一种毫米波天线及无线设备

摘要

本发明公开了一种毫米波天线及无线设备，包括辐射体以及第一导电柱和第二导电柱；其中，所述辐射体形成具有缺口的中空球体；所述第一导电柱连接所述辐射体，且一端延伸至所述中空球体内形成自由端；所述第二导电柱连接所述辐射体，且一端延伸至所述中空球体内形成自由端，所述第一导电柱的自由端与第二导电柱的自由端正对且形成间隙。本发明的毫米波天线采用球形结构设计，可以实现天线尺寸的小型化。天线通过球形腔体可以产生朝向缺口方向的定向辐射，从而使天线具备了定向高增益性能。通过改变天线的缺口方向，可以调整天线的辐射角度，实现了天线辐射方向图的可跟踪性能。

权利要求

1.一种毫米波天线，其特征在于，包括：

辐射体，其包括多个，且每一个辐射体均呈圆弧曲面形状，多个辐射体拼合成具有缺口的中空球体，且拼合部位绝缘隔离；在所述多个辐射体中，形成所述中空球体的缺口的辐射体可相对于其他辐射体转动，以改变所述缺口的方向；

第一导电柱，其连接所述辐射体，且一端延伸至所述中空球体内形成自由端；

第二导电柱，其连接所述辐射体，且一端延伸至所述中空球体内形成自由端，所述第一导电柱的自由端与第二导电柱的自由端正对且形成间隙。

2.根据权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一导电柱与第二导电柱一字排布，且与所述中空球体的其中一条直径位于同一直线上。

3.根据权利要求2所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一导电柱的自由端与所述第二导电柱的自由端所形成的间隙位于所述中空球体的球心位置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的毫米波天线，其特征在于，所述辐射体包括三个，分别为位于所述球体相对两端的上球冠辐射体和下球冠辐射体、以及位于所述上球冠辐射体与下球冠辐射体之间的球腰辐射体；所述球腰辐射体形成所述球体的缺口，所述球腰辐射体通过滑动组件连接所述上球冠辐射体和下球冠辐射体；所述第一导电柱连接所述上球冠辐射体，所述第二导电柱连接所述下球冠辐射体。

5.根据权利要求4所述的毫米波天线，其特征在于，所述球体的直径在5mm 15mm之间，~所述上球冠辐射体、球腰辐射体和下球冠辐射体的高度分别占所述球体直径的1/4、1/2、1/

4。

6.根据权利要求5所述的毫米波天线，其特征在于，所述球体的直径为10mm，所述上球冠辐射体的高度为2.5mm，所述球腰辐射体的高度为5mm，所述下球冠辐射体的高度为

2.5mm，所述毫米波天线的驻波比在31GHz 36GHz的频率带宽内小于2。

~

7.根据权利要求1至3中任一项所述的毫米波天线，其特征在于，所述缺口在所述球体上形成的圆弧角度在60°180°之间。

~

8.一种无线设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至7中任一项所述的毫米波天线，所述第一导电柱与第二导电柱分别与电路板上的馈电点和接地点对应连通；

射频电路，其布设在所述电路板上，并连接所述的馈电点和接地点。

9.根据权利要求8所述的无线设备，其特征在于，

所述第二导电柱为中空导体，其与所述第二导电柱的自由端成相对位置关系的另一端伸出所述辐射体并形成馈电接口，所述馈电接口连接所述电路板上的接地点；

在所述第二导电柱中套装有一根导线，所述导线的外部包覆有绝缘层，所述绝缘层将所述导线与所述第二导电柱绝缘隔离；所述导线的一端从所述第二导电柱的自由端伸出并连接所述第一导电柱的自由端，所述导线的另一端从所述第二导电柱的馈电接口伸出，并连接至所述馈电点。

