CN115882191A - 天线单元及阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天线单元及阵列天线。所述天线单元包括辐射层、第一介质层、第一接地层、第二介质层、第二接地层及若干导柱，所述第一介质层，第一接地层，第二介质层，第二接地层依次层叠设置，所述辐射层设置于所述第一介质层远离所述第一接地层的一侧，所述辐射层设置有馈点，用以为所述天线单元馈电，所述第一接地层对应所述辐射层开设有槽孔，所述导柱沿所述槽孔的周沿设置，且贯穿所述第二介质层，使得其两端分别连接所述第一接地层及所述第二接地层。本申请提供的天线单元具有良好的方向性及较高的天线增益。

Description

天线单元及阵列天线

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种天线单元及阵列天线。

背景技术

低轨道卫星通信能够增加偏远地区的无线通信覆盖率。然而由于低轨道卫星在太空中移动的速度非常快速，使得现有天线在与低轨道卫星通信的过程中，切换过程容易出错，通信效果较差，甚至可能出现断线。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种天线单元及阵列天线，以实现与低轨道卫星的通信。

本申请一方面提供一种天线单元，应用于无线通信装置。所述天线单元包括辐射层、第一介质层、第一接地层、第二介质层、第二接地层及若干导柱，所述第一介质层，第一接地层，第二介质层，第二接地层依次层叠设置，所述辐射层设置于所述第一介质层远离所述第一接地层的表面，所述辐射层设置有馈点，用以为所述天线单元馈电，所述第一接地层对应所述辐射层开设有槽孔，所述导柱沿所述槽孔的周沿设置，且贯穿所述第二介质层，使得其两端分别连接所述第一接地层及所述第二接地层。

本申请另一方面还提供一种阵列天线，包括若干上述天线单元。

本发明提供的天线单元及阵列天线，具有良好的方向性及天线增益，可实现快速波束切换，从而提高与低轨道卫星通信时的天线性能。

附图说明

图1是本申请一实施例提供的无线通信装置与低轨道卫星通信的示意图。

图2是本申请一实施例提供的天线单元的立体示意图。

图3是图2所示的天线单元的另一角度的示意图。

图4是图2所示天线单元中的辐射层的示意图。

图5是图2所示天线单元中的辐射层产生的电流路径的示意图。

图6是图2所示天线单元产生的圆极化电磁波的示意图。

图7A是本申请另一实施例提供的辐射层的示意图。

图7B是本申请另一实施例提供的辐射层的示意图。

图8是本申请另一实施例提供的槽孔的示意图。

图9是本申请一实施例中的阵列天线的结构框图。

图10本申请一实施例提供的阵列天线的示意图。

图11是本申请一实施例提供的天线单元与相位控制模块的连接框图。

图12是图10所示阵列天线的辐射场型图。

图13A是本申请另一实施例提供的阵列天线的示意图。

图13B是本申请另一实施例提供的阵列天线的示意图。

主要元件符号说明

阵列天线 100

第一天线单元组 101

第二天线单元组 102

第三天线单元组 103

第四天线单元组 104

天线单元 10

辐射层 11

馈点 111

第一馈点 112

第二馈点 113

连接部 114

第一等效电流路径 F1

第二等效电流路径 F2

第一介质层 12

第一接地层 13

槽孔 131

第二介质层 14

第二接地层 15

导柱 16

相位控制模块 20

控制单元 21

收发电路 22

第一收发电路 22a

第二收发电路 22b

第三收发电路 22c

第四收发电路 22d

无线通信装置 200

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当一个元件被称为“电连接”另一个元件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“电连接”另一个元件，它可以是接触连接，例如，可以是导线连接的方式，也可以是非接触式连接，例如，可以是非接触式耦合的方式。

需要说明的是，本申请实施例中“至少一个”是指一个或者多个，多个是指两个或两个以上。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请中的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请申请。

需要说明的是，本申请实施例中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请实施例的描述中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

需要说明的是，本申请实施例中，术语“高度”是指在垂直于参考地层的方向上的投影长度。术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

请参阅图1，本申请一实施例提供一种天线单元10。若干天线单元10成阵列地设置，以形成阵列天线100。可以理解，天线单元10或阵列天线100可应用于移动电话、平板电脑、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、客户前置设备(Customer PremiseEquipment，CPE)、电视等需要设置天线的无线通信装置200中，用以发射、接收无线电波以传递、交换无线信号。

