CN109273847A - 天线系统及通讯终端 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种天线系统，包括子阵列喇叭单元，子阵列喇叭单元包括设有背腔的金属基座；叠设电连接于金属基座的顶面且完全覆盖背腔的电路板，电路板包括电路板主体和贯穿电路板主体的呈矩形状的四个相互平行的插槽，四个所述插槽交错排布并围设形成一中心区域；插槽形成所述子阵列喇叭单元的馈电端口；叠设电连接于所述电路板并位于所述中心区域的移相单元；喇叭单元，包括叠设并电连接于所述电路板的四个喇叭，四个所述喇叭依次首尾连接并环设于所述移相单元，每一所述喇叭压设于一所述插槽。本发明还提供一种通讯终端。与相关技术相比，本发明天线系统及通讯终端通讯信号强且稳定，可靠性好，频段覆盖范围广。

Description

天线系统及通讯终端
技术领域
本发明涉及一种天线，尤其涉及一种运用在通讯电子产品领域的天线系统及通讯终端。
背景技术
随着移动通讯技术的发展，手机、PAD、笔记本电脑等逐渐成为生活中不可或缺的电子产品，并且该类电子产品都更新为增加天线系统使其具有通讯功能的电子通讯产品。
5G作为全球业界的研发焦点，其三个主要应用场景：增强型移动宽带、大规模机器通信、高可靠低延时通信。这三个应用场景分别对应着不同的关键指标，其中增强型移动带宽场景下用户峰值速度为20Gbps，最低用户体验速率为100Mbps。毫米波独有的高载频、大带宽特性是实现5G超高数据传输速率的主要手段，因此，毫米波频段丰富的带宽资源为高速传输速率提供了保障。
然而，毫米波由于该频段电磁波剧烈的空间损耗，利用毫米波频段的无线通信天线系统需要采用相控阵的架构。通过移相器使得各个阵元的相位按一定规律分布，从而形成高增益波束，并且通过相移的改变使得波束在一定空间范围内扫描。但在毫米波频段下,如果天线系统发射机和接收机之间不能保持视距通信, 通信链路就容易中断，若其波束范围内覆盖的频段带宽有限则会影响天线系统的可靠性。
因此，有必要提供一种新的天线系统及通讯终端解决上述问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种通讯信号强且稳定，可靠性好，频段覆盖范围广天线系统及通讯终端。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种天线系统，其包括子阵列喇叭单元，所述子阵列喇叭单元包括：金属基座，呈长方体结构，所述金属基座包括顶面、与所述顶面相对的底面以及由所述顶面向所述底面方向凹陷形成的背腔；电路板，所述电路板叠设电连接于所述金属基座的顶面且完全覆盖所述背腔；所述电路板包括电路板主体和贯穿所述电路板主体的呈矩形状的插槽，所述插槽包括四个且相互平行设置，四个所述插槽交错排布并围设形成一中心区域；所述电路板主体用于形成系统地，所述插槽用于形成所述子阵列喇叭单元的馈电端口，所述馈电端口的两端分别与所述插槽的沿其宽度方向的两侧电连接；移相单元，包括叠设电连接于所述电路板并位于所述中心区域的移相芯片；及喇叭单元，包括叠设并电连接于所述电路板的四个喇叭，四个所述喇叭依次首尾连接并环设于所述移相单元，每一所述喇叭压设于一所述插槽；每一所述喇叭包括两个相对设置的侧壁、分别垂直固定于两个所述侧壁内侧且呈间隔的两个脊以及填充设于两个所述脊之间的介电基板，两个所述侧壁垂直叠设电连接于所述电路板主体并分别位于所述插槽宽度方向的相对两侧，两个所述脊垂直叠设电连接于所述电路板主体并分别位于所述插槽宽度方向的相对两侧，所述介电基板正对并垂直抵接于所述插槽设置，且所述介电基板抵接于所述插槽部分的宽度等于所述插槽的宽度。
