CN219833009U - 一种天线单元、天线阵列及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例涉及天线技术领域,尤其公开了一种天线单元、天线阵列及电子设备，天线单元包括：电路板，设有用于微带缝隙耦合的缝隙；谐振器，设置在电路板上，所述谐振器等效h＝0.15λ的天线，所述h为天线到地的距离,所述λ为所述天线单元的工作波长；磁偶极子组件，与所述谐振器相对设置，所述磁偶极子组件与所述谐振器耦合，所述磁偶极子组件等效h＝0.25λ的天线。谐振器等效的h＝0.15λ与磁偶极子组件等效的h＝0.25λ的天线叠加后可以得到近似h＝0.5λ的天线，由于h＝0.5λ的天线的方向图已经接近半空间全向，因此，谐振器等效的h＝0.15λ与磁偶极子组件等效的h＝0.25λ的天线叠加后得到的天线具有较宽的波束，有利于天线的大角度扫描。

Description

一种天线单元、天线阵列及电子设备

技术领域

本实用新型实施例涉及天线领域，特别是涉及一种天线单元、天线阵列及电子设备。

背景技术

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换。手机、平板电脑内通常也设置有天线，5G毫米波天线通常选择以射频芯片与基板天线的结合成为AI P(封装天线)方式来降低射频系统损耗，并且这样集成度更高，性能更优秀，进行电子扫描来达到高度空间覆盖，所以需要天线阵列进行大扫描角度设计。

一般的大扫描角设计有两大类方法：宽带阻抗变换器和宽带宽角扫描匹配层。但这两类方法一般会产生复杂的宽结构或者加载额外的外部介质/金属结构。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种天线单元、天线阵列及电子设备，旨在解决现有技术中5G天线的波束宽度较窄的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种天线单元，包括：

电路板，设有用于微带缝隙耦合的缝隙；

谐振器，设置在电路板上，所述谐振器等效h＝0.15λ的天线，所述h为天线到地的距离,所述λ为所述天线单元的工作波长；

磁偶极子组件，与所述谐振器相对设置，所述磁偶极子组件与所述谐振器耦合，所述磁偶极子组件等效h＝0.25λ的天线。

可选的，所述磁偶极子组件包括第一金属板和第二金属板，所述第一金属板和第二金属板分别设置在所述谐振器的两侧且均与所述电路板电连接，所述第一金属板朝向所述谐振器的一侧设有第一凹槽，所述第二金属板朝向所述谐振器的一侧设有第二凹槽。

可选的，第一凹槽包括第一槽段、第二槽段和第三槽段，所述第一槽段沿所述电路板的宽度方向设置，所述第二槽段和所述第三槽段沿所述电路板的厚度方向设置，所述第二槽段和所述第三槽段分别连接于所述第一槽段的两侧；

第二凹槽包括第四槽段、第五槽段和第六槽段，所述第四槽段沿所述电路板的宽度方向设置，所述第五槽段和所述第六槽段沿所述电路板的厚度方向设置，所述第五槽段和所述第六槽段分别连接于所述第四槽段的两侧。

可选的，第一凹槽还包括第一延长段，所述第一延长段沿所述电路板的宽度方向设置，所述第一延长段的两端分别与所述第二槽段以及所述第三槽段连通；

第二凹槽还包括第二延长段，所述第二延长段沿所述电路板的宽度方向设置，所述第二延长段的两端分别与所述第五槽段以及所述第六槽段连通。

可选的，所述第一凹槽还包括第三延长段和第四延长段，所述第三延长段和所述第四延长段均沿所述电路板的宽度方向设置，所述第三延长段和所述第四延长段分别设置于所述第一槽段的两侧且均与所述第一槽段连通。

可选的，所述第二凹槽还包括第五延长段和第六延长段，所述第五延长段和所述第六延长段均沿所述电路板的宽度方向设置，所述第五延长段和所述第六延长段分别设置于所述第四槽段的两侧且均与所述第四槽段连通。

