CN110137696B

CN110137696B - 一种天线及通信终端

Info

Publication number: CN110137696B
Application number: CN201810129760.0A
Authority: CN
Inventors: 张长清
Original assignee: China Mobile Communications Group Co Ltd; China Mobile Group Henan Co Ltd
Current assignee: China Mobile Communications Group Co Ltd; China Mobile Group Henan Co Ltd
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2021-04-06
Anticipated expiration: 2038-02-08
Also published as: CN110137696A

Abstract

本发明实施例提供一种天线及通信终端。所述天线包括：天线支撑底板，以及设置在天线支撑底板上的多个有源阵列模块；多个有源阵列模块按照矩阵排列，各有源阵列模块之间具有第一预设距离；各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，且各有源集成天线单元之间具有第二预设距离；有源集成天线单元包括绝缘基板以及设置在绝缘基板上的多个按照矩阵排列的、具有对称结构的开放式微带贴片阵元，且各开放式微带贴片阵元之间具有第三预设距离，第一预设距离、第二预设距离和第三预设距离是根据开放式微带贴片阵元的工作波长确定的。所述通信终端包括所述天线。本发明提供的天线及通信终端提高了天线的应用效率。

Description

一种天线及通信终端

技术领域

本发明实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种天线及通信终端。

背景技术

随着科技的发展，无线通信在人们生活中的应用越来越多，人们对无线通信的要求也越来越高。随着目前移动通信的普及和广泛应用，5G系统将会是一个移动蜂窝网、移动互联网、物联网、车联网、工业互联网等综合网络汇集的平台，其广泛的无线接入能力可以支持人与人、人与物、物与物的任意通信与交互，可以支持包括传感器、摄像头、监听器和控制器等获取的关于工业、社会和民用信息在内的所有数据的传输。

现有技术条件下，目前已经工程化的微带帖片大规模MIMO天线中的帖片振子，无一例外都是使用闭合式谐振腔帖片振元，虽然在较小的天线阵面上可以集成几十到几百个帖片振子，能够有效地降低大规模MIMO天线的体积和重量，但腔式帖片间的容抗会引起辐射虚功损耗，帖片边缘泄漏辐射波产生的方向图的效果也较差，使得天线的辐射性能受到较大影响，当前研发和应用的大规模MIMO天线，除了采用的阵元是平面腔式的闭合微带天线外，所有阵元都是按照传统的MIMO天线架构方式，统一安装在阵列背板上，这样的阵列只能间接地通过对发射信号采用相关编码方式，达到逻辑上实现波束赋形、空间分集和空间复用的大规模MIMO天线的三大职能，但是天线的辐射功率和容量也不能根据场景的需求实现灵活动态的调整，也无法为MIMO天线升级扩容。综上所述，现有大规模MIMO天线为传统架构的闭合式微带阵列天线。闭合式平面腔体结构，既存在较大虚功损耗，腔体边缘泄漏波产生的方向图效果也差；且非模块化的整块阵元架构，既不能从物理上同时实现MIMO天线的三大职能，也无法使天线系统升级扩容，这些因素都大大影响了大规模MIMO天线的应用效率。

因此，如何提出一种天线来提高应用效率是目前业界亟待解决的重要课题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种天线及通信终端。

一方面，本发明实施例提供一种天线，包括：

天线支撑底板，以及设置在所述天线支撑底板上的多个有源阵列模块；

多个所述有源阵列模块按照矩阵排列，各有源阵列模块之间具有第一预设距离；

各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，且各有源集成天线单元之间具有第二预设距离；

所述有源集成天线单元包括绝缘基板以及设置在所述绝缘基板上的多个按照矩阵排列的、具有对称结构的开放式微带贴片阵元，且所述各开放式微带贴片阵元之间具有第三预设距离；

所述第一预设距离、所述第二预设距离和所述第三预设距离是根据所述开放式微带贴片阵元的工作波长确定的。

另一方面，本发明实施例提供一种通信终端，包括上述天线。

本发明实施例提供的天线及通信终端，通过将包括多个由绝缘基板以及设置在所述绝缘基板上的多个按照矩阵排列的、具有对称结构的开放式微带贴片阵元组成的有源集成天线单元集成为有源阵列模块，并通过单个有源阵列模块实现波束赋形，通过多个有源阵列模块实现空间分集和空间复用，提高了天线的应用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的有源集成天线单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的有源阵列模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的并行馈电开放式微带贴片阵元的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的点馈电开放式微带贴片阵元的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的并行馈电开放式微带贴片阵元的辐射分析示意图；

