CN109935964A - 一种天线单元和天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种天线单元和天线阵列，天线单元包括M层十字金属贴片，M层介质基板，以及金属地层，其中，M为大于1的整数。且，第i层十字金属贴片和第i+1层十字金属贴片之间设置有第i层介质基板。第i层十字金属贴片，第i层介质基板以及第i+1层十字金属贴片依次叠层设置，i为1到M‑1之间的整数。第M层十字金属贴片，第M层介质基板以及金属地层依次叠层设置。本申请提供的天线单元以及由本申请提供的单元组成的天线阵列，可以具有良好的极化特性，较宽的工作带宽以及较好的相移特性。

Description

一种天线单元和天线阵列
技术领域
本申请涉及到通信技术领域，尤其涉及到一种天线单元和天线阵列。
背景技术
超表面天线广泛地应用于电磁通信、雷达等领域。随着电子无线通信技术的不断发展和完善，雷达和通信系统都期望天线具有更多的功能性和自适应性。但是传统的超表面天线由于超表面天线单元的特性无法同时满足双极化、宽带宽的要求，应用范围受到限制。
现有的超表面天线单元的相移曲线线性度较差，所以超表面天线阵列的工作带宽较窄。另外，现有的超表面天线单元工作在双极化状态下的单元交差极化分量较大，不便于同时对不同极化的电磁波进行独立调控。
发明内容
本申请提供了一种天线单元和天线阵列，具有良好的相移特性，能够实现较宽的工作带宽，同时便于对不同极化的电磁波进行独立调控。
第一方面，本申请提供一种天线单元和天线阵列，该天线单元包括M层十字金属贴片，M层介质基板，以及金属地层，其中，M为大于1的整数。第i层十字金属贴片和第i+1层十字金属贴片之间设置有第i层介质基板，且第i层十字金属贴片，第i层介质基板以及第i+1层十字金属贴片依次叠层设置，i为1到M-1之间的整数。第M层十字金属贴片，第M层介质基板以及所述金属地层依次叠层设置。
一种实施方式中，M层十字金属贴片的每层十字金属贴片的几何中心在水平面上的投影重合，其中，所述的水平面为平行于所述金属地层的平面。从而天线单元具有更好的极化特性。
一种实施方式中，M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的形状为都为同一形状；或者，M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的形状不完全相同；或者，M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片形状完全不相同。从而，天线单元可以适应于不同的需求而设计。
一种实施方式中，当M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的形状为都为同一形状时，M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的大小都相同；或者，M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的大小不完全相同；或者，M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的大小完全不相同。从而，可以根据具体的性能需求确定天线单元的大小。
一种实施方式中，当M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的形状为都为同一形状时，第i层十字金属贴片的面积小于第i+1层十字金属贴片的面积。
一种实施方式中，十字金属贴片是相互垂直的两个矩形金属贴片。可选的，相互垂直的两个矩形金属贴片是一体成型的，从而，天线单元便于加工。
一种实施方式中，M层介质基板的不同层介质板厚度都相同；或者，M层介质基板的不同层介质板厚度不完全相同；或者，M层介质基板的不同层介质板厚度完全不相同。
一种实施方式中，天线单元为一体成型的多层印刷电路板；或者，所述天线单元为多个单层印刷电路板贴合而成；或者，天线单元为多个单层印刷电路板和多个多层印刷电路板贴合而成。
可见，采用本申请提供天线单元，通过采用十字金属贴片结构可以对不同极化的入射电磁波进行独立调控，从而天线单元具有良好的极化特性。另外，采用多层所述十字金属贴片结构不仅可以增大工作带宽还可以提升相移特性。
第二方面，本申请还提供一种天线阵列，包括以上第一方面以及第一方面任一实施方式的天线单元。
一种实施方式中，该天线阵列包括多个所述的天线单元，多个所述的天线单元呈周期性排列。
一种实施方式中，所述多个呈周期性排列的天线单元的相邻两个天线单元之间的间隔为D，其中，D大于等于0.3倍的工作波长，且小于等于0.6倍的工作波长。从而使得天线阵列的方向图特性更好。
第三方面，本申请还提供一种电子设备，包括以上第一方面以及第一方面任一实施方式的天线单元，和/或以上第二方面以及第二方面任一实施方式的天线阵列。其中所述的电子设备可以是终端，也可以是无线接入网设备。