可选的，所述第一金属板与所述谐振器之间的距离为0.06λ～0.12λ；所述第二金属板与所述谐振器之间的距离为0.06λ～0.12λ。

可选的，所述第一金属板与所述谐振器沿所述电路板的厚度方向齐平；所述第二金属板与所述谐振器沿所述电路板的厚度方向齐平。

本实用新型还提供了一种天线阵列，包括如上述任一项所述的天线单元，所述天线单元设有多个，多个所述天线单元并列设置。

本实用新型还提供了一种电子设备，包括上述天线单元。

本实用新型实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型中天线单元包括电路板、谐振器和磁偶极子组件。电路板的表面设置有用于微带缝隙耦合的缝隙，天线馈电后，电磁波能量通过缝隙耦合传导至谐振器。谐振器设置在电路板上，谐振器等效h＝0.15λ的天线，所述h为天线到地的距离,所述λ为所述天线单元的工作波长。磁偶极子组件与谐振器相对设置，磁偶极子组件与谐振器耦合，磁偶极子组件等效h＝0.25λ的天线，谐振器等效的h＝0.15λ与磁偶极子组件等效的h＝0.25λ的天线叠加后可以得到近似h＝0.5λ的天线，由于h＝0.5λ的天线的方向图已经接近半空间全向，因此，谐振器等效的h＝0.15λ与磁偶极子组件等效的h＝0.25λ的天线叠加后得到的天线具有较宽的波束，有利于天线的大角度扫描。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施例或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本实用新型一实施例中天线单元的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例中天线单元的仰视图；

图3是本实用新型一实施例中天线单元的局部结构示意图；

图4是本实用新型一实施例中天线单元的局部结构示意图；

图5是宽波束天线原理的示意图；

图6是本实用新型一实施例中天线单元的波束叠加变宽原理示意图；

图7是本实用新型一实施例中谐振器、磁偶极子组件以及谐振器与磁偶极子组件叠加后的效果图；

图8是本实用新型一实施例中天线单元的E平面尚未加载磁偶极子组件的效果图、E平面加载磁偶极子组件的效果图、H平面尚未加载磁偶极子组件的效果图以及H平面加载磁偶极子组件的效果图；

图9是本实用新型第二实施例中天线单元的局部结构示意图；

图10是本实用新型第二实施例中天线单元的局部结构示意图；

图11是本实用新型第三实施例中天线单元的局部结构示意图；

图12是本实用新型第三实施例中天线单元的局部结构示意图；

图13是本实用新型第二实施例与第三实施例中波束宽度的效果对比图。

附图标记说明：

100、天线单元；1、电路板；11、缝隙；2、谐振器；3、磁偶极子组件；31、第一金属板；311、第一凹槽；3111、第一槽段；3112、第二槽段；3113、第三槽段；3114、第一延长段；3115、第三延长段；3116、第四延长段；32、第二金属板；321、第二凹槽；3211、第四槽段；3212、第五槽段；3213、第六槽段；3214、第二延长段；3215、第五延长段；3216、第六延长段。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型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，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本实用新型提供了一种天线单元100，天线单元100包括电路板1、谐振器2和磁偶极子组件3。其中，电路板1用于为其他元器件提供安装附着。谐振器2和磁偶极子组件3均用于等效成天线，谐振器2和磁偶极子叠加后形成宽波束天线。

请参阅图2，电路板1的表面设置有用于微带缝隙11耦合的缝隙11，天线馈电后，电磁波能量通过缝隙11耦合传导至谐振器2。

谐振器2设置在电路板1上，谐振器2等效h＝0.15λ的天线，所述h为天线到地的距离,所述λ为所述天线单元100的工作波长。

请参阅图2至图4，磁偶极子组件3与谐振器2相对设置，磁偶极子组件3与谐振器2耦合，磁偶极子组件3等效h＝0.25λ的天线。

请参阅图5，根据宽波束天线原理，将磁流源A1放在理想电平面(一般是无线大的金属地)上存在关于电平面的对称镜像磁流源A2，其归一化的方向图表达式F(θ)＝|coskhcosθ|，其中θ是极化坐标系下的俯仰角，k是波矢数k＝2π/λ，λ是工作波长，h是磁流源A1到天线的距离，其方向图随距离h变化。

