CN112864598A - 适用于毫米波通信的圆极化天线及通信设备 - Google Patents

适用于毫米波通信的圆极化天线及通信设备 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供了一种适用于毫米波通信的圆极化天线及通信设备。圆极化天线包括：第一矩形波导，在所述第一矩形波导的内部形成有截面为第一矩形的第一波导内腔，所述第一矩形波导的第一端设置有与所述第一波导内腔连通的输入端口；第二矩形波导，在所述第二矩形波导的内部形成有截面为第二矩形的第二波导内腔，所述第二矩形的面积小于第一矩形的面积；过渡结构，在所述过渡结构的内部形成有过渡内腔，所述过渡结构连接在所述第一矩形波导的第二端和所述第二矩形波导的第一端之间，且所述过渡内腔连通所述第一波导内腔和第二波导内腔，所述第二矩形波导的第二端设置有与所述第二波导内腔连通的输出端口，在所述输出端口处形成有阶梯型缝隙。

Description

适用于毫米波通信的圆极化天线及通信设备
技术领域
本申请涉及无线通信技术领域，特别涉及一种适用于毫米波通信的圆极化天线及通信设备。
背景技术
随着4G移动通信技术的成熟和移动通信系统的不断升级和发展，低频段频谱资源已经面临极度紧缺的局面，同时无线业务的爆发式增长又带来对能够媲美光纤的超高速无线传输速率的巨大需求，现有的通信频段和系统越来越难以满足日益增长的业务需求。而在毫米波频段，目前仍存在大量的空闲频谱资源，这些频谱资源使得提供数十吉比特，甚至上百吉比特的无线通信速率服务成为可能。
近些年来，在5G技术的推动下，毫米波频段及其应用得到了越来越多的关注。在此背景下，关于各类毫米波天线的研究也逐渐成为热点。在各种类型的毫米波天线中，圆极化天线因具有抗多径、无需发射对齐等优势，故而得到了很多研究人员的青睐。然而，现有的圆极化天线在结构上多采用边射天线的形式，由此，这对安装该圆极化天线的通信设备在横向(通信设备的宽度方向)尺寸上提出了一定的要求，不利于通信设备的小型化设计。
发明内容
本申请实施例提供了一种适用于毫米波通信的圆极化天线及通信设备，在应用该圆极化天线的情况下，有利于减小通信设备的横向尺寸，从而有利于通信设备的小型化。
本申请的第一方面提供了一种适用于毫米波通信的圆极化天线，包括：第一矩形波导，在所述第一矩形波导的内部形成有截面为第一矩形的第一波导内腔，所述第一矩形波导的第一端设置有与所述第一波导内腔连通的输入端口；第二矩形波导，在所述第二矩形波导的内部形成有截面为第二矩形的第二波导内腔，所述第二矩形的面积小于第一矩形的面积；过渡结构，在所述过渡结构的内部形成有过渡内腔，所述过渡结构连接在所述第一矩形波导的第二端和所述第二矩形波导的第一端之间，且所述过渡内腔连通所述第一波导内腔和第二波导内腔，所述第二矩形波导的第二端设置有与所述第二波导内腔连通的输出端口，在所述输出端口处形成有阶梯型缝隙。
根据本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线，其包括第一矩形波导、第二矩形波导和过渡结构，并且在第二矩形波导的输出端口形成有阶梯型缝隙。本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线在工作时，输入信号以TE10模式输入第一矩形波导的输入端口，在第一波导内腔内传输，之后经过过渡内腔传输至尺寸更小的第二波导内腔，在通过第二波导内腔后最终由输出端口输出，形成向自由空间的辐射。在上述过程中，TE10模的信号在经过阶梯型缝隙时会受到干扰，形成幅度相等、相位差90°的两种正交模式TE10模和TE01模，从而产生圆极化的辐射效果。本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线，由于信号从其一端输入并且由另一端输出，因而，在结构上属于端射天线，也就是说，本申请是一种圆极化天线和端射天线的集合体，基于这一特点，圆极化天线可以设置在通信设备的侧边缘(与天线设备的长度方向相平行的边缘)，这样，使通信设备在横向(通信设备的宽度方向)尺寸设计上不会受到天线的制约，从而有利于减小通信设备的横向尺寸，进而有利于实现通信设备的小型化设计。
另外，根据本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线，还可具有如下附加的技术特征：
在本申请的一些实施例中，所述第二矩形的长度小于第一矩形的长度，且所述第二矩形的宽度小于第一矩形的宽度。
在本申请的一些实施例中，所述过渡内腔包括靠近所述第一波导内腔的第一部段和靠近所述第二波导内腔的第二部段，所述第一部段为长方体状的腔体结构，所述第二部段为呈方锥台状的腔体结构，所述第二部段的靠近所述第一部段的一端的端面形状和端面尺寸与所述第一部段的截面形状和截面尺寸一致。