以上第二方面以及第三方面的有益效果请参照以上第一方面的描述，此处不再赘述。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种天线单元的应用场景图；
图2(a)为本申请实施例提供的一种天线单元200的主视示意图；
图2(b)为本申请实施例提供的一种天线单元200的俯视示意图；
图3为本申请实施例提供的一种天线单元300的3D结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种天线单元300的的主视示意图；
图5为本申请实施例提供的一种天线单元300的俯视示意图；
图6为本申请实施例提供的一种天线单元300反射相位曲线图；
图7为本申请实施例提供的一种天线单元300随频率变化的反射相位曲线图；
图8为本申请实施例提供的一种天线单元300随交叉极化尺寸变化的反射相位曲线图；
图9为本申请实施例提供的一种天线单元300随入射角度变化的反射相位曲线图；
图10为本申请实施例提供的一种天线阵列1000的结构示意图；
图11为本申请实施例提供的一种天线阵列1100的仿真方向图；
图12为本申请实施例提供的一种天线阵列1100的方向性系数随频率变化的曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
1)、终端，又称之为用户设备(user equipment，UE)，是一种向用户提供语音和/或数据连通性的设备，例如，具有无线连接功能的手持式设备、车载设备等。常见的终端例如包括：手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、移动互联网设备(mobile internet device，MID)、可穿戴设备，以及客户终端设备(customer premise equipment，CPE)，例如智能手表、智能手环、计步器等。
2)、无线接入网(radio access network，RAN)设备，又称为基站，是一种将终端接入到无线网络的设备，包括但不限于：传输接收点(transmission reception point，TRP)、演进型节点B(evolved Node B，eNB)、无线网络控制器(radio network controller，RNC)、节点B(Node B，NB)、基站控制器(base station controller，BSC)、基站收发台(basetransceiver station,BTS)、家庭基站(例如，home evolved NodeB，或home Node B，HNB)、基带单元(baseband unit，BBU)。此外，还可以包括下一代移动通信的接入网设备，以及Wifi接入点(access point，AP)等。
3)、“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面结合图1所示的场景，对本申请实施例提供的一种天线单元的应用进行说明。图1所示的系统中，包括接入网设备110，天线阵列120和终端130。天线阵列120用于接收接入网设备110发射的电磁波信号，并反射给终端130，从而使接入网设备110和终端130之间可以通信。
可见，图1中的天线阵列120是作为反射天线阵列使用的，从而天线阵列120可以为无源天线阵列，该天线阵列120又可以称为超表面天线阵列。
本申请提供了一种天线单元及天线阵列，可以作为反射天线阵列使用。请参考图2(a)和图2(b)，其为本申请提供的一种天线单元200的结构示意图，其中，图2(a)为天线单元200的主视图，图2(b)为天线单元200的俯视图。天线单元200包括M层十字金属贴片，M层介质基板，以及金属地层，其中，M为大于1的整数。且，第i层十字金属贴片和第i+1层十字金属贴片之间设置有第i层介质基板。第i层十字金属贴片，第i层介质基板以及第i+1层十字金属贴片依次叠层设置，i为1到M-1之间的整数。第M层十字金属贴片，第M层介质基板以及金属地层依次叠层设置。图2所示的天线单元200仅仅示出了第1层十字金属贴片210，第1层介质基板220，第M层十字金属贴片230，第M层介质基板240以及金属地层250，中间的第i层十字金属贴片以及第i层介质基板图中省略未示出(主视图中以三点省略表示)，其中，i为1到M-1之间的整数。
其中，图2所示的十字金属贴片的大小以及形状仅为示例，本申请对此不做限制。另外图2所示的介质基板的厚度也为示例，本申请对此不做限制。
可见，采用本申请实施例提供的十字金属贴片结构，可以对不同极化的入射电磁波进行独立调控，从而天线单元200可以具有良好的极化特性。另外，采用多层所述十字金属贴片结构不仅可以增大工作带宽还可以提升相移特性。
进一步的，本申请实施例提供的天线单元200周期性排列而成的天线阵列可以具有良好的相移特性。
为了便于描述，以下以一种双层十字金属贴片的天线单元300为例说明，即当图2所示的天线单元200中的M等于2时的天线单元。请参考图3至图5，图3为天线单元300的3D结构示意图，图4为天线单元300的主视结构示意图，图5为天线单元300的俯视结构示意图。天线单元300具体包括依次叠层的第一层十字金属贴片(1)，第一层介质基板(2)，第二层十字金属贴片(3)，第二层介质基板(4)，金属地层(5)。
