CN116259957A - 天线结构及无线电设备 - Google Patents

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CN116259957A CN202111514668.4A CN202111514668A CN116259957A CN 116259957 A CN116259957 A CN 116259957A CN 202111514668 A CN202111514668 A CN 202111514668A CN 116259957 A CN116259957 A CN 116259957A
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Abstract

本申请提供了一种天线结构及无线电设备，该天线结构包括第一天线和至少一个第二天线，所述第一天线包括反射器和位于所述反射器的焦点处的馈源，所述反射器的主体结构为非金属结构且所述主体结构的内表面上镀有金属层，每个第二天线均以所述主体结构为载体且与所述主体结构共形。根据本申请的方案，由于天线结构中第一天线的主体结构采用非金属结构，每个第二天线均以所述主体结构为载体且与所述主体结构共形，因此该天线结构能够实现任意天线间的共形，并且，该天线结构生产容易且对反射器天线的干扰最小，能够适用于任何无线电设备。

Description

天线结构及无线电设备
技术领域
本申请涉及天线技术领域，尤其涉及一种天线间共形(co-form)的天线结构及无线电设备。
背景技术
随着5G(fifth-generation broadband cellular network，第五代宽带蜂窝网络)时代的到来，FWA(Fixed Wireless Access，固定无线接入)成为5G的主要使用案例之一。FWA产品系列是一种通过OTA(Over The Air)接收4G/5G无线信号并在本地将其转换为WIFI信号的设备，FWA为居民和小型企业提供高速互联网连接，而5G CPE(CustomerPremises Equipment，客户终端设备)在FWA产品系列中扮演着重要角色，5G FWA的下一个发展是引入毫米波谱(FR2)。目前的CPE部署大多在sub6频段，受限于频谱资源只能用到100-200MHz的带宽，而毫米波(Millimetre Wave，Mmwave)频段可以用到800MHz的带宽，带来了巨大的增量频谱资产，可以支持更快的数据传输和丰富的视频流。
5G室内毫米波CPE通常包括5G UE(User Equipment，用户设备)调制解调器、高增益毫米波波束形成天线组件和全向sub6天线，该设备可以放在靠近窗户或室内较深的区域，使窄的高增益毫米波波束对准最强无线电信号的到达方向，且该设备包括宽带路由器功能，通过WiFi或以太网提供到各种UE的连接。高增益毫米波可通过反射器实现，利用反射器天线，通过将辐射源(如毫米波商业模块)的初始发射限制在狭窄的立体角内，经过反射器反射后可以获得更高的增益，添加的反射器增加了天线系统增益，这里，无线信号经过馈源辐射到达反射器，然后以高增益、窄波束发射反射回来，反射器尺寸越大，增益越大。在天线应用中，反射器类型可以是抛物面、卡塞格伦或其他类型。
而除了毫米波功能外，典型的室内CPE还包括sub6(4G/5G NR(New Radio))功能，例如无线电配置DL(Downlink)2×2MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出)和DL 4×4MIMO的典型接收机天线实现。典型的室内环境存在丰富的多径传播，有利于高阶的MIMO(rank(秩)3/4)传输，并且通常可以实现共存的吞吐量效益，同时，由于宽信道带宽可以实现Gbit/s速度，客户需要增加可用的新频谱和更宽的信道带宽，此外，LTE(LongTerm Evolution，长期演进)、WiFi、蓝牙、GPS(Global Positioning System，全球定位系统)等，也是经常需要的，总之，具有十多个天线共存的CPE是非常常见的。