优选的，同一所述喇叭的两个所述侧壁平行于该喇叭压设的所述插槽且关于该插槽对称，每个所述喇叭在其两个所述侧壁的端部形成开口。
优选的，每一所述喇叭的所述脊包括外壁面和内壁面，所述外壁面连接于所述侧壁并与所述电路板垂直，所述内壁面自其靠近所述电路板的一端向远离所述电路板的一端逐渐张开，以使所述脊的靠近所述电路板一端的横截面面积大于其远离所述电路板一端的横截面面积。
优选的，所述脊包括与所述电路板本体相接的固定部和自所述固定部延伸至所述侧壁远离所述电路板本体一端的延伸部，所述延伸部自其靠近所述固定部的一端向远离所述固定部的一端逐渐张开，以使所述延伸部靠近所述固定部一端的横截面面积大于其远离所述固定部一端的横截面面积。
优选的，所述移相单元还包括完全盖设于所述移相芯片的金属屏蔽件。
优选的，四个所述喇叭交错排布并环绕所述中心区域设置，四个所述喇叭均分为第一组和第二组，所述第一组中两个所述喇叭的两个侧壁正对设置，所述第二组中两个所述喇叭的两个开口正对设置，所述第一组中的两个所述喇叭相对的两个所述侧壁分别夹设于所述第二组中两个所述喇叭相对的两组所述侧壁之间并形成连接。
优选的，所述子阵列喇叭单元包括N个，N个所述子阵列喇叭单元呈交错分布且相互电连接，形成相控阵天线系统。
优选的，N个所述子阵列喇叭单元的所述金属基座为一体成型结构，N个所述子阵列喇叭天线单元的所述电路板为一体成型结构。
本发明还提供一种通讯终端，其包括本发明提供的上述天线系统。
与相关技术相比，本发明的天线系统及通讯终端中，将所述天线系统设计为一个或多个子阵列喇叭单元，从而形成高增益波束，并且通过相移的改变使得波束在较大的空间范围内扫描，以保持运用该天线系统的发射机和接收机之间的视距通信不间断，进而使得运用该天线系统的通讯终端通讯信号强且稳定，可靠性好，频段覆盖范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图，其中：
图1为本发明天线系统的子阵列喇叭单元的结构示意图；
图2为本发明天线系统的子阵列喇叭单元的部分立体结构分解示意图；
图3为沿图1中A-A线的剖示图；
图4为本发明天线系统的喇叭的结构示意图；
图5为本发明天线系统的子阵列喇叭单元中的电路板俯视图；
图6为图1的俯视图；
图7为图1的子阵列喇叭单元的S参数特性曲线图，其中，图7a为子阵列喇叭单元中各喇叭的反射系数曲线图，图7b为子阵列喇叭单元的其中一个喇叭与其它三个喇叭的隔离度的曲线图；
图8为本发明子阵列喇叭单元在28GHz、各喇叭等幅同相馈电时，Phi=0°平面内以及Phi=90°平面内的增益曲线图；
图9为本发明天线系统其中一种实施方式的立体结构分解示意图；
图10为图9的天线系统的俯视图；
图11为图9的天线系统的S参数特性曲线图，其中，图11a为天线系统中各喇叭的反射系数曲线图，图11b为天线系统的其中一个喇叭与其它十五个喇叭的隔离度曲线图；
图12为图9的天线系统在28GHz、各喇叭具有相差时，Phi=0°平面内以及Phi=90°平面内的增益曲线图，其中图12a为Phi=0°平面内的增益曲线图，图12b为Phi=90°平面内的增益曲线图；
图13为本发明天线系统另一种实施方式的立体结构分解示意图；
图14为图13的天线系统的结构俯视图；
图15为图13的天线系统在28GHz、各喇叭具有相差时，Phi=0°平面内以及Phi=90°平面内的增益曲线图，其中图15a为Phi=0°平面内的增益曲线图，图15b为Phi=90°平面内的增益曲线图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请同时参图1-6所示，本发明提供了一种天线系统100，包括子阵列喇叭单元10。所述子阵列喇叭单元10包括金属基座1、叠设于所述金属基座1并与所述金属基座1电连接的电路板2、叠设于所述电路板2并与所述电路板2电连接的移相单元3以及叠设于所述电路板2并与所述电路板2电连接的喇叭单元4。
