CN109216915B - 天线及天线阵列 - Google Patents

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Abstract

一种天线电性连接于基板，包括辐射体，第一馈入部，第二馈入部，负载接入部，第一接地部及第二接地部。其中，辐射体的辐射面与基板所在平面平行，以辐射信号。第一馈入部的第一端与辐射体的中心位置电性连接，第一馈入部的第二端用于接收第一馈入信号，以产生第一场型。第二馈入部的第一端与辐射体的第一角电性连接，第二馈入部的第二端用于接收第二馈入信号，以产生第二场型。第一接地部电性连接于辐射体的第二角和基板上的地之间。第二接地部电性连接于辐射体的第三角和地之间。负载接入部电性连接于辐射体的第四角和负载之间，从而实现阻抗匹配。本发明的天线和天线阵列，既能在较宽的角度范围辐射信号，也能在一个指向的方向辐射信号。

Description

天线及天线阵列
技术领域
本发明涉及射频通信领域，尤其涉及一种天线及天线阵列。
背景技术
现阶段，随着通信速度的不断提升，多天线系统已成为趋势。然而，多天线系统面临着很多挑战。在多天线系统中，随着天线数量的增加，天线与天线之间的相互影响、干扰也越来越严重。且在一般的天线仅能提供一种能量辐射场型，在多天线系统中，就无可避免地使用到更多的天线，如此在有限的空间里将要容纳更多的天线，这就加剧了天线间的相互干扰。于此同时，现有技术中天线的半功率角的范围也很小。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种天线及天线阵列，以解决上述缺点。
本发明实施方式提供的一种天线，电性连接于基板，包括：辐射体，第一馈入部，第二馈入部，负载接入部，第一接地部及第二接地部。
其中，辐射体的辐射面与基板所在平面平行，以辐射信号。第一馈入部的第一端与辐射体的中心位置电性连接，第一馈入部的第二端用于接收第一馈入信号，以产生第一场型。第二馈入部的第一端与辐射体的第一角电性连接，第二馈入部的第二端用于接收第二馈入信号，以产生第二场型。第一接地部电性连接于辐射体的第二角和基板上的接地平面之间。第二接地部电性连接于辐射体的第三角和接地平面之间。负载接入部电性连接于辐射体的第四角和负载之间，从而实现阻抗匹配。
优选地，辐射体的辐射面呈正方形。
优选地，第二角和第三角同在正方形的一条对角线上。
优选地，第一馈入部、第二馈入部、第一接地部、第二接地部和负载接入部皆呈长条形，且皆与辐射体垂直。
优选地，第一接地部与第二接地部平行。
优选地，第二馈入部与负载接入部平行。
优选地，产生第一场型时，第二馈入部与一个负载电性连接。产生所述第二场型时，第一馈入部与一个负载电性连接。
优选地，在垂直于基板所在平面的辐射场型中,第一场型的半功率角的角度范围是从第一角度至第二角度的范围及从第三角度至第四角度的范围。第二场型的半功率角的角度范围是从第二角度至第三角度。其中，第一角度小于第二角度，第二角度小于第三角度，第三角度小于第四角度。
优选地，第一角度至第四角度的角度范围大于150度。
本发明还提供了一种天线阵列，包括多个如上之天线，天线以N×N阵列的形式排列，每个天线的辐射部皆与基板所在平面平行，其中N为正整数，指的是每一行或者每一列的天线的数量。
本发明的天线和天线阵列，既能在较宽的角度范围辐射信号，也能在一个指向的方向辐射信号。本发明既适用于安装在天花板上，也适用于安装于墙壁上。
附图说明
图1为本发明天线一实施方式的示意图。
图2为本发明天线一实施方式从上斜着往下看的侧视图。
图3为本发明天线一实施方式从下斜着往上看的侧视图。
图4为本发明天线一实施方式二维辐射场型的测量图。
图5为本发明天线一实施方式辐射第一场型时的回波损耗测量图。
图6为本发明天线一实施方式辐射第一场型时的电压驻波比的测量图。
图7为本发明天线一实施方式辐射第二场型时的回波损耗测量图。
图8为本发明天线一实施方式辐射第二场型时的电压驻波比的测量图。
图9为本发明天线阵列一实施方式的示意图。
图10为本发明天线阵列一实施方式XZ平面的辐射场型的测量图。
图11为本发明天线阵列一实施方式YZ平面的辐射场型的测量图。
图12为本发明天线阵列一实施方式的示意图。
图13为本发明天线阵列一实施方式XZ平面的辐射场型的测量图。
图14为本发明天线阵列一实施方式YZ平面的辐射场型的测量图。
图15为本发明天线阵列一实施方式的示意图。
图16为本发明天线阵列一实施方式XZ平面的辐射场型的测量图。