在本申请的一些实施例中，所述过渡内腔的第一端为所述过渡内腔的靠近所述第一矩形波导的一端，所述过渡内腔的第一端的形状为第一矩形。
在本申请的一些实施例中，所述过渡内腔的第二端为所述过渡内腔的靠近所述第二矩形波导的一端，所述过渡内腔的第二端的形状为第二矩形。
在本申请的一些实施例中，所述过渡结构为外形呈方锥台状的结构。
在本申请的一些实施例中，所述阶梯型缝隙为两个，其中一个所述阶梯型缝隙形成在所述第二波导内腔的第一侧壁上，另一个所述阶梯型缝隙形成在所述第二波导内腔的第二侧壁上，所述第一侧壁和所述第二侧壁为所述第二波导内腔的处于相对关系的两个侧壁。
在本申请的一些实施例中，两个所述阶梯型缝隙关于所述第二波导内腔的中轴线呈轴对称关系。
在本申请的一些实施例中，所述圆极化天线还包括设置于所述第一矩形波导的第一端的波导法兰。
本申请的第二方面提供了一种通信设备，包括：通信设备本体；上述任一实施例中的适用于毫米波通信的圆极化天线，所述圆极化天线设置在所述通信设备本体的侧边缘，所述侧边缘为与所述通信设备本体的长度方向相平行的边缘。
根据本申请实施例的通信设备，其上的适用于毫米波通信的圆极化天线，是一种圆极化天线和端射天线的集合体，将该圆极化天线设置在通信设备的侧边缘，可以使通信设备在横向(通信设备的宽度方向)尺寸设计上不会受到天线的制约，从而有利于减小通信设备的横向尺寸，进而有利于实现通信设备的小型化设计。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面对本申请实施例或相关技术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公开的一些实施例，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。
图1为本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线的整体结构示意图；
图2为本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线的结构示意图(图中省略第一矩形波导的一部分结构)；
图3为图2所示结构的俯视示意图；
图4为图2所示结构的侧视示意图；
图5为本申请实施例的阶梯型缝隙形成在第二波导内腔的侧壁的示意图；
图6为本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线的S参数的仿真结果图；
图7为本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线的增益与轴比的仿真结果图；
图8为本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线在80GHz频点时，在xoz与yoz面上，主极化与交叉极化的辐射方向图以及轴比的仿真结果图；
图9为本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线在90GHz频点时，在xoz与yoz面上，主极化与交叉极化的辐射方向图以及轴比的仿真结果图；
图10为本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线在100GHz频点时，在xoz与yoz面上，主极化与交叉极化的辐射方向图以及轴比的仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
如图1至图5所示，本申请第一方面的实施例提供了一种适用于毫米波通信的圆极化天线100，包括第一矩形波导110、第二矩形波导120和过渡结构130。具体地，在第一矩形波导110的内部形成有截面为第一矩形的第一波导内腔111，第一矩形波导110的第一端设置有与第一波导内腔111连通的输入端口112。在第二矩形波导120的内部形成有截面为第二矩形的第二波导内腔121，第二矩形的面积小于第一矩形的面积。在过渡结构130的内部形成有过渡内腔131，过渡结构130连接在第一矩形波导110的第二端和第二矩形波导120的第一端之间，且过渡内腔131连通第一波导内腔111和第二波导内腔121，第二矩形波导120的第二端设置有与第二波导内腔121连通的输出端口122，在输出端口122处形成有阶梯型缝隙123。