所述金属基座1呈矩形立方体结构，比如长方体结构。所述金属基座1包括顶面11、与所述顶面11相对的底面12以及由所述顶面11向所述底面12方向凹陷的背腔13。
所述电路板2叠设固定于所述金属基座1的顶面11且完全覆盖所述背腔13。所述电路板2与所述金属基座1电连接，所述电路板2与所述金属基座1共同围成一背腔空间20，该背腔空间20用于减少所述子阵列喇叭单元10的背向辐射。
所述电路板2的截面呈矩形，如正方形或长方形，优选正方形。所述电路板2包括电路板主体21和贯穿所述电路板主体21的呈矩形状的插槽22，本实施方式中所述插槽22呈矩形状。所述插槽22包括四个且相互平行设置，四个所述插槽22交错排布并围设形成一中心区域23。
所述电路板主体21用于形成系统地，所述插槽22用于形成所述子阵列喇叭单元10的馈电端口，该馈电端口的两端分别与所述插槽22的沿其宽度方向的两侧电连接。此时，所述子阵列喇叭单元10的馈电信号由该馈电端口馈入。
本实施方式中，所述金属基座1在所述电路板2上的正投影的外轮廓与所述电路板2的外轮廓重合，且均为正方形。
所述移相单元3包括叠设电连接于所述电路板2并位于所述中心区域23的移相芯片31。本实施方式中，所述移相芯片31为四核移相芯片。所述移相芯片31为各喇叭单元4提供相差，以在所需的覆盖角度内引导天线系统100的辐射模式, 以保持发射机和接收机之间的视距通信不中断，增加总增益。具体的，所述移相芯片31用于使喇叭单元4的各喇叭的相位按一定规律分布，从而形成高增益波束，并且通过相移的改变使得波束在一定空间范围内扫描，在所需的覆盖角度内引导天线系统100的辐射模式, 以保持运用该天线系统100的发射机和接收机之间的视距通信不间断，从而提高其可靠性。
更优的，所述移相单元3还包括完全盖设于所述移相芯片31的金属屏蔽件32。所述金属屏蔽件32的设置可减小甚至消除所述移相芯片31对喇叭单元4的干扰，提高通讯可靠性。
所述喇叭单元4包括四个喇叭41且呈交错分布，四个所述喇叭41依次首尾连接并环设于所述移相单元3，每一所述喇叭41压设于一所述插槽22。本实施方式中，所述喇叭41为毫米波天线喇叭。
具体的，每一所述喇叭41包括两个相对设置的侧壁411、分别垂直固定于两个所述侧壁411内侧且呈间隔的两个脊412以及填充设于两个所述脊412之间的介电基板413。
两个所述侧壁411垂直叠设电连接于所述电路板主体21并分别位于所述插槽22宽度方向的相对两侧。更优的，同一所述喇叭41的两个所述侧壁411平行于该喇叭41压设的所述插槽22且关于该插槽22对称，每个所述喇叭41在其两个所述侧壁411的端部形成开口414。
本实施方式中，四个所述喇叭41交错排布并环绕所述中心区域23设置，四个所述喇叭41均分为第一组和第二组，所述第一组中两个所述喇叭41的两个侧壁411正对设置，所述第二组中两个所述喇叭41的两个开口414正对设置，所述第一组中的两个所述喇叭41相对的两个所述侧壁411分别夹设于所述第二组中两个所述喇叭41相对的两组所述侧壁411之间并形成连接，从而形成对所述中心区域23的环绕围设。
两个所述脊412垂直叠设电连接于所述电路板主体21并分别位于所述插槽22宽度方向的相对两侧。更优的，两个所述脊412分别电连接于两个所述侧壁411内侧的中间位置。
所述介电基板413正对并垂直抵接于所述插槽22设置，且所述介电基板413抵接于所述插槽22部分的宽度等于所述插槽22的宽度。所述介电基板413即为绝缘材料制成的基板。
上述喇叭单元4的结构中，由两个所述脊412通过作为馈电端口结构的所述插槽22馈入电信号。
