CN115548645A - 一种天线单元及一种天线阵列 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种天线单元，该天线单元包括电磁寄生加载体，在第一方向上相邻的电磁寄生加载体子单元的间距的大小单调变化，也可以是在第一方向上相邻的电磁寄生加载体子单元的尺寸的大小单调变化，能够实现电流分布趋势的再分配，改变天线单元口径上整体的电流分布趋势，调整天线的方向图；本申请提供一种天线阵列，可以是由异构的天线单元构成，实现对波束的灵活调整，并可以根据目标需求定制结构，能够灵活控制波束方向图，避免了波束方向图的畸变，提高了通信质量。

Description

一种天线单元及一种天线阵列

技术领域

本申请涉及通信领域，尤其涉及一种天线单元及一种天线阵列。

背景技术

在无线通信系统中，天线的波束宽度与天线的覆盖范围和天线的干扰存在着密切的关系，天线性能的优劣深刻影响用户体验以及整个通信系统的通信质量。随着移动通信的快速发展，人们对通信质量的要求越来越高，在人口密集的城市内基站信号塔的分布也越来越密集，在人口密集的小区中往往采用三个基站将空间划分为三个扇区，这就要求三个基站的水平波束宽度要将整个水平角度均完全覆盖，且尽可能不出现或者出现较小的扇区重叠。

而在阵列环境中激励某一个天线单元时，由于存在电磁耦合现象，该天线单元的部分能量分散至邻近天线单元，能量的损失导致了其增益的骤降，低频增益受到的影响较大，因此波束宽度激增。此外邻近天线单元由于产生了感应电流，其电场与激励天线单元的电场在远区场的叠加会导致方向图的畸变。

因此，为了提高通信质量，提升用户体验，天线波束过宽、方向图畸变是亟待解决的问题。

发明内容

本申请提供一种天线单元及一种天线阵列，能够有效控制天线波束方向图，提高通信质量，提升用户体验。

第一方面，提供了一种天线单元，该天线单元可以包括振子臂、电磁寄生加载体、馈电线芯和反射板，电磁寄生加载体在振子臂的上方，电磁寄生加载体包括电磁寄生加载体子单元，馈电线芯在振子臂的下方，馈电线芯与振子臂相连，反射板在振子臂的下方，

其中，在第一方向上相邻的电磁寄生加载体子单元的间距的大小单调变化，和/或，在第二方向上相邻的电磁寄生加载体子单元的尺寸的大小单调变化。

应理解，第一方向可以是与天线面板夹角为零的方向，第二方向也可以是与天线面板夹角为零的方向。

示例地，第一方向可以是沿电磁寄生加载体的行方向，或者，沿电磁寄生加载体的列方向，或者沿电磁寄生加载体的对角线方向，第二方向也可以是沿电磁寄生加载体的行方向，或者，沿电磁寄生加载体的列方向，或者沿电磁寄生加载体的对角线方向。

一种可能的方式，第一方向与第二方向可以相同。示例地，电磁寄生加载体子单元的间距可以沿电磁寄生加载体的行方向变化，电磁寄生加载体的尺寸也可以沿电磁寄生加载体的行方向变化。

一种可能的方式，第一方向与第二方向可以不同。示例地，电磁寄生加载体子单元的间距可以沿电磁寄生加载体的行方向变化，电磁寄生加载体的尺寸可以沿电磁寄生加载体的列方向变化。

应理解，单调变化可以是在第一方向上电磁寄生加载体子单元的间距的变化趋势相同，比如，可以是单调增大，即电磁寄生加载体子单元的间距或者尺寸逐渐增大，也可以是单调减小，即电磁寄生加载体子单元的间距或者尺寸逐渐减小。

其中，电磁寄生加载体可以是以层状结构覆盖在振子臂的上方，电磁寄生加载体可以是单层，也可以是多层。电磁寄生加载体的每一层可以由电磁寄生加载体子单元周期性地排列组成，电磁寄生加载体子单元可以是多层结构，一般包括介质层和金属层。本申请中电磁寄生加载体俯视图的平面形状可以是对称形状，比如，可以是矩形、方形等，也可以是圆形等，电磁寄生加载体子单元的形状可以是对称形状，比如矩形、方形等，也可以是圆形等。

电磁寄生加载体子单元之间的间距可以是几何中心之间的距离，电磁寄生加载体子单元的尺寸可以是其几何尺寸。

还应理解，电磁寄生加载体子单元之间的间距和尺寸允许一定的工艺误差。

本申请提供的天线单元包括的电磁寄生加载体子单元之间的间距可以是渐变的，其尺寸也可以是渐变的，电磁寄生加载体子单元渐变的尺寸可以实现其上耦合电流的相位调节，渐变的间距可以实现电流耦合强弱的改变，保持电磁寄生加载体和振子臂之间近距离的耦合可以更有效的实现天线单元耦合电流的传递，实现电流分布趋势的再分配，能够改变天线单元口径上整体的电流分布趋势，调整天线的方向图。

以下以电磁寄生加载体子单元间距和尺寸均沿第一方向变化为例对本申请的方案展开陈述。

一种可能的方式，在第一方向上相邻的电磁寄生加载体子单元的间距的大小按照第一规律单调变化，和/或，在第一方向上相邻的电磁寄生加载体子单元的尺寸的大小按照第一规律单调变化。

