CN218919284U - 一种天线单元、天线及通信设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及无线通信技术领域，提供了一种天线单元、天线及通信设备，该天线单元包括移相馈电结构和辐射结构，移相馈电结构包括第一基板和第二导电层，位于第一基板与第二导电层之间的第一导电层、液晶介质层，其中液晶介质层位于第一导电层与第二导电层之间，第一导电层为螺旋线结构，螺旋线结构的末端与所述第二导电层耦合连接；辐射结构位于第二导电层远离第一基板的一侧。本申请通过集成微带液晶移相器代替传统半导体移相器，能更好地辐射或接收Ka波以上频率的电磁波，提高天线的频带宽度。螺旋线结构的移相器可布局更长的导带，在简化天线结构，降低天线成本的同时，提高移相器的移相能力，进一步实现天线的宽频带性能。

Description

一种天线单元、天线及通信设备

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，具体涉及一种天线单元、天线及通信设备。

背景技术

天线作为通信设备收发信号的关键部件，对通信质量好坏起着至关重要的作用，天线的频带宽度(带宽)是指天线的增益、方向图、输入阻抗等主要性能参数能够满足设计指标要求的频率范围。因此，天线的带宽表征着天线能够正确辐射或接收信号的频率范围，而随着现代无线通信技术的发展，车载导航、卫星通信、雷达系统等通信领域都期望能在尽可能大的电磁波频率范围里，高质量、高效率地实现信号的发射与接收，通信质量要求提高，对天线带宽性能的要求也随之提高。

相关技术中，常见的是采用传统半导体移相器技术的相控阵天线，其通过控制移相器相移量的大小改变各天线单元的馈电相位，以改变天线阵面上电磁波的相位分布实现波束在空间的移动，达到波束扫描目的。但是，随着电磁波频率增加，例如增加至Ka波段及以上，传统半导体移相器技术及相控阵技术难度大大增加，且半导体介质的损耗会随着频率的增加而加剧，介质利用率降低，大大影响天线的辐射效率。

实用新型内容

本申请实施例提供一种天线单元、天线及通信设备，通过集成的新型微带液晶移相器代替传统半导体移相器，并结合新型耦合馈电结构，在降低成本的同时，提高天线的频带宽度等性能。

