CN109638441A - 阵列天线及其阵列天线波束调节设备 - Google Patents

Abstract

本申请揭露一种阵列天线及其阵列天线波束调节设备，所述阵列天线包括叠层设置的第一表面层、多个第一介质层与主板层；多个天线单元分别设置于所述第一表面层与所述多个第一介质层，以阵列排列方式设置于所述第一表面层上，及以环绕每一第一介质层中心方式而环设于所述多个第一介质层的每一层；控制模块设置在所述主板层上，以电性耦接至所述多个天线单元。所述阵列天线的渐层环设方式，较能改善毫米波阵列天线方向单一的问题，使设备可多方的收发信息，改善设备覆盖范围。

Description

阵列天线及其阵列天线波束调节设备

技术领域

本申请涉及通信领域，特别是涉及阵列天线及其阵列天线波束调节设备。

背景技术

信息化的高速发展，无线智能终端的大规模普及，以及迅猛增长的各类数据业务对包括移动数据通信和无线局域网在内的下一代无线通信系统的通信速率提出了更高的要求。在5G第五代通信即将商用的时代，千兆级(Gbps)比特速率的高速无线通信研究也已经成为学术界和工业界的热点。大规模MIMO技术、异构网络、能效通信和自组织网络等各项新技术已成为提高下一代无线通信系统速率的关键技术，也都是未来5G通信领域的重要研究方向。5G通信系统是在更高频率(如毫米波，mmWave)频带(例如，60GHz频带)中实现的，以便实现更高的数据速率。由于毫米波由于波长短，体积小，衰减大等特点，一般会采用阵列天线的形式增强方向性，即波束赋形技术。然而，波束赋形由于方向性太强，容易导致其他方向天线性能较差，可能导致通信断线的情况。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请的目的在于，提供一种阵列天线及其阵列天线波束调节设备，通过调整阵列天线的结构，以调整信号收发的方向性。

本申请的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

依据本申请提出的一种阵列天线，包括：多个第一介质层，所述多个第一介质层以叠层方式配置；第一表面层，设置于所述多个第一介质层上；多个天线单元，分别的设置于所述第一表面层与所述多个第一介质层，以阵列排列方式设置于所述第一表面层上，及以环绕每一第一介质层中心方式而环设于所述多个第一介质层的每一层；主板层，包括相对的第一表面与第二表面，所述第一表面邻接所述多个第一介质层的底部；以及，控制模块，设置在所述主板层的第一表面，所述控制模块电性耦接至所述多个天线单元。

本申请解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

在本申请的一实施例中，所述电性耦接包括设置于所述第一表面层、所述多个第一介质层与所述主板层的过孔。

在本申请的一实施例中，所述电性耦接包括设置于所述第一表面层、所述多个第一介质层与所述主板层的连接线。

在本申请的一实施例中，所述过孔与所述连接线为混合使用。

在本申请的一实施例中，所述多个天线单元以环绕所述主板层中心方式而环设于所述控制模块的周边，或是设置邻近于所述主板层的外围。

在本申请的一实施例中，所述多个第一介质层的第一底层与所述主板层相邻接，所述第一底层的中心部位为中空设置。

在本申请的一实施例中，所述多个天线单元的天线类型包括平板天线、八木天线与偶极子天线中至少一种。

在本申请的一实施例中，所述多个天线单元是以同区域配置方式而设置于所述多个第一介质层。

在本申请的一实施例中，所述多个天线单元是以异区域配置方式而设置于所述多个第一介质层。

在本申请的一实施例中，设置于相异介质层的单一天线单元的涵盖范围为相同。

在本申请的一实施例中，设置于相异介质层的单一天线单元的涵盖范围为相异。

在本申请的一实施例中，所述多个天线单元中每一者的涵盖范围，是依据所配置的介质层与所述主板层的距离而渐层变化。

在本申请的一实施例中，所述渐层变化为由大至小。

在本申请的一实施例中，所述渐层变化为由小至大。

在本申请的一实施例中，包括多个第二介质层与第二表面层，所述多个第二介质层以叠层方式配置，所述主板层的第二表面邻接所述多个第二介质层的底部，所述第二表面层设置于所述多个第二介质层上，所述多个天线单元还分别的设置于所述第二表面层与所述多个第二介质层，以阵列排列方式设置于所述第二表面层上，及以环绕每一第二介质层中心方式而环设于所述多个第二介质层的每一层。