应理解，第一规律可以是第一方向上的相邻电磁寄生加载体子单元之间的间距的差值相同，也可以是第一方向上相邻的电磁寄生加载体子单元的尺寸之间的差值相同，即等差变化，也可以是第一方向上的相邻电磁寄生加载体子单元之间的间距的差值递减或递增，也可以是第一方向上相邻的电磁寄生加载体子单元的尺寸之间的差值递减或递增。应理解，差值的变化允许一定的误差，在误差内，差值仍可以被视为相同或者递减或者递增。该误差可以是预设的误差，也可以是工艺误差。

一种可能的方式，天线单元还包括短路墙，短路墙在振子臂的内侧，短路墙用于连接振子臂内侧和反射板。

短路墙用于连接振子臂内侧和反射板，以构成电流回路，在天线辐射时等效为一个磁流环，与天线单元本身的半波阵子构成一个电磁互补的双单元辐射，对进一步收窄天线的波束宽度起到重要作用。此外，短路墙也可以分流振子臂上的电流，实现对偶极子振子臂上的电流再分配，实现波束宽度的控制，并且可以改善振子的阻抗匹配。

一种可能的方式，天线单元还可以包括绝缘体，绝缘体在振子臂的上方，绝缘体用于支撑电磁寄生加载体。

应理解，绝缘体可以是在振子臂与电磁寄生加载体之间。

一种可能的方式，振子臂的上表面与电磁寄生加载体的下表面之间的距离可以小于或等于入射波长的十分之一。

应理解，电磁寄生加载体可以是与振子臂贴合，也可以是由两者之间的绝缘体支撑。绝缘体的高度可以与振子臂的上表面与电磁寄生加载体的下表面之间的距离相同。

一种可能的方式，绝缘体可以包括塑料柱。

一种可能的方式，电磁寄生加载体可以包括超材料。

一种可能的方式，超材料包括介质层和金属层。

其中，介质层可以是可印刷电路板PCB板材层，金属层可以是铜层。

应理解，上述材质只作为一种示例，不限于此。

第二方面，提供一种天线单元，该天线单元可以包括导体片，导体片包括至少两个馈电端口，该至少两个馈电端口包括用于确定天线单元的反射波束的方向和/或宽度的端口，该至少两个馈电端口是根据第一参数确定的，第一参数包括电流密度分布。

一种可能的方式，至少两个馈电端口包括第一馈电端口和第二馈电端口，第一馈电端口对应第一模式，第二馈电端口对应第二模式。

其中，第一模式包括本证谐振模式，和/或，第二模式包括本证谐振模式。

一种可能的方式，天线单元通过叠加第一模式和第二模式确定天线单元的反射波束的方向和/或宽度。

一种可能的方式，第一模式和第二模式的贡献比例不同。

一种可能的方式，第一模式和第二模式的贡献比例是根据目标波束方向和/或宽度确定的。

一种可能的方式，第一模式是通过第一能量激励的，第二模式是通过第二能量激励的，第一能量和第二能量占激励能量的比例不同。

天线单元具有内在的本征谐振模式，每个本征模式都有一个方向图与其对应，天线阵列的方向图可以是这些模式被激励后的线性叠加，调整不同模式在辐射中的贡献比例，即可获得该模式对应的方向图。通过在一个金属片的不同位置添加馈电端口，即可实现对不同模式的激励，调整不同辐射模式的贡献比例，从而实现对波束宽度的控制，可以定制化地实现波束宽度的收窄控制，且可以根据不同需求控制不同指标下的波束方向图(波束宽度和/或波束方向)

一种可能的方式，导体片上的馈电端口还可以根据目标驻波水平确定。

在根据电流密度分布确定的基础上结合目标驻波水平，进一步确定最佳位置的激励端口。

一种可能的方式，导体片的边长或对角线长为入射波长的二分之一。

第三方面提供一种天线阵列，该天线阵列可以包括至少一个天线子阵列，至少一个天线子阵列包括第一天线子阵列，第一天线子阵列包括如第一方面及第一方面可能的实现方式中任一项的天线单元，或者，如第二方面及第二方面可能的实现方式中任一项的天线单元。

即，该天线阵列中至少包括上述天线单元中的一例。

一种可能的方式，至少一个天线子阵列中的每个天线子阵列包括如第一方面及第一方面可能的实施方式中任一项的天线单元，或者，如第二方面及第二方面可能的实施方式中任一项的天线单元。

即，该天线单元可以是仅由上述天线单元中的一例构成的。

一种可能的方式，至少一个天线子阵列包括第二天线子阵列和第三天线子阵列，第二天线子阵列包括如第一方面及第一方面可能的实现方式中任一项的天线单元，且，第三天线子阵列包括如第二方面及第二方面可能的实现方式中任一项的天线单元。

即，该天线阵列可以同时包括上述第一方面和第二方面的天线单元。

应理解，第一方面中的天线单元还可以包括不同的天线子单元，示例地，第一天线子单元包括的电磁寄生加载体子单元之间的间距，与，第二天线子单元包括的电磁寄生加载体子单元之间的间距不同，或者，第一天线子单元包括的电磁寄生加载体子单元的尺寸，与，第二天线子单元包括的电磁寄生加载体子单元的尺寸不同，或者，两者均不同。