图7为本发明实施例提供的点馈电开放式微带贴片阵元的辐射分析示意图；

图8为本发明实施例提供的对称直线天线的基础方向图函数曲线示意图；

图9为本发明实施例提供的对称直线天线的基础方向图函数曲面示意图；

图10为本发明实施例提供的并行馈电开放式微带贴片阵元的基础方向图函数曲线示意图；

图11为本发明实施例提供的并行馈电开放式微带贴片阵元的基础方向图函数曲面示意图；

图12为本发明实施例提供的点馈电开放式微带贴片阵元的基础方向图函数曲线示意图；

图13为本发明实施例提供的点馈电开放式微带贴片阵元的基础方向图函数曲面示意图；

图14为本发明实施例提供的对称直线天线的二维方向图函数曲线示意图；

图15为本发明实施例提供的对称直线天线的二维方向图函数曲面示意图；

图16为本发明实施例提供的并行馈电开放式微带贴片阵元的二维方向图函数曲线示意图；

图17为本发明实施例提供的并行馈电开放式微带贴片阵元的二维方向图函数曲面示意图；

图18为本发明实施例提供的点馈电开放式微带贴片阵元的二维方向图函数曲线示意图；

图19为本发明实施例提供的点馈电开放式微带贴片阵元的二维方向图函数曲面示意图；

图20为本发明实施例提供的对称直线天线的三维方向图函数曲线示意图；

图21为本发明实施例提供的对称直线天线的三维方向图函数曲面示意图；

图22为本发明实施例提供的并行馈电开放式微带贴片阵元的三维维方向图函数曲线示意图；

图23为本发明实施例提供的并行馈电开放式微带贴片阵元的三维方向图函数曲面示意图；

图24为本发明实施例提供的点馈电开放式微带贴片阵元的三维方向图函数曲线示意图；

图25为本发明实施例提供的点馈电开放式微带贴片阵元的三维方向图函数曲面示意图；

图26为本发明一实施例提供的开放式微带贴片阵列大规模MIMO天线功能应用示意图；

图27为本发明另一实施例提供的开放式微带贴片阵列大规模MIMO天线功能应用示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的天线的结构示意图，如图1所示，本实施例提供一种天线，包括：

天线支撑底板101，以及设置在天线支撑底板101上的多个有源阵列模块102；

多个有源阵列模块102按照矩阵排列，各有源阵列模块102之间具有第一预设距离；

各有源阵列模块102包括多个有源集成天线单元103，且各有源集成天线单元103之间具有第二预设距离；

有源集成天线单元103包括绝缘基板104以及设置在绝缘基板104上的多个按照矩阵排列的、具有对称结构的开放式微带贴片阵元105，且各开放式微带贴片阵元105之间具有第三预设距离；

所述第一预设距离、所述第二预设距离和所述第三预设距离是根据开放式微带贴片阵元105的工作波长确定的。

具体地，如图1所示，本发明实施例提供一种天线，天线中包括天线支撑底板101，天线支撑底板101上设置有多个按照矩阵排列的有源阵列模块102，各有源阵列模块102之间具有第一预设距离。各有源阵列模块102包括多个有源集成天线单元103，各有源集成天线单元103之间具有第二预设距离。有源集成天线单元103包括绝缘基板104以及设置在绝缘基板104上的多个按照矩阵排列的、具有对称结构的开放式微带贴片阵元105，且各开放式微带贴片阵元105之间具有第三预设距离。所述开放式微带贴片阵元105的工作波长为λ，而所述各有源阵列模块的几何尺寸大小相同，所述各有源阵列莫模块102之间的第一预设距离、所述各有源集成天线单元103之间的第二预设距离、所述各开放式微带贴片阵元105之间的第三预设距离均是根据开放式微带贴片阵元105的工作波长λ确定的。