说明书

一种毫米波天线及无线设备

技术领域

[0001] 本发明属于无线设备技术领域，涉及无线设备中的天线装置，具体地说，是涉及一种毫米波天线的结构设计。

背景技术

[0002] 天线是无线设备中用来接收或发射电磁波的重要部件，通过天线发射和接收无线信号进行通信的无线设备，可以摆脱信号线缆的束缚，实现更加丰富的应用。现实生活中，天线的应用越来越广泛,在越来越多的电子产品中需要使用到天线，而随着无线设备的更新换代，天线的设计也迎来更多的挑战。

[0003] 在无线通讯领域，毫米波的时代悄然而至。毫米波（millimeter wave）是一种波长为1 10毫米的电磁波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼具有两种波谱的~特点。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。

[0004] 利用毫米波进行通信的技术称为毫米波通信技术，毫米波的频率范围可以覆盖30GHz 300GHz。目前，毫米波频段的应用还比较少，大部分无线设备所采用的毫米波天线设~
计都是围绕微带天线和阵列天线实现其功能及应用的，较少有新颖的其他类型的天线设计用于补充越来越丰富的应用场景。由于毫米波的波束窄，方向性强，为了满足辐射要求，对于微带天线而言，需要至少布设4个微带天线；而对于阵列天线而言，则需要形成面阵列，且阵列尺寸较大。因此，传统的毫米波天线需要占用较大的布设空间，不适合在小尺寸的无线设备中推广应用。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种毫米波天线的结构设计，可以缩小天线的整体尺寸，拓展天线的适用领域。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

[0007] 在一个方面，本发明提出了一种毫米波天线，包括辐射体以及第一导电柱和第二导电柱；其中，所述辐射体形成具有缺口的中空球体；所述第一导电柱连接所述辐射体，且一端延伸至所述中空球体内形成自由端；所述第二导电柱连接所述辐射体，且一端延伸至所述中空球体内形成自由端，所述第一导电柱的自由端与第二导电柱的自由端正对且形成间隙。

[0008] 进一步的，所述第一导电柱与第二导电柱一字排布，且与所述中空球体的其中一条直径位于同一直线上。

[0009] 优选的，所述第一导电柱的自由端与所述第二导电柱的自由端所形成的间隙位于所述中空球体的球心位置。

[0010] 优选的，所述辐射体包括多个，且每一个辐射体均呈圆弧曲面形状，多个辐射体拼合成所述具有缺口的中空球体，且拼合部位绝缘隔离。

[0011] 为了实现天线辐射角度的自由调整，在多个所述辐射体中，形成所述球体的缺口的辐射体可相对于其他辐射体转动，以改变所述缺口的方向，天线通过球形腔体产生朝向所述缺口方向的定向辐射。

[0012] 优选的，所述辐射体优选设置三个，分别为位于所述球体相对两端的上球冠辐射体和下球冠辐射体、以及位于所述上球冠辐射体与下球冠辐射体之间的球腰辐射体；所述球腰辐射体形成所述球体的缺口，所述球腰辐射体通过滑动组件连接所述上球冠辐射体和下球冠辐射体；所述第一导电柱连接所述上球冠辐射体，所述第二导电柱连接所述下球冠辐射体。

[0013] 为了提高毫米波天线的定向增益，扩展毫米波天线的带宽，本发明优选设计所述球体的直径在5mm 15mm之间，并配置所述上球冠辐射体、球腰辐射体和下球冠辐射体的高~度分别占所述球体直径的1/4、1/2、1/4。

[0014] 为了使所述毫米波天线的驻波比在31GHz 36GHz的频率带宽内小于2，可以设计所~述球体的直径为10mm，所述上球冠辐射体的高度为2.5mm，所述球腰辐射体的高度为5mm，所述下球冠辐射体的高度为2.5mm。