根据本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线100，其包括第一矩形波导110、第二矩形波导120和过渡结构130，并且在第二矩形波导120的输出端口122形成有阶梯型缝隙123。本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线100在工作时，输入信号以TE10模式输入第一矩形波导110的输入端口112，在第一波导内腔111内传输，之后经过过渡内腔131传输至尺寸更小的第二波导内腔121，在通过第二波导内腔121后最终由输出端口122输出，形成向自由空间的辐射。在上述过程中，TE10模的信号在经过阶梯型缝隙123时会受到干扰，形成幅度相等、相位差90°的两种正交模式TE10模和TE01模，从而产生圆极化的辐射效果。本申请实施例的适用于毫米波通信的圆极化天线100，由于信号从其一端输入并且由另一端输出，因而，在结构上属于端射天线，也就是说，本申请是一种圆极化天线和端射天线的集合体，基于这一特点，圆极化天线100可以设置在通信设备的侧边缘(与天线设备的长度方向相平行的边缘)，这样，使通信设备在横向(通信设备的宽度方向)尺寸设计上不会受到天线的制约，从而有利于减小通信设备的横向尺寸，进而有利于实现通信设备的小型化设计。
进一步地，第一波导内腔111、第二波导内腔121和过渡内腔131的壁面均为金属壁面，金属壁面的材质可以例如为铜、铝或铜铝合金等。
在本申请的一些实施例中，第二矩形的长度小于第一矩形的长度，且第二矩形的宽度小于第一矩形的宽度，由此，使第二波导内腔121无论在宽度方向上的尺寸，还是在高度方向上的尺寸均比第一波导内腔111要小。这样，使得圆极化天线100由信号输入端至信号输出端，呈现尺寸缩小的趋势，这种形态在设计上更加符合通信设备的便携性的要求。
进一步地，输入端口112可以设置成标准WR10矩形波导端口，这样，可以使圆极化天线100具有较强的通用性，能够与更多的通信设备相匹配。
在本申请的一些实施例中，如图2至图4所示，过渡内腔131包括第一部段1311和第二部段1312，第一部段1311靠近第一波导内腔111，第二部段1312靠近第二波导内腔121，其中，第一部段1311为长方体状的腔体结构，第二部段1312为呈方锥台状的腔体结构，并且，第二部段1312的靠近第一部段1311的一端的端面形状和端面尺寸与第一部段1311的截面形状和截面尺寸一致。由此，使得第二部段1312从靠近第一部段1311的一端向靠近第二波导内腔121的一端，截面积逐渐缩小，并且截面面积是处于渐变的状态而非突变的状态，由此，可以避免因截面面积突变而导致电磁波发生能量损失的问题。
进一步地，过渡内腔131的第一端为过渡内腔131的靠近第一矩形波导110的一端，过渡内腔131的第一端的形状为第一矩形。基于过渡内腔131呈方锥台状，本实施例中的过渡内腔131的第一端的形状为第一矩形，这样，可以使第一波导内腔111和过渡内腔131的连接位置不会有截面面积的突变，从而保证电磁波从第一波导内腔111传输到过渡内腔131的过程不会发生能量损失。
进一步地，过渡内腔131的第二端为过渡内腔131的靠近第二矩形波导120的一端，过渡内腔131的第二端的形状为第二矩形。基于过渡内腔131呈方锥台状，本实施例中的过渡内腔131的第二端的形状为第二矩形，这样，可以使过渡内腔131和第二波导内腔121的连接位置不会有截面面积的突变，从而保证电磁波从过渡内腔131传输到第二波导内腔121的过程不会发生能量损失。
在本申请的一些实施例中，过渡结构130为外形呈方锥台状的结构，由此，使得圆极化天线100具有平滑且自然的整体外形，不会出现外观上的明显棱角。在其它一些实施例中，过渡结构130也可以是其它形状的结构，具体可以根据实际使用需要进行选择和设计。
在本申请的一些实施例中，阶梯型缝隙123为两个，其中一个阶梯型缝隙123形成在第二波导内腔121的第一侧壁上，另一个阶梯型缝隙123形成在第二波导内腔121的第二侧壁上，第一侧壁和第二侧壁为第二波导内腔121的处于相对关系的两个侧壁。需要说明的是，根据圆极化天线100的设定工作频率的不同，阶梯型缝隙123所包含的具体阶梯数以及阶梯型缝隙123的尺寸也会有相应的变化。因此，本申请实施例对阶梯型缝隙123所包含的具体阶梯数以及阶梯型缝隙123的尺寸不进行限制。
进一步地，两个阶梯型缝隙123可以关于第二波导内腔121的中轴线呈轴对称关系，这样有利于提高TE10模的信号在受到阶梯型缝隙123的干扰时，所形成的TE10模和TE01模的幅度以及相位差的精确性。
在本申请的一些实施例中，适用于毫米波通信的圆极化天线100还包括设置于第一矩形波导110的第一端的波导法兰140，波导法兰140用于与外部设备(例如通信设备)进行连接，从而实现圆极化天线100与外部设备之间的安装。
表1给出的是一个实施例中的毫米波通信的圆极化天线100的相关尺寸参数。图6为该实施例中的圆极化天线的S参数的仿真结果图，图7为该实施例中的适用于毫米波通信的圆极化天线的增益与轴比的仿真结果图。从图6可以看出，圆极化天线的S参数小于-10dB的覆盖频率带宽为75GHz-130GHz，同时图7显示频率带宽内轴比也达到了小于3dB，且带宽内圆极化增益大于6dBic，实现了带宽圆极化的特性。