一方面，提供一种天线单元，包括移相馈电结构和辐射结构，所述移相馈电结构包括：

第一基板和第二导电层，其中，所述辐射结构位于所述第二导电层远离所述第一基板的一侧；

位于所述第一基板与所述第二导电层之间的第一导电层、液晶介质层，所述液晶介质层位于所述第一导电层与第二导电层之间；

其中，所述第一导电层为螺旋线结构，所述螺旋线结构的末端与所述第二导电层耦合连接。

在一个或多个可能的实施例中，所述螺旋线结构的末端为T型结构，所述第二导电层包括第一镂空部；

其中，所述第一导电层通过所述T型结构和所述第一镂空部与所述第二导电层耦合连接，用于所述第一导电层与所述第二导电层之间的馈电。

在一个或多个可能的实施例中，所述第一镂空部为工字型。

在一个或多个可能的实施例中，所述辐射结构包括第二基板、辐射贴片和寄生贴片；

其中，所述辐射贴片位于所述第二基板远离所述第一基板的一侧；位于所述辐射贴片与所述寄生贴片之间的第三基板，所述寄生贴片位于所述第三基板远离所述第二基板的一侧；

所述辐射贴片与所述寄生贴片耦合连接，以向所述寄生贴片馈电。

在一个或多个可能的实施例中，所述辐射贴片包括第二镂空部，所述辐射贴片通过所述第二镂空部与所述寄生贴片耦合连接；

其中，所述移相馈电结构通过所述第二镂空部与所述辐射结构耦合连接，以使得所述移相馈电结构向所述辐射结构馈电。

在一个或多个可能的实施例中，所述辐射贴片和所述寄生贴片的至少一对角进行了切角处理，且所述至少一对角中每对角包括的两个角为对角。

在一个或多个可能的实施例中，所述螺旋线结构采用金属铜材料。

在一个或多个可能的实施例中，所述螺旋线结构的厚度为5um-50um。

在一个或多个可能的实施例中，所述第一基板、所述第二基板和所述第三基板采用玻璃材质。

在一个或多个可能的实施例中，所述第一基板、所述第二基板和所述第三基板的厚度为0.2-0.3mm。

在一个或多个可能的实施例中，所述第二导电层采用金属铜材料。

在一个或多个可能的实施例中，所述第二导电层的厚度为0.005mm-0.01mm。

一方面，提供一种天线，包括多个所述的天线单元，且多个天线单元呈阵列排布。

一方面，提供一种通信设备，所述通信设备包括至少一个所述的天线，且所述至少一个天线呈阵列排布。

本申请实施例的有益效果如下：

相较于传统的采用半导体移相器的相控阵天线，本申请实施例提供的天线单元具有新型移相馈电结构，通过集成的微带液晶移相器代替传统半导体移相器，由于液晶材料可电控或磁控动态地改变介电常数，具有高频段损耗低和各项异性的特点，能更好地辐射或接收Ka波以上频率的电磁波，提高了天线的频带宽度。且相同大小的天线单元，采用螺旋线结构的第一导电层作为移相器的加载线，使得移相器可布局更长的导带，在简化天线结构，降低天线成本的同时，提高了移相器的移相能力，进一步实现天线的宽频带性能。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的天线单元的分层结构示意图；

图2为本申请实施例提供的天线单元的截面示意图；

图3为本申请实施例提供的天线单元的俯视示意图；

图4为本申请实施例提供的辐射贴片和寄生贴片的切角示意图；

图5为本申请实施例提供的阵列天线俯视示意图；

图6为本申请实施例提供的天线的反射曲线示意图；

图7为本申请实施例提供的天线的法向轴比示意图；

图8为本申请实施例提供的天线的法向增益示意图；

图9为本申请实施例提供的天线的扫描增益方向图；

图10为本申请实施例提供的天线的扫描轴比方向图；

图11为本申请实施例提供的通信设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

为便于理解本申请实施例提供的技术方案，这里先对本申请实施例使用的一些关键名词进行解释：

相控阵天线：一种由多个天线单元组成，通过控制每一天线单元中辐射单元的馈电相位来改变方向图最大值的指向以实现波束扫描的阵列天线。因此，相控阵天线的关键器件是移相器和辐射单元，通过控制移相器相移量的大小改变辐射单元的馈电相位，进而改变天线阵面上电磁波的相位分布实现波束在空间的移动，即波束扫描。而移相器的移相能力表征其在一定的频率范围内能获得所需要的移相值，是保证相控阵天线能在不同频率上正常工作的关键因素。

波束：由卫星天线发射出来的电磁波在地球表面上形成的形状。

下面对本申请实施例的设计思想进行简要介绍：

相关技术中，随着电磁波频率增加，例如增加至Ka波段及以上，传统半导体移相器技术及相控阵技术难度大大增加，且半导体介质的损耗会随着频率的增加而加剧，介质利用率降低，大大影响天线的辐射效率。

鉴于上述问题，本申请实施例提供一种天线单元、天线及通讯设备，由于液晶材料可电控或磁控动态地改变介电常数，具有高频段损耗低和各项异性的特点，通过集成的微带液晶移相器代替传统半导体移相器，能更好地辐射或接收Ka波以上频率的电磁波，提高天线的频带宽度。此外，螺旋线结构的移相器可布局更长的导带，在简化天线结构，降低天线成本的同时，提高移相器的移相能力，进一步实现天线的宽频带性能。

参考图1-图3所示，图1示出了本申请实施例提供的天线单元的分层结构示意图，图2示出了本申请实施例提供的天线单元的截面示意图，图3示出了本申请实施例提供的天线单元的俯视示意图。

根据图1，本申请实施例提供的天线单元包括移相馈电结构1和辐射结构2。其中，移相馈电结构1和辐射结构2每层都紧密结合，其截面示意图如图2所示，其中：

移相馈电结构1包括第一基板11、第一导电层12、液晶介质层13、第二导电层14，辐射结构2位于移相馈电结构的第二导电层14远离第一基板11的一侧，第一导电层12、液晶介质层13均位于第一基板11与第二导电层14之间，且液晶介质层位于第一导电层12与第二导电层14之间。

