CN118302911A - 一种天线、天线阵列及通信装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种天线、天线阵列及通信装置。天线包括：第一辐射单元、合路器和第二辐射单元；所述第一辐射单元和第二辐射单元分别与所述合路器电连接；所述第一辐射单元、合路器和第二辐射单元沿纵向自上而下依次排列；所述第一辐射单元具有第一频段和第一极化方向；所述第二辐射单元具有第二频段和第二极化方向；所述第一频段和第二频段不同，所述第一极化方向和第二极化方向不同。本申请实施例的方案能够实现双频、双极化、高隔离度的全向通信。

Description

一种天线、天线阵列及通信装置

技术领域

本申请涉及天线技术领域，尤其涉及一种天线、天线阵列及通信装置。

背景技术

在例如无线保真(wireless fidelity，WiFi)系统等无线通信系统中，无线接入点设备(Access Point，AP)承担着给终端提供无线信号的功能。无线系统的频谱资源通常是离散的多个频段，为了实现不同终端设备的接入，无线接入点设备需要具有在工作不同频段的天线，以支持双频或多频的通信。同时，为了获得更大的无线通信速率(也称为通信容量、吞吐率)，MIMO(Multiple Input Multiple Output多输入多输出)通信系统中通常需要使用双极化天线。由此带来的问题是设备中天线的端口非常多，天线复杂度高。而且，在一些应用场景中还需要使用全向天线，隔离度往往是比较大的挑战。

发明内容

本申请实施例提供一种天线、天线阵列及通信装置，能够实现双频、双极化、全向且具有高隔离度的无线通信。

在第一方面，本申请实施例提供了一种天线，包括：

第一辐射单元、合路器和第二辐射单元；

所述第一辐射单元和第二辐射单元分别与所述合路器电连接；

所述第一辐射单元、合路器和第二辐射单元沿纵向自上而下依次排列；

所述第一辐射单元具有第一频段和第一极化方向；

所述第二辐射单元具有第二频段和第二极化方向；

所述第一频段和第二频段不同，所述第一极化方向和第二极化方向不同。

在第二方面，本申请实施例提供了一种天线阵列，包括多个如第一方面所述的天线。

在第三方面，本申请实施例提供了一种通信装置，包括至少一个如第一方面所述的天线，或者至少一个如第二方面所述的天线阵列。

本申请实施例提供的一个或多个技术方案，通过提供一种全新的双频双极化全向天线结构，能够节省天线端口，大幅度降低天线的复杂度，降低整机的成本；通过将双频的辐射单元沿轴向分开并合路，保证了同频异极化和异频同极化均具有较高的隔离度，实现接近理想的全向辐射效果，并且所提供的天线结构使得天线具有非常小的截面尺寸，可节省占用空间和减少户外风阻。

附图说明

图1是本申请实施例适用的一种通信系统的架构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种天线的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种天线的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的一种天线的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的一种天线阵列的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的一种天线阵列的结构示意图；

图7是本申请实施例提供的一种通信装置的结构示意图；

图8是本申请实施例提供的一种天线阵列的隔离度仿真结果示意图。

附图标记说明：

11：无线接入点；12：终端；

210：第一辐射单元；220：第二辐射单元；230：合路器；

310：第一辐射单元；320：第二辐射单元；330：合路器；

410：第一辐射单元；420：第二辐射单元；430：合路器；

500：天线阵列；510：天线；520：支撑板；

600：天线阵列；610，620：5V+2H天线；630，640：5H+2V天线；650：支撑板；

700：通信装置；710：天线阵列；720：射频电路；730：处理器；740：存储器。

具体实施方式

在本申请实施例中，“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。

在本申请的实施例中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。本申请实施例中，“上”、“下”、“左”、“右”等方位术语可以包括但不限于相对附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语可以是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件附图所放置的方位的变化而相应地发生变化。

应理解，在本文中对各种所述示例的描述中所使用的术语只是为了描述特定示例，而并非旨在进行限制。如在对各种所述示例的描述中所使用的那样，单数形式“一个(“a”，“an”)”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确地指示。