可以理解，所述无线通信装置200可以采用以下一种或多种通信技术：蓝牙(bluetooth，BT)通信技术、全球定位系统(global positioning system，GPS)通信技术、无线保真(wireless fidelity，Wi-Fi)通信技术、全球移动通信系统(global system formobile communications，GSM)通信技术、宽频码分多址(wideband code divisionmultiple access，WCDMA)通信技术、长期演进(long term evolution，LTE)通信技术、5G通信技术、SUB-6G通信技术、低轨道卫星通信以及未来其他通信技术等。

请一并参阅图2及图3，所述天线单元10包括辐射层11、第一介质层12、第一接地层13、第二介质层14、第二接地层15及若干导柱16。其中，所述第一介质层12，第一接地层13，第二介质层14及第二接地层15依次层叠设置。所述辐射层11设置于所述第一介质层12远离所述第一接地层13的一侧。

请继续参阅图4及图5，所述辐射层11设置有馈点111，用以为所述天线单元10馈电。所述辐射层11由导电材料制成。例如，所述辐射层11可以由金属材料制成。在本实施例中，所述辐射层11为一大致呈多边形的辐射贴片，可由一正方形辐射贴片沿对角线a切去其中一对角得到。

在本实施例中，所述馈点111包括第一馈点112及第二馈点113。其中，第一馈点112及第二馈点113均设置在所述辐射层11的另一对角线b上，且第一馈点112与第二馈点113以所述辐射层11的中心O在对角线b上对称分布。

可以理解，圆极化是指当电磁波的电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆。因此，为了接收及/或发射圆极化电磁波，使在所述辐射层11中流动的电流随着时间经过而旋转是非常重要的。为了使在所述辐射层11中流动的电流旋转，需使电流在正交的方向上流动并产生具有90度的相位差的激励。

请一并参阅图5及图6，可以理解，在本实施例中，所述第一馈点112与所述第二馈点113可分别在所述辐射层11上产生正交的第一等效电流路径F1及第二等效电流路径F2。且由于所述辐射层11沿对角线a切去对角，如此，可通过调整切掉的对角的面积的大小，调整第一等效电流路径F1与第二等效电流路径F2产生的辐射信号的相位差。

在本实施例中，所述第一馈点112通过馈入电流至所述天线单元10的辐射层11，以使所述辐射层11产生左旋圆极化电磁波或右旋圆极化电磁波两者中的一种。所述第二馈点113通过馈入电流至所述天线单元10的辐射层11，以使所述辐射层11产生左旋圆极化电磁波或右旋圆极化电磁波两者中的另一种。

可以理解，在一些实施例中，所述第一馈点112及所述第二馈点113同时馈入电流至所述辐射层11，以使所述辐射层11同时产生左旋圆极化电磁波及右旋圆极化电磁波。在一些实施例中，所述第一馈点112及所述第二馈点113两个馈点中，仅有一个馈点馈入电流至所述辐射层11，以使所述辐射层11单独产生左旋圆极化电磁波或单独产生右旋圆极化电磁波。

请一并参阅图2及图5，所述第一介质层12的面积大于所述辐射层11的面积，所述第一介质层12的高度小于所述辐射层11的高度。在一些实施例中，所述第一介质层12可以由金属材料、陶瓷材料或有机材料等介电材料制成。在本实施例中，所述第一介质层12大致呈方形。且所述第一介质层12的材料为有机基板中的玻璃纤维材料，即所述第一介质层12为一FR-4板。

所述第一接地层13设置于所述第一介质层12远离所述辐射层11的表面。可以理解，所述第一接地层13由导电材料制成，例如金属材料。在本实施例中，所述第一接地层13亦大致呈方形，且面积与所述第一介质层12的面积大致相等。

所述第一介质层12及所述第一接地层13对应所述辐射层11还开设有槽孔131。在所述天线单元10的堆叠方向上(即Z方向)，所述槽孔131的投影面积覆盖所述辐射层11的投影面积。在本实施例中，所述槽孔131大致呈圆形。

在本实施例中，所述槽孔131大致开设于所述第一介质层12与所述第一接地层13的中心。如此，所述辐射层11大致对应设置于所述第一介质层12及所述第一接地层13的中心位置。

所述第二介质层14设置于所述第一接地层13远离所述第一介质层12的一侧，且与所述第一接地层13间隔设置。所述第二介质层14大致呈方形。可以理解，所述第二介质层14亦可由金属材料、陶瓷材料或有机材料制成。在本实施例中，所述第二介质层14与所述第一介质层12的组成材料与面积相同，在此不再赘述。

所述第二接地层15设置于所述第二介质层14远离所述第一接地层13的表面。在所述天线单元10的堆叠方向上，所述第二接地层15的投影面积与所述第一接地层13的投影面积至少部分重合。可以理解，所述第二接地层15亦由导电材料制成。

