干扰、低频阵列模块与低频阵列模块之间的干扰。由于所述高频阵列模块的工作波长小于所述低频阵列模块的工作波长，即λ₁>λ₂，则所述低频阵列模块之间的距离10.2λ₁大于所述高频阵列模块之间的距离10.2λ₂，则以所述低频阵列模块之间的距离10.2λ₁为基准设置所述第一预设距离，由于所述高频阵列模块和所述低频阵列模块间隔设置，因此，所述高频阵列模块和所述低频阵列模块之间的距离为10.2λ₁的一半，也就是各有源阵列模块之间的距离为5.1λ₁。本发明实施例中，将所述各有源阵列模块设置为二维结构，且所述各有源阵列模块在x轴方向和y轴方向的间距设置为相同，当然根据实际使用需要，综合天线的实际结构等其他因素，所述各有源阵列模块在x轴方向和y轴方向的间距还可以设置为其他数值，并且可以设置为不相同，此处不做具体限定。

在上述各实施例中，所述各有源阵列模块的几何尺寸相同。

具体地，所述各有源阵列模块包括多个高频阵列模块和多个低频阵列模块，两类阵列模块的几何尺寸大小一致，底座接口相同，可以任意插在底座的任何接口上，方便用户在底座上根据需要选择高频阵列模块和低频阵列模块分布插入。同时参看图2和图3，若以低频阵列模块的主频率f₁＝3GHz、波长λ₁＝10cm为模块大小的设计标准，包括所述4个有源集成天线单元的所述低频阵列模块的宽度可以设计为w＝7cm，高度可以设计为h＝15cm，厚度可以设计为d＝4cm。低频阵列模块的主频率f₂＝6GHz，波长λ＝5cm，则同样大小的所述有源阵列模块完全可以支持32个所述有源集成天线单元。

在上述各实施例中，各有源阵列模块设置有可插拔接口，用于与所述天线背板插拔连接。

具体地，在天线中各有源阵列模块种设置可插拔接口，用于与天线背板插拔连接，以方便有源阵列模块的更换维修等，并可以根据实际使用的需要随时增加或减少天线中的有源阵列模块。并且由于有源阵列模块被设计为一种对其他功能没有任何影响的可独立执行波束赋形功能的可插拔器件，各模块在空间上具有不相干性，保证各自发射信道是具有独立衰落的不相关信道，非常方便运营商根据热点小区、或密集小区的业务需求，随时随地灵活增加或减少有源阵列模块，调整MIMO天线的空间复用和空间分集应用，满足数据业务的通信要求，更可以方便更换不同频谱工作的有源阵列模块，以适应5G环境下不同应用场景中不同终端设备的应用频率。

在上述各实施例中，所述有源集成天线单元包括相控器，所述相控器包括辐射功放单元、耦合震荡单元和相控阵元。

具体地，每个有源集成天线单元中都包括有相控器，相控器包括射频功放单元、定位处理单元和相控阵元，用于对信号进行处理，实现波束赋形功能。可以理解的是，所述有源阵列模块的功能是专门产生赋形波束，所以每个所述有源阵列模块的信号是同一用户信号，但每个有源集成天线单元的信号与其前后左右上下相邻的各有源集成天线单元的相同信号存在相位差，所述相位差可以通过各有源集成天线单元阵元中的相控器灵活调整，每个相同有源集成天线单元的信号强度也可以根据实际需求确定。所以，虽然有源阵列模块上各阵元的位置固定不变，但通过调节各有源集成天线单元的信号强度和相位，同样可以方便获得指向任意方向的赋形波束，由于是有源部件，阵列模块除了有源集成天线单元和标准接口外，还有射频功放单元、定位处理单元、相控单元，甚至可以包括射频调制等功能单元，之所以将射频调制功能单元放在有源阵列模块中，因为要保持每个有源阵列模块与天线背板间接口的标准性，即每个有源阵列模块的接口都一样，将射频调制功能单元直接做在模块上，虽然加重了有源阵列模块硬件结构的复杂度，但可以方便模块在安装、维护和优化时的可插拔性。