图6和图7中S1为谐振器2的波束宽度示意图，图6和图7中S2为磁偶极子组件3的波束宽度。请参阅图6和图7，图7为归一化方向图幅值，图7中的圆周方向表示方位角，其单位为度数。谐振器2等效的h＝0.15λ与磁偶极子组件3等效的h＝0.25λ的天线叠加后可以得到近似图7中S3所示的h＝0.5λ的天线，由于h＝0.5λ的天线的方向图已经接近半空间全向，因此，谐振器2等效的h＝0.15λ与磁偶极子组件3等效的h＝0.25λ的天线叠加后得到的天线具有较宽的波束，有利于天线的大角度扫描。

在天线领域，天线的E平面也叫电面，是指平行于电场方向的方向平面。H平面也叫磁面，是指平行于磁场方向的方向平面。在本实施例中，H平面与电路板1设置谐振器2的平面平行，E平面与H平面垂直。请参阅图8，图8中的横坐标表示方位角，其单位为度数。图8中的纵坐标表示归一化方向图幅值，其单位为dB。图8中的S4为未加载磁偶极子组件3时E平面的波束宽度示意图，图8中的S5为加载磁偶极子组件3时H平面的波束宽度示意图，图8中的S6为加载磁偶极子组件3时H平面的波束宽度示意图，图8中的S7为加载磁偶极子组件3时E平面的波束宽度示意图。对比S4和S7以及对比S5和S6可以得出，加载加载磁偶极子组件3，天线单元100的E平面和H平面的波束宽度均有了一定的提升。

请参阅图3，在一些实施例中，磁偶极子组件3包括第一金属板31和第二金属板32。第一金属板31竖立设置在谐振器2的一侧，第一金属板31与电路板1电连接。第一金属板31朝向谐振器2的一侧设置有第一凹槽311，由于第一金属板31可导电，因此，第一凹槽311形成了缝隙11，第一凹槽311的周围分布有电流，构成了回路，即第一凹槽311形成了磁偶极子。

请参阅图4，第二金属板32竖立设置在谐振器2的另一侧，第二金属板32与电路板1电连接。第二金属板32朝向谐振器2的一侧设置有第二凹槽321，由于第二金属板32可导电，因此，第二凹槽321形成了缝隙11，第二凹槽321的周围分布有电流，构成了回路，即第二凹槽321形成了磁偶极子。

请参阅图3，在一些实施例中，第一凹槽311到谐振器2的距离为0.06λ至0.12λ，以使磁偶极子与谐振器2叠加后的波束宽度更接近于h＝0.5λ的全向天线。

请参阅图4，在一些实施例中，第二凹槽321到谐振器2的距离为0.06λ至0.12λ，以使磁偶极子与谐振器2叠加后的波束宽度更接近于h＝0.5λ的全向天线。

请参阅图3，图3中的Z轴方向为电路板1的厚度方向，图3中的X轴方向为电路板1的宽度方向。在一些实施例中，第一凹槽311包括第一槽段3111、第二槽段3112和第三槽段3113，第一槽段3111沿电路板1的宽度方向设置，第二槽段3112和第三槽段3113沿所述电路板1的厚度方向设置，第二槽段3112连接于第一槽段3111的一侧，第三槽段3113连接于第一槽段3111的另一侧。

请参阅图4，第二凹槽321包括第四槽段3211、第五槽段3212和第六槽段3213，第四槽段3211沿电路板1的宽度方向设置，第五槽段3212和第六槽段3213沿所述电路板1的厚度方向设置，第五槽段3212连接于第四槽段3211的一侧，第六槽段3213连接于第四槽段3211的另一侧。第一凹槽311和第二凹槽321采用上述结构使得磁偶极子组件3具有较宽的波束。