更优的，每一所述喇叭41的所述脊412包括外壁面4121和内壁面4122。所述外壁面4121连接于所述侧壁411并与所述电路板2垂直，所述内壁面4122自其靠近所述电路板2的一端向远离所述电路板2的一端逐渐张开，以使所述脊412的靠近所述电路板2一端的横截面面积大于其远离所述电路板2一端的横截面面积。即上述结构设置使得所述喇叭41形成一喇叭状结构。
所述脊412具体包括与所述电路板本体21相接的固定部412a和自所述固定部412a延伸至所述侧壁411远离所述电路板本体21一端的延伸部412b，所述延伸部412b自其靠近所述固定部412a的一端向远离所述固定部412a的一端逐渐张开，以使所述延伸部412b靠近所述固定部412a一端的横截面面积大于其远离所述固定部412a一端的横截面面积。
上述子阵列喇叭单元10形成4单元交错排布组合的毫米波相控阵天线系统结构。
请结合图7-8所示，图7为图1子阵列喇叭单元的S参数特性曲线图。
其中，图7a为子阵列喇叭单元中各喇叭的反射系数曲线图，四个喇叭的反射系数曲线分别为S11、S22、S33、S44。所有4个喇叭的反射系数在25GHz-30GHz 内小于-6dB，带宽均超过 5GHz。
图7b为子阵列喇叭单元的其中一个喇叭与其它三个喇叭的隔离度的曲线图。在频率范围25GHz-31GHz内, 隔离度保持在-15dB 以下, 在28GHz 的隔离度低于-20dB。
图8为本发明天线系统的子阵列喇叭单元在28GHz、各喇叭等幅同相馈电时的增益曲线图，包括Phi=0°平面内的增益曲线图，以及Phi=90°平面内的增益曲线图。其中，Phi=0°平面和Phi=90°平面分别为图6中所示的平面。在28GHz 时，在Phi=0°和Phi=90°平面上，该4个喇叭排布的毫米波相控阵天线系统的最大增益为 12.9dBi，半功率波束宽度 (HPBW) 为28°（θ=-14°到θ=14°）。
本发明的所述天线系统中，所述子阵列喇叭单元10可包括不同数量的设置的实施方式，所述子阵列喇叭单元10包括N个，N个所述子阵列喇叭单元10呈交错分布且相互电连接，形成相控阵天线系统结构。N个所述子阵列喇叭单元10的所述金属基座1为一体成型结构，N个所述子阵列喇叭天线单元的所述电路板2为一体成型结构。
比如，如图9-10所示，四个所述子阵列喇叭单元10形成的包括16个喇叭41呈交错分布的毫米波相控阵天线系统结构。其中，图9为本发明天线系统其中一种实施方式的立体结构分解示意图；图11为图9的天线系统的俯视图。
本实施方式中，所述天线系统900中，包括四个所述子阵列喇叭单元90，四个所述子阵列喇叭单元90呈矩阵分布且相互电连接，形成16个喇叭呈交错分布的毫米波相控阵天线系统结构。该子阵列喇叭单元90即为上述实施方式中的子阵列喇叭单元10。
更优的，四个所述子阵列喇叭单元90的所述金属基座901为一体成型结构，四个所述子阵列喇叭单元90的所述电路板902为一体成型结构。四个移相单元903分别叠设于四个所述电路板902上，四个喇叭单元904分别叠设于四个所述电路板902上并电连接。所述金属基座901、所述电路板902、所述移相单元903以及所述喇叭单元904的结构均与上述4个喇叭交错分布形成的毫米波相控阵天线系统结构中的子阵列喇叭单元中对应的结构相同，在此不在赘述。
该实施方式中，请结合图11-12所示，其中图11为图9的天线系统的S参数特性曲线图，其中，图11a为天线系统中各喇叭的反射系数曲线图，所有16个喇叭的反射系数在频段范围为25.2GHz-30GHz 内小于-6dB，带宽约5GHz。
图11b为天线系统的其中一个喇叭与其它十五个喇叭的隔离度的曲线图。在频率范围25GHz-31GHz内, 隔离度保持在-18dB 以下。
