超带宽天线及电子设备的制作方法

1.本技术涉及天线技术领域，尤其涉及一种超带宽天线及电子设备。


背景技术：

2.随着5g通信技术的发展，用户对电子设备的功能需求越来越多。通常电子设备上安装有超带宽(ultra wide band，uwb)天线实现测距和定位功能，传统的uwb天线通常采用片型(patch)天线单元作为辐射体，由于patch天线单元的方向性较强，容易被遮挡，从而导致uwb天线的辐射性能较差。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供一种超带宽天线及电子设备，以解决uwb天线的辐射性能较差的问题。
4.第一方面，本技术实施例提供了一种超带宽天线，包括天线组件，所述天线组件包括天线辐射本体和馈电单元，其中，所述馈电单元包括至少两个馈电结构，每一所述馈电结构均所述天线辐射本体电连接，且所述至少两个馈电结构中的至少一个馈电结构对所述天线辐射本体激励的幅度和相位可调。
5.第二方面，本技术实施例还提供了一种电子设备，包括第一方面所述的超带宽天线。
6.本技术实施例中，通过设置超带宽天线包括天线组件，所述天线组件包括天线辐射本体和馈电单元，其中，所述馈电单元包括至少两个馈电结构，每一所述馈电结构均所述天线辐射本体电连接，且所述至少两个馈电结构中的至少一个馈电结构对所述天线辐射本体激励的幅度和相位可调。这样，在天线组件的辐射方向上存在遮挡时，通过调整馈电结构对所述天线辐射本体激励的幅度和相位，以调整天线组件辐射方向、辐射距离或辐射范围，从而提高了超带宽天线的辐射性能。
7.本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
8.本技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
9.图1是本技术实施例提供的一种超带宽天线的结构图；
10.图2是本技术实施例提供的超带宽天线的一种电流分布状态效果图；
11.图3是本技术实施例提供的超带宽天线的一种天线方向图；
12.图4是本技术实施例提供的超带宽天线的另一种电流分布状态效果图；
13.图5是本技术实施例提供的超带宽天线的另一种天线方向图；
14.图6是本技术实施例提供的超带宽天线的测量场景图之一；
15.图7是本技术实施例提供的超带宽天线的测量场景图之二；
16.图8是本技术实施例提供的另一种超带宽天线的结构图；
17.图9是本技术实施例提供的超带宽天线中馈电单元与馈源连接结构示意图；
18.图10是本技术实施例提供的超带宽天线的测量原理图；
19.图11是本技术实施例提供的超带宽天线的测量场景图之三；
20.图12是本技术实施例提供的超带宽天线的测量场景图之四；
21.图13是本技术实施例提供的超带宽天线避障碍的原理图。
具体实施方式
22.下面将详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
23.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.参见图1至图11，本技术实施例提供了一种超带宽天线，如图1所示，包括该超带宽天线天线组件10，m为正整数，所述天线组件10包括天线辐射本体101和馈电单元102，其中，所述馈电单元102包括至少两个馈电结构1021，每一所述馈电结构1021均所述天线辐射本体101电连接，且所述至少两个馈电结构1021中的至少一个馈电结构1021对所述天线辐射本体101激励的幅度和相位可调。
27.本技术实施例中，上述天线组件10的数量可以根据实际需要进行设置，当天线组件10的数量大于或等于三个时，可以实现定位。其中，每一个天线组件10均可以实现测距功能。
28.可选地，上述馈电结构1021的数量可以根据实际需要进行设置，由于采用至少两个馈电结构1021给天线辐射本体进行馈电，类似天线簇，可以提升了天线的增益，从而可以提高测距距离。
29.可选地，在一些实施例中，可以设置每一馈电结构1021对所述天线辐射本体101激励的幅度和相位可调，也可以设置部分馈电结构1021对所述天线辐射本体101激励的幅度和相位可调。由于设置馈电结构1021对所述天线辐射本体101激励的幅度和相位可调，这样，在天线组件的辐射方向上存在遮挡时，可以调整馈电结构1021对所述天线辐射本体101激励的幅度和相位，从而改变天线组件10的辐射方向，进而使得天线组件远离遮挡，提高辐射性能。与此同时，还可以根据实际测量需求调整馈电结构1021对所述天线辐射本体101激励的幅度和相位，从而改变天线组件10对应的天线方向图的尖锐和平滑状态，例如，在进行测量的状态下，若实际的接收信号强度指示(received signal strength indication，rssi)较弱，则被测物体可以能较远，此时可以将天线组件10对应的天线方向图调整到尖锐状态，从而提高提升天线增益，增强rssi，使天线组件测距的距离更远。若实际的接收信号强度rssi较强，则说明路径信号较好，此时可以将天线组件10对应的天线方向图调整到平滑状态，以提升天线组件的测距范围。其中，天线方向图是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强(归一化模值)随方向变化的图形。