在上述各实施例中，所述相控器还包括：波束赋形算法芯片。

具体地，有源集成天线单元中的相控器还包括波束赋形算法芯片，波束赋形的功能完全可以由有源阵列模块独立执行，天线只需为其提供目标终端的波达方向参数即可。由于有源阵列模块中有源集成天线单元的几何位置可以按照波束赋形的理论定位，无需采用预编码和其他补偿技术，又由于基于波束赋形的阵元权值算法比较简单，可以固化集成，既可降低模块的技术度，又可减少消耗系统资源的软件操作，所以有源阵列模块可以快速执行波束赋形功能。

本发明实施例还提供一种通信终端，包括上述实施例中的所述天线。

本发明实施例提供的一种通信终端，应用上述实施例中的天线进行信号的接收、处理和发送，具体可以是手机终端，或其他通信终端，本发明实施例不作具体限定。

下面结合理论分析，以验证本发明实施例提供的天线能够实现多频通信的功能，具体分析如下：

由于6GHz以上的高频谱，因其具有较大的连续频谱宽带、传输速率高和覆盖性能较差的特点，可以作为频谱资源应用的主流，为高访问量热点区提供高容量数据业务服务；6GHz以下的低频谱，因其多为碎片结构、频谱资源稀少、带宽较窄、传输速率较低和传输距离较远、覆盖性能较好的特点，可以作为频谱资源应用的辅助，为室内数据、某些特殊话务和M2M等可以使用碎片频谱的应用的补充。可以理解的是，所述有源阵列模块的工作波长越短，支持的频率越高，辐射传输的距离越短，在所述有源阵列模块的几何尺寸不变的情况下，所述有源阵列模块的工作波长越短，则所述振元的分布数量越多，也就是所述有源集成天线单元的数量越多，波束主瓣角越小，副瓣越少，主瓣能量密度越高，主瓣的辐射距离也就越远，可以平衡低频辐射与高频辐射距离不对等的缺陷。

有源大规模MIMO天线是以有源阵列模块作为辐射单元，用于进行信号的接收、处理和发送，其中辐射单元和有源阵列模块是相同的结构，具有相同的功能，下述的辐射单元与上述实施例中的有源阵列模块一致。将有源阵列模块分布在MIMO天线上的不同位置，所以有源阵列模块对目标用户处产生的波束赋形与有源阵列模块的位置有关。为了使有源阵列模块真正成为一个独立的即插即用的可插拔模块，可以给MIMO天线中安装有源阵列模块的位置设置一个位置标志。图4为本发明实施例提供的多频有源大规模MIMO天线结构示意图，如图4所示，在有8个有源阵列模块即辐射单元的MIMO天线上各有辐射单元的位置分别标记为1～8，排列为二维结构。其中，1、4、5、8为低频阵列模块，每个低频阵列模块中包括2×2×2＝8个有源集成天线单元即阵元振子；2、3、6、7为高频阵列模块，每个高频阵列模块中包括4×4×2＝32个有源集成天线单元即阵元振子。其中的低频阵列模块中的阵元数分别为n＝2、m＝2、q＝2，高频阵列模块中的阵元数分别为n＝4、m＝2、q＝4，低频波长λ₁＝10cm，高频波长λ₂＝5cm，为保证阵元的相干性，每个模块阵元的间距分别为a＝λ/2、b＝λ/4、c＝0.6λ。为了保证各阵列模块间的无关性，所有辐射单元的间距取A＝B＝5.1λ。所述低频阵列模块和所述高频阵列模块的几何尺寸为7cm×4cm×15cm，也就是所述低频阵列模块和所述高频阵列模块均均为长7cm、宽4cm、高15cm的长方体。当有辐射单元插入到位置2时，天线系统就能自动识别，并按照位置2来计算辐射单元的波束赋形对准低频数据对应的用户终端；当有辐射单元插入到位置5时，天线系统就能自动识别，并按照位置5来计算辐射单元的波束赋形对准高频数据对应的用户终端。