其中，第一层十字金属贴片(1)的几何中心和第二层十字金属贴片(3)的几何中心在水平面上的投影重合，所述水平面为平行于所述金属地层的平面。
为了便于比较第一层十字金属贴片(1)和第二层十字金属贴片(3)的面积关系，图3和图5所示的第一层十字金属贴片(1)和第二层十字金属贴片(3)都为规则十字金属贴片结构，可选的，第一层十字金属贴片(1)和第二层十字金属贴片(3)的形状可以不同，示例的，第一层十字金属贴片(1)为圆弧边的十字金属贴片，第二层十字金属贴片(3)为锯齿边的十字金属贴片，本申请对十字金属贴片的具体形状不做限制。
示例的，第一层十字金属贴片(1)或者第二层十字金属贴片(3)为相互垂直的两个矩形金属贴片。第一层十字金属贴片(1)或者第二层十字金属贴片(3)的两个矩形金属贴片可以是一体成型的。图3和图5所示的组成第一层十字金属贴片(1)两个矩形金属贴片或者组成第二层十字金属贴片(3)的两个矩形金属贴片，大小不同但这两个矩形金属贴片的几何中心重合。
可选的，组成第一层十字金属贴片(1)两个矩形金属贴片或者组成第二层十字金属贴片(3)的两个矩形金属贴片大小可以相同，这两个矩形金属贴片的几何中心重合也可以不重合，此处仅为示例，本申请对此不做限制。
请继续参考图5，第二层十字金属贴片(3)的两个矩形金属贴片的长度分别为Lx、Ly，宽度相等且为W1。第一层十字金属贴片(1)的两个矩形金属贴片的长度分别为K*Lx、K*Ly，宽度相等且为W2，其中，K大于0且小于1。图5可见，W1大于W2，因此，第一层十字金属贴片(1)的面积小于第二层十字金属贴片(3)的面积。
可选的，第一层十字金属贴片(1)的面积可以大于或者等于第二层十字金属贴片(3)的面积，本申请对此不做限制，此处仅为示例。
请继续参考图4可见，图中所示的第一层介质基板(2)的厚度和第二层介质基板(4)的厚度不同。可选的，第一层介质基板(2)的厚度和第二层介质基板(4)的厚度相同，本申请对次不做限制。
天线单元300的性能具体可以参见图6至图9所示的电磁仿真结果图。在电磁仿真软件HFSS中，合理设置端口和边界条件，通过全波仿真获取天线单元300工作的中心频率为28GHz。天线单元300的反射相位随以上所述的Lx，Ly的变化关系，经过仿真验证，单独调节Lx的大小同单独调节Ly天线单元300的反射相位的规律相似，因此，请参考图6，图中的横坐标L既可以表示Lx同反射相位之间的关系，又可以表示Ly同反射相位之间的关系。所述的反射相位为天线单元300对入射电磁波进行反射后的电磁波的相位。图6可见，随着L(或者Lx，或者Ly)的增大，反射相位呈现出近似线性变化的趋势，即该天线300的相移曲线的线性度较好，且相移覆盖范围超过360°。
请进一步参考图7，在图6的基础上，图7增加了26.5GHz以及29.5GHz的仿真，可见，图7中3个频点对应的3条相移曲线的趋势相近，因此，天线单元300可以在较宽的工作带宽内保持良好的相移线性度。
请参考图8，将Lx分别固定为1mm，2.5mm以及4mm时，调节Ly时，反射相位的变化趋势，可见，图中3条相移曲线的趋势非常接近，请结合图5，,x极化方向的边长长度Lx对y极化方向的相位曲线影响很小，因此，本申请实施例提供的天线单元300具有较好的极化特性，可分别对x和y极化的反射相位进行独立调控。
另外，请参考图9，为了观察不同入射角度theta同反射相位额关系，在图6的基础上，图9增加了入射角度theta为20°，40°，以及60°(对应图中20deg，40deg以及60deg)的仿真结果。可见，图9中4个不同入射角对应的相移曲线的趋势相近，在入射角度从0°变化到60°时，反射相位曲线的变化很小，因此，本申请实施例提供的天线单元300具有较好的入射角稳定性。
综上本申请实施例提供的天线单元300具有较好的相移特性，较好的极化特性，较好的入射角稳定性以及较宽的工作带宽。
另外，本申请实施例提供的天线单元可以周期性排列组成天线阵列，请参考图10，其为本申请实施例提供的一种天线阵列1000，图10所示的天线阵列是由以上所述的天线单元300周期性排列组成的，且天线阵列1000为4*4的天线阵列，即天线阵列1000为4行*4列的天线阵列。可选的，组成天线阵列1000的天线单元可以是三层十字金属贴片的天线单元，或者其他多层十字金属贴片的天线单元，本申请对此不做限制。可选的，天线阵列1000可以为2*4的天线阵列，或者8*8的天线阵列，或者4*16的天线阵列，本申请对天线阵列1000中的天线单元的个数及排布不做限制。
请参考图11，其为本申请实施例提供的一种天线阵列1100的仿真方向图，其中，天线阵列1100是由以上所述的天线单元300周期性排布而成的，且具体为16*16的天线阵列，相邻天线单元300之间间隔为D，较优的，本申请实施例中的D等于0.5倍的工作波长(未图示)。图11中，横坐标Theta为天线波束在水平方向上的角度，单位为度(deg)，纵坐标为方向性系数值，单位为分贝(dB)，实线型曲线为天线阵列1100在主极化方向上的方向性系数大小随Theta角的变化曲线，即主极化的方向图曲线；虚线型曲线为天线阵列1100在交叉极化方向上的方向性系数大小随Theta角的变化曲线，即交叉极化的方向图曲线。可见，在该阵列的波束指向方向上，即Theta为30deg的方向上，(最大)方向性系数为22.5dB，且在该方向上交叉极化分量小于-10dB。因此，本申请实施例提供的天线阵列1100具有良好的极化特性。