[0015] 优选的，所述缺口在所述球体上形成的圆弧角度在60°180°之间，以满足天线辐~射频率的带宽要求。

[0016] 在另一个方面，本发明还提出了一种无线设备，包括毫米波天线和射频电路；所述毫米波天线包括辐射体以及第一导电柱和第二导电柱；其中，所述辐射体形成具有缺口的中空球体；所述第一导电柱连接所述辐射体，且一端延伸至所述中空球体内形成自由端；所述第二导电柱连接所述辐射体，且一端延伸至所述中空球体内形成自由端，所述第一导电柱的自由端与第二导电柱的自由端正对且形成间隙；所述第一导电柱与第二导电柱分别与电路板上的馈电点和接地点对应连通，所述射频电路布设在所述电路板上，并连接所述的馈电点和接地点。

[0017] 作为所述毫米波天线在电路板上的一种优选连接方式，本发明设计所述第二导电柱为中空导体，并设计其与所述第二导电柱的自由端成相对位置关系的另一端伸出所述辐射体并形成馈电接口，将所述馈电接口连接至电路板上的接地点；在所述第二导电柱中套装一根导线，所述导线的外部包覆有绝缘层，所述绝缘层将所述导线与所述第二导电柱绝缘隔离；将所述导线的一端从所述第二导电柱的自由端伸出并连接所述第一导电柱的自由端，将所述导线的另一端从所述第二导电柱的馈电接口伸出，并连接至电路板上的馈电点。

[0018] 与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的毫米波天线将天线辐射体设计成具有缺口的中空球体，并设置两个导电柱伸入到球形腔体内形成腔体谐振的探针，由此可以将馈电源所馈送的能量转换成腔体内的电磁能量，并在球形腔体的约束下，形成朝向缺口方向的定向辐射，从而使天线具备了定向高增益性能。此外，通过改变球体的缺口方向，还可以调节天线的辐射角度，实现天线辐射方向图的水平移动，且在方向图调整的过程中，不会改变天线除辐射角度以外的其他参数，由此简化了天线外围电路和结构的设计难度。本发明的毫米波天线，结构简单，尺寸小巧，可以满足多种无线设备特别是小尺寸无线设备的布设要求，相比传统的微带天线和阵列天线，具有更为广阔的应用领域。

[0019] 结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。

[0021] 图1是本发明所提出的毫米波天线在主视视角下的一种实施例的结构示意图；

[0022] 图2是图1所示毫米波天线的在侧视视角下的结构示意图；

[0023] 图3是图1所示毫米波天线的在俯视视角下的结构示意图；

[0024] 图4是图1所示毫米波天线的在立体视角下的结构示意图；

[0025] 图5是本发明所提出的毫米波天线与射频电路连接时，二者连接方式的一种实施例的结构示意图；

[0026] 图6是本发明所提出的毫米波天线的驻波比图；

[0027] 图7是本发明所提出的毫米波天线的辐射方向图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

[0029] 需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0030] 此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0031] 实施例一，本实施例提出一种毫米波天线的结构设计，参见图1-图4所示，本实施例的毫米波天线是一种球形天线结构，包括辐射体、第一导电柱11和第二导电柱12等主要组成部件。其中，辐射体设计成具有缺口20的中空球体形状；第一导电柱11和第二导电柱12连接所述辐射体，且至少部分地位于所述辐射体所形成的球形腔体内，以形成腔体谐振的探针。作为一种优选实施例，本实施例优选采用多个辐射体21-23拼合形成所述的中空球体。具体而言，可以将每一个辐射体21-23设计成圆弧曲面形状，且将这些圆弧曲面形状的辐射体21-23拼合后，刚好能够形成一个具有缺口20的中空球体。一些实施例中，辐射体21-23可以设计成圆弧凸面形状（如图1-图4所示）。设计各辐射体21-23之间在拼合部位绝缘隔离，以保证各个辐射体21-23具有独立的辐射性能。将第一导电柱11连接至其中一个辐射体，例如连接至辐射体21，其具体连接关系可以是将第一导电柱11的第一端111连接在辐射体21上，第二端112在辐射体所形成的球形腔体内延伸，形成自由端。当然，所述第一端111也可以伸出辐射体所形成的球形腔体，利用第一导电柱11的中间部位连接辐射体21。同理，将第二导电柱12连接至另外一个辐射体，例如连接至辐射体22，其具体连接关系可以是将第二导电柱12的第一端121连接在辐射体22上，或者伸出辐射体所形成的球形腔体，形成馈电接口，如图5所示；将第二导电柱的第二端122在辐射体所形成的球形腔体内延伸，形成自由端。设计两个导电柱11、12的自由端112、122呈相互正对且间隔的位置关系，由此，在两个导电柱11、12的自由端112、122就可形成一个间隙10，用于天线与射频电路之间能量的馈送。