在本申请的一实施例中，所述第一表面层、所述第二表面层、所述多个第一介质层、所述多个第二介质层与所述多个天线单元，以结构对称方式而分别的设置于所述主板层的两侧。

在本申请的一实施例中，所述第一表面层、所述第二表面层、所述多个第一介质层、所述多个第二介质层与所述多个天线单元，以结构相同且同向配置方式而分别的设置于所述主板层的两侧。

本申请的另一目的的一种阵列天线波束调节设备，包括：多个如前述各种类型的阵列天线，通过波束成型以形成多个波束，及所述多个阵列天线依据波束群组进行多输入多输出传送及接收；多个收发器，分别通过所述多个阵列天线以进行通信数据的传送及接收；品质测量单元，测量所述通信数据的品质数据；波束选择器，连接所述品质测量单元与所述阵列天线，所述波束选择器依据所述品质数据，选取所述多个波束中至少一者作为所述波束群组；以及，处理模块，进行所述通信数据的处理。

在本申请的一实施例中，所述波束群组包括一个指定波束，所述波束选择器选取所述多个阵列天线中其一、局部或全部，对应成型所述指定波束。

在本申请的一实施例中，所述波束群组包括至少二指定波束，所述波束选择器将所述多个阵列天线中其二、局部或全部，划分多个子阵列天线集合，以分别的对应成形所述至少二指定波束。

在本申请的一实施例中，每一阵列天线包括所述多个天线单元，所述多个天线单元分别连接移相器，所述波束选择器选取所述多个天线中其一、局部或全部，对应产生所述波束群组。

在本申请的一实施例中，所述波束群组包括一个指定波束，所述波束选择器选取所述多个天线中其一、局部或全部，对应成型所述指定波束。

在本申请的一实施例中，所述品质数据包括通信的信道质量、载波频率与对向设备提出的一个以上的请求信息中至少一者。

在本申请的一实施例中，阵列天线波束调节设备为基站设备或便携式电子通信设备。

本申请通过阵列天线的渐层环设方式，较能改善毫米波阵列天线方向单一的问题，使设备可多方的收发信息，改善设备覆盖范围，同时能配套多输入/多输出(MIMO)功能以支持大数据通信。

附图说明

图1a为范例性天线结构立体示意图；

图1b为范例性阵列天线结构平面示意图；

图1c为范例性阵列天线辐射方向图；

图2a为本申请一实施例的阵列天线结构立体示意图；

图2b为本申请一实施例的表面层结构示意图；

图2c为本申请一实施例的介质层结构示意图；

图2d为本申请一实施例的主板层结构示意图；

图3a为本申请一实施例的辐射方向示意图；

图3b为本申请一实施例的辐射方向示意图；

图4a为本申请一实施例的阵列天线结构立体示意图；

图4b为本申请一实施例的辐射方向示意图；

图5为本申请一实施例的阵列天线波束调节设备结构示意图；

图6为本申请一实施例的阵列天线波束调节设备电路概念图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

附图和说明被认为在本质上是示出性的，而不是限制性的。在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。另外，为了理解和便于描述，附图中示出的每个组件的尺寸和厚度是任意示出的，但是本发明不限于此。

在附图中，为了清晰、理解和便于描述，夸大设备、系统、组件、电路的配置范围。将理解的是，当组件被称作“在”另一组件“上”时，所述组件可以直接在所述另一组件上，或者也可以存在中间组件。

另外，在说明书中，除非明确地描述为相反的，否则词语“包括”将被理解为意指包括所述组件，但是不排除任何其它组件。此外，在说明书中，“在......上”意指位于目标组件上方或者下方，而不意指必须位于基于重力方向的顶部上。

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施例，对依据本发明提出的一种阵列天线波束调节设备、系统及调节方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

图1a为范例性天线结构立体示意图。图1b为范例性阵列天线结构平面示意图。图1c为范例性阵列天线辐射方向图。在一些实施例中，一般天线100与阵列天线110不同在于，阵列天线110具有多个天线单元120，一般以m×n的方式排列，例如2×2。阵列天线110用于天线波束赋形，赋形后的波束具有较强的方向性。如图1c所示，阵列天线110赋形的波束，其若以Z正方向为最强的方向性，往XY平面阵列天线的方向性则相对变弱，Z的负方向基本没有天线的辐射覆盖，如此造成阵列天线110的单一方向性较强，全面性覆盖较弱。