图8为该实施例中的适用于毫米波通信的圆极化天线在80GHz频点时，在xoz与yoz面上，主极化与交叉极化的辐射方向图以及轴比的仿真结果图，图9该实施例中的适用于毫米波通信的圆极化天线在90GHz频点时，在xoz与yoz面上，主极化与交叉极化的辐射方向图以及轴比的仿真结果图；图10该实施例中的适用于毫米波通信的圆极化天线在100GHz频点时，在xoz与yoz面上，主极化与交叉极化的辐射方向图以及轴比的仿真结果图。从图8-图10可以看出两个面上的辐射方向图，包括主极化与轴比的覆盖角度范围以及交叉极化的幅度，其中，半功率波束宽度在两个面上都达到了60度，且在波束宽度内轴比小于3dB，同时交叉极化水平小于-15dB，实现了较宽的波束范围。
参数 WD WD1 W1 W2 WC WC1 WC2 H LT
尺寸(mm) 2.54 2.1 4.94 3.3 0.7 1 1.3 3.4 1
参数 HD HD1 L1 L2 LC LC1 LC2 H1
尺寸(mm) 1.27 1 5 5 0.4 0.2 0.6 2.2
表1：圆极化天线100的相关尺寸参数
本申请第二方面的实施例提供了一种通信设备，该通信设备包括通信设备本体和上述任一实施例中的适用于毫米波通信的圆极化天线100。其中，圆极化天线100设置在通信设备本体的侧边缘，侧边缘为与通信设备本体的长度方向相平行的边缘。
根据本申请实施例的通信设备，其上的适用于毫米波通信的圆极化天线100，是一种圆极化天线和端射天线的集合体，将该圆极化天线100设置在通信设备的侧边缘，可以使通信设备在横向(通信设备的宽度方向)尺寸设计上不会受到天线的制约，从而有利于减小通信设备的横向尺寸，进而有利于实现通信设备的小型化设计。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本公开的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于毫米波通信的圆极化天线，其特征在于，包括：
第一矩形波导，在所述第一矩形波导的内部形成有截面为第一矩形的第一波导内腔，所述第一矩形波导的第一端设置有与所述第一波导内腔连通的输入端口；
第二矩形波导，在所述第二矩形波导的内部形成有截面为第二矩形的第二波导内腔，所述第二矩形的面积小于第一矩形的面积；
过渡结构，在所述过渡结构的内部形成有过渡内腔，所述过渡结构连接在所述第一矩形波导的第二端和所述第二矩形波导的第一端之间，且所述过渡内腔连通所述第一波导内腔和第二波导内腔，所述第二矩形波导的第二端设置有与所述第二波导内腔连通的输出端口，在所述输出端口处形成有阶梯型缝隙。
2.根据权利要求1所述的适用于毫米波通信的圆极化天线，其特征在于，所述第二矩形的长度小于第一矩形的长度，且所述第二矩形的宽度小于第一矩形的宽度。
3.根据权利要求2所述的适用于毫米波通信的圆极化天线，其特征在于，所述过渡内腔包括靠近所述第一波导内腔的第一部段和靠近所述第二波导内腔的第二部段，所述第一部段为长方体状的腔体结构，所述第二部段为呈方锥台状的腔体结构，所述第二部段的靠近所述第一部段的一端的端面形状和端面尺寸与所述第一部段的截面形状和截面尺寸一致。
4.根据权利要求3所述的适用于毫米波通信的圆极化天线，其特征在于，所述过渡内腔的第一端为所述过渡内腔的靠近所述第一矩形波导的一端，所述过渡内腔的第一端的形状为第一矩形。
5.根据权利要求3所述的适用于毫米波通信的圆极化天线，其特征在于，所述过渡内腔的第二端为所述过渡内腔的靠近所述第二矩形波导的一端，所述过渡内腔的第二端的形状为第二矩形。
6.根据权利要求3所述的适用于毫米波通信的圆极化天线，其特征在于，所述过渡结构为外形呈方锥台状的结构。
7.根据权利要求1所述的适用于毫米波通信的圆极化天线，其特征在于，所述阶梯型缝隙为两个，其中一个所述阶梯型缝隙形成在所述第二波导内腔的第一侧壁上，另一个所述阶梯型缝隙形成在所述第二波导内腔的第二侧壁上，所述第一侧壁和所述第二侧壁为所述第二波导内腔的处于相对关系的两个侧壁。
8.根据权利要求5所述的适用于毫米波通信的圆极化天线，其特征在于，两个所述阶梯型缝隙关于所述第二波导内腔的中轴线呈轴对称关系。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的适用于毫米波通信的圆极化天线，其特征在于，所述圆极化天线还包括设置于所述第一矩形波导的第一端的波导法兰。
10.一种通信设备，其特征在于，包括：
通信设备本体；
根据权利要求1至9中任一项所述的适用于毫米波通信的圆极化天线，所述圆极化天线设置在所述通信设备本体的侧边缘，所述侧边缘为与所述通信设备本体的长度方向相平行的边缘。
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