有源大规模MIMO天线的最大不同，就是作为辐射单元的有源阵列模块的设计与应用，若以有源阵列模块为辐射单元，则天线的空间复用和空间分集等基本功能与传统MIMO天线就没有多少差别，通过相关编码技术，可以使各有源阵列模块支持不同信号的用户复用即空间分集，或相同信号的空间复用功能，实现用户复用或空间复用的措施主要是使各阵列模块间尽可能保持辐射信号的无关性，而这个无关性则主要由各模块的间距决定的，与所述各有源阵列模块的频率无关，与现有技术的MIMO天线相同。因此，本发明实施例主要研究所述高频阵列模块和所述低频阵列模块是怎样根据目标终端的波达方向产生波束赋形的。

继续参看图4，所述MIMO天线中的各个辐射单元包括的阵元振子为半波天线，半波天线是长度为半个波长的直线天线，所述MIMO天线中的有源阵列模块有低频模块和高频模块，虽然每个阵列模块是三维立体阵列，但MIMO天线的辐射单元即有源阵列模块的结构是二维平面式。设MIMO天线辐射单元在x轴方向上的间距为A，x轴方向上有N个辐射单元；y轴方向上的间距B，y轴方向上有M个辐射单元。设所述辐射单元由n×m×q个阵元振子组成，x轴方向上的阵元振子间距a，x轴有n个阵元振子；y轴方向上的阵元振子间距b，y轴有m个阵元振子；z轴方向上的阵元振子间距c，z轴有q个阵元振子。设有移动终端位于MIMO天线正面

处，其中R、θ、

分别为P点的球坐标，若以Y轴为MIMO天线平面法线，则θ是辐射单元的倾角，

是辐射单元的方位角，R为MIIMO天线中心坐标原点至P点的距离。据此可以研究MIMO天线中某个辐射单元中的阵元振子d(i,j,k)对

处移动终端的波束成形。

设

距半波天线较远，半波天线长为2L、波数为k＝2π/λ、幅值为I_m。根据电磁场理论，当z≥0时信号激励电流为I(z)＝I_msink(l-z)、z<0时信号电流I(z)＝-I_msink(l+z)，当r>>L时，半波天线上的电流元Idz在P点产生的电磁场可以表示为dE_θ＝jη₀Idz/(2λr)(sinθ)e^-jkr，对所述半波天线长2L积分，可得单根半波天线的方向图函数：

f(θ)＝cos(π/2cosθ)/sinθ (1)

由所述半波天线组成的基本一维天线阵列有两种，一种是由N_x个半波天线平行组成的平行振子阵列，一种是N_z个半波天线共轴组成的共轴振子阵列，根据半波天线阵列方向图乘积定理，N_x阵元平行振子阵列和N_z阵元共轴振子阵列的方向图函数分别为：

f(θ)＝[cos(π/2cosθ)/sinθ][sin(N_zψ_z/2)/sin(ψ_z/2)] (3)

式中，

ψ_z＝α_z+kd_zcosθ是相邻振子间的总相位差。可以看出，平行振子阵列的方向图与倾角和方位角均相关，因而是定向阵列；共轴振子阵列的方向图仅与倾角相关，因而是方位全向性阵列。

所有二维平面和三维立体半波天线阵列都是由平行振子阵列和共轴振子阵列组成。设三维立体半波天线阵列在X轴上的阵元数为N_x、Y轴上的阵元数为N_y、Z轴上的阵元数为N_z，设X轴上相邻阵元间距为d_x、Y轴上相邻阵元间距为d_y、Z轴上相邻阵元间距为d_z，设X轴上相邻阵元激励电流相位差为α_x、Y轴上相邻阵元激励电流相位差为α_y、Z轴上相邻阵元激励电流相位差为α_z。根据半波天线阵列方向图乘积定理，三维立体半波天线阵列在

处的方向图函数为：

式中：

ψ_z＝α_z+kd_zcosθ为相邻阵元间的总相位差。

显然，[cos(π/2cosθ)/sinθ]是半波天线方向图函数，[sin(N_xψ_x/2)/sin(ψ_x/2)]是沿X轴的平行振子阵列阵因子，[sin(N_yψ_y/2)/sin(ψ_y/2)]是沿Y轴的平行振子阵列阵因子，[sin(N_zψ_z/2)/sin(ψ_z/2)]是沿Z轴的共轴振子阵列阵因子。