其中，第一导电层12为螺旋线结构，螺旋线结构的末端与第二导电层14耦合连接。

在本申请实施例中，移相馈电结构利用液晶材料形成液晶介质层封装在第一基板和第二基板之间作为可调谐介质，并与第一导电层和第二导电层集成微带液晶移相器代替传统半导体移相器，实现移相馈电结构的移相功能。

由于液晶是一种流体，既拥有液体的流动性，分子排列方式又具有晶体的有序性，能表现出各向异性，具有可电控或磁控动态地改变介电常数的特点。且液晶体积小、质量小、可靠性强和功耗低，可以实现快速响应和大角度波束控制，能更好地辐射或接收Ka波以上频率的电磁波，提高天线的频带宽度。

在本申请实施例中，液晶移相器包括第一导电层螺旋线结构的导带，导带既用于作为移相器的加载线，在该加载线上利用可控电抗元件进行并联或串联加载,通过电抗值的改变在电路中引入相移量，实现加载线式移相器的移相功能，又用于控制驱动电机，进一步简化了天线单元的结构。

螺旋线结构的末端和第二导电层耦合连接，可形成新型馈电结构，实现移相馈电结构的馈电功能。在天线发射或接收电磁波时，将电信号由天线单元下层的移相馈电结构过渡传输至上层的辐射结构，实现天线传播信号的功能。且在馈电结构体积相同的情况下，此种螺旋线结构的移相器可以布局更长的导带，进一步提高移相能力，而移相能力越强，天线电控波束扫描的范围越大。

在一种可能的实施方式中，液晶介质层的厚度可以是但不限于0.05mm。

在一种可能的实施方式中，辐射结构2包括第二基板21、辐射贴片22、第三基板23和寄生贴片24。其中，辐射贴片22位于第二基板21和第三基板23之间，且寄生贴片24位于第三基板23远离第二基板21的一侧；

其中，辐射贴片22与寄生贴片24耦合连接，以向寄生贴片馈电。

在一种可能的实施方式中，第一基板、第二基板和第三基板可以采用玻璃材质，厚度可以为0.2-0.3mm。相较于采用不具透光性的金属作为基板材质，容易影响人们的视觉感受，采用透明的玻璃材质可保证天线的透明化，使得基板能够透过更多的光线，增加美观性使其应用在更多场景。本申请实施例可以但不限于采用相对介电常数为4.8值附近的透明玻璃，既可以满足光透明的条件又不影响天线的性能。

在一种可能的实施方式中，第一导电层的螺旋线结构的末端为T型结构121，第二导电层包括第一镂空部141。

具体的，第一导电层通过T型结构和第一镂空部与第二导电层耦合连接形成新型馈电结构，用于第一导电层与第二导电层之间的馈电。

在一种可能的实施方式中，通过在第二导电层上基于曲流技术刻蚀缝隙，形成第一镂空部，其中第一镂空部的形状可以包括但不限于工字型，第一导电层螺旋线的T型结构末端和工字型的第一镂空部耦合连接，形成的缝隙耦合结构用于第一导电层与第二导电层之间的馈电。

耦合缝隙的形状影响着电磁耦合量，进而影响天线的带宽性能，由于T型结构和工字型缝隙组成的缝隙耦合能够在保证足够的耦合量的前提下结构更加紧凑，能够在提高天线带宽同时，实现天线的小型化设计，降低天线成本。

在一种可能的实施方式中，螺旋线结构可以采用但不限于金属铜材料，螺旋线结构的厚度可以为5um-50um。

在一种可能的实施方式中，第二导电层可以采用但不限于金属铜材料，第二导电层的厚度可以为但不限于0.005mm-0.01mm。

在本申请实施例中，天线单元可通过辐射结构与外部电路连接，从电路接收信号并将接收的信号通过辐射结构发射，或者通过辐射结构接收信号，将接收的信号通过移相馈电结构传输至内部电路进行处理，实现双向通信。