其中，有源阵列模块和有源集成天线单元表示其具有有源电路，能够独立的工作。由于波束赋形技术要求天线所有振子的间距满足空间相干性，使由每个振子产生的电磁波相互干涉而能够相长相消，因此各振子之间的距离要比较小，而空间复用和空间分集技术要求天线所有振子的间距必须满足空间无关性，使由多振子产生的多通信信道间的干扰最小，理论上各振子间距越大越好。其中振子即为本发明实施例中的有源集成天线单元，将多个有源集成天线单元103集成有源阵列模块102，且各有源集成天线单元103之间的第二预设距离可以设置的比较小，单个有源阵列模块102中的有源集成天线单元103就可以独立实现波束赋形功能。而将有源阵列模块102之间的第一预设距离设置的比较大，使得各有源阵列模块102中的多振子产生的多通信信道间的干扰最小，可以实现空间复用和空间分集功能。因此本发明实施例提供的天线在空间复用、空间分集和波束赋形功能的同时支持多频谱通信。

例如，如图1所示，本发明实施例中的MIMO天线包括16个有源阵列模块102，各有源阵列模块102按照矩阵排列，且各有源阵列模块102中包括2个有源集成天线单元103，相邻有源阵列模块102之间沿如图1所示的x轴方向的距离为A，z轴方向的距离为B，相邻有源集成天线单元103沿如图1所示的y轴方向的距离为C；有源集成天线单元103中包括的相邻开放式微带贴片阵元105沿如图1所示的x轴方向的距离为L₁，z轴方向的距离为L₂。

其中，A和B为上述实施例中描述的第一预设距离，A和B的值也可以相同或不同；C上述实施例中描述的第二预设距离，L₁和L₂为上述实施例中描述的第三预设距离，L₁和L₂的值可以相同也可以不同，具体数值可以根据需要进行设置，但是一般L₁、L₂以及C的值远远小于A和B的值。不同的两个或三个有源阵列模块102可以实现对用户信号进行空间分集和空间复用功能，即天线可以通过不同的有源阵列模块102同时对不同用户的信号进行处理，不同用户的信号的频率、时序可以相同，但所占空间不同。

本发明实施例提供的天线，通过将包括多个由绝缘基板以及设置在所述绝缘基板上的多个按照矩阵排列的、具有对称结构的开放式微带贴片阵元组成的有源集成天线单元集成为有源阵列模块，并通过单个有源阵列模块实现波束赋形，通过多个有源阵列模块实现空间分集和空间复用，提高了天线的应用效率。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述多个所述有源阵列模块按照矩阵排列，具体为：

所述多个所述有源阵列模块按照矩阵排列形成包括N×M个所述有源阵列模块的二维结构；其中，N和M均为正整数。

具体地，所述多个所述有源阵列模块可以排列成N×M的二维结构，其中，N和M均为正整数，具体数值可以根据实际需要进行设置，本发明实施例不作具体限定。如图1所示，N＝4，M＝4，其中x方向和z方向各有4个所述有源阵列模块，即4个有源阵列模块排列成正方形的二维结构。可以理解的是，本发明实施例中各有源阵列模块间采用二维结构排列方式，既可降低多个所述有源阵列模块间架构的复杂度，又可降低MIMO天线架构的厚度；当然，所述有源阵列模块间也可以采用三维结构排列方式，具体可以根据实际情况进行调整。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述有源阵列模块外部包裹有屏蔽壳体。

具体地，由于所述有源阵列模块是独立的信号辐射源，为了降低各信号辐射源间的相互干扰，在大规模MIMO天线中，将每个所述有源阵列模块置于一个比其稍大的、封闭的屏蔽壳体中，这样可以有效降低相邻有源阵列模块间的相互干扰，因而设计上可以适当减小相邻有源阵列模块的间距，从而使大规模MIMO天线在结构上可以做得更小。可以理解的是，为例便于布置，所述屏蔽壳体一般设置为立方体，也可以设置为其他形状，具体可以根据实际情况进行设置和调整，此处不做具体限定。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述开放式微带贴片阵元的工作波长为λ；相应地，所述各有源阵列模块之间具有第一预设距离，具体为：

