CN114128041A - 双极化天线元件和天线阵列 - Google Patents

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Abstract

一种双极化天线元件(1)，包括第一导电结构(2)、第二导电结构(3)、第一天线(4)和第二天线(5)。所述第一导电结构(2)的第一主平面和所述第二导电结构(3)的第二主平面至少部分平行延伸。所述第一导电结构(2)包括具有第一构造的第一孔(6)，所述第二导电结构(3)包括具有不同于所述第一构造的第二构造的第二孔(7)，并且所述第一孔(6)邻接所述第二孔(7)。所述第一天线(4)由所述第一导电结构(2)、所述第二导电结构(3)和第一天线馈源(8)形成，所述第一天线馈源(8)包括第一耦合元件(9)，所述第一耦合元件(9)用于激励具有第一极化的第一电场(F1)。所述第一天线馈源(8)在垂直于所述第一主平面和所述第二主平面的第一方向(D1)上延伸穿过所述第一孔(6)。所述第二天线(5)由所述第二导电结构(3)和第二天线馈源(10)形成，所述第二天线馈源(10)包括第二耦合元件(11)，所述第二耦合元件(11)用于激励具有第二极化的第二电场(F2)。所述第二天线馈源(10)沿着所述第二孔(7)在平行于所述第一主平面和所述第二主平面的第二方向(D2)上延伸。这支持双极化，因此可以从安装天线元件的电子设备在任何方向上实现足够的增益覆盖，而不会对电子设备的机械强度等产生负面影响。

Description

双极化天线元件和天线阵列
技术领域
本发明涉及一种双极化天线元件，包括第一导电结构和第二导电结构以及第一天线和第二天线。
背景技术
电子设备需要支持更多、复杂和先进的无线电信号技术，如2G/3G/4G无线电标准。对于即将到来的5G无线技术，频率范围将从sub-6GHz扩展到毫米波频率(例如20GHz以上)。对于毫米波频率，需要天线阵列，以形成具有较高增益的辐射波束，该辐射波束能克服传播介质中的较高路径损耗。具有较高增益的辐射波束图案得到窄波束宽度，因此，使用相控天线阵列等波束转向技术来将波束转向特定的、期望的方向。
此外，移动电子设备(如移动电话和平板电脑)可以朝向任意方向，因此，这些电子设备需要表现出尽可能接近全球面波束覆盖。由于辐射波束被导电外壳、大显示器和/或用户握持该设备的手中的至少一个阻挡，所以这种覆盖很难实现。
通常，毫米波天线阵列布置在显示器旁边，使得显示器不会干扰波束覆盖。但是，朝向覆盖尽可能多的电子设备的非常大的显示器移动会使得天线阵列可用空间非常有限，迫使天线阵列的大小显著减小，并且其性能受损，或者显示器的大部分不活动。
毫米波天线阵列的主辐射波束通常被引导在边射方向上，即垂直于电子设备的显示器，该辐射会被显示器和导电后盖阻挡。但是，端射天线阵列可以形成与显示器平行辐射的波束，从而提高波束方向覆盖。但是，电子设备可以具有围绕电子设备的边缘的导电框架，这会使端射辐射变形。
发明内容
目的是提供一种改进的双极化天线元件。上述和其它目的通过独立权利要求的特征来实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中显而易见。
根据第一方面，提供了一种双极化天线元件，该双极化天线元件包括第一导电结构、第二导电结构、第一天线和第二天线，第一导电结构的第一主平面和第二导电结构的第二主平面至少部分平行延伸，第一导电结构包括具有第一构造的第一孔，第二导电结构包括具有不同于第一构造的第二构造的第二孔，第一孔邻接第二孔，第一天线由第一导电结构、第二导电结构和第一天线馈源形成，第一天线馈源包括第一耦合元件，第一耦合元件用于激励具有第一极化的第一电场，第一天线馈源在垂直于第一主平面和第二主平面的第一方向上延伸穿过第一孔，第二天线由第二导电结构形成，第二天线馈源包括第二耦合元件，第二耦合元件用于激励具有第二极化的第二电场，第二天线馈源在平行于第一主平面和第二主平面的第二方向上沿着第二孔延伸。