若干所述导柱16沿所述槽孔131的周沿间隔设置，且贯穿所述第二介质层14，使得其两端分别连接所述第一接地层13及所述第二接地层15。如此，若干所述导柱16与所述第一接地层13及所述第二接地层15共同形成腔体，以使所述辐射层11的辐射方向更集中，从而增强所述天线单元10的增益值。

可以理解，天线单元10还包括馈入源(图未示)，用于电连接至第一馈点112及第二馈点113，为所述辐射层11馈入电流。请再次参阅图3，在本实施例中，所述天线单元10还设置有两连接部114。所述馈入源设置于所述第二接地层15远离所述第二介质层14的一侧。两所述连接部114均穿过所述第二接地层15、所述第二介质层14及所述槽孔131。其中一所述连接部114一端连接至所述馈入源，另一端电连接至所述第一馈点112。另一所述连接部114一端连接至所述馈入源，另一端电连接至所述第二馈点113。如此，所述馈入源通过两所述连接部114分别电连接至所述第一馈点112及所述第二馈点113，用于为所述辐射层11馈入电流。

可以理解，所述辐射层11不局限于图2所示的形状，在其他实施例中，所述辐射层11亦可以为其他多边形的形状，以使所述第一馈点112及所述第二馈点113馈入电流时，在所述辐射层11产生不同长度的电流路径。例如，请参阅图7A，所述辐射层11亦可以在方形辐射贴片点的对角线上的两角增加延伸部132形成；请参阅7B，所述辐射层11亦可以呈花瓣形，由方形辐射贴片沿各边的中线挖设一段距离形成。

可以理解，在其他实施例中，所述槽孔131亦可以为其他形状。例如，请参阅图8，所述槽孔131亦可以呈方形。

可以理解，本申请提供的天线单元10，通过在辐射层11上切去两对角，且设置第一馈点112及第二馈点113，可辐射左旋圆极化电磁波及/或右旋圆极化电磁波，以减少大气电离层对辐射信号的影响，从而更好地接收卫星信号。再者，由于现有卫星的发射天线可产生左旋圆极化电磁波或右旋圆极化电磁波，如此，本申请提供的天线单元10可适用于多种卫星类型，具有广阔的应用场景。进一步地，天线单元10还通过构造间隔设置的第一接地层13及第二接地层15，且第一接地层13与第二接地层15通过若干所述导柱16连接，从而在辐射层11的一侧形成腔体，以使辐射层11的辐射方向更加集中，有效提高所述天线单元10的增益。

请一并参阅图1及图9，本申请还提供一种阵列天线100，可与低轨道卫星通信。所述阵列天线100包括若干所述天线单元10及相位控制模块20。可以理解，若干所述天线单元10排列设置，形成一天线阵列。所述相位控制模块20电连接至若干所述天线阵列，用于控制所述阵列天线100的波束方向。

在所述阵列天线100中，每一所述天线单元10与另一所述天线单元10间隔相等距离或互相接触。在本实施例中，若干天线单元10排列形成一大致呈方形的天线阵列。

在本实施例中，所述相位控制模块20设置于所述第二接地层15远离所述第二介质层14的一侧。所述相位控制模块20包括若干控制单元21。每一所述控制单元21分别电连接至若干所述天线单元10，用于分组控制所述天线单元10激发不同频段及/或不同相位的电磁波。可以理解，在一些实施例中，控制单元21可以是相位控制芯片，用于控制馈入所述辐射层11的电流的相位。

可以理解，所述阵列天线100的相位控制模块20还包括若干收发电路22。所述控制单元21电连接至所述收发电路22，所述收发电路22通过所述连接部114电连接至所述天线单元10的馈点111。所述控制单元21通过控制馈入所述天线单元10的电流的相位，以控制所述阵列天线100的相位。可以理解，所述收发电路22可以包括一些射频组件，例如放大器、合路器等。

请继续参阅图10及图11，以说明所述阵列天线100的工作过程。

可以理解，在一实施例中，若干所述天线单元10组成的天线阵列，可进一步划分为第一天线单元组101、第二天线单元组102、第三天线单元组103及第四天线单元组104。所述阵列天线100中的若干收发电路22包括第一收发电路22a、第二收发电路22b、第三收发电路22c及第四收发电路22d。所述第一天线单元组101、所述第二天线单元组102、所述第三天线单元组103及所述第四天线单元组104分别与所述第一收发电路22a、所述第二收发电路22b、所述第三收发电路22c及所述第四收发电路22d一一对应连接。

