CN109560379B - 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，包括系统地单元和双极化毫米波天线单元，双极化毫米波天线单元包括依次叠设的第一基材层、第二基材层、和第三基材层，以及贴设于所述第一基材层的远离所述第二基材层的一侧的且与所述系统地单元电连接的接地层、夹设于所述第一基材层与所述第二基材层之间馈电体以及固定于所述第三基材层的远离所述第二基材层的一侧辐射体；所述馈电体设有相互间隔的水平极化馈电端口与垂直极化馈电端口；所述馈电体与所述辐射体形成耦合。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，所述天线系统包括：系统地单元及双极化毫米波天线单元，所述系统地单元包括贯穿其上的收容孔，所述双极化毫米波天线单元嵌设固定于所述收容孔内，所述双极化毫米波天线单元包括：第一基材层；第二基材层，叠设于所述第一基材层；第三基材层，叠设于所述第二基材层并位于所述第二基材层的远离所述第一基材层的一侧；接地层，贴设于所述第一基材层的远离所述第二基材层的一侧，且与所述系统地单元电连接；馈电体，夹设于所述第一基材层与所述第二基材层之间；所述馈电体设有相互间隔的水平极化馈电端口与垂直极化馈电端口；及辐射体，固定于所述第三基材层的远离所述第二基材层的一侧，所述馈电体与所述辐射体形成耦合。
优选的，所述馈电体为电容式馈电贴片。
优选的，所述馈电体固定于所述第一基材层。
优选的，所述馈电体通过蚀刻方式形成于所述第一基材层的表面。
优选的，所述辐射体为贴片，所述辐射体通过蚀刻方式形成于所述第三基材层。
优选的，所述水平极化馈电端口与垂直极化馈电端口位于所述馈电体的非几何中心位置。
优选的，所述第一基材层与所述第三基材的材质相同，所述第二基材层和所述第三基材层分别沿垂直于所述第一基材层方向向所述第一基材层的正投影完全与所述第一基材层重合。
优选的，所述收容孔包括N个，所述双极化毫米波天线单元包括N个，N个所述双极化毫米波天线单元呈矩阵分布形成相控阵天线系统。
优选的，所述双极化毫米波天线单元包括4个并形成2*2矩阵分布。
本发明还提供一种通讯终端，该通讯终端包括如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双极化毫米波天线单元，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结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明天线系统的双极化毫米波天线单元的立体结构示意图；
图4为本发明天线系统的双极化毫米波天线单元的立体结构分解示意图；
图5为图1的天线系统的双极化毫米波天线单元的S参数特性曲线图；
图6为图1中天线系统在28GHz时水平极化的增益曲线图；
图7为图1中天线系统在28GHz时垂直极化的增益曲线图；
图8为本发明天线系统其中一种实施方式的立体结构示意图；
图9为图8的天线系统的俯视图；
图10为图8的天线系统在28GHz时水平极化的增益曲线图；
图11为图8的天线系统在28GHz时垂直极化的增益曲线图；
图12为图8的天线系统在28GHz、水平面上、水平极化模式下，主波束指向不同θ角的增益曲线；
图13图8的天线系统在28GHz、垂直平面上、垂直极化模式下，主波束指向不同θ角的增益曲线。
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1-4所示，本发明提供了一种天线系统100，所述天线系统100包括系统地单元1和双极化毫米波天线单元2。
所述系统地单元1包括贯穿其上的收容孔11。所述双极化毫米波天线单元2嵌设固定于所述收容孔11内。
具体的，所述双极化毫米波天线单元2包括第一基材层21、第二基材层22、第三基材层23、接地层24、馈电体25以及辐射体26。
所述第二基材层22叠设于所述第一基材层21；第三基材层23 叠设于所述第二基材层22并位于所述第二基材层22的远离所述第一基材层21的一侧，即所述第一基材层21、所述第二基材层22及所述第三基材层23依次垂直叠设形成堆叠结构。
本实施方式中，所述第一基材层21与所述第三基材23的材质相同，所述第二基材层22和所述第三基材层23分别沿垂直于所述第一基材层21方向向所述第一基材层21的正投影完全与所述第一基材层 21重合。
所述接地层24贴设于所述第一基材层21的远离所述第二基材层 22的一侧，且与所述系统地单元1电连接。
所述馈电体25夹设于所述第一基材层21与所述第二基材层22 之间。所述馈电体25设有相互间隔的水平极化馈电端口251与垂直极化馈电端口252，上述馈电体25的结构形成双极化结构。本实施方式中，所述水平极化馈电端口251与所述垂直极化馈电端口252通过探针穿过所述第一基材层21后与馈电网络或外部电源连接。更优的，所述水平极化馈电端口251与垂直极化馈电端口252位于所述馈电体25的非几何中心位置，比如为于所述馈电体25的边缘等。
本实施方式中，所述馈电体25为电容式馈电贴片。具体的，所述馈电体25固定于所述第一基材层21。更优的，所述馈电体25通过蚀刻方式形成于所述第一基材层21的表面。