该方案支持双极化，因此可以在安装天线元件的电子设备的任何方向上实现足够的增益覆盖，而不会对电子设备的机械强度等产生负面影响，并且不占用电子设备内的太多体积，因为不同的天线不需要交错或堆叠。与现有技术方案相比，这支持天线元件的厚度显著减小。此外，由于电场直接从第一导电结构和第二导电结构发射，因此实现了端射波束成形，并且实现了不被电子设备的框架阻挡的全球全覆盖。此外，双极化辐射支持每个单独的极化由独立的数据流使用，以促进多输入多输出(multiple-input and multiple-output，MIMO)通信。
在第一方面的一种可能的实现方式中，第一电场和第二电场可以在相同的工作频率下工作，有利于提高工作频率下的性能。
在第一方面的又一种可能的实现方式中，第一电场的方向与第二电场的方向正交。因此，电磁耦合到第一电场和第二电场的第一天线和第二天线的发射信号和接收信号彼此隔离，从而支持第一天线和第二天线部分共享相同的空间。
在第一方面的又一种可能的实现方式中，第一孔的第一构造在第一主平面上围绕第一轴线对称，和/或第二孔的第二构造在第二主平面上围绕第二轴线对称，第一轴线在第二轴线附近延伸，或与第二轴线重合，从而减少了电子设备内天线元件占用的体积。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，第二孔在第一方向上与第一天线馈源并置，从而使提供的天线元件尽可能少占用空间。
在第一方面的又一种可能的实现方式中，第一孔包括由封闭端壁和侧壁限定的开口腔，第二孔包括端部开口的狭缝，端部开口的狭缝与腔的开口端并置。
在第一方面的又一种可能的实现方式中，第一天线馈源在封闭端壁与第二导电结构之间延伸，第一耦合元件通过电连接和电容连接中的一种将第一天线馈源耦合到第二导电结构。
在第一方面的又一种可能的实现方式中，第一孔的最大尺寸和第二孔的最大尺寸相等，并且对应于工作频率范围内最小频率的波长。这支持第一孔和第二孔在相同的频率下工作。
在第一方面的又一种可能的实现方式中，第一天线馈源在第二天线中激励第一电流，第一电流与第二天线馈源激励的电流异相，从而支持天线在基本上相同的空间内以相同的频率工作，同时仍然彼此很好地隔离。
在第一方面的又一种可能的实现方式中，第一极化为垂直极化，第二极化为水平极化，便于不同天线共存，以便在发射和接收之间提供两个独立的通信信道，使得链路更鲁棒或更快，从而通过MIMO技术支持更高的吞吐量。
在第一方面的又一种可能的实现方式中，第一天线和第二天线用于产生毫米波频率辐射。
在第一方面的又一种可能的实现方式中，第一天线是具有垂直极化的端射天线元件，第二天线是具有水平极化的端射天线元件。
在第一方面的又一种可能的实现方式中，第二导电结构是锥形偶极子。
在第一方面的又一种可能的实现方式中，第二主平面中的锥形偶极子的尺寸在0.35*λmin与0.65*λmin之间，λmin为工作频率范围内最大频率的波长，第二主平面中的锥形偶极子和第二孔的组合的尺寸在0.35*λmax与0.65*λmax之间，λmax是工作频率范围内最小频率的波长。
在第一方面的又一种可能的实现方式中，第一天线馈源包括单个单极馈源或双折叠单极馈源。
在第一方面的又一种可能的实现方式中，单个单极馈源或双折叠单极馈源在第一方向上的尺寸在0.35*λmin与0.65*λmin之间，λmin为工作频率范围内最大频率的波长，第一方向的第一孔的尺寸在0.35*λmax与0.65*λmax之间，λmax为工作频率范围内最小频率的波长。
根据第二方面，提供了一种双极化天线阵列，该双极化天线阵列包括至少两个上述双极化天线元件，该双极化天线元件的第一天线形成第一天线子阵列，第一天线子阵列用于激励具有第一极化的第一电场，双极化天线元件的第二天线形成第二天线子阵列，第二天线子阵列用于激励具有第二极化的第二电场。通过支持第一天线子阵列和第二天线子阵列在基本上相同的非导电体积内延伸，两个不同的天线阵列至少部分地在相同的体积内延伸，从而显著减少了电子设备内天线所需的空间。