应理解，该天线阵列还可以包括其他任何与本申请提供的天线单元结构不同的天线单元，包括异构天线单元的天线阵列均应在本申请保护范围之内。

第四方面，提供一种通信设备，该通信设备可以包括如第三方面或第三方面可能的实现方式中任一项的天线阵列。

附图说明

图1示出了适用于本申请实施例的一种通信系统；

图2是适用于本申请的一种天线阵列及一种天线单元的示意图；

图3是适用于本申请一种天线单元的三维结构示意图；

图4是适用于本申请的超材料的结构示意图；

图5是适用于本申请的另一种超材料的结构示意图；

图6是适用于本申请的另一种超材料的结构示意图；

图7是适用于本申请的另一种超材料的结构示意图；

图8是适用于本申请的另一种超材料的结构示意图；

图9是适用于本申请的另一种天线单元的示意图；

图10是适用于本申请的另一种天线阵列的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。

本申请提供的技术方案可以应用于各种通信系统，例如：长期演进(Long TermEvolution，LTE)系统、LTE频分双工(frequency division duplex，FDD)系统、LTE时分双工(time division duplex，TDD)、通用移动通信系统(universal mobiletelecommunication system，UMTS)、全球互联微波接入(worldwide interoperabilityfor microwave access， WiMAX)通信系统、未来的第五代(5th Generation，5G)移动通信系统或新无线接入技术(new radio access technology，NR)。其中，5G移动通信系统可以包括非独立组网 (non-standalone，NSA)和/或独立组网(standalone，SA)。

本申请提供的技术方案还可以应用于机器类通信(machine typecommunication， MTC)、机器间通信长期演进技术(Long Term Evolution-machine，LTE-M)、设备到设备(device to device，D2D)网络、机器到机器(machine to machine，M2M)网络、物联网(internet of things，IoT)网络或者其他网络。其中，IoT网络例如可以包括车联网。其中，车联网系统中的通信方式统称为车到其他设备(vehicle to X，V2X，X可以代表任何事物)，例如，该V2X可以包括：车辆到车辆(vehicle to vehicle，V2V)通信，车辆与基础设施(vehicle to infrastructure，V2I)通信、车辆与行人之间的通信(vehicle topedestrian，V2P)或车辆与网络(vehicle to network，V2N)通信等。

本申请提供的技术方案还可以应用于未来的通信系统，如第六代移动通信系统等。本申请对此不作限定。

本申请实施例中，网络设备可以是任意一种具有无线收发功能的设备。该设备包括但不限于：演进型节点B(evolved Node B，eNB)、无线网络控制器(radio networkcontroller， RNC)、节点B(Node B，NB)、基站控制器(base station controller，BSC)、基站收发台(base transceiver station，BTS)、家庭基站(例如，home evolved NodeB，或home Node B，HNB)、基带单元(baseband unit，BBU)，无线保真(wireless fidelity，WiFi)系统中的接入点(access point，AP)、无线中继节点、无线回传节点、传输点(transmissionpoint， TP)或者发送接收点(transmission and reception point，TRP)等，还可以为5G，如，NR，系统中的gNB，或，传输点(TRP或TP)，5G系统中的基站的一个或一组(包括多个天线面板)天线面板，或者，还可以为构成gNB或传输点的网络节点，如基带单元(BBU)，或，分布式单元(distributed unit，DU)等。

在一些部署中，gNB可以包括集中式单元(centralized unit，CU)和DU。gNB还可以包括有源天线单元(active antenna unit，AAU)。CU实现gNB的部分功能，DU实现 gNB的部分功能，比如，CU负责处理非实时协议和服务，实现无线资源控制(radio resourcecontrol，RRC)，分组数据汇聚层协议(packet data convergence protocol，PDCP)层的功能。DU负责处理物理层协议和实时服务，实现无线链路控制(radio link control，RLC)层、介质接入控制(medium access control，MAC)层和物理(physical，PHY)层的功能。 AAU实现部分物理层处理功能、射频处理及有源天线的相关功能。由于RRC层的信息最终会变成PHY层的信息，或者，由PHY层的信息转变而来，因而，在这种架构下，高层信令，如RRC层信令，也可以认为是由DU发送的，或者，由DU+AAU发送的。可以理解的是，网络设备可以为包括CU节点、DU节点、AAU节点中一项或多项的设备。此外，可以将CU划分为接入网(radioaccess network，RAN)中的网络设备，也可以将CU划分为核心网(core network，CN)中的网络设备，本申请对此不做限定。

网络设备为小区提供服务，终端设备通过网络设备分配的传输资源(例如，频域资源，或者说，频谱资源)与小区进行通信，该小区可以属于宏基站(例如，宏eNB或宏gNB 等)，也可以属于小小区(small cell)对应的基站，这里的小小区可以包括：城市小区(metrocell)、微小区(micro cell)、微微小区(pico cell)、毫微微小区(femto cell)等，这些小小区具有覆盖范围小、发射功率低的特点，适用于提供高速率的数据传输服务。

在本申请实施例中，终端设备也可以称为用户设备(user equipment，UE)、接入终端、用户单元、用户站、移动站、移动台、远方站、远程终端、移动设备、用户终端、终端、无线通信设备、用户代理或用户装置。