图17为本发明天线阵列一实施方式YZ平面的辐射场型的测量图。
图18为本发明天线阵列一实施方式的示意图。
图19为本发明天线阵列一实施方式XZ平面的辐射场型的测量图。
图20为本发明天线阵列一实施方式YZ平面的辐射场型的测量图。
主要元件符号说明
天线 1，A1-A9
基板 2
天线阵列 3
辐射体 10
第一馈入部 20
第二馈入部 30
负载接入部 40
第一接地部 50
第二接地部 60
第一点 P1
第二点 P2
第三点 P3
第四点 P4
曲线 F1，F2
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请一并参阅图1至图3，图1为本发明天线1一实施方式的示意图。图2为本发明天线1一实施方式从上斜着往下看的侧视图。图3为本发明天线1一实施方式从下斜着往上看的侧视图。
在本实施方式中，天线1电性连接于基板。基板中设置了接地平面，主要起信号反射作用。天线1包括辐射体10，第一馈入部20，第二馈入部30，负载接入部40，第一接地部50及第二接地部60。辐射体10的辐射面呈正方形。该正方形的四角分别形成为辐射体10的第一角、辐射体10的第二角、辐射体10的第三角及辐射体10的第四角。在其他实施方式，辐射体10的辐射面也可以设置为其他形状，如四边形或者其他多边形等。
其中，辐射体10的辐射面与基板所在平面平行，以辐射信号。第一馈入部20的第一端与辐射体10的中心位置电性连接，第一馈入部20的第二端用于接收第一馈入信号，以产生第一场型(如图4所示)。第二馈入部30的第一端与辐射体10的第一角电性连接，第二馈入部30的第二端用于接收第二馈入信号，以产生第二场型(如图4所示)。第一接地部50电性连接于辐射体10的第二角和接地平面之间。第二接地部60电性连接于辐射体10的第三角和接地平面之间。负载接入部40电性连接于辐射体10的第四角和负载(图未示)之间，从而实现阻抗匹配。在本实施方式中，负载的阻值为50欧姆。天线1的工作频段为5150兆赫兹(MHz)-5850MHz。
具体地，辐射体10的第二角和辐射体10的第三角同在正方形的一条对角线上，即第一接地部50和第二接地部60分别连接于正方形的对角上。且，第一馈入部20、第二馈入部30、第一接地部50、第二接地部60和负载接入部40皆呈长条形，且皆与辐射体10垂直。第一接地部50与第二接地部60平行。第二馈入部30与负载接入部40平行。本实施方式的天线1的辐射体10可以通过第一馈入部20、第二馈入部30、第一接地部50、第二接地部60与基板接触。在其他实施方式中，天线1的辐射体10也可以仅通过第一接地部50、第二接地部60与基板接触。天线1整体尺寸为：长23.5毫米，宽23.5毫米，高4.4毫米。
请参阅图4，图4为本发明天线1一实施方式二维辐射场型的测量图。
在本实施方式中，天线1主要通过球坐标的方式进行描述。本领域技术人员容易得知，在球坐标(Spherical coordinate system)中，球坐标表示的是一个点在三维空间的位置的三维正交坐标系。原点到该点的连线，在xy平面的投影线与正x轴之间的方位角为
Figure BDA0001337771500000041
在本实施方式的球坐标中，基板所在平面作为XY平面，垂直基板所在平面且指向天线1辐射体10的方向为正Z轴方向。如图4所示，该二维辐射场型的测量图在phi等于0°時的条件下测量而得，即测得的测量图为垂直于基板所在平面时的二维辐射场型图。
在图4中，曲线F1表示的是第一场型，曲线F2表示的是第二场型。在本领域技术中，术语半功率角指的是3dB波束宽度或半功率波束宽度。在辐射场型中，把相对最大辐射功率通量密度下降到一半处(即下降为最大值3dB处)的两点之间的夹角称为半功率角。而根据图4，曲线F1与3dB线的交点分别是第一点P1，第二点P2，第三点P3及第四点P4。第一点P1所在的第一角度约为-84°，第二点P2所在的第二角度约为-35°，第三点P3所在的第三角度约为38.5°及第四点P4所在的第四角度约为70°。曲线F2与3dB线的交点也为第二点P2及第三点P3。由此可知，第一场型的半功率角的角度范围是从第一角度至第二角度的范围及从第三角度至第四角度的范围，即大概为-84°至-35°的范围及38.5°至70°的范围。因此，第一场型有较宽的信号覆盖范围。第二场型的半功率角的角度范围是从第二角度至第三角度的范围，即大概为-35°至38.5°的范围。因此，第二场型有一个指向性的信号覆盖范围。从整体上看，上述第一场型的覆盖范围加上第二场型的信号覆盖范围可以组成一个连续区间的半功率角的覆盖范围，即从第一角度至第四角度的范围皆为本发明天线1的半功率角的覆盖范围。因此，本发明天线1的半功率角的覆盖范围大于150度。