根据第三方面，提供了一种电子设备，该电子设备包括显示器、外壳和至少一个上述双极化天线阵列，双极化天线阵列的第一导电结构和第二导电结构是由显示器和外壳包围的至少一个内部部件，现有部件用于提供具有全覆盖的电子设备。
在第三方面的一种可能的实现方式中，第一导电结构和第二导电结构中的至少一个为实心或柔性印刷电路板。
在第三方面的又一种可能的实现方式中，印刷电路板平行和/或垂直于显示器的主平面和外壳的主平面延伸，从而支持天线阵列的电场垂直于显示器的主平面或平行于显示器的主平面。
在第三方面的又一种可能的实现方式中，外壳包括后盖和在显示器和后盖的周缘之间延伸的导电框架，显示器通过介质间隙与导电框架分离，双极化天线阵列在显示器的表面附近延伸，介电间隙使得由双极化天线阵列激励的第一电场和第二电场辐射通过导电框架。这有利于使用现有部件来提供全覆盖，而不影响电子设备的组装可靠性或尺寸。
从下面描述的实施例中，这一方面和其它方面会是显而易见的。
附图说明
在本发明的以下详细部分中，将参考附图中所示的示例实施例详细解释各个方面、实施例和实现方式。
图1示出了根据本发明实施例的电子设备的示意性侧视图。
图2示出了图1的实施例的示意性俯视图。
图3示出了根据本发明另一个实施例的电子设备的示意性侧视图。
图4示出了根据本发明实施例的双极化天线阵列的局部透视图。
图5示出了根据本发明另一个实施例的双极化天线阵列的局部透视图。
图6示出了根据本发明实施例的双极化天线元件的局部透视图。
图7示出了根据本发明实施例的双极化天线元件的局部透视图。
图8示出了根据本发明又一个实施例的双极化天线元件的部分透视图。
具体实施方式
图1和图2示出了包括显示器14、外壳15和至少一个双极化天线阵列12的电子设备13的示意图，下面将进一步详细描述。显示器14可以覆盖电子设备前部的几乎整个表面积，并且还至少部分地跨过电子设备13的侧面朝向后部延伸。外壳15可以包括后盖15a和在显示器14和后盖15a的周缘之间延伸的导电框架15b，显示器14通过介电间隙16与导电框架15b分离。外壳15可以包括塑料、玻璃、陶瓷或任何其它合适的非导电材料，以及铝等导电材料。双极化天线阵列12可以在显示器14的表面附近延伸，使得由双极化天线阵列12激励的第一电场F1和第二电场F2可以通过介电间隙16辐射通过导电框架15b。
至少一个内部部件被显示器14和外壳15包围，内部部件是底盘，或实心或柔性印刷电路板(printed circuit board，PCB)等。实心印刷电路板如图4所示，柔性印刷电路板如图5所示。这种印刷电路板可以平行和/或垂直于显示器14的主平面和外壳15的主平面延伸。图3示出了一个实施例，其中包括两个内部部件，一个是与显示器14的主平面平行延伸的实心印刷电路板，另一个是平行于显示器14的主平面并垂直于显示器14的主平面延伸的柔性印刷电路板，它们与导电框架15b的边缘和介电间隙16相邻。在该实施例中，即使使用端射天线，主辐射波束也可以朝向边射方向转向。印刷电路板还可以包括到射频集成电路(radio frequency integrated circuit，RFIC)的连接。或者，射频集成电路和印刷电路板被配置为一个整体部件。
图4和图5所示的双极化天线阵列12包括至少两个彼此相邻布置的双极化天线元件1。每个双极化天线元件1包括激励具有第一极化的第一电场F1的第一天线4和激励具有第二极化的第二电场F2的第二天线5。如图4所示，多个双极化天线元件1布置成使得双极化天线元件1的所有第一天线4形成第一天线子阵列12a，用于激励具有第一极化的第一电场F1，使得双极化天线元件1的所有第二天线5形成第二天线子阵列12b，用于激励具有第二极化的第二电场F2。
图6和图8示出了上述双极化天线元件1的实施例。双极化天线元件1包括第一导电结构2、第二导电结构3、第一天线4和第二天线5。第一导电结构2和第二导电结构3布置成使得第一导电结构2的第一主平面和第二导电结构3的第二主平面至少部分平行延伸。第一导电结构2和第二导电结构3中的至少一个可以包括上述内部部件。在一个实施例中，第一导电结构2是印刷电路板，第二导电结构3包括两个相同的和横向反转的平面部分，如图4、图5和图8所示，例如呈锥形偶极子的形式。