终端设备可以是一种向用户提供语音/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。目前，一些终端的举例可以为：手机(mobile phone)、平板电脑(pad)、带无线收发功能的电脑(如笔记本电脑、掌上电脑等)、移动互联网设备(mobileinternet device，MID)、虚拟现实(virtual reality，VR)设备、增强现实(augmentedreality，AR)设备、工业控制(industrial control)中的无线终端、无人驾驶(selfdriving) 中的无线终端、远程医疗(remote medical)中的无线终端、智能电网(smartgrid)中的无线终端、运输安全(transportation safety)中的无线终端、智慧城市(smartcity)中的无线终端、智慧家庭(smart home)中的无线终端、蜂窝电话、无绳电话、会话启动协议(session initiation protocol，SIP)电话、无线本地环路(wireless local loop，WLL)站、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、具有无线通信功能的手持设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其它处理设备、车载设备、可穿戴设备，5G网络中的终端设备或者未来演进的公用陆地移动通信网络(public land mobile network，PLMN)中的终端设备等。

其中，可穿戴设备也可以称为穿戴式智能设备，是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，如眼镜、手套、手表、服饰及鞋等。可穿戴设备即直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能。广义穿戴式智能设备包括功能全、尺寸大、可不依赖智能手机实现完整或者部分的功能，例如：智能手表或智能眼镜等，以及只专注于某一类应用功能，需要和其它设备如智能手机配合使用，如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等。

此外，终端设备还可以是物联网(internet of things，IoT)系统中的终端设备。IoT是未来信息技术发展的重要组成部分，其主要技术特点是将物品通过通信技术与网络连接，从而实现人机互连，物物互连的智能化网络。IoT技术可以通过例如窄带(narrowband， NB)技术，做到海量连接，深度覆盖，终端省电。

此外，终端设备还可以包括智能打印机、火车探测器、加油站等传感器，主要功能包括收集数据(部分终端设备)、接收网络设备的控制信息与下行数据，并发送电磁波，向网络设备传输上行数据。

为便于理解本申请实施例，首先结合图1详细说明适用于本申请实施例提供的天线单元和天线阵列的通信系统。图1示出了适用于本申请实施例的通信系统100的示意图。如图所示，该通信系统100可以包括至少一个网络设备，如图1中所示的网络设备101；该通信系统100还可以包括至少一个终端设备，如图1中所示的终端设备102至107。其中，该终端设备102至107可以是移动的或固定的。网络设备101和终端设备102至107中的一个或多个均可以通过无线链路通信。每个网络设备可以为特定的地理区域提供通信覆盖，并且可以与位于该覆盖区域内的终端设备通信。例如，网络设备可以向终端设备发送配置信息，终端设备可以基于该配置信息向网络设备发送上行数据；又例如，网络设备可以向终端设备发送下行数据。因此，图1中的网络设备101和终端设备102至107构成一个通信系统。

应理解，图1示出了一个网络设备和多个终端设备，以及各通信设备之间的通信链路。可选地，该通信系统100可以包括多个网络设备，并且每个网络设备的覆盖范围内可以包括其它数量的终端设备，例如更多或更少的终端设备。本申请对此不做限定。

本申请实施例提出的天线阵列可以用于具有接收和/或发送功能的设备中，比如上述各个通信设备，如图1中的网络设备101和终端设备102至107，可以配置多个天线。

示例地，本申请实施例提出的天线阵列可部署在如图1所示的网络设备101上。该多个天线可以包括至少一个用于发送信号的发射天线和至少一个用于接收信号的接收天线。另外，各通信设备还附加地包括发射机链和接收机链，本领域普通技术人员可以理解，它们均可包括与信号发送和接收相关的多个部件(例如处理器、调制器、复用器、解调器、解复用器或天线等)。因此，网络设备与终端设备之间可通过多天线技术通信。

可选地，该无线通信系统100还可以包括网络控制器、移动管理实体等其他网络实体，本申请实施例不限于此。

应理解，上文所示例的CU+DU+AAU的架构仅为网络设备的一种可能的架构。图1 所示的网络设备还可以是其他多种不同的架构。例如，该网络设备还可以是宏基站+天线的架构，或者，分离式基站+天线的架构，又或者，AAU+基带单元(base band unit，BBU) 的架构，等等。本申请对此不作限定。

为便于理解，先对本文涉及到的一些概念做简单介绍。

1.天线阵列

为适合各种场合的应用，将工作在同一频率的两个或两个以上的单个天线单元，按照一定的要求进行馈电和空间排列构成的天线系统称为天线阵列，也叫天线阵。天线阵的辐射场可以是各天线单元辐射场的矢量和，其特性可以取决于天线单元的型式、位置、排列方式及其激励幅度和相位。

2.天线单元

构成天线阵列的最小独立单元，也可以称为阵元。

3.波束宽度

一般可以分为水平波束宽度和垂直波束宽度，其中，水平波束宽度可以是在水平方向上的最大辐射方向两侧，辐射功率下降3dB的两个方向之间的夹角；垂直波束宽度可以是在垂直方向上，在最大辐射方向两侧的辐射功率下降3dB的两个方向之间的夹角。

4.阻抗匹配

可以是信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间的特定配合关系。负载阻抗可以等于信源内阻抗，即两者的模与辐角分别相等，这时在负载阻抗上可以得到无失真的电压传输；负载阻抗可以等于信源内阻抗的共轭值，即两者的模相等而辐角之和为零，这时在负载阻抗上可以得到最大功率，这种匹配条件称为共轭匹配。如果信源内阻抗和负载阻抗均为纯阻性，则两种匹配条件是等同的。

在各种通信架构中，通信设备需要通过天线来收发信号。通常情况下，通信设备可以部署天线面板，天线面板上排布大规模的天线阵列。目前，对于在天线单元级别对波束宽度作调整时，存在着方向图变宽或者产生畸变的问题，针对该问题，本申请提出了一种天线单元及天线阵列，该天线阵列的一例如图2中的左图所示。