[0032] 作为一种优选实施例，所述第一导电柱11与第二导电柱12优选布设成一字型，即，位于同一条直线上，且优选与中空球体的其中一条直径处于同一条直线。将两个导电柱11、12的自由端112、122所形成的间隙10调整至中空球体的球心位置，以改善天线的无线性能。

[0033] 当天线工作在发射模式时，两个导电柱11、12将射频电路馈送的电流信号的能量转换成腔体内的电磁能量，利用辐射体21、22、23所形成的球形腔体结构对腔体内的电磁能量进行约束，使其可以定向辐射，且最大辐射方向保持在球形腔体的缺口20方向，从而实现了天线的定向高增益性能。

[0034] 将本实施例的天线应用在基站与无线设备的位置相对固定的场景，例如在隧道中所使用的无线设备中安装本实施例的球形天线，此时，只需要调整球形天线的缺口20方向朝向基站，即可满足无线设备的定向通讯要求。

[0035] 但对于基站与无线设备的位置不固定的应用场景，则需要天线能够根据基站的方位自动调整其缺口20的方向，使天线可以自动跟踪基站的方位，形成朝向基站的定向辐射。

[0036] 为了实现上述设计目的，本实施例首先在球形天线上设计转动机构，该转动机构可以采用目前成熟的技术手段，例如，可以将球形天线安装在一个转动底座上，通过控制转动底座旋转带动球体天线整体转动，以实现缺口20朝向的调整。另外一种方式，可以使用传动机构或者牵引机构等控制球形天线中形成缺口20的辐射体23相对于其他辐射体21、22转动，同样也可以达到改变天线缺口20方向的设计目的。在调整缺口20方向的过程中，利用连接球形天线的射频电路对天线接收到的射频信号的强度进行检测，将信号强度最高的方位判定为基站的方位，并调整缺口20朝向该方位，由此便可满足无线设备与基站之间的通讯要求，保证天线的具有良好的无线性能。

[0037] 上述天线自动跟踪技术的具体实现手段，可以参考现有的电视天线自动跟踪通讯卫星的方案设计，本实施例在此不做详细说明。

[0038] 为了尽可能地简化天线的结构设计，本实施例优选采用三个辐射体21、22、23拼接形成所述的球形天线。如图1-图4所示的位置关系，可以将辐射体21定义为上球冠辐射体，将辐射体22定义为下球冠辐射体，将辐射体23定义为球腰辐射体。其中，上球冠辐射体21与下球冠辐射体22分置于球形天线的相对两端，球腰辐射体23则位于上球冠辐射体21与下球冠辐射体22之间的位置，在球腰辐射体23上开口，以形成球形天线的所述缺口20。为了实现缺口20方向的可调节，本实施例优选在球腰辐射体23与上球冠辐射体21之间以及球腰辐射体23与下球冠辐射体22之间分别设置非导电的滑动组件，可以利用牵引机构驱动球腰辐射体23相对于上球冠辐射体21和下球冠辐射体22滑动旋转，以改变天线的缺口20朝向。在球腰辐射体23转动过程中，天线的辐射方向可以始终保持在缺口20的方向，从而实现了天线辐射方向图的水平移动。需要特别指出的是：采用这种结构设计，在调整天线辐射方向图的过程中，不会改变天线的电路特性，因而不会导致天线的阻抗失配，从而保证了天线效率。