在一种可能的实施方式中，辐射贴片22包括第二镂空部221，辐射贴片22通过第二镂空部221与寄生贴片24耦合连接；

其中，移相馈电结构通过所第二镂空部与辐射结构耦合连接，以使得移相馈电结构向辐射结构馈电。

在本申请实施例中，辐射贴片通过第二镂空部与寄生贴片耦合连接，形成缝隙耦合结构用于移相馈电结构与辐射结构之间的馈电。

在一种可能的实施方式中，基于曲流技术在辐射贴片上刻蚀缝隙形成第二镂空部，改变了原天线贴片的固定形状、尺寸或结构,使表面电流能沿着贴片边缘或特定结构流动,从而使天线的等效长度脱离物理长度的束缚,且大于其物理长度，增加了贴片的电流路径，提高天线带宽的同时实现天线的小型化。

具体的，第二镂空部的形状可以是但不限于矩形、环形、回字形、工字型、十字形、沙漏形。辐射贴片和寄生贴片的形状可以是但不限于矩形、平行四边形、圆形、椭圆形、梯形。

在一种可能的实施方式中，辐射贴片22和寄生贴片24的至少一对角进行了切角处理，且至少一对角中每对角包括的两个角为对角。参见图4所示，辐射贴片22具有切角a(1)和切角a(2)，且两个切角为对角；寄生贴片24具有切角b(1)和切角b(2)，且两个切角为对角。本申请实施例中辐射贴片和寄生贴片为矩形，其中两个对角做了切角处理。本申请实施例提供的辐射结构通过切角进行圆极化辐射，而切角的位置不同，圆极化天线在接收或发出信号的时候的方向就不同，从而切角的位置可以根据实际需求进行选择，本申请实施例对此不做限制。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种天线，该天线包括多个如上述实施例提供的天线单元，且多个天线单元呈阵列排布。

具体的，参考图5所示的阵列天线俯视图，以16个天线单元组成4×4的阵列天线。假设在无偏置电压情况下液晶介电常数为ε₁，通过在第一导电层的导带和第二导电层之间施加电压使得液晶达到满偏，此时液晶介电常数为ε₂，因此最大差分移相度

的表达式如下：

其中，f为电磁波频率，l为移相器长度，c为移相器电路的容抗。

根据波束指向原理，可由波束指向求出各天线单元间相位差即移相度，通过上式得所需液晶介质层的介电常数，进而使用移相器电路的偏置电压改变液晶介电常数，以此来实现电控波束的目的。

利用数值仿真技术可在仿真软件中对天线进行仿真，看其性能是否得到相应提高，如图6所示为天线的反射曲线，横轴为频率大小，纵轴为频带内反射大小即回波损耗，在回波损耗小于-10dB的频率范围内天线接收的能量在90％以上，该频率范围被规定为天线的工作带宽。从图5中可以看到天线在29.2GHz-31.3GHz频带内反射小于-10dB，满足宽带天线的要求。

如图7所示，为天线的法向轴比图，横轴表示辐射角度，纵轴表示本申请天线的轴比，从图中可以看出辐射角度为0度时，轴比小于3db-符合圆极化天线的性能指标。

如图8、9、10所示，图8为天线的法向增益图，横轴表示辐射角度，纵轴表示增益，从图中可知增益在辐射角度为0°时达到最大值，表明天线可实现正方向辐射电磁波。图9为天线的扫描增益方向图，横轴表示辐射角度，纵轴表示扫描增益，从图中可知天线的最大扫描增益值对应的辐射角度约为-45°，表明天线可在-45°至45°范围内实现连续的波束扫描，总扫描角度达到±45。图10为天线的扫描轴比方向图，横轴表示辐射角度，纵轴表示扫描轴比，从图中可以看出辐射角度为-50°时的轴比依然小于3db，符合圆极化天线的性能指标。

上述仿真结论表示，本申请实施例提供的天线能够在29.2-31.3GHz频带内扫描增益大于15dBi，总扫描角度范围可达到±45°。且在扫描过程中，该天线保持了良好的圆极化特性，在多个辐射方向上其轴比均小于3dB。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种通信设备，该通信设备包括至少一个如上述实施例提供的天线，且至少一个天线呈阵列排布，具体实施方式参见上述描述，这里不再重述。