从公式(4)中可以看出，三维立体半波天线阵列一旦确定，可调参数就只有位于三个轴方向上相邻阵元激励电流的相位差α_x、α_y和α_z，其中，α_x主要调整波束的方位角，α_y主要调整波束的有效传播距离，α_z主要调整波束的倾角，所以系统可以根据应用场景通过各自的相移控制器分别调整α_x、α_y和α_z，实现阵列模块辐射波束的方向定位和强度确定。

分别取低频f＝3GHz和高频f＝6GHz分析。设d_x＝0.5λ，d_y＝0.25λ，d_z＝0.6λ。对于低频阵列模块取N_x＝2、N_y＝2、N_z＝2，对于高频阵列模块取N_x＝4、N_y＝2、N_z＝4。图5本发明实施例提供的8阵元低频阵列模块产生的赋形波束示意图，取α_x＝0、α_y＝-60°、α_z＝0时，所述8阵元低频模块产生的赋形波束如图5所示，由图5可以看出，8阵元阵子对应波束的波瓣角较大，辐射功率密度较低，副瓣极小。图6本发明实施例提供的32阵元高频阵列模块产生的赋形波束示意图，取α_x＝0、α_y＝-60°、α_z＝0时，高频32阵元模块产生的赋形波束如图6所示，由图6可以看出，32阵元波束的波瓣角较小，辐射功率密度较高，副瓣相对较大。由此可知，低频阵列模块虽然辐射功率泄漏小，但波瓣角较宽，分辨率较低，有效功率分布距离较近，但低频信号有传播距离远的优势；高频阵列模块虽然副瓣较多，功率泄漏较大，但主波瓣角较窄，分辨率较高，有效功率分布距离较远，正好能够弥补高频信号传播距离较近的缺陷。

在上述基本条件下，图7为低频8阵元和高频32阵元阵列模块的相邻阵元间相位差α_x与波束方向的关系曲线图，图8为低频8阵元和高频32阵元阵列模块的相邻阵元间相位差α_z与波束方向的关系曲线图，其中“o”和“*”是根据上述公式(4)获得的模拟数据，实线和虚线是与这些数据对应的直线。

对于低频8阵元模块，先分析X轴相邻阵元相位差α_x与波束方位角

的关系：根据图7中的数据，取X轴相邻阵元间的最小相位差α_x，min＝-200，产生的波束方位角

度，X轴相邻阵元间的最大相位差α_x，max＝＝200，产生的波束方位角

度，则任意X轴相邻阵元间的相位差α_x与产生的波束方位角

的线性关系可表示为：

再分析Z轴相邻阵元间的相位差α_z与波束倾角θ的关系：根据图8中的数据，取Z轴相邻阵元间的最小相位差α_z，min＝-200，产生的波束倾角θ_min＝52，Z轴相邻阵元间的最大相位差α_z，max＝200，产生的波束倾角的最大值为θ_max＝128，则任意Z轴相邻阵元间的相位差α_z与产生的波束倾角θ的线性关系可表示为：

α_z＝-200+(θ-52)×(200/38) (6)

对于高频32阵元阵列模块，先分析X轴相邻阵元间的相位差α_x与波束方位角

X轴相邻阵元间的最大相位差α_x，max＝200，产生的波束方位角

度，则任意X轴相邻阵元间的相位差α_x与产生的波束方位角

的线性关系可表示为：

再分析Z轴相邻阵元相位差α_z与波束倾角θ的关系：根据图8中的数据，取Z轴相邻阵元间的最小相位差α_z，min＝-200，产生的波束倾角θ_min＝39，Z轴相邻阵元间最大相位差为α_z，max＝200，产生的波束倾角最大值为θ_max＝141，则任意Z轴相邻阵元间的相位差α_z与产生的波束倾角θ的线性关系可表示为：

α_z＝-200+(θ-39)×(400/102) (8)