图2中的右图示出了本申请的一例天线单元的结构。该天线单元可以包括：电磁寄生加载体层201，振子臂层202、馈电线芯203和反射板204。

其中，电磁寄生加载体层201处于振子臂202上方，馈电线芯203处于振子臂下方。

图3为图2中的右图所示的天线单元结构的三维结构示意图。

馈电线芯也称作同轴线，可以包括内外导体，以及内外导体间的射频电缆。

天线单元中的振子臂一般呈中心对称，可以分为两组，每组包括两个振子臂，各组内的振子臂可以相同。

也即，四个振子臂构成两个振子，这两个振子可以完全相同也可以不同，两个振子可以在空间上呈正交状态，也可以是其他状态，本申请对此不作限定。但可以理解的是，两个振子在空间上呈正交状态为本申请的优选方案。

可选地，馈电线芯203与振子臂中任一个振子臂的一条边电连接或者耦合连接。

可选地，该天线单元还包括短路墙205，短路墙位于四个振子臂的内侧，用于连接振子臂内侧和反射板，以构成电流回路，在天线辐射时等效为一个磁流环，这与天线单元本身的半波阵子构成一个电磁互补的双单元辐射，对进一步收窄天线的波束宽度起到重要作用。此外，短路墙也可以分流振子臂上的电流，实现对偶极子振子臂上的电流再分配，实现波束宽度的控制，并且可以改善振子的阻抗匹配。

可选地，短路墙的材质可以是金属。

可选地，短路墙的形状可以是L型，也可以是其他形状，本申请对此不作限定。

电磁寄生加载体层201处于振子臂上方，可以是作为整体的一层覆盖在振子臂上方，也可以是根据振子臂组别的不同，将电磁寄生加载体层分为两组，与振子臂组别对应，覆盖在振子臂上方。本申请对此不作限定。

该天线单元还可以包括绝缘柱206，绝缘柱用于支撑电磁寄生加载体层。

绝缘柱的高度可以在0.1个波长以内，可以是0.05至0.1个波长的距离，也可以是适当的距离，本申请对此不作限定。

可选地，绝缘柱的材质可以是塑料，比如，可以是尼龙。

可选地，电磁寄生加载体可以是单层结构，也可以是多层结构，如图3所示，图3中的示出的201电磁寄生加载体包括了三个电磁寄生加载体层，每一个电磁寄生加载体层可以是由电磁寄生加载体子单元以周期性的排列方式组成的。

本申请中电磁寄生加载体俯视图的平面形状可以是对称形状，比如，可以是矩形、方形等，也可以是圆形等，电磁寄生加载体子单元的形状可以是对称形状，比如矩形、方形等，也可以是圆形等。

电磁寄生加载体子单元之间的间距可以是几何中心之间的距离，电磁寄生加载体子单元的尺寸可以是其几何尺寸，比如，当电磁寄生加载体子单元形状为圆形时，间距可以是圆心之间的距离，尺寸可以是其半径或直径的大小；当电磁寄生加载体子单元形状为方形时，间距可以是对角线交点之间的距离，尺寸可以是对角线的长度；当相邻的电磁寄生加载体子单元的形状不同时，其间距可以通过几何中心之间的距离表示，比如，电磁寄生加载体子单元A为圆形，电磁寄生加载体子单元B为方形，则两者之间的间距可以是圆心与方形两条对角线的交点之间的距离。

应理解，与其等效的尺寸和距离也在本申请保护范围之内。示例地，当电磁寄生加载体子单元为方形时，其间距也可以通过相邻的边之间的距离表示；当电磁寄生加载体子单元为圆形时，其间距也可以是与圆心相对位置相同的圆周上的点之间的距离。

还应理解，电磁寄生加载体子单元之间的间距和尺寸允许一定的工艺误差。电磁寄生加载体俯视图的平面形状与尺寸需要能够覆盖振子臂。示例地，振子臂为方形，电磁寄生加载体俯视图的平面形状可以是方形，其尺寸可以与振子臂的尺寸相同，也可以大于振子臂的尺寸。

可选地，电磁寄生加载体层中的电磁寄生加载体可以是超材料。

超材料层可以包括单层超材料，可以包括多层超材料，本申请对此不作限定，具体结构可以根据应用需求，比如目标波束方向和/或目标波束宽度来确定。

应理解，超材料可以是超材料子单元以周期性排列构成的，超材料子单元可以是超材料的最小单元结构。

超材料子单元可以包括介质层和金属层，介质层可以是常规印刷电路板(Printedcircuit board，PCB)板材，金属层可以是铜。

应理解，超材料子单元包括至少一层金属层和一层介质层，具体的超材料子单元的构成可以是根据需求或者根据金属层和/或介质层的材质特性确定的。

应理解，其他可以实现相同技术效果的材质或者替代品也在本申请保护范围之内。

本申请实施例中对单层超材料中包括的超材料子单元的个数不作限定。

应理解，超材料子单元不同可以是超材料子单元的尺寸不同，比如厚度不同，或者长度不同，宽度不同，对角线的长度不同等等。也可以是超材料子单元的材质不同，比如，一个超材料子单元是由铜层和PCB构成的，另一个超材料子单元是由金层和二氧化硅层构成的。