第一导电结构2包括具有第一构造的第一孔6，第二导电结构3包括具有不同于第一构造的第二构造的第二孔7。例如，第一孔6可以包括端部开口的导电腔，而第二孔7包括端部开口的狭槽，该端部开口的狭槽将两个相同的和横向反转的部分分离。但是，可以设想其它构造。
第一孔6邻接第二孔7，使得第一孔6和第二孔7互连。
在图6和图7中详细示出的第一天线4由第一导电结构2、第二导电结构3和第一天线馈源8形成，第一天线馈源8在垂直于第一主平面和第二主平面的第一方向D1上延伸穿过第一孔6并至少部分地跨过第一孔6。第一天线馈源8可以是Y形的。第一天线馈源8还可以包括第一耦合元件9，第一耦合元件9用于激励具有第一极化的第一电场F1。
在一个实施例中，第二孔7在第一方向D1上与第一天线馈源8并置。
图5和图8中详细示出的第二天线5由第二导电结构3和第二天线馈源10形成，第二天线馈源10在平行于第一主平面和第二主平面的第二方向D2上延伸跨过第二孔7。
第二天线馈源10可以包括第二耦合元件11，第二耦合元件11用于激励具有第二极化的第二电场F2。第二耦合元件11可以通过电连接或电容连接将第二天线馈源10耦合到第二导电结构3。
在一个实施例中，第一电场F1和第二电场F2在相同的工作频率范围内工作。第一孔6的最大尺寸和第二孔7的最大尺寸可以相等，并且对应于工作频率范围内最小频率的波长。由于第一孔6和第二孔7可以以相同的频率工作，因此两个孔6、7的最大尺寸优选一致。
第一天线馈源8在第一天线4中激励同相电流。第一天线馈源8还可以在第二天线5中激励电流，该电流与第二天线馈源10激励的电流异相。这支持第一天线4和第二天线5在基本上相同的空间内以相同的频率工作，同时仍然彼此很好地隔离。
双极化天线元件1可以产生第一极化和与第一极化正交的第二极化。第一极化可以是垂直极化，第二极化可以是水平极化。在一个实施例中，第一天线4是具有垂直极化的端射天线元件，第二天线5是具有水平极化的端射天线元件。此外，第一天线4和第二天线5可以用于产生毫米波频率辐射。
如图6和图7所示，第一孔6的第一构造可以在第一主平面中围绕第一轴线A1对称。相应地，如图5和图8所示，第二构造可以在第二主平面中围绕第二轴线A2对称。第一轴线A1可以在第二轴线A2附近延伸并平行于第二轴线A2延伸，或者第一轴线A1可以与第二轴线A2重合。
在图7所示的一个实施例中，第一孔6包括由封闭端壁6a和侧壁6b限定的端部开口的腔。腔可以具有任何合适的形状，例如，可以基本上是矩形。第一天线馈源8可以在封闭端壁6a与第二导电结构3之间延伸，第一耦合元件9可以通过电连接或电容连接将第一天线馈源8耦合到第二导电结构3。
第二孔7可以包括与腔的开口端并置的端部开口的狭缝，如图6和图8所示。
在一个实施例中，第二导电结构3是锥形偶极子。由第一天线馈源8在锥形偶极子上感应的电流可以与由第二天线馈源10感应的电流异相，从而在天线元件1的两个并置天线4、5之间提供良好的隔离。
第二主平面中的锥形偶极子的尺寸可以在0.35*λmin与0.65*λmin之间，λmin是工作频率范围内最大频率的波长。此外，第二主平面中的锥形偶极子和第二孔7的组合的尺寸可以在0.35*λmax与0.65*λmax之间，λmax是工作频率范围内最小频率的波长。
第一天线馈源8可以包括单个单极馈源或双折叠单极馈源。由腔定义的垂直极化模式和由狭缝同相电流定义的水平极化模式可以用于调谐较低的谐振。第一天线馈源8可以用于调谐更高的谐振。
单个单极馈源或双折叠单极馈源在第一方向D1上的尺寸可以在0.35*λmin与0.65*λmin之间，λmin是工作频率范围内最大频率的波长。此外，第一孔6在第一方向D1上的尺寸可以在0.35*λmax与0.65*λmax之间，λmax是工作频率范围内最小频率的波长。