在本实施方式中，在产生第一场型时，第二馈入部30与一个负载电性连接。在产生第二场型时，第一馈入部20与一个负载电性连接。当需要进行一个较宽角度范围的信号辐射时，可以通过产生第一场型实现。当需要进行一个指向性的信号辐射时，可以通过产生第二场型实现。由此可知，与其他一些不具有多个场型的天线相比，本发明的天线1既能在较宽的角度范围辐射信号，也能在一个指向的方向辐射信号。本发明的天线1既适用于安装在天花板上，也适用于安装于墙壁上。
请一并参阅图5和图6，图5为本发明天线1一实施方式辐射第一场型时的回波损耗测量图，图6为本发明天线1一实施方式辐射第一场型时的电压驻波比的测量图。如图5和图6所示，辐射第一场型时的回波损耗(return loss)低于-8dB，同时，电压驻波比(VoltageStanding Wave Ratio,VSWR)小于2.2，驻波比较小，反射功率较低，传输效率较高。
请一并参阅图7和图8，图7为本发明天线1一实施方式辐射第二场型时的回波损耗测量图。图8为本发明天线1一实施方式辐射第二场型时的电压驻波比的测量图。如图7和图8所示，辐射第二场型时的回波损耗(return loss)低于-5dB，同时，电压驻波比(VoltageStanding Wave Ratio,VSWR)小于3.3，驻波比较小，反射功率较低，传输效率较高。
请一并参阅图9，图10和图11，请参阅图9为本发明天线阵列3一实施方式的示意图。图10为本发明天线阵列3一实施方式XZ平面的辐射场型的测量图。图11为本发明天线阵列3一实施方式YZ平面的辐射场型的测量图。在本实施方式的球坐标中，基板所在平面作为XY平面，垂直基板所在平面且指向天线1辐射体10的方向为正Z轴方向。如图9所示，在本实施方式中，天线阵列3包括九个天线A1-A9。天线A1-A9皆为上述实施方式的天线。九个天线A1-A9以3×3阵列的形式排列。九个天线A1-A9分别设置于九宫格的每一格中，每个天线的辐射部皆与基板所在平面平行。其中，天线A1-A3设置于Y方向的第一排，天线A4-A6设置于Y方向的第二排，天线A7-A9设置于Y方向的第三排。天线A1-A3分别接收相位超前90度的馈入信号，天线A4-A6接收相位为0度的馈入信号，天线A7-A9接收相位滞后90度的馈入信号，以实现对天线阵列3的波束操控或波束成形(beamforming)。根据图10和图11可知，本实施方式中的信号能量主要往正X轴方向(phi＝0°)倾斜。
请一并参阅图12，图13和图14，请参阅图12为本发明天线阵列3一实施方式的示意图。图13为本发明天线阵列3一实施方式XZ平面的辐射场型的测量图。图14为本发明天线阵列3一实施方式YZ平面的辐射场型的测量图。在本实施方式的球坐标中，基板所在平面作为XY平面，垂直基板所在平面且指向天线辐射体10的方向为正Z轴方向。如图12所示，在本实施方式中，天线阵列3包括九个天线A1-A9。天线A1-A9皆为上述实施方式的天线。九个天线A1-A9以3×3阵列的形式排列。九个天线A1-A9分别设置于九宫格的每一格中，每个天线的辐射部皆与基板所在平面平行。其中，天线A1-A3设置于Y方向的第一排，天线A4-A6设置于Y方向的第二排，天线A7-A9设置于Y方向的第三排。天线A1、A4、A7分别接收相位超前90度的馈入信号，天线A2、A5、A8接收相位为0度的馈入信号，天线A3、A6、A9接收相位滞后90度的馈入信号，以实现对天线阵列3的波束操控或波束成形。根据图13和图14可知，本实施方式中的信号能量主要往正Y轴方向(phi＝90°)倾斜。
请一并参阅图15，图16和图17，请参阅图15为本发明天线阵列3一实施方式的示意图。图16为本发明天线阵列3一实施方式XZ平面的辐射场型的测量图。图17为本发明天线阵列3一实施方式YZ平面的辐射场型的测量图。在本实施方式的球坐标中，基板所在平面作为XY平面，垂直基板所在平面且指向天线辐射体10的方向为正Z轴方向。如图15所示，在本实施方式中，天线阵列3包括九个天线A1-A9。天线A1-A9皆为上述实施方式的天线。九个天线A1-A9以3×3阵列的形式排列。九个天线A1-A9分别设置于九宫格的每一格中，每个天线的辐射部皆与基板所在平面平行。其中，天线A1-A3设置于Y方向的第一排，天线A4-A6设置于Y方向的第二排，天线A7-A9设置于Y方向的第三排。天线A1-A3分别接收相位滞后90度的馈入信号，天线A4-A6接收相位为0度的馈入信号，天线A7-A9接收相位超前90度的馈入信号，以实现对天线阵列3的波束操控或波束成形。根据图16和图17可知，本实施方式中的信号能量主要往负X轴方向(phi＝180°)倾斜。