所述各有源阵列模块在x轴方向上的间距和在z轴方向上的间距均为4λ的整数倍。

具体地，所述开放式微带贴片阵元的工作波长为λ，根据通信理论，空间分集和空间复用要求相邻有源阵列模块的间距越大越好，也就是相邻辐射模块的相关性越小越好，一般选择8λ～10λ作为其标准间距，但是由于本发明实施例中每个有源阵列模块的外部设置了屏蔽壳体，可以极大地降低赋形波束底部旁瓣间的相互干扰，因而应用上可以使相邻有源阵列模块的间距缩短为4λ，也就是如图1中的第一预设距离A＝B＝4λ，甚至可以将所述第一预设距离设置得更小，具体可以根据实际情况进行设置和调整，此处不做具体限定。可以理解的是，本发明实施例中，将所述各有源阵列模块设置为二维结构，且所述各有源阵列模块在x轴方向和z轴方向的间距设置为相同，当然根据实际使用需要，综合天线的实际结构等其他因素，所述各有源阵列模块在x轴方向和z轴方向的间距还可以设置为其他数值，并且可以设置为不相同，此处不做具体限定。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述开放式微带贴片阵元的工作波长为λ；相应地，所述有源集成天线单元包括绝缘基板以及设置在所述绝缘基板上的多个按照矩阵排列的、具有对称结构的开放式微带贴片阵元，且所述各开放式微带贴片阵元之间具有第三预设距离，具体为：

所述各有源集成天线单元包括由n×m个所述开放式微带贴片阵元组成的二维结构；其中，n和m均为正整数；

所述各开放式微带贴片阵元在x轴方向上的间距和在z轴方向上的间距均为0.5λ的整数倍。

具体地，各有源集成天线单元中的多个开放式微带贴片阵元可以排列成n×m的二维结构，其中，n和m，具体数值可以根据所述各个有源阵列模块的工作波长和所述各个有源阵列模块的几何尺寸确定。图2为本发明实施例提供的有源集成天线单元的结构示意图，如图2所示，对于每个所述有源集成天线单元，n＝4，m＝4，其中x方向和z方向各有4个所述开放式微带贴片阵元，因此，一个有源集成天线单元包括8个开放式微带贴片阵元。将各开放式微带贴片阵元在x轴方向上的间距和在z轴方向上的间距均设置为0.5λ的整数倍。本发明实施例中，将所述有源阵列模块中包括的有源集成天线单元在x轴方向和z轴方向上的间距设置为相同，当然，所述有源阵列模块中包括的有源集成天线单元在x轴方向和z轴方向上的间距也可以设置为不同，具体可以根据实际使用需要进行设置，本发明实施例不作具体限定。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述开放式微带贴片阵元的工作波长为λ；相应地，所述各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，且各有源集成天线单元之间具有第二预设距离，具体为：

所述各有源集成天线单元按照矩阵排列形成包括1×K×1个所述有源集成天线单元的三维结构，且K个所述有源集成天线单元之间通过活动支架连连接；其中，K为正整数；

所述各有源集成天线单元在y轴方向上的间距为0.125λ的整数倍。

具体地，大规模MIMO天线上述实施例以及图2中所示的二维有源集成天线单元为基本设计单元，由于有源集成天线单元的波束赋形是由开放式微带贴片阵元根据设计要求布局产生的，每个有源集成天线单元确定之后，与之对应的在结构方面的形状、大小等几何参数以及辐射频率和波束赋形宽度等技术参数都已确定，虽然每个有源集成天线单元具有波束赋形功能，但只能调整波束赋形在x轴和z轴上的宽度，要使赋形波束在y轴上定向辐射，必须在y轴上叠加多个有源集成天线单元形成有源三维波束赋形辐射模块(即所述有源阵列模块)，因此，在本发明实施例中，将所述各有源集成天线单元按照矩阵排列形成包括1×K×1个所述有源集成天线单元的三维结构，其中，K为正整数，K的大小可以根据实际情况进行设置和调整，此处不做具体限定。另外，K个所述有源集成天线单元之间通过一端为镙柱一端是镙母的活动支架连连接，这种活动支架在实际应用中非常方便有源集成天线单元个数的增减调整；并且，各有源集成天线单元在y轴方向上的间距为0.125λ的整数倍。

例如，如图3所示，本发明实施例提供的有源阵列模块包括沿y轴依次叠放的2个集成天线单元组成，其中集成天线单元中的开放式微带贴片阵元数分别为n＝4，m＝4，所以每个有源阵列模块包括32个微带贴片阵元。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述开放式微带贴片阵元为并行馈电开放式微带贴片阵元或点馈电开放式微带贴片阵元。