本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a-b，a-c，b-c或a-b-c，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

还应理解，本文中所使用的术语“和/或”是指并且涵盖相关联的所列出的项目中的一个或多个项目的任何和全部可能的组合。术语“和/或”，是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本申请中的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

还应理解，在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是滑动连接，还可以是可拆卸连接，或成一体等；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。

还应理解，术语“包括”(也称“includes”、“including”、“comprises”和/或“comprising”)当在本说明书中使用时指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元素、和/或部件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、部件、和/或其分组。

应理解，说明书通篇中提到的“一实施例”、“另一实施例”意味着与实施例或实现方式有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本申请一实施例中”或“在本申请另一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

为了便于理解本申请实施例的技术方案，下面介绍本申请实施例涉及的一些技术术语。

天线极化——指的是经过天线发射的电磁波电场的方向，例如水平极化即电场方向在水平方向，垂直极化即电场方向在垂直方向。

极化分集——分集是MIMO通信的经典概念，指的是从不同维度给通信系统提供差异化，进而提升通信系统的容量。极化分集的含义是在一套通信系统中同时使用不同的极化形式，用来提升通信系统的容量，比如采用±45度极化，或者水平极化和垂直极化，或者左旋圆极化和右旋圆极化。

全向天线——指的是一种在某一个方向上辐射均等的天线，本申请实施例中指的是在水平方向辐射均等。全向天线在一些应用场景(例如WiFi)中是非常重要的特性，区别于最典型的基站定向天线(基站天线单站点通常分成三个扇区，因此需要三个定向天线完成全向覆盖)，WiFi的应用场景通常需要极简的设备和天线方案，需要通过一个全向天线完成所有方向的覆盖。

双频天线——指的是支持2个频段的信号发射和接收的天线。

双极化天线——指的是同时具有2个不同极化方向的天线。

隔离度——指的是天线不同端口的S参数结果，描述的是不同端口相互接收对方电磁场能量强弱的能力。隔离度越低，端口间的干扰就越大。对于双频天线和双极化天线，由于存在频段差异以及极化差异，通信系统为了避免相互干扰，通常会提出隔离度的要求，包括同极化条件下的异频隔离，以及同频段条件下的异极化隔离。通信系统的隔离度一般在20-25dB。

dB——分贝，相对单位，具体计算方式是10乘以取以10为底的对数(电压电流电场等量纲的参数)或者20乘以取以10为底的对数(功率增益等量纲的参数)。

相关技术中用于实现双频、双极化的全向天线结构复杂，导致成本较高且尺寸偏大，难以同时兼顾同频异极化隔离和异频同极化隔离。而且常规的双频实现方式是在辐射臂上同时实现两个频段的辐射体和馈电结构，这样使得两个频段间的耦合非常严重，难以达到高隔离度。

本申请实施例提供一种天线、天线阵列及通信装置，以实现双频、双极化、全向的无线通信，节省天线端口，降低天线复杂度，且具有较高的隔离度和较小的截面尺寸。下面将结合附图，对本申请实施例的技术方案进行描述。

本申请实施例的技术方案可以应用于各种通信系统，例如WiFi系统、物联网通信系统、车联万物(vehicle to everything，V2X)通信系统、设备间(device-to-device，D2D)通信系统、移动通信系统(例如4G、LTE、5G、6G等)以及未来的通信系统等。图1示例性示出本申请实施例适用的一种通信系统的架构示意图，该通信系统示例性地用于室外WiFi接入场景，如农场WiFi接入、体育场WiFi接入等。如图1所示，该通信系统中包括无线接入点(AP)11和多个终端12，无线接入点11和终端12之间可以实现无线通信，以将终端12接入网络。终端12可以是手机、蜂窝电话、智能电话、平板电脑、膝上型电脑、VR/AR终端、车载终端等任何具有无线收发功能的电子装置。无线接入点11配备有天线或天线阵列以实现信号在空间中的传输，例如可配备本申请实施例提供的天线或天线阵列。