图2a为本申请一实施例的阵列天线结构立体示意图。图2b为本申请一实施例的表面层结构示意图。图2c为本申请一实施例的介质层结构示意图。图2d为本申请一实施例的主板层结构示意图。在本申请的一实施例中，一种阵列天线110a，包括：多个第一介质层112，所述多个第一介质层112以叠层方式配置；第一表面层111，设置于所述多个第一介质层112上；多个天线单元120，分别的设置于所述第一表面层111与所述多个第一介质层112，天线单元120a以阵列排列方式设置于所述第一表面层111上，及天线单元120b以环绕每一第一介质层112中心方式而环设于所述多个第一介质层112的每一层；主板层113，包括相对的第一表面与第二表面，所述第一表面邻接所述多个第一介质层112的底部；以及，控制模块140，设置在所述主板层113的第一表面，所述控制模块140电性耦接至所述多个天线单元120。

在本申请的一实施例中，所述电性耦接包括设置于所述第一表面层111、所述多个第一介质层112与所述主板层113的过孔130。

在本申请的一实施例中，所述电性耦接包括设置于所述第一表面层111、所述多个第一介质层112与所述主板层113的连接线(图未示)。

在本申请的一实施例中，所述过孔130与所述连接线为混合使用。

在本申请的一实施例中，如图2a，所述多个第一介质层112以二层示例，但不以此为限，亦包括三层以上的结构。

在本申请的一实施例中，如图2d，所述多个天线单元120c可选择性的设置或不设置于所述主板层113上。所述多个天线单元120c设置时，是以环绕所述主板层113中心方式而环设于所述控制模块140的周边，或是设置邻近于所述主板层113的外围。

在本申请的一实施例中，所述多个第一介质层112的底层与所述主板层113相邻接，所述底层的中心部位为中空设置。

在本申请的一实施例中，所述多个天线单元120的天线类型包括平板天线、八木天线与偶极子天线中至少一种。

在本申请的一实施例中，所述多个天线单元120是以同区域配置方式而设置于所述多个第一介质层112。

在本申请的一实施例中，所述多个天线单元120是以异区域配置方式而设置于所述多个第一介质层112。

在本申请的一实施例中，设置于相异介质层的单一天线单元120的涵盖范围为相同。

在本申请的一实施例中，设置于相异介质层的单一天线单元120的涵盖范围为相异。

在本申请的一实施例中，所述多个天线单元120中每一者的涵盖范围，是依据所配置的介质层与所述主板层113的距离而渐层变化。

在本申请的一实施例中，所述渐层变化为由大至小。

在本申请的一实施例中，所述渐层变化为由小至大。

在本申请的一实施例中，所述控制模块140为控制天线运作的控制电路、控制芯片，或者用以与后端电路协同作业的前端电路、前端芯片。

请同时参阅图2a与图2b，在本申请的一实施例中，所述第一表面层111根据实际需要设计所述阵列天线110，所述多个天线单元120a通过过孔130及/或连接线与所述控制模块140连接。

请同时参阅图2a与图2c，在本申请的一实施例中，所述多个第一介质层112的表面设置所述多个天线单元120b，在一些实施例中，所述多个天线单元120b以环绕每一第一介质层112中心方式，设置于每层的外围，并通过过孔130及/或连接线与所述控制模块140连接。

请同时参阅图2a与图2d，在本申请的一实施例中，所述控制模块140设置于所述主板层113的中心，通过过孔130及/连接线连接外围的所述多个天线单元120。

在本申请的一实施例中，所述控制模块140可以通过其下方的过孔130及/或连接线，通过后端电路(如收发器210)而与处理模块240(如中央处理器)电性耦接。

图3a与图3b为本申请一实施例两不同平面的辐射方向示意图。

在本申请一实施例中，如图3a所示XY平面的辐射方向，此等XY方向的赋型波束，主要由配置于所述多个第一介质层112的所述多个天线单元120b所产生。

在本申请一实施例中，如图3b所示XZ平面的辐射方向，其中正Z方向的赋型波束，主要由配置于所述第一表面层111的所述多个天线单元120a所产生。

图4a为本申请一实施例的阵列天线结构立体示意图。在本申请的一实施例中，所述阵列天线110还包括多个第二介质层152与第二表面层151，所述多个第二介质层152以叠层方式配置，所述主板层113的第二表面邻接所述多个第二介质层152的底部，所述第二表面层151设置于所述多个第二介质层152上，所述多个天线单元120还分别的设置于所述第二表面层151与所述多个第二介质层152，以阵列排列方式设置于所述第二表面层151上，及以环绕每一第二介质层152中心方式而环设于所述多个第二介质层152的每一层。