现有技术用于CPE的各种多天线实现中，通常所知的是分离的sub6天线和毫米波天线，它们各自承担各自的功能，其中毫米波通过高增益天线提供高等效全向辐射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP)，sub6提供多频段配置(如LTE/5GNR/WIFI/GPS/蓝牙等)以及MIMO配置(如所需频段的2×2或4×4)，这需要更多的同频段天线。因此，基于性能考虑，需要更多的空间来放置sub6天线。
发明内容
本申请的目的是提供一种天线结构及无线电设备。
根据本申请的一个方面，提供了一种天线结构，其中，该天线结构包括第一天线和至少一个第二天线，所述第一天线包括反射器和位于所述反射器的焦点处的馈源，所述反射器的主体结构为非金属结构且所述主体结构的内表面上镀有金属层，每个第二天线均以所述主体结构为载体且与所述主体结构共形。
根据本申请的一个方面，所述反射器的主体结构包括但不限于：抛物面体；球形体；角形反射体；卡塞格伦体。
根据本申请的一个方面，所述至少一个第二天线中包括一个或多个全向天线，对于所述一个或多个全向天线中的每个全向天线，该全向天线以共形方式放置在所述内表面上且该全向天线上的金属层与所述内表面上的金属层之间具有隔离边界。
根据本申请的一个方面，所述至少一个第二天线中包括一个或多个定向天线，对于所述一个或多个定向天线中的每个定向天线，该定向天线包括以共形方式放置在所述内表面上的天线主体部分、介质材料以及位于所述主体结构背面的金属层或金属腔，所述天线主体部分与所述内表面上的金属层之间具有隔离边界。
根据本申请的一个方面，所述反射器的主体结构为塑料或其他非金属结构。
根据本申请的一个方面，所述天线结构通过在所述非金属结构表面上进行一次性成型的金属沉积方式(如选择性电镀)来制造。
根据本申请的一个方面，所述天线结构通过在所述非金属结构表面上进行一次性成型的激光镭射雕刻来制造。
根据本申请的一个方面，对于一个待添加的第二天线，在所述内表面上已镀的金属层上制造切口，并将该第二天线以共形方式放置在所述切口上，放置后该第二天线上的金属层与所述内表面上的金属层之间具有隔离边界。
根据本申请的一个方面，所述第一天线为毫米波天线，所述第二天线为sub6天线；或者，所述第一天线为sub6天线，所述第二天线为毫米波天线。
根据本申请的另一个方面，提供了一种无线电设备，其中，所述无线电设备包括本申请中所提出的天线结构。
与现有技术相比，本申请具有以下优点：该天线结构中第一天线的主体结构采用非金属结构，每个第二天线均以所述主体结构为载体且与所述主体结构共形，因此该天线结构能够实现任意天线间的共形，并且，该天线结构生产容易，无需增加任何额外费用，成本较低，且能够适用于任何无线电设备；该天线结构充分利用了共形形式(co-sharingform)，对于第二天线来说，不会为设备增加额外空间，而对于第一天线来说，由于反射面上各个第二天线所在位置仍然参与反射(仅用于获得单独第二天线的隔离边界处不参与反射)，因此对第一天线的性能的负面影响极小；该天线结构可以通过一次性成型的工艺来完成制造，因此制造简单，成本较低。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出了本申请一个实施例的天线结构的设计原理示意图；
图2a示出了本申请一个示例的天线结构的正视图；
图2b示出了图2a所示天线结构的侧视图；
图3a和图3b示出了基于图2a所示天线结构的性能仿真结果示意图；
图4示出了在自由空间中sub6天线和毫米波天线方向图的共存。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
这里所公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，并且是用于描述本申请的示例性实施例的目的。但是本申请可以通过许多替换形式来具体实现，并且不应当被解释成仅仅受限于这里所阐述的实施例。
应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。
这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
本申请发现，现有技术中的CPE设备中，毫米波天线和sub-6天线以各自的功能分开放置，而在紧凑型CPE设备中，反射器部件和附件占据了很大的比例，这会导致存在如下问题：1)sub6天线没有足够的空间放置，或者需要通过削弱天线设计或减少每个天线的相对间隙来牺牲sub6性能；2)若毫米波天线和sub-6天线分开，如sub-6探头放在反射器前面或反射器旁边，则辐射模式将仅为反射器的一侧，或多或少会受到反射器存在的影响。