实施例：

图2是本申请实施例提供的一种天线的结构示意图。该天线包括：

第一辐射单元210、合路器230和第二辐射单元220；

第一辐射单元210和第二辐射单元220分别与合路器230电连接；

第一辐射单元210、合路器230和第二辐射单元220沿纵向自上而下依次排列；

第一辐射单元210具有第一频段和第一极化方向；

第二辐射单元220具有第二频段和第二极化方向；

其中，第一频段和第二频段不同，第一极化方向和第二极化方向不同。

本申请实施例提供的上述天线具有不同频段和不同极化方向的两个辐射单元，能够实现双频、双极化的无线通信；两个辐射单元沿轴向排列并通过合路器居中连接，实现全向的通信；由于两个辐射单元垂直地错开，其器件耦合方向和辐射方向正交，保证了较高的隔离度，加之不同频段的极化方向也不同，进一步提高了隔离水平；该天线结构复杂度低，且具有较小的截面尺寸，在室内场景应用中占用空间小，在室外场景应用中可以减少风阻的影响。

在一个实施例中，第一频段为高频，第二频段为低频，即第一辐射单元210为高频辐射单元，第二辐射单元220为低频辐射单元；

在一个实施例中，第一频段为低频，第二频段为高频，即第一辐射单元210为低频辐射单元，第二辐射单元220为高频辐射单元。

示例性地，高频为5.8GHz，低频为2.4GHz。

在一个实施例中，第一极化方向为水平极化，第二极化方向为垂直极化，即第一辐射单元210为水平极化辐射单元，第二辐射单元220为垂直极化辐射单元；

在一个实施例中，第一极化方向为垂直极化，第二极化方向为水平极化，即第一辐射单元210为垂直极化辐射单元，第二辐射单元220为水平极化辐射单元。

示例性地，第一辐射单元、第二辐射单元和合路器均包括介质板和印刷电路，以减小整体尺寸。

示例性地，合路器230包括第一信号接口、第二信号接口和合路信号接口，第一辐射单元210与第一信号接口电连接，第二辐射单元220与第二信号接口电连接，合路信号接口通过同轴电缆与射频电路电连接，以接收来自射频电路的待发送信号或者将从空间中接收的信号传输至射频电路。

图3是本申请一实施例提供的一种天线的结构示意图，是图2所示的天线的一种具体实施例。图3所示天线包括沿纵向自上而下依次连接的第一辐射单元310、合路器330和第二辐射单元320，其中第一辐射单元310为高频辐射单元，工作频段为5.8GHz，采用垂直极化方式，第二辐射单元320为低频辐射单元，工作频段为2.4GHz，采用水平极化方式。其中，垂直极化的第一辐射单元310包括第一竖直介质板，水平极化的第二辐射单元320包括第二竖直介质板和多个(例如2个)水平介质板，示例性地为水平放置的圆形介质板，该圆形介质板上以介质板中心为圆心均匀向外设置水平极化单元，竖直介质板连接各个圆形介质板，其上具有金属贴片以连接各个水平极化单元。当圆形介质板为2个时，分别位于竖直介质板的上端和下端。

图4是本申请一实施例提供的一种天线的结构示意图，是图2所示的天线的另一种具体实施例。图4所示天线包括沿纵向自上而下依次连接的第一辐射单元410、合路器430和第二辐射单元420，其中第一辐射单元410为高频辐射单元，工作频段为5.8GHz，采用水平极化方式，第二辐射单元420为低频辐射单元，工作频段为2.4GHz，采用垂直极化方式。其中，垂直极化的第二辐射单元420包括第一竖直介质板，水平极化的第一辐射单元410包括第二竖直介质板和多个(例如4个)水平介质板，示例性地为水平放置的圆形介质板，该圆形介质板上以介质板中心为圆心均匀向外设置水平极化单元，竖直介质板连接各个圆形介质板，其上具有金属贴片以连接各个水平极化单元，竖直介质板和圆形介质板的连接处为圆形介质板的中心。示例性地，在竖直介质板的上下两端分别连接1个圆形介质板，其余圆形介质板位于上下2个圆形介质板中间，且相邻圆形介质板之间的距离相等。