图4b为本申请一实施例两不同平面的辐射方向示意图。在本申请一实施例中，如图4b所示XZ平面的辐射方向，其中XY方向的赋型波束，主要由配置于所述多个第一介质层112与所述第二介质层152的所述多个天线单元120所产生。正Z方向与负Z方向的赋型波束，主要由配置于所述第一表面层111与所述第二表面层151的所述多个天线单元120所产生。

在本申请的一实施例中，所述第一表面层111、所述第二表面层151、所述多个第一介质层112、所述多个第二介质层152与所述多个天线单元120，以结构对称方式而分别的设置于所述主板层113的两侧。

在本申请的一实施例中，所述第一表面层111、所述第二表面层151、所述多个第一介质层112、所述多个第二介质层152与所述多个天线单元120，以结构相同且同向配置方式而分别的设置于所述主板层113的两侧。

图5为本申请一实施例的阵列天线波束调节设备结构示意图。图6为本申请一实施例的阵列天线波束调节设备电路概念图。在本申请的一实施例中，一种阵列天线波束调节设备，包括：多个先前任一实施例所述的阵列天线110，通过波束成型以形成多个波束，及所述多个阵列天线110依据波束群组进行多输入多输出传送及接收；多个收发器210，分别通过所述多个阵列天线110以进行通信数据的传送及接收；品质测量单元220，测量所述通信数据的品质数据；波束选择器230，连接所述品质测量单元220与所述多个阵列天线110，所述波束选择器230依据所述品质数据，选取所述多个波束中至少一者作为所述波束群组；以及，处理模块240，进行所述通信数据的处理。

所述多个天线120分别连接移相器170，以进行信息收发的移相作业。

在本申请的一实施例中，所述波束选择器230选取所述多个阵列天线110中其一、局部或全部，对应产生所述波束群组。

在本申请的一实施例中，所述波束群组包括一个指定波束，所述波束选择器230选取所述多个阵列天线110中其一、局部或全部，对应成型所述指定波束。

在本申请的一实施例中，所述波束群组包括至少二指定波束，所述波束选择器230将所述多个阵列天线110中其二、局部或全部，划分多个子阵列天线110集合，以分别的对应成形所述至少二指定波束。

在本申请的一实施例中，所述处理模块240通过多个数据路径耦接所述多个收发器210，所述波束选择器230调节所述多个数据路径与所述多个收发器210之间的连接，使所述多个收发器210中其一、局部或全部耦接至所述多个数据路径中的一指定路径。

在本申请的一实施例中，所述波束群组包括一个指定波束，所述波束选择器230选取所述多个天线单元120中其一、局部或全部，对应成型所述指定波束。

在本申请的一实施例中，所述品质数据包括通信的信道质量、载波频率与对向设备提出的一个以上的请求信息中至少一者。

在本申请的一实施例中，每一阵列天线110包括的天线单元120数量为相同或相异。

在本申请的一实施例中，所述收发器210包括发射电路211与接收电路212。

在本申请的一实施例中，所述发射电路211的信号输出端连接功率放大器181。

在本申请的一实施例中，所述接收电路212的信号输入端连接低噪音放大器182。

在本申请的一实施例中，所述天线与收发器210之间设置有切换器183，用以切换所述连接所述发射电路211或所述接收电路212。

在本申请的一实施例中，所述切换器183包含于所述波束选择器230，或所述切换器183受控于所述波束选择器230。

在本申请的一实施例中，所述收发器210包括无线射频组件、一个或多个天线形成的射频收发器电路和用于处理RF无线信号的其他电路。

在本申请的一实施例中，所述收发器210选择性的包括GPS接收器、WIFI/BT收发器与蜂窝通信收发器。

在本申请的一实施例中，蜂窝通信收发器是可以对毫米波(60GHZ频带)进行发送和接收，WIFI也可包含802.11ad功能。

在本申请的一实施例中，阵列天线110选择性的包含毫米波阵列天线与60GHZ以下频段的普通天线(如PIFA,IFA,monopole天线等)的天线组件。

在本申请的一实施例中，所述发射电路211与处理模块240之间设置有数模转换器191，所述数模转换器191将所述处理模块240提供的通信数据由数字信号类型转换成模拟信号类型。