在本申请实施例中，将一定数量的天线按一定的方向排列就可以构成辐射系统就是天线阵，即阵列天线。单一的天线在性能和功能上都是有限的，阵列的性能远远大于单一的天线，随着不同的排列方式，阵列的方向特性、阻抗特性、频率特性等也都会随之变化。

在一种可能的实施方式中，天线与通信设备的其他部件共形。具体的，通信设备是由天线与其他设备的部件构成的，可以在许多领域发挥巨大的作用，通过天线与设备的外形结构一致，会尽量减少现有结构参数的影响。

在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的通信设备可以为终端设备，如图11所示，包括：

处理器1101、存储器1102、收发机1104、天线1105以及总线接口1103。

处理器1101负责管理总线架构和通常的处理，存储器1102可以存储处理器1101在执行操作时所使用的数据。收发机1104用于在处理器1101的控制下通过天线接收和发送数据。

总线架构可以包括任意数量的互联的总线和桥，具体由处理器1101代表的一个或多个处理器和存储器1102代表的存储器的各种电路链接在一起。总线架构还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其它电路链接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口提供接口。处理器1101负责管理总线架构和通常的处理，存储器1102可以存储处理器1101在执行操作时所使用的数据。

处理器1101可以是通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。该存储介质位于存储器1102，处理器1101读取存储器1102中的信息，结合其硬件完成信号处理流程的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种天线单元，其特征在于，包括移相馈电结构和辐射结构，所述移相馈电结构包括：

第一基板和第二导电层，其中，所述辐射结构位于所述第二导电层远离所述第一基板的一侧；

位于所述第一基板与所述第二导电层之间的第一导电层、液晶介质层，所述液晶介质层位于所述第一导电层与第二导电层之间；

其中，所述第一导电层为螺旋线结构，所述螺旋线结构的末端与所述第二导电层耦合连接。

2.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述螺旋线结构的末端为T型结构，所述第二导电层包括第一镂空部；

其中，所述第一导电层通过所述T型结构和所述第一镂空部与所述第二导电层耦合连接，用于所述第一导电层与所述第二导电层之间的馈电。

3.如权利要求2所述的天线单元，其特征在于，所述第一镂空部为工字型。

4.如权利要求1～3任一所述的天线单元，其特征在于，所述辐射结构包括第二基板、辐射贴片和寄生贴片；

其中，所述辐射贴片位于所述第二基板远离所述第一基板的一侧；位于所述辐射贴片与所述寄生贴片之间的第三基板，所述寄生贴片位于所述第三基板远离所述第二基板的一侧；

所述辐射贴片与所述寄生贴片耦合连接，以向所述寄生贴片馈电。

5.如权利要求4所述的天线单元，其特征在于，所述辐射贴片包括第二镂空部，所述辐射贴片通过所述第二镂空部与所述寄生贴片耦合连接；

其中，所述移相馈电结构通过所述第二镂空部与所述辐射结构耦合连接，以使得所述移相馈电结构向所述辐射结构馈电。

6.如权利要求4所述的天线单元，其特征在于，所述辐射贴片和所述寄生贴片的至少一对角进行了切角处理，且所述至少一对角中每对角包括的两个角为对角。

7.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述螺旋线结构采用金属铜材料。

8.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述螺旋线结构的厚度为5um-50um。

9.如权利要求4所述的天线单元，其特征在于，所述第一基板、所述第二基板和所述第三基板采用玻璃材质。

10.如权利要求4所述的天线单元，其特征在于，所述第一基板、所述第二基板和所述第三基板的厚度为0.2-0.3mm。

11.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述第二导电层采用金属铜材料。

12.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述第二导电层的厚度为0.005mm-0.01mm。

13.一种天线，其特征在于，包括多个如权利要求1～12任一所述的天线单元，且多个天线单元呈阵列排布。

14.一种通信设备，其特征在于，包括至少一个如权利要求13所述的天线，且至少一个天线呈阵列排布。

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