可以理解的是，本申请实施例提供的天线还可以为以下结构：

第一辐射单元为低频辐射单元，采用垂直极化方式，第二辐射单元为高频辐射单元，采用水平极化方式；或者

第一辐射单元为低频辐射单元，采用水平极化方式，第二辐射单元为高频辐射单元，采用垂直极化方式。

上述结构均可以实现双频、双极化、高隔离度的全向无线通信，保证了较高的隔离度，天线截面尺寸为水平极化辐射单元中水平放置的介质板的尺寸，占用空间小，室外风阻小。

在上述实施例的天线的基础上，本申请实施例还提供了一种天线阵列。

图5是本申请实施例提供的一种天线阵列的结构示意图。该天线阵列500包括多个如上述任一实施例所述的天线510。在一个实施例中，该天线阵列500还包括支撑板520，多个天线510竖直地布设在支撑板520上。示例性地，支撑板520可以为圆形、矩形、多边形等任何形状。而为了更好地支撑和保证天线的稳定性，天线阵列中还可以包括多个支撑杆(未示出)，每个天线通过一个或多个支撑杆固定在支撑板上。

在一个实施例中，多个天线510为结构相同的天线，通过密集布阵提升辐射场的强度。

在一个实施例中，多个天线510包括结构不同的天线，以实现更大的隔离度。

在一个实施例中，多个天线510包括第一类型的天线和第二类型的天线，第一类型的天线的第一极化方向和第二类型的天线的第一极化方向不同，相应地，第一类型的天线的第二极化方向和第二类型的天线的第二极化方向也不同。例如在天线阵列500中，一部分天线的第一辐射单元为垂直极化，第二辐射单元为水平极化，例如图3所示的天线；其它天线的第一辐射单元为水平极化，第二辐射单元为垂直极化，例如图4所示的天线。

可以理解，在该实施例中，对于不同类型的天线510，同样位于上方的第一辐射单元的极化方向是不一致的，同样位于下方的第二辐射单元的极化方向也是不一致的，第一类型的天线的第一辐射单元的极化方向和第二类型的天线的第二辐射单元的极化方向是一致的，由此，相同极化方向的辐射单元之间的距离较远，从而实现了异极化的高隔离度。在该实施例中，第一类型的天线的第一频段和第二类型的天线的第一频段可以相同或者不同。

在另一个实施例中，多个天线510包括第一类型的天线和第二类型的天线，第一类型的天线的第一频段和第二类型的天线的第一频段不同，相应地，第一类型的天线的第二频段和第二类型的天线的第二频段也不同。例如在天线阵列500中，一部分天线的第一辐射单元为高频辐射单元，第二辐射单元为低频辐射单元，其它天线的第一辐射单元为低频辐射单元，第二辐射单元为高频辐射单元。

可以理解，在该实施例中，对于不同类型的天线510，同样位于上方的第一辐射单元的频段是不一致的，同样位于下方的第二辐射单元的频段也是不一致的，第一类型的天线的第一辐射单元的频段和第二类型的天线的第二辐射单元的频段是相同的，由此，相同频段的辐射单元之间的距离较远，从而实现了异频的高隔离度。在该实施例中，第一类型的天线的第一极化方向和第二类型的天线的第一极化方向可以相同或者不同。

示例性地，相同类型的天线之间(例如第一类型的天线之间、第二类型的天线之间)的距离大于一特定阈值，例如2倍波长，此处的波长为天线阵列的高频工作频率对应的波长，以减少相同极化方向和/或相同频段的辐射单元之间的干扰。