针对上述技术问题，本申请提出了一种天线间共形的天线结构，该天线结构能够实现任意天线间的共形，并且，该天线结构生产容易且对反射器天线的干扰极小，能够适用于任何无线电设备。
下面结合附图对本申请作进一步详细描述。
本申请提出了一种天线结构，其中，该天线结构包括第一天线和至少一个第二天线，所述第一天线包括反射器和位于所述反射器的焦点处的馈源，所述反射器的主体结构为非金属结构且所述主体结构的内表面上镀有金属层，每个第二天线均以所述主体结构为载体且与所述主体结构共形。其中，所述反射器与所述馈源构成第一天线，也可称为反射器天线。在一些实施例中，一个第二天线与第一天线的主体结构共形，是指该第二天线遵循与第一天线的主体结构相同的曲率。在一些实施例中，第二天线以所述主体结构为载体且与所述主体结构共形，也即，第二天线贴于所述主体结构的内表面上，且与反射器的内反射面位于同一平面内(由于所述主体结构上除放置第二天线所需区域之外的其他区域均镀有金属层以构成内反射面，因此也可视为第二天线被集成到反射器的内反射面里)。在一些实施例中，每个第二天线与所述第一天线的内反射面的金属之间均具有隔离边界。在一些实施例中，所述主体结构上除放置第二天线所需区域之外的其他区域均镀有金属层，所述第二天线上也具有金属层，因此，所述主体结构上用于放置第二天线的区域(包括实际放置区域以及实际放置区域四周形成的隔离边界)也可视为是在第一天线内反射面上的切口。
在一些实施例中，所述第一天线为毫米波天线，所述第二天线为sub6天线；或者，所述第一天线为sub6天线，所述第二天线为毫米波天线。需要说明的是，本申请并不限制第一天线和第二天线的具体形状、频谱、类型(如定向天线、全向天线)等。在一些实施例中，第一天线和第二天线所对应的频谱范围可能不同(如第一天线为毫米波天线，第二天线为sub6天线；又如，第一天线和第二天线均为sub6天线，但第一天线和第二天线对应的频谱范围不同)，也可能相同或者部分相同。在一些实施例中，当有多个第二天线时，每个第二天线对应的频谱范围可能不同，也可能相同或者部分相同，且每个第二天线的形状或类型可能相同或者不同；在一些实施例中，每个第二天线可为任何可能的形状或类型。例如，天线结构中的多个第二天线包括分别用于LTE、5G NR、WIFI、GPS、蓝牙的sub6天线，又例如，天线结构中的多个第二天线中包括至少一个定向天线以及至少一个全向天线，再例如，天线结构中的多个第二天线中包括缝隙天线、贴片天线等多种形状不同的天线。
其中，第一天线可能为任何结构的反射器天线，如抛物面天线，卡塞格伦天线等多种反射器天线；在一些实施例中，所述反射器的主体结构可为任何可能结构，优选地，所述主体结构包括但不限于：抛物面体、球形反射体、角形反射体、卡塞格伦体等。在一些实施例中，第一天线为用于毫米波功能的抛物面反射器天线，第二天线为sub6天线，将第二天线集成至抛物面反射器天线的内反射面里，sub6天线与抛物线反射器天线共形，即sub6天线遵循与抛物面相同的曲率，sub6天线与抛物面反射器的内反射面位于同一平面内，除上下文中提及的隔离边界之外，抛物面反射器的内反射面与第二天线上均覆盖有金属。
在一些实施例中，所述至少一个第二天线中包括一个或多个全向天线，对于所述一个或多个全向天线中的每个全向天线，该全向天线以共形方式放置在所述内表面上且该全向天线上的金属层与所述内表面上的金属层之间具有隔离边界。全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射的天线，本申请并不限制全向天线的具体形状。在一些实施例中，全向天线的长度可为设定波长的1/4、1/2或者全波长。