请一并参阅图18，图19和图20，请参阅图18为本发明天线阵列3一实施方式的示意图。图19为本发明天线阵列3一实施方式XZ平面的辐射场型的测量图。图20为本发明天线阵列3一实施方式YZ平面的辐射场型的测量图。在本实施方式的球坐标中，基板所在平面作为XY平面，垂直基板所在平面且指向天线辐射体10的方向为正Z轴方向。如图18所示，在本实施方式中，天线阵列3包括九个天线A1-A9。天线A1-A9皆为上述实施方式的天线。九个天线A1-A9以3×3阵列的形式排列。九个天线A1-A9分别设置于九宫格的每一格中，每个天线的辐射部皆与基板所在平面平行。其中，天线A1-A3设置于Y方向的第一排，天线A4-A6设置于Y方向的第二排，天线A7-A9设置于Y方向的第三排。天线A1、A4、A7分别接收相位滞后90度的馈入信号，天线A2、A5、A8接收相位为0度的馈入信号，天线A3、A6、A9接收相位超前90度的馈入信号，以实现对天线阵列3的波束操控或波束成形。根据图19和图20可知，本实施方式中的信号能量主要往负Y轴方向(phi＝270°)倾斜。
在以上天线阵列3的实施方式中,天线阵列3中的天线A1-A9皆通过第二馈入部馈入信号，在其他实施方式中，本发明的天线还可以以N×N阵列的形式排列，每个天线的辐射部皆与基板所在平面平行，其中N为正整数，指的是每一行或者每一列的天线的数量。在其他实施方式中，也可以根据需求通过上述的第一馈入部输入信号。本发明的天线1和天线阵列3，既能在较宽的角度范围辐射信号，也能在一个指向的方向辐射信号。本发明既适用于安装在天花板上，也适用于安装于墙壁上。

Claims (9)

1.一种天线，电性连接于基板，其特征在于，包括：
辐射体，所述辐射体的辐射面与所述基板所在平面平行，以辐射信号,所述辐射体的辐射面呈正方形；
第一馈入部，所述第一馈入部的第一端与所述辐射体的中心位置电性连接，所述第一馈入部的第二端用于接收第一馈入信号，以产生第一场型；
第二馈入部，所述第二馈入部的第一端与所述辐射体的第一角电性连接，所述第二馈入部的第二端用于接收第二馈入信号，以产生第二场型；
第一接地部，电性连接于所述辐射体的第二角和所述基板上的接地平面之间；
第二接地部，电性连接于所述辐射体的第三角和所述接地平面之间；及
负载接入部，电性连接于所述辐射体的第四角和负载之间，从而实现阻抗匹配。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第二角和所述第三角同在所述正方形的一条对角线上。
3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一馈入部、所述第二馈入部、所述第一接地部、所述第二接地部和所述负载接入部皆呈长条形，且皆与所述辐射体垂直。
4.如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第一接地部与所述第二接地部平行。
5.如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第二馈入部与所述负载接入部平行。
6.如权利要求1所述的天线，其特征在于，产生所述第一场型时，所述第二馈入部与一个所述负载电性连接；产生所述第二场型时，所述第一馈入部与一个所述负载电性连接。
7.如权利要求1所述的天线，其特征在于，在垂直于所述基板所在平面的辐射场型中,所述第一场型的半功率角的角度范围是从第一角度至第二角度的范围及从第三角度至第四角度的范围；所述第二场型的半功率角的角度范围是从所述第二角度至所述第三角度；其中，所述第一角度小于所述第二角度，所述第二角度小于所述第三角度，所述第三角度小于所述第四角度。
8.如权利要求7所述的天线，其特征在于，所述第一角度至所述第四角度的角度范围大于150度。
9.一种天线阵列，其特征在于，包括：
多个如权利要求1至8任一项所述之天线，所述天线以N×N阵列的形式排列，每个所述天线的辐射部皆与基板所在平面平行，其中N为正整数，指的是每一行或者每一列的所述天线的数量。
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