具体地，开放式微带贴片阵元因其是平面微带帖片，在帖片上流动的信号电流要比直线天线复杂，一般情况下可以用两种馈电方式简化，一种是并行馈电方式，一种是点馈电方式，因此，所述开放式微带贴片阵元可以是并行馈电开放式微带贴片阵元，也可以是点馈电开放式微带贴片阵元，具体可以根据实际情况进行设置和调整，此处不做具体限定。其中，图4为本发明实施例提供的并行馈电开放式微带贴片阵元的结构示意图，如图4所示，并行馈电开放式微带贴片阵元将两个帖片的馈电连接点做成如图4中所示的锯齿形状，当馈电信号通过微带从帖片上下边缘同时给帖片馈电时，可以近似认为馈电信号电流是并行从帖片中间流向帖片上下边缘，且由于输入给对称直线天线两臂中间馈线接口的电流函数是线电流I(z)＝I₀sink(b+|z|)，可以将开放式微带贴片阵列看成是由数个连续分布的垂直对称直线天线阵元并行组成，因而可以一维平行振子阵列理论分析。图5为本发明实施例提供的点馈电开放式微带贴片阵元的结构示意图，如图5所示，点馈电开放式微带贴片阵元的馈电点位于两帖片中间边缘的中点处，当信号电流馈入时，电流将遵循扩散原理向帖片的上下左右边缘扩散，分析较为复杂，但由于帖片较小，可近似认为帖片中间是对称直线天线，天线上各点的电流再呈现为水平方式向左右流动，形成水平对称直线元，再将所有水平直线天线元叠加，因而同样可以采用一维平行振子阵列理论。下面对称直线天线、并行馈电开放式微带贴片阵元以及点馈电开放式微带贴片阵元的基础方向图函数、二维方向图函数和三维方向图函数进行分析，并结合以证明本发明实施例采用的具有对称结构的开放式微带贴片阵元与现有技术中采用的对称直线天线的辐射效果一致，因此突出本申请提出的天线在保证辐射性能的前提下尽可能减小天线体积以及调整的灵活性。具体分析过程如下：

一、计算对称直线天线的基础方向图函数：

参看图5，设有观测点位于

处，其中r、θ、

分别为P点的球坐标，若以对称直线天线的z轴为平面法线，则θ是P点的倾角，

是P点的方位角，r为对称直线天线的坐标原点至P点的距离。根据电磁场理论，对于波长为λ、天线长为2b的对称直线天线，如果振子臂较短，当r>>b、下倾角为θ、沿z向分布的波数为k＝2π/λ、最大幅值为I₀且z≥0时的信号电流的幅值可以简单地表示为I(z)＝I₀×sin[k(b-z)]，而在上述条件下当z<0时的信号电流的幅值可以简单地表示为I(z)＝I₀×sin[k(b+z)]，所以振子两臂上沿z轴分布的辐射电流波可以用驻波表示，若作用在天线振子上的辐射信号是角频率为ω的谐波，则对称直线天线振子上从中间向辐射臂两端流动的馈电激励源信号电流可以简单地表示为I(z，t)＝I₀×sin[k(b-|z|)]×sin(ωt)。以图5中垂直对称直线天线元为例，对称直线天线元上位于Q点的电流元I_dz在P点产生的电磁场可以表示为：

dE_θ＝j×η₀×dz×sinθ×e^-jkR/(2λR)

式中exp(-jkR)是电流元I_dz产生的电磁波从Q点到P点的波程差引起的相位差。由于P点远离天线，可以取R＝r+z×cosθ，根据泰勒展开，若取1/r最低项，则分母中的R可用r代替，再用隶美弗公式e^jy＝cosy+j×siny，三角函数恒等式

cos(-x)＝cosx、sin(-x)＝-sin(x)，三角函数积分公式∫sinxdx＝-cosx+c、∫cosxdx＝sinx+c，以及sin(|x|)的偶函数特性，对天线长[-b,b]积分，可以得到：

上式虚部是奇函数，积分为零，实部是偶函数，可以对称求积，所以上式可简化为：

然后，求(1)式模值，可得图4中所示的对称直线天线的基础方向图函数为：

二、计算并行馈电开放式微带贴片阵元的基础方向图函数

接着，根据图5和式(1)可得，位于Q处的宽为dx、高为dz的电流元Idzdx在远端P处的元电场dE可表示为：

dE＝j×η₀×dz×dx×sinθ×e^-jkR/(2λR)

其中，exp(-jkR)是电流元I_dzdx产生的电磁波从Q点到P点的相位差，信号线电流I＝I_z(z)＝I₀sin[k(b-|z|)]，由于R>>r，则有近似值