在一些实施例中，所述至少一个第二天线中包括一个或多个定向天线，对于所述一个或多个定向天线中的每个定向天线，该定向天线包括以共形方式放置在所述内表面上的天线主体部分、所述主体结构的非金属介质材料(如塑料)以及位于所述主体结构背面的金属层或金属腔，所述天线主体部分与所述内表面上的金属层之间具有隔离边界。定向天线，在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，如缝隙天线，本申请并不限制定向天线的具体形状。在一些实施例中，定向天线的长度可为设定波长的1/2或全波长。在一些实施例中，所述金属层或金属腔与所述天线主体部分之间的距离约为设定波长的1/4。在一些实施例中，对于一个定向天线，其介质材料也即位于其天线主体部分与金属层/金属腔之间的主体结构材料，例如，第一天线的主体结构为塑料结构，则定向天线的天线主体部分与背面的金属反射层之间的介质材料也即第一天线的主体结构塑料。在一些实施例中，第二天线为缝隙天线，第一天线的主体结构的内表面上放置有十字缝隙且与该内表面共形，所述主体结构的背面具有金属腔，该金属腔的深度为设定波长的1/4，且该金属腔一端开口，金属腔内部可以为全部或者部分利用第一天线结构构造的腔体。在一些实施例中，第一天线的主体结构的内表面上放置有定向天线的天线主体部分且与该内表面共形，所述主体结构的背面具有金属层，所述金属层的面积大于所述主体部分的面积，所述天线主体部分与所述金属层之间的距离约为设定波长的1/4，所述天线主体部分与所述金属层之间为第一天线的主体结构塑料。
在一些实施例中，所述天线结构包括第一天线和多个第二天线，该第二天线中包括至少一个定向天线以及至少一个全向天线。
需要说明的是，无论第二天线是哪种类型，本方案的天线结构虽然可能会对第一天线的性能有所影响，但是如果完全控制第二天线的数量或尺寸，并且优化第二天线的具体位置，则对第一天线的负面影响很小，这是因为第二天线上也镀有金属，也即第二天线仍然参与反射，因此第一天线的主体结构内表面上金属的最终空化可以转化为较小的比例。
在一些实施例中，所述非金属结构为塑料。例如，第一天线的主体结构为抛物面体，该抛物面体采用塑料结构，各个第二天线均以该抛物面体的内表面为载体，且各个第二天线以及该抛物面体的内表面上除隔离边界之外其他区域均镀有金属(若存在第二天线为定向天线，则该抛物面体的背面也有相应区域镀有金属)。需要说明的是，所述主体结构也可采用塑料以外的其他非金属结构。
本申请的天线结构可以通过一次性成型的工艺实现。在一些实施例中，所述天线结构通过在所述非金属结构表面上进行一次性成型的金属沉积方式来制造。例如，第一天线的主体结构采用塑料结构，则可通过在塑料表面上进行一次性成型的金属沉积(例如选择性电镀)来制造天线结构，也即，通过在塑料表面上一次性成型的金属沉积即可直接实现第一天线内反射面以及第二天线主体部分的金属电镀，其中，塑料内表面上每个第二天线对应的隔离边界无需金属电镀。在一些实施例中，所述天线结构通过在非金属结构表面上采用激光直接成型技术(Laser Direct Structuring，LDS)来制造。例如，第一天线的主体结构采用添加有LDS活性剂的塑料结构，则可通过在塑料表面上采用激光直接成型技术(也即激光镭射雕刻)来制造天线结构。
在一些实施例中，对于一个待添加的第二天线，在所述内表面上已镀的金属层上制造切口，并将该第二天线以共形方式放置在所述切口上(也即直接放置在采用非金属结构的主体结构的内表面上)，放置后该第二天线上的金属层与所述内表面上的金属层之间具有隔离边界。在一些实施例中，在所述内表面上已镀的金属层上制造的切口略大于待添加的第二天线，以确保第二天线与内表面上的金属之间具有隔离边界。在一些实施例中，可通过在内反射面上已镀有的金属层上制造切口来添加与第一天线共形的第二天线，由此能够方便快捷地在已有的天线结构上添加新的第二天线。
图1示出了本申请一个实施例的天线结构的设计原理示意图。该天线结构包括第一天线和多个第二天线，第一天线为毫米波天线，第一天线包括抛物面反射器(Parabolareflector)以及位于其焦点上的毫米波天线馈源(Mmwave antenna feed source)，第二天线为sub6天线，抛物面反射器的内表面上有多个共形的sub6天线，图1中示出了内嵌在毫米波反射器天线上的sub6天线形成的全向辐射(如图1中所示的Sub6 omni-directionpattern)，毫米波信号从馈源向抛物面反射器辐射，如图1所示的毫米波初级馈源照射(Mmwave primary feed illumination)，经抛物面反射器反射后以高增益、窄波束发射反射回来，如图1所示的高增益光束(High gain beam)。