在一些实施例中，所述控制单元21通过控制所述第一收发电路22a馈入对应的电流，以控制所述第一天线单元组101辐射第一频段的具有第一相位的电磁波；所述控制单元21通过控制所述第二收发电路22b馈入对应的电流，以控制所述第二天线单元组102辐射第一频段的具有第二相位的电磁波；所述控制单元21通过控制所述第三收发电路22c馈入对应的电流，以控制所述第三天线单元组103辐射第二频段的具有第三相位的电磁波；所述控制单元21通过控制所述第四收发电路22d馈入对应的电流，以控制所述第四天线单元组104辐射第二频段的具有第四相位的电磁波。如此，所述阵列天线100在所述控制单元21的控制下，可产生辐射方向的旋转，从而有利于所述阵列天线100灵活快速地进行波束追踪及波束切换。

可以理解，本申请不局限所述阵列天线100中的天线单元组及收发电路的数量。且所述阵列天线100中的天线单元组的划分方式不局限于图10所示的划分方式。可以理解，每一天线单元组的数量可以相同，亦可以不相同。本领域技术人员可根据实际需要决定天线单元组的划分，及天线单元组与对应的收发电路的数量。

请继续参阅图12，图12为阵列天线100在一实施例中的2D辐射场型图。由图12可以看出，所述阵列天线100的波束方向较集中，有利于提高阵列天线100的天线增益。

可以理解，在其他实施例中，所述控制单元21可控制阵列天线100辐射28GHz-39Ghz频段的辐射信号。即所述控制单元21可控制阵列天线100辐射Ku频段的辐射信号，以与低轨道卫星进行通信。可以理解，在其他实施例中，所述控制单元21还可控制阵列天线100辐射其他毫米波频段的信号。

可以理解，在其他实施例中，所述阵列天线100亦可以呈其他形状。例如，请参阅图13A及图13B，在其他实施例中，所述阵列天线100亦可以呈多边形或菱形。

可以理解，本申请提供的阵列天线100，可应用于无线通信装置200上。所述阵列天线100包括由若干天线单元10形成的天线阵列，通过相位控制模块20对阵列天线100的控制，使阵列天线100快速调整信号波束的方向，从而在与低轨道卫星的通信过程中实现快速波束方向切换，提高无线通信装置200与低轨道卫星的通信效果。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种天线单元，应用于无线通信装置，其特征在于：所述天线单元包括辐射层、第一介质层、第一接地层、第二介质层、第二接地层及若干导柱，所述第一介质层，第一接地层，第二介质层，第二接地层依次层叠设置，所述辐射层设置于所述第一介质层远离所述第一接地层的一侧，所述辐射层设置有馈点，用以为所述天线单元馈电，所述第一接地层及所述第一介质层对应所述辐射层开设有槽孔，所述导柱沿所述槽孔的周沿设置，且贯穿所述第二介质层，所述导柱的两端还分别连接所述第一接地层及所述第二接地层。

2.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于：所述馈点包括第一馈点及第二馈点，所述第一馈点用以为所述天线单元馈电，以使所述天线单元产生左旋圆极化电磁波或右旋圆极化电磁波两者中的一种，所述第二馈点用以为所述天线单元馈电，以使所述天线单元产生左旋圆极化电磁波或右旋圆极化电磁波两者中的另外一种。

3.如权利要求2所述的天线单元，其特征在于：所述辐射层呈多边形，且由导电材料制成，通过所述第一馈点及所述第二馈点馈入电流，以在所述辐射层上形成两条不同的电流路径。

4.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于：在所述天线单元的堆叠方向上，所述槽孔的投影面积覆盖所述辐射层的投影面积。

5.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于：若干所述导柱与所述第一接地层及所述第二接地层共同形成腔体。

6.一种阵列天线，其特征在于：所述阵列天线包括若干如权利要求1-5任一项所述的天线单元。

7.如权利要求6所述的阵列天线，其特征在于：所述阵列天线还包括相位控制模块，所述相位控制模块设置于所述第二接地层远离所述第二介质层的一侧，所述相位控制模块电连接至所述天线单元，用于控制若干所述天线单元的波束方向。

8.如权利要求7所述的阵列天线，其特征在于：所述相位控制模块包括若干控制单元，每一所述控制单元电连接至若干所述天线单元，用于分组控制所述天线单元激发不同频段及/或不同相位的电磁波。

9.如权利要求8所述的阵列天线，其特征在于：所述阵列天线还包括收发电路，所述控制单元电连接至所述收发电路，所述收发电路电连接至所述天线单元的馈点，所述控制单元通过控制馈入所述天线单元的电流的相位，以控制所述阵列天线的相位。

10.如权利要求6所述的阵列天线，其特征在于：每一所述天线单元与另一所述天线单元间隔相等距离或互相接触。

Images