所述辐射体26固定于所述第三基材层23的远离所述第二基材层 22的一侧。所述馈电体25与所述辐射体26形成耦合，实现将所述馈电体25的能量耦合至所述辐射体26，从而使所述辐射体26形成双极化辐射，并工作在毫米波段28GHz。
也就是说，所述辐射体26不与所述接地层24连接；所述辐射体 26也不与所述馈电体25直接电连接，仅与所述馈电体25形成耦合。
本实施方式中，所述辐射体26为贴片，更优的，所述辐射体26 通过蚀刻方式形成于所述第三基材层23。
请结合图5-7所示，图5为图1的天线系统的双极化毫米波天线单元的S参数特性曲线图。
其中，图5中的曲线5a为双极化毫米波天线单元的水平极化馈电端口和垂直极化馈电端口的反射系数曲线，由曲线5a可知，水平极化馈电端口和垂直极化馈电端口的反射系数曲线一致。从反射系数曲线中可以看出，天线系统100谐振在28GHz左右，27.4GHz-28.6GHz 频段内反射系数小于-6dB，绝对带宽为1.2GHz。
图5中的曲线5b为双极化毫米波天线单元的水平极化馈电端口和垂直极化馈电端口之间的隔离度的曲线，由曲线5b可知，在 25GHz-31GHz频段内，两个馈电端口之间的隔离度小于-15dB。
图6为图1的天线系统在28GHz时水平极化的增益曲线图。在水平极化模式下，水平极化馈电端口251处于馈电状态(ON)，垂直极化馈电端口252处于匹配状态(OFF)。
参阅图2，图2中定义Phi＝0°的面为水平面，Phi＝90°的面为垂直平面，水平面是经过水平极化馈电端口的观察面，垂直平面为是经过垂直极化馈电点的观察面
图6a为沿图2中对应Phi＝0°平面内的增益曲线图，即双极化毫米波天线单元2在28GHz、水平面上的增益曲线。其中，实线是增益的Theta(θ)分量，虚线是增益的Phi分量。可以看出，Theta分量为主极化，Phi分量为交叉极化。其中，主极化的最大增益为6.7dBi，交叉极化的增益值低于-19dBi。
图6b为沿图2中对应Phi＝90°平面内的增益曲线图，即双极化毫米波天线单元2在28GHz、垂直平面上的增益曲线。其中，实线是增益的Theta分量，虚线是增益的Phi分量。可以看出，Phi分量为主极化，Theta分量为交叉极化。其中，主极化的最大增益为6.7dBi，交叉极化的增益值低于-16dBi。
图7为图1的天线系统在28GHz时垂直极化的增益曲线图。在垂直极化模式下，垂直极化馈电端口252处于馈电状态(ON)，水平极化馈电端口251处于匹配状态(OFF)。
图7a为沿图2中对应Phi＝0°平面内的增益曲线图，即双极化毫米波天线单元2在28GHz、水平面上的增益曲线。其中，实线是增益的Theta分量，虚线是增益的Phi分量。可以看出，Phi分量为主极化，Theta分量为交叉极化。其中，主极化的最大增益为6.7dBi，交叉极化的增益值低于-16dBi。
图7b为沿图2中对应Phi＝90°平面内的增益曲线图，即双极化毫米波天线单元2在28GHz、垂直平面上的增益曲线。其中，实线是增益的Theta分量，虚线是增益的Phi分量。可以看出，Theta分量为主极化，Phi分量为交叉极化。其中，主极化的最大增益为6.7dBi，交叉极化的增益值低于-19dBi。
图6-7可知，水平极化在垂直平面的增益特征与垂直极化在水平面的增益特征相同。同样,水平极化在水平面的增益特征与垂直极化在垂直平面的增益特征相同。
上述结构为单一双极化毫米波天线单元2形成的天线系统结构。而本发明的天线系统100可包括不同数量的双极化毫米波天线单元2 设置形成的不同实施方式，即所述系统地单元1的所述收容孔11包括N个，所述双极化毫米波天线单元2包括N个并分别嵌设固定于 N个所述收容孔11内，N个所述双极化毫米波天线单元2呈矩阵分布形成相控阵天线系统结构。
所述双极化毫米波天线单元包括四个并形成2*2矩阵分布，形成本发明另一种实施方式，如图8-9所示：
本实施方式中，所述天线系统800包括四个所述双极化毫米波天线单元82，所述系统地单元81设有四个收容孔811，四个所述双极化毫米波天线单元82分别嵌设于四个所述收容孔811，即形成2*2 矩阵分布的相控阵天线系统结构，相对于单一双极化毫米波天线单元形成的天线系统结构而言，其光束覆盖范围更广，通讯可靠性更强。需要说明的是，本实施方式中所述双极化毫米波天线单元82与上述实施方式中的双极化毫米波天线单元2的结构相同，在此不在赘述。
请结合图10-13。图10为图8的天线系统在28GHz时水平极化的增益曲线图，在水平极化模式下，水平极化馈电端口处于馈电状态 (ON)，垂直极化馈电端口处于匹配状态(OFF)。图9中定义Phi＝0°的面为水平面，Phi＝90°的面为垂直平面，水平面是经过水平极化馈电端口的观察面，垂直平面为是经过垂直极化馈电点的观察面。
其中，图10a为沿图9中对应Phi＝0°平面内的增益曲线图，即双极化毫米波天线单元82在28GHz、水平面上的增益曲线。其中，实线是增益的Theta分量，虚线是增益的Phi分量。可以看出，Theta 分量为主极化，Phi分量为交叉极化。其中，主极化的最大增益为14dBi，交叉极化的增益值低于-10dBi。