请参阅图9和图10，图9和图10中的Z轴方向为电路板1的厚度方向，图9和图10中的X轴方向为电路板1的宽度方向。在一些实施例中，第一凹槽311还包括第一延长段3114，第一延长段3114沿电路板1的宽度方向设置，第一延长段3114的两端分别与第二槽段3112以及第三槽段3113连通。第二凹槽321还包括第二延长段3214，第二延长段3214沿电路板1的宽度方向设置，第二延长段3214的两端分别与第五槽段3212以及第六槽段3213连通。第一凹槽311设置第一延长段3114且第二凹槽321设置第二延长段3214时，天线单元100的波束宽度仍然和图1中S3所示的波束宽度相同，换句说话，第一凹槽311设置第一延长段3114且第二凹槽321设置第二延长段3214的天线单元100是另一种等效的天线单元100。

请参阅图11和图12，图11和图12中的Z轴方向为电路板1的厚度方向，图11和图12中的X轴方向为电路板1的宽度方向。在一些实施例中，第一凹槽311还包括第三延长段3115和第四延长段3116，第三延长段3115和第四延长段3116均沿电路板1的宽度方向设置，第三延长段3115和第四延长段3116分别设置于第一槽段3111的两侧且均与第一槽段3111连通。

第二凹槽321还包括第五延长段3215和第六延长段3216，第五延长段3215和第六延长段3216均沿电路板1的宽度方向设置，第五延长段3215和第六延长段3216分别设置于第四槽段3211的两侧且均与第四槽段3211连通。

请参阅图13，图13中的横坐标表示方位角，其单位为度数。图13中的纵坐标表示归一化方向图幅值，其单位为dB。图13中的S8为第一凹槽311未设置第三延长段3115、第四延长段3116且第二凹槽321未设置第五延长段3215、第六延长段3216时的波束宽度，图13中S8的波束宽度为+70度至-70度，即140度。

图13中的S9为第一凹槽311设置第三延长段3115、第四延长段3116且第二凹槽321设置第五延长段3215、第六延长段3216时的波束宽度，图13中的S9的波束宽度为+120度至-120度，即240度。因此，第一凹槽311设置第三延长段3115、第四延长段3116且第二凹槽321设置第五延长段3215、第六延长段3216后天线单元100的波束宽度从140度增大至240度，天线单元100的波束宽度有了进一步的提升。

请参阅图3和图4以及图9至图12，在一些实施例中，所述第一金属板31与所述谐振器2之间的距离为0.06λ～0.12λ，且所述第二金属板32与所述谐振器2之间的距离为0.06λ～0.12λ，以使天线单元100具有较好地接收信号的能力。其中，λ为天线单元100的工作波长。

请参阅图3和图4以及图9至图12，在一些实施例中，所述第一金属板31与所述谐振器2沿所述电路板1的厚度方向齐平，且所述第二金属板32与所述谐振器2沿所述电路板1的厚度方向齐平，以使天线单元100具有较好地接收信号的能力。

在一些实施例中，电路板1背离谐振器2的一侧设有介质层，介质层用于馈电，介质层的材质较佳为铜。

综上所述，天线单元100包括电路板1、谐振器2和磁偶极子组件3。电路板1的表面设置有用于微带缝隙11耦合的缝隙11，天线馈电后，电磁波能量通过缝隙11耦合传导至谐振器2。谐振器2设置在电路板1上，谐振器2等效h＝0.15λ的天线，所述h为天线到地的距离,所述λ为所述天线单元100的工作波长。磁偶极子组件3与谐振器2相对设置，磁偶极子组件3与谐振器2耦合，磁偶极子组件3等效h＝0.25λ的天线，将谐振器2等效的h＝0.15λ与磁偶极子组件3等效的h＝0.25λ的天线叠加后可以得到近似h＝0.5λ的天线，由于h＝0.5λ的天线的方向图已经接近半空间全向，因此，谐振器2等效的h＝0.15λ与磁偶极子组件3等效的h＝0.25λ的天线叠加后得到的天线具有较宽的波束，有利于天线的大角度扫描。

本实用新型还提供了一种天线阵列(图未示)，天线阵列包括多个天线单元100，多个天线单元100并列设置，以形成天线阵列。天线阵列使用多个天线单元100，相对于单个天线单元100，天线阵列具有更好的方向性，并且天线阵列还可以提高信号强度和抗干扰能力。