成立，若取1/r的最低项，则分母中的R可用r代替，将其代入上式，并对帖片的宽[-a,a]和高[-b,b]积分得：

求式(3)的模值可得图4所示的并行馈电开放式微带贴片阵元的基础方向图函数为：

由式(2)和式(4)可知，并行馈电开放式微带贴片阵元的基础方向图函数只比对称直线天线的基础方向图函数多了一项阵元宽度因子。

三、计算点馈电开放式微带贴片阵元的基础方向图函数

参看图7，根据图7和式(1)，位于Q处的宽为dx、高为dz的电流元I_dzdx在远端P处的元电场dE可表示为：

dE＝j×η₀×dz×dx×sinθ×e^-jkR/(2λR)

其中，exp(-jkR)是电流元I_dzdx产生的电磁波从Q点到P点的相位差，z轴电流元为I_z(z)＝I₀×sin[k(b-|z|)]，x轴电流元为I_x(x)＝I_z(z)×sin[k(a-|x|)]，所以Q处电流元可以简单表示为I(x,z)＝I₀×sin[k(b-|z|)]×sin[k(a-|x|)]。又因为R>>r，则有

若取1/r的最低项，分母中R可用r代替，并对帖片的宽[-a,a]和高[-b,b]积分得：

仅对上式中的积分式计算，可得：

所以点馈电开放式微带贴片阵元在远处P点的场强可以表示为：

计算式(5)的模值可得图7所示的点馈电开放式微带贴片阵元的基础方向图函数：

四、计算并行馈电开放式微带贴片阵元和点馈电开放式微带贴片阵元的二维方向图函数：

若将一维平行设置的U个开放式微带帖片阵元称为一维平行振子开放式微带阵列天线，且所述相邻开放式微带帖片阵元间距为dx(dx>2a)，相邻开放式微带帖片阵元激励电流相位差为α_x。

若帖片信号馈电方式为并行馈电，则该一维平行振子开放式微带阵列天线称为一维平行振子并行馈电开放式微带阵列天线，第一阵元激励电流为I₁、第二阵元激励电流为I₂＝I₁e^jαx…第U个阵元激励电流为I_U＝I₁e^jUαx，根据式(3)可得所述一维平行振子并行馈电开放式微带阵列天线中包括的各并行馈电开放式微带贴片阵元独立产生的场强可分别表示为：

E₂＝E_tI₂/r₂e^-jkr2、…、E_U＝E_tI_U/r_Ue^-jkrU，若对r>>Udy时取泰勒展开一级近似，则复数中可取

分母实数中可取r₂≈r₁、…、r_U≈r₁，式中

是r_U与r₁的波程差，由此电场

取相邻平行阵元的相位差

将所有阵元电场叠加，得U元一维平行振子并行馈电开放式微带阵列天线的总电场为：

E＝E₁+E₂+…+E_U＝E₁(1+e^jψ _x+…+e^j(U-1)ψ _x)＝E₁[(1-e^jUψ _x)/(1-e^jψ _x)] (7)

取式(7)的绝对值可得一维平行振子并行馈电开放式微带阵列天线的方向图函数：

同理，根据式(6)可得一维平行振子点馈电开放式微带阵列天线的方向图函数：

可以看出，(8)式和(9)式均符合U元一维平行振子天线阵列的方向图乘积定理。

若将一维垂直设置的V个开放式微带帖片阵元称为一维共轴振子开放式微带阵列天线，相邻阵元间距dz(dz>＝2b)，相邻天线激励电流相位差α_z。

若帖片信号馈电方式为并行馈电，则该一维共轴振子开放式微带阵列天线称为一维共轴振子并行馈电开放式微带阵列天线，第一阵元激励电流为I₁、第二阵元激励电流则为I₂＝I₁e^jαz…第V阵元激励电流为I_V＝I₁×e^jVαz，根据式(3)，则一维共轴振子并行馈电开放式微带阵列天线中各并行馈电开放是微带贴片浙源独立产生的场强分别为：

E₂＝E_tI₂/r₂e^-jkr2、…、E_V＝E_t I_V/r_Ve^-jkrV，若对r>>Vdz时取泰勒展开一级近似，则复数中可取r₂≈r₁-dzcosθ、…、r_V≈r₁-Vdzcosθ，分母实数中可取r₂≈r₁、…、r_V≈_r1，式中Vdzcosθ是r_V与r₁的波程差，由此电场E₂＝E₁e^{j(αz+kdzcosθ)}、…、E_V＝E₁e^{j(V-1)(αz+kdzcosθ)}，取相邻共轴阵元的相位差ψ_z＝α_z+kdzcosθ，将所有阵元电场叠加，得V元一维共轴振子并行馈电开放式微带阵列天线的总电场为：