应理解，本申请中超材料子单元的形状可以是对称形状，比如矩形、方形等，也可以是圆形等。在工艺制造流程中，对称形状的超材料子单元的尺寸和形状更易于控制。

应理解，上述各示例不作为限定。

该多个超材料子单元的尺寸可以是渐变的。应理解，超材料可以包括多层结构，多层结构的超材料子单元的尺寸变化趋势可以相同，示例地，第一超材料层的超材料子单元的尺寸与第二超材料层的超材料子单元的尺寸可以都是渐变的；多层结构的超材料子单元的尺寸变化也可以不同，示例地，第一超材料层的超材料子单元的尺寸可以是渐变的，第二超材料层的超材料子单元的尺寸可以不变。

还应理解，第一超材料层的变化规律可以与第二超材料层的变化规律相同，也可以不同。比如，第一超材料层的超材料子单元的尺寸以等差规律递减，第二超材料层的超材料子单元的尺寸只以递减的趋势变化，并无特定的等差规律。

应理解，第一超材料层和第二超材料层只作为一种示例，可以包括一个超材料层，也可以包括一部分超材料层，本申请对此不作限定。还应理解，超材料子单元之间的间距的变化可以参照上述尺寸的变化，此处不再赘述。

下文以多个超材料层的变化相同为例对本申请的技术方案展开描述。

具体地，在一层超材料中，多个超材料子单元的尺寸可以在第一方向上渐变。其中，第一方向可以是与天线面板夹角为零的方向。

示例地，第一方向可以是沿超材料的行方向，或者，沿超材料的列方向，或者沿超材料的对角线方向，行方向、列方向、对角线方向如图4所示。应理解，图4中的对角线是以矩形的对角线方向为例，其他图形的对角线方向也在本申请的保护范围内。

还应理解，本申请中的第一方向还可以是与对角线方向夹角不为零的方向。

沿第一方向排列天线单元以及天线单元中的超材料，能够提高天线阵列工艺制作流程的灵活度。

应理解，渐变可以是单调变化，比如递减(或递增)。

其中，递减(或递增)可以是呈规律性递减(或递增)，相邻的超材料子单元的尺寸的差值相同，以图4中超材料子单元为方形为例，第一列的超材料子单元的边长为8，第二列的超材料子单元的边长为6，第三列的超材料子单元的边长为4，第四列的超材料子单元的边长为2。

应理解，差值的变化允许一定的误差，在误差内，差值仍可以被视为相同或者递减或者递增。该误差可以是预设的误差，也可以是工艺误差。示例地，预设的误差值为±0.3，如果第四列的超材料子单元的边长为2.2，0.2的误差在预设误差范围内，则仍可以视为间距等差变化。

应理解，图4只是作为一种示例而非限定。

递减(或递增)也可以是随机递减(或递增)，相邻的超材料子单元的尺寸的差值不同，但尺寸整体为递减(或递增)趋势，以图4中超材料子单元为方形为例，第一列的超材料子单元的边长为8，第二列的超材料子单元的边长为7，第三列的超材料子单元的边长为4，第四列超材料子单元的边长为2。

应理解，图5只是作为一种示例而非限定。

一种可能的方式中，以超材料子单元的尺寸递减为例，当多个超材料子单元中的每一个超材料子单元的形状为正方形或者长方形时，上述尺寸递减可以是每一个正方形或者长方形的超材料子单元的对角线递减，当多个超材料子单元中的每一个超材料子单元的形状为圆形时，上述尺寸递减可以是每一个圆形的超材料子单元的直径递减(或递增)。

容易理解的，超材料子单元的尺寸递增可以参考上述以超材料子单元的尺寸递减为例的相关介绍，所不同的是，尺寸变化趋势为尺寸增大。

可选地，相邻超材料子单元之间的间距也可以是渐变的。

具体地，在一层超材料中，相邻超材料子单元之间的间距沿第一方向单调变化。应理解，第一方向的解释和补充与上述尺寸变化的方案中类似，此处不再赘述。

一种可能的方式，以间距单调递减为例，逐渐递减可以是呈规律性递减。

示例地，以间距规律性递减为例，相邻的超材料子单元的间距的差值相同，以图6中的超材料子单元为方形为例，第一列的超材料子单元与第二列超材料子单元之间的间距d1为8，第二列的超材料子单元与第三列超材料子单元之间的间距d2为6，第三列的超材料子单元与第四列超材料子单元之间的间距d3为4。

应理解，图6只是一种示例而非限定。

逐渐递减也可以是随机递减，相邻的超材料子单元的间距的差值不同，但间距整体为递减趋势，以图7中的超材料子单元为方形为例，第一列的超材料子单元与第二列超材料子单元之间的间距d1为9，第二列的超材料子单元与第三列超材料子单元之间的间距d2为4，第三列的超材料子单元与第四列超材料子单元之间的间距d3为1。

应理解，图7只是一种示例而非限定。

容易理解的，超材料子单元的间距递增可以参考上述以超材料子单元的间距递减为例的相关介绍，所不同的是，间距变化趋势为间距增大。

应理解，超材料子单元的渐变，可以是尺寸渐变，也可以是间距渐变，也可以是尺寸与间距都渐变，可以是多层超材料结构中第一超材料层的超材料子单元的尺寸渐变，第二超材料层的超材料子单元的间距渐变，或者，第一超材料层的超材料子单元与第二超材料层的子单元的尺寸和间距都渐变。应理解，第一超材料层和第二超材料层只作为一种示例，可以包括一个超材料层，也可以包括一部分超材料层，本申请对此不作限定。