天线阵列的各天线单元100之间可以共用一个电路板1，也可以每个天线单元100对应设置一个电路板1，换而言之，天线阵列的电路板1的数目可以为一个或多个。

在一个具体实施例中，天线阵列为1×9的天线阵列，即使用了九个天线单元100组成天线阵列。在其他实施例中，天线单元100使用的天线单元100的个数还可以为六个、七个、十个等个数。

本实用新型还提供了一种电子设备(图未示)，电子设备包括上述天线单元100，天线单元100用于接收信号以及向外发射信号，以使电子设备具有通信功能。

在一些实施例中，电子设备仅设置一个天线单元100。

在另一些实施例中，电子设备设置有多个天线单元100，多个天线单元100组成天线阵列，以提高电子设备的信号强度和抗干扰能力。电子设备中的多个天线单元100通过并列设置形成天线阵列。

需要说明的是，本实用新型的说明书及其附图中给出了本实用新型的较佳的实施例，但是，本实用新型可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本实用新型内容的额外限制，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本实用新型说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种天线单元，其特征在于，包括：

电路板，设有用于微带缝隙耦合的缝隙；

谐振器，设置在电路板上，所述谐振器等效h＝0.15λ的天线，所述h为天线到地的距离,所述λ为所述天线单元的工作波长；

磁偶极子组件，与所述谐振器相对设置，所述磁偶极子组件与所述谐振器耦合，所述磁偶极子组件等效h＝0.25λ的天线。

2.根据权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述磁偶极子组件包括第一金属板和第二金属板，所述第一金属板和第二金属板分别设置在所述谐振器的两侧且均与所述电路板电连接，所述第一金属板朝向所述谐振器的一侧设有第一凹槽，所述第二金属板朝向所述谐振器的一侧设有第二凹槽。

3.根据权利要求2所述的天线单元，其特征在于，第一凹槽包括第一槽段、第二槽段和第三槽段，所述第一槽段沿所述电路板的宽度方向设置，所述第二槽段和所述第三槽段沿所述电路板的厚度方向设置，所述第二槽段和所述第三槽段分别连接于所述第一槽段的两侧；

第二凹槽包括第四槽段、第五槽段和第六槽段，所述第四槽段沿所述电路板的宽度方向设置，所述第五槽段和所述第六槽段沿所述电路板的厚度方向设置，所述第五槽段和所述第六槽段分别连接于所述第四槽段的两侧。

4.根据权利要求3所述的天线单元，其特征在于，第一凹槽还包括第一延长段，所述第一延长段沿所述电路板的宽度方向设置，所述第一延长段的两端分别与所述第二槽段以及所述第三槽段连通；

第二凹槽还包括第二延长段，所述第二延长段沿所述电路板的宽度方向设置，所述第二延长段的两端分别与所述第五槽段以及所述第六槽段连通。

5.根据权利要求3所述的天线单元，其特征在于，所述第一凹槽还包括第三延长段和第四延长段，所述第三延长段和所述第四延长段均沿所述电路板的宽度方向设置，所述第三延长段和所述第四延长段分别设置于所述第一槽段的两侧且均与所述第一槽段连通。

6.根据权利要求3所述的天线单元，其特征在于，所述第二凹槽还包括第五延长段和第六延长段，所述第五延长段和所述第六延长段均沿所述电路板的宽度方向设置，所述第五延长段和所述第六延长段分别设置于所述第四槽段的两侧且均与所述第四槽段连通。

7.根据权利要求2-6任一项所述的天线单元，其特征在于，所述第一金属板与所述谐振器之间的距离为0.06λ～0.12λ；所述第二金属板与所述谐振器之间的距离为0.06λ～0.12λ。

8.根据权利要求2-6任一项所述的天线单元，其特征在于，所述第一金属板与所述谐振器沿所述电路板的厚度方向齐平；所述第二金属板与所述谐振器沿所述电路板的厚度方向齐平。

9.一种天线阵列，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的天线单元，所述天线单元设有多个，多个所述天线单元并列设置。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的天线单元。