E＝E₁+E₂+...+E_V＝E₁(1+e^jψ _z+...+e^j(V-1)ψ _z)＝E₁[(1-e^jVψ _z)/(1-e^jψ _z)] (10)

计算式(10)绝对值可得一维共轴振子并行馈电开放式微带阵列天线的方向图函数：

同理，根据(6)式计算一维共轴振子点馈电开放式微带阵列天线的方向图函数：

可以看出，(11)式和(12)式也符合G元一维共轴振子天线阵列方向图乘积定理。

根据方向图乘积定理，二维平面并行馈电开放式微带阵列天线的方向图函数(即并行馈电开放式微带贴片阵元的二维方向图函数)：

同理可得，二维平面点馈电开放式微带阵列天线的方向图函数(即点馈电开放式微带贴片阵元的二维方向图函数)：

五、计算并行馈电开放式微带贴片阵元和点馈电开放式微带贴片阵元的三维方向图函数

三维立体并行馈电开放式微带阵列天线的方向图函数(即并行馈电开放式微带贴片阵元的三维方向图函数)：

三维立体点馈电开放式微带阵列天线的方向图函数(即点馈电开放式微带贴片阵元的三维方向图函数)：

其中，

ψ_z＝α_z+kdzcosθ分别为相邻两阵元在x轴间、y轴间、z轴间由波程差引起的相位差。

若取对称直线天线振子臂长b＝λ/8，开放式微带贴片高b＝λ/8、宽a＝λ/16。取x轴阵元数U＝2、相邻阵元间距dx＝λ/2、相邻激励源相位差αx＝0°，取y轴阵元数V＝2、相邻阵元间距dy＝λ/8、相邻激励源相位差αy＝-120°，z轴阵元数W＝2、相邻阵元间距dz＝λ/3、相邻激励源相位差αz＝0°，并且取极坐标系中垂直方向图和水平方向图截取分别对应的角度

θ＝90°，则根据公式(2)、(4)、(6)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、(16)，可以分别得到对称直线天线的基础方向图函数曲线(如图8所示)和曲面(如图9所示)、并行馈电开放式微带贴片阵元的基础方向图函数曲线(如图10所示)和曲面(如图11所示)、点馈电开放式微带贴片阵元的基础方向图函数曲线(如图12所示)和曲面(如图13所示)、对称直线天线的二维方向图函数曲线(如图14所示)和曲面(如图15所示)、并行馈电开放式微带贴片阵元的二维方向图函数曲线(如图16所示)和曲面(如图17所示)、点馈电开放式微带贴片阵元的二维方向图函数曲线(如图18所示)和曲面(如图19所示)、对称直线天线的三维方向图函数曲线(如图20所示)和曲面(如图21所示)、并行馈电开放式微带贴片阵元的三维方向图函数曲线(如图22所示)和曲面(如图23所示)、点馈电开放式微带贴片阵元的三维方向图函数曲线(如图24所示)和曲面(如图25所示)，由这些图可以看出，开放式微带天线的辐射效果与对称直线天线的辐射效果几乎完全一样，但是开放式微带贴片阵元105一方面作为辐射振子便于集成，使天线做得更紧凑、体积更小、重量更轻，更容易批量成型，也更能节省天线振子材料和成本，其高频趋肤效应也更适合帖片辐射振子；另一方面，开放式结构继承了对称直线天线的优点，是开放式纯阻抗辐射方式，具有较高的辐射功率和辐射效率，因此用开放式微带贴片作为阵元组建阵列，同样具有高辐射功率和高辐射效率，其可集成性优点也更适合阵列架构。需要注意的是，点馈电开放式微带贴片阵列因其馈电方式简单易行，更适合帖片阵元的集成。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述开放式微带贴片阵元设置在所述绝缘基板的一个表面，所述绝缘基板的另一个表面设置有第一有源控制芯片和第一数据接口。

具体地，所述开放式微带贴片阵元设置在所述绝缘基板的一个表面，所述绝缘基板的另一个表面设置有第一有源控制芯片和第一数据接口；其中，所述第一有源控制芯片和第一数据接口分别与所述各开放式微带贴片阵元连接，用于控制由所述开放式微带贴片阵元组成的有源集成天线单元产生的波束赋形。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述有源阵列模块设置在所述天线支撑底板的一个表面，所述天线支撑底板的另一个表面设置有第二有源控制芯片和第二数据接口。