本文已经结合各种实施例描述了各个方面和实现方式。但是，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域的技术人员在实践所要求保护的主题时可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施并不表示这些措施的组合不能被有效地使用。
权利要求书中所用的参考符号不应解释为对范围进行限制。

Claims (21)

1.一种双极化天线元件(1)，其特征在于，包括第一导电结构(2)、第二导电结构(3)、第一天线(4)和第二天线(5)，
所述第一导电结构(2)的第一主平面和所述第二导电结构(3)的第二主平面至少部分平行延伸，
所述第一导电结构(2)包括具有第一构造的第一孔(6)，
所述第二导电结构(3)包括具有与所述第一构造不同的第二构造的第二孔(7)，
所述第一孔(6)邻接所述第二孔(7)，
所述第一天线(4)由以下各项形成：
-所述第一导电结构(2)，
-所述第二导电结构(3)，
-第一天线馈源(8)，所述第一天线馈源(8)包括第一耦合元件(9)，所述第一耦合元件(9)用于激励具有第一极化的第一电场(F1)，
所述第一天线馈源(8)在垂直于所述第一主平面和所述第二主平面的第一方向(D1)上延伸穿过所述第一孔(6)，
所述第二天线(5)由以下各项形成：
-所述第二导电结构(3)，
-第二天线馈源(10)，所述第二天线馈源(10)包括第二耦合元件(11)，所述第二耦合元件(11)用于激励具有第二极化的第二电场(F2)，
所述第二天线馈源(10)在平行于所述第一主平面和所述第二主平面的第二方向(D2)上沿着所述第二孔(7)延伸。
2.根据权利要求1所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，所述第一电场(F1)和所述第二电场(F2)可以在相同的工作频率下工作。
3.根据权利要求2所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，所述第一电场(F1)的方向与所述第二电场(F2)的方向正交。
4.根据上述权利要求中任一项所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，所述第一孔(6)的所述第一构造在所述第一主平面中围绕第一轴线(A1)对称，和/或
所述第二孔(7)的所述第二构造在所述第二主平面中围绕第二轴线(A2)对称，
所述第一轴线(A1)在所述第二轴线(A2)附近延伸，或与所述第二轴线(A2)重合。
5.根据上述权利要求中任一项所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，所述第二孔(7)在所述第一方向(D1)上与所述第一天线馈源(8)并置。
6.根据上述权利要求中任一项所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，所述第一孔(6)包括由封闭端壁(6a)和侧壁(6b)限定的端部开口的腔，
所述第二孔(7)包括端部开口的狭缝，
所述端部开口的狭缝与所述腔的所述开口端并置。
7.根据权利要求6所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，所述第一天线馈源(8)在所述封闭端壁(6a)与所述第二导电结构(3)之间延伸，并且所述第一耦合元件(9)通过电连接和电容连接中的一种将所述第一天线馈源(8)耦合到所述第二导电结构(3)。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，所述第一孔(6)的最大尺寸和所述第二孔(7)的最大尺寸相等，并且对应于所述工作频率范围内最小频率的波长。
9.根据上述权利要求中任一项所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，所述第一天线馈源(8)在所述第二天线(5)中激励第一电流，所述第一电流与由所述第二天线馈源(10)激励的电流异相。