还应理解，当相邻的电磁寄生加载体子单元的间距和尺寸都变化时，电磁寄生加载体子单元的间距的变化方向(即第一方向)与电磁寄生加载体的尺寸变化的方向(第二方向) 可以相同，也可以不同。其中，第二方向的解释可参照本文对第一方向的解释，此处不再赘述。

第一方向与第二方向不同时，示例地，第一方向可以是电磁寄生加载体的行方向，第二方向可以是电磁寄生加载体的列方向，具体地，电磁寄生加载体子单元的间距可以沿电磁寄生加载体的行方向变化，电磁寄生加载体的尺寸可以沿电磁寄生加载体的列方向变化，本申请对此不作限定。

示例地，超材料子单元的间距沿超材料的行方向递增，超材料子单元的尺寸沿超材料的列方向递增；也可以是多层超材料结构中的第一超材料层的超材料子单元的间距沿超材料的行方向递增，第二超材料层的超材料子单元的尺寸沿超材料的列方向递增，等等，本申请对此不作限定。应理解，第一超材料层和第二超材料层只作为一种示例，可以包括一个超材料层，也可以包括一部分超材料层，本申请对此不作限定。

还应理解，第一方向还可以是从超材料的几何中心位置向超材料的边线位置的方向, 如图8所示。

超材料子单元渐变的尺寸可以实现其上耦合电流的相位调节，渐变的间距可以实现电流耦合强弱的改变，保持超材料层和振子臂之间近距离的耦合可以更有效的实现天线单元耦合电流的传递，从而通过超材料层的结构来实现电流分布趋势的再分配能够改变天线单元口径上整体的电流分布趋势，调整天线的方向图。

本申请的另一实施例，如图9所示，天线子单元包括导体片以及导体片上的馈电端口。

一种可能的实施方式，馈电端口的位置和/或形状可以根据导体片表面电流密度分布来确定。

一种可能的实施方式，导体片上不同的馈电端口对应不同的模式，可以是本证谐振模式。

天线单元的波束方向图可以是馈电端口的本证谐振模式的叠加结果。

比如，导体片上有馈电端口#A，馈电端口#A对应本征谐振模式#A，导体片上还有馈电端口#B，馈电端口#B对应本征谐振模式#B，该导体片的波束方向图可以是本征谐振模式#A和本征谐振模式#B的叠加。

可以理解的是，本征谐振模式对波束方向图的贡献比例可以不同。

一种可能的实施方式，可以根据对馈电端口分配的激励能量来控制该馈电端口对应的本证谐振模式对波束方向图的贡献比例。

比如，对馈电端口#A分配的激励能量#A与对馈电端口#B分配的激励能量#B不同，这样馈电端口#A和馈电端口#B对导体片的波束方向图的贡献不同，激励能量#A占的比例大则馈电端口#A的贡献更大。

理想条件下，通过对导体片上不同的馈电端口激励，控制激励能量的比例，可以得到无穷多种波束方向图。具体某次激励能量的配比可以根据该次目标波束方向图来确定。

应理解，导体片可以是金属贴片，比如可以是铜。

可选地，导体片的尺寸与入射波的波长有关，比如，可以是入射波长的一半。

可选地，导体片的形状可以是圆形，可以是方形，可以是矩形，本申请对此不作限定。当导体片的形状为圆形时，导体片的尺寸可以是指圆形的直径；当导体片的形状为方形或矩形时，导体片的尺寸可以是指方形的边长，或者可以是指方形或矩形的对角线长。

进一步地，导体片上的馈电端口的形状和/或位置还可以根据目标驻波水平来确定。

比如，在根据电流密度分布确定的位置的基础上，当需要的驻波水平为2时，可以在该位置上寻找阻抗满足50Ω±A的馈电点作为馈电端口，又比如，当需要的驻波水平为1.5 时，可以在该位置上寻找阻抗满足50Ω±B的馈电点作为馈电端口。

驻波水平即阻抗匹配，可选地，为了让能量可以高效地馈入天线，驻波一般小于<1.5。

天线单元具有内在的本征谐振模式，每个本征模式都有一个方向图与其对应，天线阵列的方向图可以是这些模式被激励后的线性叠加，调整不同模式在辐射中的贡献比例，即可获得该模式对应的方向图。通过在一个金属片的不同位置添加馈电端口，即可实现对不同模式的激励，调整不同辐射模式的贡献比例，从而实现对波束宽度的控制，可以定制化地实现波束宽度的收窄控制，且可以根据不同需求控制不同指标下的波束方向图(波束宽度和/或波束方向)。

一种可能的实施方式，图9所示的天线单元也可以与所述实施例所述的超材料层结合，超材料层的结构与特征与前文类似，此处不再赘述。

本申请的另一实施例，如图10所示，该天线阵列包括至少两种天线子阵列，两种天线子阵列各包括的天线单元不同。

该两种天线单元不同，可以是天线单元的尺寸不同，也可以是天线单元材质的不同，也可以是具体结构的不同。具体地，可以是天线单元覆盖的超材料的参数不同，包括超材料子单元间的间距不同，超材料子单元的尺寸不同等，与前文实现方法类似，此处不再赘述。