图12为图9的天线系统在28GHz、各喇叭具有相差时的增益曲线图，其中图12a为Phi=0°平面内的增益曲线图，图12b为Phi=90°平面内的增益曲线图。其中，Phi=0°平面和Phi=90°平面分别为图10中所示的平面。
由图12a可知，当所述天线系统900中的相应的喇叭间相差为±150°、±120°、±90°、±60°、±30°和0°时，最大增益为在28GHz频率时的18.6dBi, 天线系统900能够从θ=-45°至θ=45°（总覆盖90°)范围内,保持高于15.6dBi的半功率增益。
由图12b可知，当所述天线系统900中的相应的喇叭间相差为±150°、±120°、±90°、±60°、±30°和 0 °时，最大增益为在28GHz频率时的18.6dBi, θ=-45°至θ=45°（总覆盖90°)范围内, 同时保持高于15.6dBi的半功率增益。
本发明的所述天线系统中，所述子阵列喇叭单元10的还可包括另一种实施方式，如图13-14所示，16个子阵列喇叭单元10形成的64个喇叭呈交错分布形成的毫米波相控阵天线系统结构，其中，图13为本发明天线系统另一种实施方式的立体结构分解示意图；图14为图13的天线系统的部分结构俯视图。
本实施方式中，所述天线系统1300中，所述子阵列喇叭单元130包括十六个，十六个所述子阵列喇叭单元130呈矩阵分布且相互电连接，形成64个喇叭呈交错分布的毫米波相控阵天线系统结构。该子阵列喇叭单元130即为上述实施方式中的子阵列喇叭单元10。
更优的，十六个所述子阵列喇叭单元130的所述金属基座1301为一体成型结构，十六个所述子阵列喇叭单元130的所述电路板1302为一体成型结构。十六个移相单元1303分别叠设于十六个所述电路板1302上，十六个喇叭单元1304分别叠设于十六个所述电路板1302上并电连接。所述金属基座1301、所述电路板1302、所述移相单元1303以及所述喇叭单元1304的结构均与上述4个喇叭分布的毫米波相控阵天线系统结构中的子阵列喇叭单元中对应的结构相同，在此不在赘述。
该实施方式中，请结合图15所示，图15为图13的天线系统在28GHz、各喇叭具有相差时的增益曲线图，其中图15a为Phi=0°平面的增益曲线图，图15b为Phi=90°平面的增益曲线图。其中，Phi=0°平面和Phi=90°平面分别为图14中所示的平面。
由图15a可知，当所述天线系统1300中的相应的喇叭间相差为±130°、±120°、±90°、±60°、±30°和0°时，最大增益为在28GHz频率时的 25dBi, 天线系统1300能够从θ=-45°至θ=45°（总覆盖90°)范围内，保持高于22dBi的半功率增益。
由图15b可知，当所述天线系统1300中的相应的喇叭间相差为±120°、±90°、±60°、±30°和0°时，最大增益为在28GHz频率时的 25dBi, 天线系统1300能够从θ=-45°至θ=45°（总覆盖90°)范围内,保持高于22dBi的半功率增益。
需要说明的是，本发明的天线系统中，所述喇叭单元的数量并不限于一个、四个、十六个，还可为其它数量形成交错排布即可。上述提及的不同实施方式仅为所述喇叭单元的数量不同，不仅限于16个交错排布的喇叭或64个交错排布的喇叭。还可以形成更大尺寸的相控阵喇叭系统, 以达到所需的天线系统总增益。
本发明还提供一种通讯终端，其包括本发明提供的上述的天线系统。