具体地，所述有源阵列模块设置在所述天线支撑底板的一个表面，所述天线支撑底板的另一个表面设置有第二有源控制芯片和第二数据接口；其中，所述第一有源控制芯片和第一数据接口分别与各所述有源阵列模块连接，用于控制由所述有源阵列模块产生的空间分集和空间复用。

本发明实施例还提供一种通信终端，包括上述实施例中的所述天线。

本发明实施例提供的一种通信终端，应用上述实施例中的天线进行信号的接收和发送，具体可以是手机终端，或其他通信终端，本发明实施例不作具体限定。

下面结合理论分析，以验证本发明实施例提供的天线能够提高天线辐射性能，具体分析如下：

如图26所示，该图为4×4模块化开放式微带贴片阵列大规模MIMO天线4用户空间复用应用示意图，从图26中可以看出，UE₁对应有源阵列模块4产生赋形波束、UE₂对应有源阵列模块13产生赋形波束、UE₃对应有源阵列模块16产生赋形波束、UE₄对应有源阵列模块6产生赋形波束，即每个有源阵列模块对应一个用户终端。

如图27所示，该图为4×4模块化开放式微带贴片阵列大规模MIMO天线2用户空间分集应用示意图，从图27中可以看出，UE₁对应有源阵列模块4和6产生的赋形波束，UE₂对应有源阵列模块13和16产生的赋形波束，每个用户终端都有两个有源阵列模块发射的赋形波束指向，用户终端既可以选择其中信号最强的赋形波束通信，也可以将两个有源阵列模块信号结合处理后通信，因为每个用户终端对应的两波束的信号内容完全一样。并且，由于有源阵列模块波束赋形的最小应用单位是单个用户终端，所以有源阵列模块只需1个目标用户终端的信号和波达方向等数据，就可以产生指向目标用户终端的赋形波束，这样与有源阵列模块集成在一起的控制电路就要简单得多，还方便了大规模MIMO天线的升级扩容，使MIMO天线的波束赋形、空间复用和空间分集等功能得到了充分应用，极大地提高了大规模MIMO天线的应用效率。

以上所描述的天线和通信终端的实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种天线，其特征在于，包括：

多个所述有源阵列模块按照矩阵排列，所述各有源阵列模块之间具有第一预设距离；

所述各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，且所述各有源集成天线单元之间具有第二预设距离；

所述第一预设距离、所述第二预设距离和所述第三预设距离是根据所述开放式微带贴片阵元的工作波长确定的;

其中，所述开放式微带贴片阵元的工作波长为λ；相应地，所述各有源阵列模块包括多个有源集成天线单元，且各有源集成天线单元之间具有第二预设距离，具体为：

所述各有源阵列模块上的有源集成天线单元按照矩阵排列形成包括1×1× K个所述有源集成天线单元的三维结构，且K个所述有源集成天线单元之间通过活动支架连接；其中，K为正整数；

所述各有源集成天线单元在y轴方向上的间距为0.125λ的整数倍；

其中，所述开放式微带贴片阵元的工作波长为λ；相应地，所述有源集成天线单元包括绝缘基板以及设置在所述绝缘基板上的多个按照矩阵排列的、具有对称结构的开放式微带贴片阵元，且所述各开放式微带贴片阵元之间具有第三预设距离，具体为：

所述各有源集成天线单元包括由n×m个所述开放式微带贴片阵元组成的xz平面内的二维结构；其中，n和m均为正整数；

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述多个所述有源阵列模块按照矩阵排列，具体为：

所述多个所述有源阵列模块按照矩阵排列形成包括N×M个所述有源阵列模块的xz平面内的二维结构；其中，N和M均为正整数。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述有源阵列模块外部包裹有屏蔽壳体。

4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述开放式微带贴片阵元的工作波长为λ；相应地，所述各有源阵列模块之间具有第一预设距离，具体为：

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述开放式微带贴片阵元为并行馈电开放式微带贴片阵元或点馈电开放式微带贴片阵元。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述开放式微带贴片阵元设置在所述绝缘基板的一个表面，所述绝缘基板的另一个表面设置有第一有源控制芯片和第一数据接口。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述有源阵列模块设置在所述天线支撑底板的一个表面，所述天线支撑底板的另一个表面设置有第二有源控制芯片和第二数据接口。

8.一种通信终端，其特征在于，包括如权利要求1至7任一所述的天线。