10.根据上述权利要求中任一项所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，所述第一极化是垂直极化，所述第二极化是水平极化。
11.根据上述权利要求中任一项所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，所述第一天线(4)和所述第二天线(5)用于产生毫米波频率的辐射。
12.根据上述权利要求中任一项所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，所述第一天线(4)是具有垂直极化的端射天线元件，所述第二天线(5)是具有水平极化的端射天线元件。
13.根据上述权利要求中任一项所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，所述第二导电结构(3)是锥形偶极子。
14.根据权利要求13所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，
所述第二主平面中的所述锥形偶极子的尺寸在0.35*λmin与0.65*λmin之间，λmin是所述工作频率范围内最大频率的波长，
在所述第二主平面中，所述锥形偶极子与所述第二孔(7)的组合的尺寸在0.35*λmax与0.65*λmax之间，λmax是所述工作频率范围内最小频率的波长。
15.根据上述权利要求中任一项所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，所述第一天线馈源(8)包括单个单极馈源或双折叠单极馈源。
16.根据权利要求15所述的双极化天线元件(1)，其特征在于，
所述单个单极馈源或所述双折叠单极馈源在所述第一方向(D1)上的尺寸在0.35*λmin与0.65*λmin之间，λmin是所述工作频率范围内最大频率的波长，
所述第一孔(6)在所述第一方向(D1)上的尺寸在0.35*λmax与0.65*λmax之间，λmax是所述工作频率范围内最小频率的波长。
17.一种双极化天线阵列(12)，其特征在于，包括至少两个根据权利要求1至16中任一项所述的双极化天线元件(1)，
所述双极化天线元件(1)的所述第一天线(4)形成第一天线子阵列(12a)，所述第一天线子阵列(12a)用于激励具有第一极化的第一电场(F1)，
所述双极化天线元件(1)的所述第二天线(5)形成第二天线子阵列(12b)，所述第二天线子阵列(12b)用于激励具有第二极化的第二电场(F2)。
18.一种电子设备(13)，其特征在于，包括显示器(14)、外壳(15)和根据权利要求17所述的至少一个双极化天线阵列(12)，
所述双极化天线阵列(12)的第一导电结构(2)和第二导电结构(3)是由所述显示器(14)和所述外壳(15)包围的至少一个内部部件。
19.根据权利要求18所述的电子设备(13)，其特征在于，所述第一导电结构(2)和所述第二导电结构(3)中的至少一个是固体或柔性印刷电路板。
20.根据权利要求19所述的电子设备(13)，其特征在于，所述印刷电路板平行和/或垂直于所述显示器(14)的主平面和所述外壳(15)的主平面延伸。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的电子设备(13)，其特征在于，所述外壳(15)包括后盖(15a)和在所述显示器(14)和所述后盖(15a)的周缘之间延伸的导电框架(15b)，所述显示器(14)通过介电间隙(16)与所述导电框架(15b)分离，
所述双极化天线阵列(12)在所述显示器(14)的表面附近延伸，
所述介电间隙(16)使得由所述双极化天线阵列(12)激励的第一电场(F1)和第二电场(F2)辐射通过所述导电框架(15b)。
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