[0039] 基于上述辐射体21-23的结构设计，本实施例在天线的球形腔体内设置第一导电柱11和第二导电柱12时，优选将第一导电柱11连接至上球冠辐射体21，例如连接至上球冠辐射体21的中心点位置，并将第二导电柱12连接至下球冠辐射体22，例如连接至下球冠辐射体22的中心点位置，以保证球腰辐射体23对腔体内电磁能量的约束作用，增强天线的定向增益。

[0040] 作为一种优选实施例，可以将本实施例的球形天线的直径设计在5mm 15mm之间，~以使天线工作在毫米波的频率范围内。为了扩展带宽，增强天线的方向性，本实施例优选配置上球冠辐射体21的高度H1占整个球体天线的直径的1/4，下球冠辐射体22的高度H2占整个球体天线的直径的1/4，球腰辐射体23的高度H3占整个球体天线的直径的1/2。对于球腰辐射体23的弧度α（按照图1-图4所示的位置关系，所述α为球腰辐射体23的水平面弧度），优选设计在180°300°的角度范围内，即，球腰辐射体23所形成的缺口20在球体上所形成的圆~
弧角度在60°180°之间，以满足天线辐射频率的带宽要求。作为一种最佳实施例，所述缺口~
20在球体上所形成的圆弧角度优选设计在120°左右，即，球腰辐射体23的弧度α大约为
240°。

[0041] 通过调整球形天线的直径，可以改变天线的工作频段。举例说明，当设计球形天线的直径为10mm时，配置上球冠辐射体21的高度H1为2.5mm，球腰辐射体23的高度H3为5mm，下球冠辐射体22的高度H2为2.5mm，由此可以使得球形天线的驻波比在31GHz 36GHz的频率带~宽内小于2，如图6所示，即，使得天线在31GHz 36GHz的频率带宽内具有良好的工作性能。图~
7为该球形天线的辐射方向图。由图7可见，本实施例的球形天线为定向天线，增益主方向为缺口20的开口方向，其最大增益为8dB  9dB，其方向覆盖为水平方向±40°、垂直方向±~
30°。

[0042] 实施例二，本实施例提出一种基于毫米波天线设计的无线设备。具体而言，可以将实施例一所提出的定向高增益、辐射角度可调整的毫米波天线应用在无线设备中，与无线设备中的射频电路相连接。连接时，可以将无线设备中的射频电路的正极与毫米波天线中的第一导电柱11的自由端112电连通，将射频电路的负极与第二导电柱12电连接，以实现电信号以及射频信号的馈送。

[0043] 作为毫米波天线与射频电路的一种优选连接方式，本实施例提出了一种同轴馈电结构，如图5所示。具体而言，可以将第二导电柱12设计成中空导体，例如可以采用一根金属管作为所述第二导电柱12，连接所述辐射体22。使用一根导线13穿入第二导电柱12的中空腔体内，并在导线13的外部包覆绝缘层14，利用绝缘层14将导线13与第二导电柱12绝缘隔离，实现导线13在第二导电柱12中的同轴套装，同时可以保证同轴结构的特征阻抗为50ohm。将导线13的一端从第二导电柱12的自由端122伸出，经过间隙10连接第一导电柱11的自由端112，将导线13的另一端从第二导电柱12的第二端121穿出，所述第二导电柱12的第二端121伸出辐射体22，形成位于辐射体所形成的球形腔体外部的馈电接口。将所述导线
13从馈电接口穿出后，连接至无线设备内置电路板上的馈电点，将第二导电柱12的第二端
121连接至所述电路板上的接地点。将射频电路布设在所述电路板上，并将射频电路的正极连接至所述电路板上的馈电点，将射频电路的负极连接至所述电路板上的接地点，由此便实现了射频电路与毫米波天线之间的电连接。

[0044] 在无线设备工作时，毫米波天线将接收到的自由空间信号通过导线13和馈电接口传送至射频电路，由此实现了设备的无线接收功能；射频电路输出的电信号经由导线13和馈电接口馈送至天线，通过天线转换成电磁波辐射至自由空间，由此实现了设备的无线发射功能。

[0045] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。