图10b为沿图9中对应Phi＝90°平面内的增益曲线图，即双极化毫米波天线单元82在28GHz、垂直平面上的增益曲线。其中，实线是增益的Theta分量，虚线是增益的Phi分量。可以看出，Phi分量为主极化，Theta分量为交叉极化。其中，主极化的最大增益为14dBi，交叉极化的增益值低于-10dBi。
图11为图8的天线系统在28GHz时垂直极化的增益曲线图。在垂直极化模式下，垂直极化馈电端口处于馈电状态(ON)，水平极化馈电端口处于匹配状态(OFF)。
图11a为沿图9中对应Phi＝0°平面内的增益曲线图，即双极化毫米波天线单元82在28GHz、水平面上的增益曲线。其中，实线是增益的Theta分量，虚线是增益的Phi分量。可以看出，Phi分量为主极化，Theta分量为交叉极化。其中，主极化的最大增益为14dBi，交叉极化的增益值低于-10dBi。
图11b为沿图9中对应Phi＝90°平面内的增益曲线图，即双极化毫米波天线单元82在28GHz、垂直平面上的增益曲线。其中，实线是增益的Theta分量，虚线是增益的Phi分量。可以看出，Theta分量为主极化，Phi分量为交叉极化。其中，主极化的最大增益为14dBi，交叉极化的增益值低于-10dBi。
图12为图8的天线系统在28GHz、水平面上、水平极化模式下，主波束指向不同θ角的增益曲线，其中，各曲线分别表示了双极化毫米波天线单元间相移为-150°,-120°,-60°,0°,60°,120°和150°时的波束扫描方向。
从图12可知，从θ＝-45°到θ＝45°的扫描范围内，主波束增益均可达到10dBi。其中，从图10a已知，在水平极化模式下，在水平面内，增益的Theta分量为主极化。
图13图8的天线系统在28GHz、垂直平面上、垂直极化模式下，主波束指向不同θ角的增益曲线，其中，各曲线分别表示了双极化毫米波天线单元间相移为-150°,-120°,-60°,0°,60°,120°和150°时的波束扫描方向。
从图13可知，从θ＝-45°到θ＝45°的扫描范围内，主波束增益均可达到10dBi。其中，从图11a已知，在垂直极化模式下，在垂直平面内，增益的Theta分量为主极化。
需要说明的是，本发明的天线系统中，所述双极化毫米波天线单元的数量并不限于一个、四个、十六个等，还可为其它数量形成矩阵分布即可。上述提及的不同实施方式仅为所述双极化毫米波天线单元的数量不同，不仅限于4个形成矩阵分布。还可以形成更大尺寸的相控阵天线系统,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双极化毫米波天线单元，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 (10)

1.一种天线系统，其特征在于，所述天线系统包括：
系统地单元，所述系统地单元包括贯穿其上的收容孔；及
双极化毫米波天线单元，嵌设固定于所述收容孔内，所述双极化毫米波天线单元包括：
第一基材层；
第二基材层，叠设于所述第一基材层；
第三基材层，叠设于所述第二基材层并位于所述第二基材层的远离所述第一基材层的一侧；
接地层，贴设于所述第一基材层的远离所述第二基材层的一侧，且与所述系统地单元电连接；
馈电体，夹设于所述第一基材层与所述第二基材层之间；所述馈电体设有相互间隔的水平极化馈电端口与垂直极化馈电端口，所述水平极化馈电端口与所述垂直极化馈电端口通过探针穿过所述第一基材层后与馈电网络或外部电源连接；及
辐射体，固定于所述第三基材层的远离所述第二基材层的一侧，所述馈电体与所述辐射体形成耦合。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述馈电体为电容式馈电贴片。
3.根据权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述馈电体固定于所述第一基材层。
4.根据权利要求3所述的天线系统，其特征在于，所述馈电体通过蚀刻方式形成于所述第一基材层的表面。
5.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述辐射体为贴片，所述辐射体通过蚀刻方式形成于所述第三基材层。
6.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述水平极化馈电端口与垂直极化馈电端口位于所述馈电体的非几何中心位置。
7.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述第一基材层与所述第三基材的材质相同，所述第二基材层和所述第三基材层分别沿垂直于所述第一基材层方向向所述第一基材层的正投影完全与所述第一基材层重合。
8.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述收容孔包括N个，所述双极化毫米波天线单元包括N个，N个所述双极化毫米波天线单元呈矩阵分布形成相控阵天线系统。
9.根据权利要求8所述的天线系统，其特征在于，所述双极化毫米波天线单元包括4个并形成2*2矩阵分布。
10.一种通讯终端，其特征在于，其包括如权利要求1-9任意一项所述的天线系统。
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