可选的，本申请实施例提供的天线阵列1100的相邻两个天线单元300之间的间隔D为0.3倍的工作波长，优选的，D可以大于等于0.3倍的工作波长，且小于等于0.6倍的工作波长。本申请实施例对D的大小不做限制。
另外，天线阵列1100中的每个天线单元300的大小可以相同也可以不同，具体天线阵列1100中的每个天线单元300的大小可以根据实际移相需求而设计，本申请对天线阵列1100中的每个天线单元300的大小不做限制。
请进一步参考图12，在图11的基础上，图12进一步对方向系数随频率变化的关系进行说明。图12中的横坐标为频率(GHz)，纵坐标为方向性系数(dB)，可以看出，在工作频率28GHz时有最大方向系数为22.5dB，1dB增益带宽的范围为26.2GHz至32GHz，则相对带宽约为21％，因此本申请实施例提供的天线阵列1100具有较宽的工作带宽。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种天线单元，其特征在于，包括M层十字金属贴片，M层介质基板，以及金属地层，其中，M为大于1的整数；
第i层十字金属贴片和第i+1层十字金属贴片之间设置有第i层介质基板，且所述第i层十字金属贴片，所述第i层介质基板以及所述第i+1层十字金属贴片依次叠层设置，i为1到M-1之间的整数；
第M层十字金属贴片，第M层介质基板以及所述金属地层依次叠层设置。
2.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述M层十字金属贴片的每层十字金属贴片的几何中心在水平面上的投影重合，其中，所述水平面为平行于所述金属地层的平面。
3.如权利要求1或2所述的天线单元，其特征在于，
所述M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的形状为都为同一形状；或者，
所述M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的形状不完全相同；或者，
所述M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片形状完全不相同。
4.如权利要求3所述的天线单元，其特征在于，当所述M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的形状为都为同一形状时，
所述M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的大小都相同；或者，
所述M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的大小不完全相同；或者，
所述M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的大小完全不相同。
5.如权利要求3或4所述的天线单元，其特征在于，当所述M层十字金属贴片的不同层十字金属贴片的形状为都为同一形状时，第i层十字金属贴片的面积小于第i+1层十字金属贴片的面积。
6.如权利要求1至5任一所述的天线单元，其特征在于，所述十字金属贴片是相互垂直的两个矩形金属贴片。
7.如权利要求6所述的天线单元，其特征在于，所述相互垂直的两个矩形金属贴片是一体成型的。
8.如权利要求1至7任一所述的天线单元，其特征在于，
所述M层介质基板的不同层介质板厚度都相同；或者，
所述M层介质基板的不同层介质板厚度不完全相同；或者，
所述M层介质基板的不同层介质板厚度完全不相同。
9.如权利要求1至8任一所述的天线单元，其特征在于，
所述天线单元为一体成型的多层印刷电路板；或者，
所述天线单元为多个单层印刷电路板贴合而成；或者，
所述天线单元为多个单层印刷电路板和多个多层印刷电路板贴合而成。
10.一种天线阵列，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的天线单元。
11.如权利要求10所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括多个所述天线单元，多个所述天线单元呈周期性排列。
12.如权利要求11所述的天线阵列，多个所述天线单元的相邻天线单元之间间隔为D，所述D大于等于0.3倍的工作波长，且小于等于0.6倍的工作波长。
13.一种电子设备，其特征在于，包括以上权利要求1至9任一项所述的天线单元，和/或如权利要求10至12任一项所述的天线阵列。
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