示例地，两种天线单元不同可以是，天线单元#A(第一天线单元)中的超材料#A包括相邻超材料子单元之间的间距为D1，天线单元#B(第二天线单元)中的超材料#B包括相邻超材料子单元之间的间距为D2；也可以是，天线单元#A中包括超材料子单元尺寸为 S1的超材料#A，天线单元#B中包括超材料子单元尺寸为S2的超材料#B，也可以是天线单元#A中的超材料#A包括相邻超材料子单元之间的间距为D1，尺寸为S1，天线单元#B 中的超材料#B包括相邻超材料子单元之间的间距为D1但尺寸为S2。

该两种天线单元不同还可以是，天线单元#A为图2中的天线单元，天线单元#B为图8所示的天线单元。本申请对此不作限定。

应理解，该两种天线单元不同还可以是，天线单元#A为本申请实施例中任一种天线单元，天线单元#B为现有技术中或未来技术中与本申请提供的天线单元结构不同的天线单元，也即，以异构的天线单元构成的天线子阵列或天线阵列都应在本申请的保护范围之内。

该实施方式为适应不同的天线阵列电磁环境，引入不同的天线单元设计以适应不同的耦合环境，提升天线单元在阵列中的波束稳定效果，实现对波束宽度的控制，以及对波束形状的保持。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，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所述权利要求的保护范围为准。

Claims (22)

1.一种天线单元，其特征在于，包括振子臂、电磁寄生加载体、馈电线芯和反射板，

所述电磁寄生加载体在所述振子臂的上方，所述电磁寄生加载体包括电磁寄生加载体子单元，

所述馈电线芯在所述振子臂的下方，所述馈电线芯与所述振子臂相连，

所述反射板在所述振子臂的下方，

其中，在第一方向上相邻的电磁寄生加载体子单元的间距的大小单调变化，或者，在所述第一方向上相邻的电磁寄生加载体子单元的尺寸的大小单调变化。

2.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述在第一方向上相邻的电磁寄生加载体子单元的间距的大小按照第一规律单调变化，或者，所述在第一方向上相邻的电磁寄生加载体子单元的尺寸的大小按照第一规律单调变化。

3.根据权利要求1或2所述的天线单元，其特征在于，所述天线单元还包括短路墙，所述短路墙在所述振子臂的内侧，所述短路墙用于连接振子臂内侧和反射板。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线单元，其特征在于，所述振子臂的上表面与所述电磁寄生加载体的下表面之间的距离小于或等于入射波长的十分之一。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线单元，其特征在于，所述天线单元还包括绝缘体，所述绝缘体在所述振子臂与所述电磁寄生加载体之间，所述绝缘体用于支撑所述电磁寄生加载体。

6.根据权利要求4或5所述的天线单元，其特征在于，所述绝缘体包括塑料柱。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的天线单元，其特征在于，所述电磁寄生加载体包括超材料。

8.根据权利要求7所述的天线单元，其特征在于，所述超材料包括介质层和金属层。

9.根据权利要求8所述的天线单元，其特征在于，所述介质层包括可印刷电路板PCB板材层，所述金属层包括铜层。

10.一种天线单元，其特征在于，所述天线单元包括导体片，所述导体片包括至少两个馈电端口，所述至少两个馈电端口包括用于确定所述天线单元的反射波束的方向和/或宽度的端口，所述至少两个馈电端口是根据第一参数确定的，所述第一参数包括电流密度分布。

11.根据权利要求10所述的天线单元，其特征在于，所述至少两个馈电端口包括第一馈电端口和第二馈电端口，所述第一馈电端口对应第一模式，所述第二馈电端口对应第二模式。

12.根据权利要求11所述的天线单元，其特征在于，所述第一模式包括本征谐振模式，和/或，所述第二模式包括本征谐振模式。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的天线单元，其特征在于，所述天线单元用于叠加所述第一模式和所述第二模式确定所述天线单元的反射波束的方向和/或宽度。

14.根据权利要求13所述的天线单元，其特征在于，所述第一模式和所述第二模式的贡献比例不同。

15.根据权利要求14所述的天线单元，其特征在于，所述第一模式和所述第二模式的贡献比例是根据目标波束方向和/或宽度确定的。

16.根据权利要求15所述的天线单元，其特征在于，所述第一模式是通过第一能量激励的，所述第二模式是通过第二能量激励的，所述第一能量和所述第二能量占激励能量的比例不同。

17.根据权利要求10至16中任一项所述的天线单元，其特征在于，所述至少两个馈电端口还根据目标驻波水平确定。

18.根据权利要求10至17中任一项所述的天线单元，其特征在于，所述导体片的边长或对角线长为入射波长的二分之一。

19.一种天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括至少一个天线子阵列，所述至少一个天线子阵列包括第一天线子阵列，所述第一天线子阵列包括如权利要求1至9中任一项所述的天线单元，或者，如权利要求10至18中任一项所述的天线单元。

20.根据权利要求19所述的天线阵列，其特征在于，所述至少一个天线子阵列中的每个天线子阵列包括如权利要求1至9中任一项所述的天线单元，或者，如权利要求10至18中任一项所述的天线单元。

21.根据权利要求19所述的天线阵列，其特征在于，所述至少一个天线子阵列包括第二天线子阵列和第三天线子阵列，所述第二天线子阵列包括如权利要求1至9中任一项所述的天线单元，所述第三天线子阵列包括如权利要求10至18中任一项所述的天线单元。

22.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求19至22中任一项所述的天线阵列。

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