在本申请的一实施例中，所述发射电路211的信号输入端设置有中频电路184，所述中频电路184选择性的包括混频器、放大器、振荡器、滤波器等电路，所述中频电路184将模拟信号进行上变频(up conversion)达到中频。

在本申请的一实施例中，所述发射电路211将中频信号再进行一次上变频达到发射频率，如60GHz，所述发射电路211选择性的包括包含混频器，放大器，振荡器，滤波器等电路。

在本申请的一实施例中，所述接收电路212与所述处理模块240之间设置有模数转换器192，所述模数转换器192将接收的通信数据由模拟信号类型转换成数字信号类型。

在本申请的一实施例中，阵列天线波束调节设备为基站设备或便携式电子通信设备。

本申请通过阵列天线的渐层环设方式，较能改善毫米波阵列天线方向单一的问题，使设备可多方的收发信息，改善设备覆盖范围，同时能配套多输入/多输出(MIMO)功能以支持大数据通信。

“在一些实施例中”及“在各种实施例中”等用语被重复地使用。此用语通常不是指相同的实施例；但它也可以是指相同的实施例。“包含”、“具有”及“包括”等用词是同义词，除非其前后文意显示出其它意思。

以上所述，仅是本申请的具体实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，虽然本申请已以具体实施例揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种阵列天线，其特征在于，包括：

多个第一介质层，所述多个第一介质层以叠层方式配置；

第一表面层，设置于所述多个第一介质层上；

多个天线单元，分别的设置于所述第一表面层与所述多个第一介质层，以阵列排列方式设置于所述第一表面层上，及以环绕每一第一介质层中心方式而环设于所述多个第一介质层的每一层；

主板层，包括相对的第一表面与第二表面，所述第一表面邻接所述多个第一介质层的底部；以及

控制模块，设置在所述主板层的第一表面，所述控制模块电性耦接至所述多个天线单元。

2.如权利要求1所述阵列天线，其特征在于，所述电性耦接包括设置于所述第一表面层、所述多个第一介质层与所述主板层的过孔与连接线中至少一者。

3.如权利要求1所述阵列天线，其特征在于，所述多个第一介质层的底层与所述主板层相邻接，所述底层的中心部位为中空设置。

4.如权利要求1所述阵列天线，其特征在于，所述多个天线单元的天线类型包括平板天线、八木天线与偶极子天线中至少一种。

5.如权利要求1所述阵列天线，其特征在于，所述多个天线单元是以同区域配置或异区域配置方式而设置于所述多个第一介质层。

6.如权利要求1所述阵列天线，其特征在于，设置于相异介质层的单一天线单元的涵盖范围为相同或相异。

7.如权利要求1所述阵列天线，其特征在于，所述多个天线单元中每一者的涵盖范围，是依据所配置的介质层与所述主板层的距离而渐层变化。

8.如权利要求1所述阵列天线，其特征在于，包括多个第二介质层与第二表面层，所述多个第二介质层以叠层方式配置，所述主板层的第二表面邻接所述多个第二介质层的底部，所述第二表面层设置于所述多个第二介质层上，所述多个天线单元还分别的设置于所述第二表面层与所述多个第二介质层，以阵列排列方式设置于所述第二表面层上，及以环绕每一第二介质层中心方式而环设于所述多个第二介质层的每一层。

9.如权利要求8所述阵列天线，其特征在于，所述第一表面层、所述第二表面层、所述多个第一介质层、所述多个第二介质层与所述多个天线单元，以结构对称或结构相同方式而分别的设置于所述主板层的两侧。

10.一种阵列天线波束调节设备，其特征在于，包括：

多个如权利要求1至9所述的阵列天线，通过波束成型以形成多个波束，及所述多个阵列天线依据波束群组进行多输入多输出传送及接收；

多个收发器，分别通过所述多个阵列天线以进行通信数据的传送及接收；

品质测量单元，测量所述通信数据的品质数据；

波束选择器，连接所述品质测量单元与所述阵列天线，所述波束选择器依据所述品质数据，选取所述多个波束中至少一者作为所述波束群组；以及

处理模块，进行所述通信数据的处理。