由图7和图8以及(5)～(8)式可以看出，相邻阵元相位差α_x与波束方向的关系以及α_z与波束方向的关系均呈高度近似线性，通过相关测量获得的终端波达方向数据后，就可以简单地获得α_x、α_z的调整数据。相控电路可以设计的非常简单，一定程度上降低了有源阵列模块设计的技术难度。

众所周知，阵列形成的波束包括主瓣和副瓣。一般情况下，主瓣远远大于副瓣，有的副瓣甚至可以忽略不计，如图4中的低频8阵元波束，有的副瓣甚至可以大于主瓣，特别是方位角或下倾角较大时产生的副瓣。副瓣的存在是辐射功率泄漏和产生邻频干扰的主要原因，所以副瓣越小越好。图9为有源阵列模块的阵元间的位相差α_x、α_y、α_z与辐射波束主瓣强度最大值的关系曲线图，如图9所示，其中主瓣波束强度变小时，则副瓣功率泄漏较大，或者副瓣较大。若取每个阵元的辐射强度为单位1，则8阵元阵列的平均强度为8，32阵元阵列的平均强度为32，阵元越多辐射波束主瓣的强度随阵元相位的变化也越大，不同阵元间相位差产生的影响也完全不同。

虽然阵元间位相差α_x、α_z在调整方位角、倾角时彼此独立，互不影响，但可以影响波束的强度分布，即在分别调整α_x、α_z时，波束的波瓣角有变化，若以Y轴参考，方位角和倾角的绝对值越大，波束的功率密度越高，能量传播的距离越远，副瓣也越小。图9A曲线说明α_x取值在-150°≤αx≤150°范围内时的波束强度或形状的变化不大，图9B曲线说明α_y取值在±60°～±120°范围内时的波束强度或形状分布较好，图9C曲线说明α_z取值在-100°≤αz≤100°范围内时的波束强度或形状也是不错的。根据图9曲线，α_x和α_z的值越大，则赋形波束的方位形和倾角也越大。所以，相控电路除了与方位角和下倾角相关，也要参考α_x、α_y和α_z的取值范围。

综上所述，可以根据目标终端的波达方向参数获得目标终端距基站的距离、下倾角和方位角值，参考α_x、α_y和α_z的取值范围就可以使辐射单元产生对准目标终端的赋形波束。

以上所描述的天线和通信终端的实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种天线，其特征在于，包括：

多个所述有源阵列模块按照矩阵排列，各有源阵列模块之间具有第一预设距离；低频阵列模块的工作波长为λ1，相应地，所述第一预设距离为5.1λ1的整数倍；

各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，且各有源集成天线单元之间具有第二预设距离，所述第二预设距离是根据所述有源阵列模块的工作波长确定的；

所述多个有源阵列模块包括多个低频阵列模块和多个高频阵列模块，形成二维结构；所述低频阵列模块与所述高频阵列模块在X、Y方向上分别等间隔交错对齐排列；

所述各有源阵列模块包括由n×m×q个所述有源集成天线单元组成的三维结构；其中，n、m和q均为大于等于2的正整数；

其中，所述各有源集成天线单元在x轴方向、y轴方向和z轴方向上的间距设置为相同。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述多个所述有源阵列模块按照矩阵排列，具体为：

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述低频阵列模块的工作波长为λ1，所述高频阵列模块的工作波长为λ2，λ1>λ2；相应地，所述各有源集成天线单元之间具有第二预设距离，具体为：

所述各有源集成天线单元在x轴方向上的间距为0.5λ的整数倍，在y轴方向上的间距为0.25λ的整数倍，在z轴方向上的间距为0.6λ的整数倍，其中，λ＝λ1或λ＝λ2。

4.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述各有源阵列模块的几何尺寸相同。

5.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，各有源阵列模块设置有可插拔接口，用于与所述天线背板插拔连接。

6.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述有源集成天线单元包括相控器，所述相控器包括辐射功放单元、耦合震荡单元和相控阵元。

7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述相控器还包括：波束赋形算法芯片。

8.一种通信终端，其特征在于，包括如权利要求1至7任一所述的天线。