示例性地，第一类型的天线与第二类型的天线相邻，也即相邻天线为不同类型的天线，以减少相同极化方向的辐射单元之间的干扰和/或相同频段的辐射单元之间的干扰。

示例性地，第一类型的天线和第二类型的天线的数量相同，并进行交错式地布置。

图6是本申请实施例提供的一种天线阵列的结构示意图，是图5所示的天线阵列的一种具体实施例。示例性地，天线阵列600包括竖直地布设的4个天线610、620、630、640。其中2个天线610、620具有参照图3所示的结构，第一辐射单元的工作频段为5.8GHz，极化方向为垂直极化，第二辐射单元的工作频段为2.4GHz，极化方向为水平极化，可表示为5V+2H天线，另外2个天线630、640具有参照图4所示的结构，第一辐射单元的工作频段为5.8GHz，极化方向为水平极化，第二辐射单元的工作频段为2.4GHz，极化方向为垂直极化，可表示为5H+2V天线。2个5V+2H天线610、620和2个5H+2V天线630、640交错地布置在支撑板650上靠近边缘的位置，且每一对5V+2H天线和5H+2V天线之间在水平方向上的距离相等。通过这种镜像式均匀布设方式，使得相同极化方向的辐射单元的距离较远，满足同频异极化的隔离度要求。为了更好地支撑和保证天线的稳定性，天线阵列600中还可以包括多个支撑杆(未示出)，一个或多个支撑杆一端穿过天线中水平放置的圆形介质板，另一端插入支撑板650中以支撑和固定天线。

本申请实施例提供的天线阵列能够实现接近理想的双频双极化全向辐射效果，以及极大的阵列天线隔离度。图8是本申请实施例的一种天线阵列的隔离度仿真结果示意图，参见图8，5.8GHz频段的隔离度能够达到高于36dB的水平，远优于相关技术中的20-25dB。

本申请实施例还提供了一种通信装置，包括至少一个参照图2-4所描述的天线，或者至少一个参照图5-6所描述的天线阵列。图7为本申请实施例提供的通信装置700的结构示意图，该通信装置包括：天线阵列710，还可以包括：射频电路720、处理器730，以及存储器740。其中，天线阵列710为图5所描述的天线阵列500或图6所描述的天线阵列600。天线阵列710与射频电路720电连接，处理器730与射频电路720和存储器740电连接。

示例性地，上述通信装置为WiFi系统中的无线接入点设备。上述通信装置还可以包括移动通信系统中的接入网设备，例如基站，或者在各种无线系统中各种形式的宏基站、微基站、中继站、接入点等等。

以上对本申请实施例所提供的一种天线、天线阵列及通信装置进行了详细介绍，但以上内容仅为本申请的具体实施方式，本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，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权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种天线，其中，包括：

第一辐射单元、合路器和第二辐射单元；

所述第一辐射单元和第二辐射单元分别与所述合路器电连接；

所述第一辐射单元、合路器和第二辐射单元沿纵向自上而下依次排列；

所述第一辐射单元具有第一频段和第一极化方向；

所述第二辐射单元具有第二频段和第二极化方向；

所述第一频段和第二频段不同，所述第一极化方向和第二极化方向不同。

2.如权利要求1所述的天线，其中，所述第一频段为高频，所述第二频段为低频；或者所述第一频段为低频，所述第二频段为高频。

3.如权利要求1或2所述的天线，其中，所述第一极化方向为水平极化，所述第二极化方向为垂直极化；或者所述第一极化方向为垂直极化，所述第二极化方向为水平极化。

4.如权利要求3所述的天线，其中，具有垂直极化方向的辐射单元包括第一竖直介质板，具有水平极化方向的辐射单元包括第二竖直介质板和多个水平介质板。

5.一种天线阵列，其中，包括多个如权利要求1-4中任一项所述的天线。

6.如权利要求5所述的天线阵列，其中，还包括支撑板，多个所述天线竖直地布设在所述支撑板上。

7.如权利要求5或6所述的天线阵列，其中，多个所述天线包括第一类型的天线和第二类型的天线，所述第一类型的天线的第一极化方向和所述第二类型的天线的第一极化方向不同，或者所述第一类型的天线的第一频段和所述第二类型的天线的第一频段不同。

8.如权利要求7所述的天线阵列，其中，相同类型的天线之间的距离大于特定阈值。

9.如权利要求7所述的天线阵列，其中，相邻的天线为不同类型的天线。

10.一种通信装置，其中，包括至少一个如权利要求1-4任一项所述的天线，或者至少一个如权利要求5-9任一项所述的天线阵列。