本申请中第二天线可以为任何形式，也即支持第二天线以任何形式与第一天线共形，如第二天线可为缝隙、贴片等无线通信天线涉及中的任意类型，也可以设计为MIMO应用中的单天线或多天线的。任何天线设计都需要首先进行电磁模拟，以下基于图2a、图2b、图3a、图3b、图4给出本申请的模拟结果示例。其中，图2a示出了本申请一个示例的天线结构的正视图(front view)，图2b示出了图2a所示天线结构的侧视图(side view)，图3a和图3b示出了基于图2a所示天线结构的性能仿真结果示意图，该示例中，天线结构包括抛物面反射器天线(毫米波天线)以及4个sub6天线，该抛物面反射器天线的抛物面体的表面上雕刻了4个sub6天线(其中，一个sub6天线用于WiFi，一个sub6天线用于LTE，两个sub6天线根据不同频段用于5G/NR)，各个sub6天线与抛物面体的表面上的金属之间具有隔离边界；基于图3a和3b可见，sub6天线的引入对抛物面反射器天线性能的影响是降低了0.22dB(decibel)增益，在实际应用中对于27dB天线增益水平来说，该影响是很小的且能够接受的，但是通过本申请所提出的与抛物面反射器天线的共形方式获得了4个sub6天线所带来的好处。图4示出了在自由空间中sub6天线和毫米波天线方向图的共存，其中，实线框表示sub6天线方向图，虚线框表示毫米波天线方向图。
根据本申请的方案，由于天线结构中第一天线的主体结构采用非金属结构，每个第二天线均以所述主体结构为载体且与所述主体结构共形，因此该天线结构能够实现任意天线间的共形，并且，该天线结构生产容易且对反射器天线的干扰小，能够适用于任何无线电设备。
本申请还提出了一种无线电设备，其中，该无线电设备包括本申请所提出的天线结构。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种天线结构，其中，该天线结构包括第一天线和至少一个第二天线，所述第一天线包括反射器和位于所述反射器的焦点处的馈源，所述反射器的主体结构为非金属结构且所述主体结构的内表面上镀有金属层，每个第二天线均以所述主体结构为载体且与所述主体结构共形。
2.根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述主体结构包括以下任一项：
抛物面体；
球形体；
角形反射体；
卡塞格伦体。
3.根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述至少一个第二天线中包括一个或多个全向天线，对于所述一个或多个全向天线中的每个全向天线，该全向天线以共形方式放置在所述内表面上且该全向天线上的金属层与所述内表面上的金属层之间具有隔离边界。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线结构，其中，所述至少一个第二天线中包括一个或多个定向天线，对于所述一个或多个定向天线中的每个定向天线，该定向天线包括以共形方式放置在所述内表面上的天线主体部分、所述主体结构的非金属介质材料以及位于所述主体结构背面的金属层或金属腔，所述天线主体部分与所述内表面上的金属层之间具有隔离边界。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线结构，其中，所述非金属结构为塑料。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的天线结构，其中，所述天线结构通过在非金属结构表面上进行一次性成型的金属沉积方式来制造。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的天线结构，其中，所述天线结构通过在非金属结构表面上采用激光直接成型技术来制造。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的天线结构，其中，对于一个待添加的第二天线，在所述内表面上已镀的金属层上制造切口，并将该第二天线以共形方式放置在所述切口上，放置后该第二天线上的金属层与所述内表面上的金属层之间具有隔离边界。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的天线结构，其中，所述第一天线为毫米波天线，所述第二天线为sub6天线；或者，所述第一天线为sub6天线，所述第二天线为毫米波天线。
10.一种无线电设备，其中，所述无线电设备包括如权利要求1至9中任一项所述的天线结构。
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