与相关技术相比，本发明的天线系统及通讯终端中，将所述天线系统设计为一个或多个子阵列喇叭单元，从而形成高增益波束，并且通过相移的改变使得波束在较大的空间范围内扫描，以保持运用该天线系统的发射机和接收机之间的视距通信不间断，进而使得运用该天线系统的通讯终端通讯信号强且稳定，可靠性好，频段覆盖范围广。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种天线系统，其特征在于，所述天线系统包括子阵列喇叭单元，所述子阵列喇叭单元包括：
金属基座，呈长方体结构，所述金属基座包括顶面、与所述顶面相对的底面以及由所述顶面向所述底面方向凹陷形成的背腔；
电路板，所述电路板叠设电连接于所述金属基座的顶面且完全覆盖所述背腔；所述电路板包括电路板主体和贯穿所述电路板主体的呈矩形状的插槽，所述插槽包括四个且相互平行设置，四个所述插槽交错排布并围设形成一中心区域；所述电路板主体用于形成系统地，所述插槽用于形成所述子阵列喇叭单元的馈电端口，所述馈电端口的两端分别与所述插槽的沿其宽度方向的两侧电连接；
移相单元，包括叠设电连接于所述电路板并位于所述中心区域的移相芯片；及
喇叭单元，包括叠设并电连接于所述电路板的四个喇叭，四个所述喇叭依次首尾连接并环设于所述移相单元，每一所述喇叭压设于一所述插槽；每一所述喇叭包括两个相对设置的侧壁、分别垂直固定于两个所述侧壁内侧且呈间隔的两个脊以及填充设于两个所述脊之间的介电基板，两个所述侧壁垂直叠设电连接于所述电路板主体并分别位于所述插槽宽度方向的相对两侧，两个所述脊垂直叠设电连接于所述电路板主体并分别位于所述插槽宽度方向的相对两侧，所述介电基板正对并垂直抵接于所述插槽设置，且所述介电基板抵接于所述插槽部分的宽度等于所述插槽的宽度。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，同一所述喇叭的两个所述侧壁平行于该喇叭压设的所述插槽且关于该插槽对称，每个所述喇叭在其两个所述侧壁的端部形成开口。
3.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，每一所述喇叭的所述脊包括外壁面和内壁面，所述外壁面连接于所述侧壁并与所述电路板垂直，所述内壁面自其靠近所述电路板的一端向远离所述电路板的一端逐渐张开，以使所述脊的靠近所述电路板一端的横截面面积大于其远离所述电路板一端的横截面面积。
4.根据权利要求3所述的天线系统，其特征在于，所述脊包括与所述电路板本体相接的固定部和自所述固定部延伸至所述侧壁远离所述电路板本体一端的延伸部，所述延伸部自其靠近所述固定部的一端向远离所述固定部的一端逐渐张开，以使所述延伸部靠近所述固定部一端的横截面面积大于其远离所述固定部一端的横截面面积。
5.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述移相单元还包括完全盖设于所述移相芯片的金属屏蔽件。
6.根据权利要求2所述的天线系统，其特征在于，四个所述喇叭交错排布并环绕所述中心区域设置，四个所述喇叭均分为第一组和第二组，所述第一组中两个所述喇叭的两个侧壁正对设置，所述第二组中两个所述喇叭的两个开口正对设置，所述第一组中的两个所述喇叭相对的两个所述侧壁分别夹设于所述第二组中两个所述喇叭相对的两组所述侧壁之间并形成连接。
7.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述子阵列喇叭单元包括N个，N个所述子阵列喇叭单元呈交错分布且相互电连接，形成相控阵天线系统。
8.根据权利要求7所述的天线系统，其特征在于，N个所述子阵列喇叭单元的所述金属基座为一体成型结构，N个所述子阵列喇叭天线单元的所述电路板为一体成型结构。
9.一种通讯终端，其特征在于，其包括如权利要求1-8任意一项所述的天线系统。
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