30.需要说明的是，上述相位调整可以理解为改变至少两个馈电结构之间的相位角度，例如，上述n的取值2，可以改变两个馈电结构之间激励的相位来调整天线方向图。可选地，本技术实施例中的天线方向图也可以称之为辐射方向图。
31.本技术实施例中，通过设置超带宽天线包括天线组件10，所述天线组件10包括天线辐射本体101和馈电单元102，其中，所述馈电单元102包括至少两个馈电结构1021，每一所述馈电结构1021均所述天线辐射本体101电连接，且所述至少两个馈电结构1021中的至少一个馈电结构1021对所述天线辐射本体101激励的幅度和相位可调。这样，在天线组件的辐射方向上存在遮挡时，通过调整馈电结构1021对所述天线辐射本体101激励的幅度和相位，以调整天线组件辐射方向、辐射距离或辐射范围，从而提高了超带宽天线的辐射性能。
32.可选地，在一些实施例中，每一所述馈电结构1021均所述天线辐射本体101耦合连接。
33.本技术实施例中，通过设置馈电结构1021与天线辐射本体101耦合连接，从而实现耦合馈电，进一步提升天线的辐射性能。当前在其他实施例上述，上述馈电结构1021可以直接与所述天线辐射本体101电连接。
34.可选地，在一些实施例中，所述天线辐射本体101为长方体辐射块，且所述长方体辐射块内设有至少一条槽1011。
35.本技术实施例中，上述天线辐射本体101可以理解为patch天线单元，由于采用patch天线单元，可以保证天线方向图的稳定性。上述槽1011可以为条形槽，用于调整匹配以及带宽，以激励相应模式。如图1所示，以两个馈电结构1021为例进行说明，在两个馈电结构1021之间的相位差为0
°
，且幅度相同时，天线辐射本体101的电流分布状态如图2所示，从图2可知，该模式下电流从中间往两边走，形成其特有模式，得到的天线方向图如图3所示，其最大辐射方向在左右两测，且呈左右对称分布。在两个馈电结构1021之间的相位差为90
°
，且幅度相同时，天线辐射本体101的电流分布状态如图4所示，从图4可知，该模式下电流从天线辐射本体101的一边往另外一边走，形成其特有模式，得到的天线方向图如图5所示，其最大辐射方向为法向方向。
36.在一些实施例中，上述槽1011内还可以填充绝缘物质，以保证天线辐射本体101的
完整性和机械强度。
37.基于上述分析可知，在本技术实施例中，通过改变馈电结构1021对所述天线辐射本体101激励的幅度和相位，从而可以调整天线方向图，使其最大辐射方向朝用户期待位置。如图6所示，当波束方向为法向方向时，正好波束前方有一障碍物，则在感应到障碍物后，可以调整天馈电结构1021对所述天线辐射本体101激励的幅度和相位，使其波束方向远离障碍物，如图7所示，则可正常测距离以及角度。由于波束方向避开了障碍物，从而可以提升超带宽天线的辐射性能。
38.可选地，在一些实施例中，所述馈电结构1021为金属条，所述金属条与所述天线辐射本体101耦合连接。
39.可选地，在一些实施例中，所述至少两个馈电结构1021均匀间隔设置在以所述天线辐射本体101的几何中心为圆心的同一圆周上。
40.本技术实施例中，上述至少两个馈电结构1021对称的设置在天线辐射本体101的周边，如图1所示，上述馈电结构1021的数量为两个且设置在天线辐射本体101的对角位置，且两个馈电结构1021以所述天线辐射本体101的几何中心为圆心的同一圆周上，即两个馈电结构1021以所述天线辐射本体101的几何中心为中心呈中心对称结构设置。这样，可以保证各馈电结构激励的对称性，从而方便进行天线方向图的调整，降低了天线设计的难度。
41.可选地，上述天线组件10的数量可以根据实际需要进行设置，例如，在一些实施例中，天线组件10的数量为3，如图8所示，所述天线组件10包括第一天线组件10a、第二天线组件10b和第三天线组件10c，其中，所述第一天线组件10a中的天线辐射本体101和所述第二天线组件10b中的天线辐射本体101在第一方向形成天线阵列，所述第一天线组件10a中的天线辐射本体101和所述第三天线组件10c中的天线辐射本体101在第二方向形成天线阵列，所述第一方向和所述第二方向呈角度设置。
42.可选地，在一些实施例中，上述第一方向和第二方向垂直。由于设置所述第一天线组件10a中的天线辐射本体101和所述第二天线组件10b中的天线辐射本体101在第一方向形成天线阵列，所述第一天线组件10a中的天线辐射本体101和所述第三天线组件10c中的天线辐射本体101在第二方向形成天线阵列，这样可以实现三维平面的定位功能。
43.本技术实施例中，可以通过功分器改变激励的幅度，通过移相器改变激励的相位。例如，在一些实施例中，如图9所示，所述馈电单元102还包括控制器1022、功分器1023和至少两个移相器1024，其中，所述功分器1023通过所述至少两个移相器1024与所述至少两个馈电结构1021一一对应电连接，所述控制器1022通过所述功分器1023和所述移相器1024调整所述天线组件(10)的工作状态。
44.本技术实施例中，调整所述天线组件(10)的工作状态可以理解为，调整所述馈电结构1021对所述天线辐射本体101激励的幅度和相位。
45.参照图10所示，其中d是天线单元的间距，λ是工作波长，θ是来波的角度。到达角(aangle of arrival，aoa)测角原理如下：
46.当距离d大于几个波长时，d》》d，可以认为θ1＝θ2＝θ；
47.来波波前到达第一天线组件10a后，到达第二天线组件10b就需要额外的距离d1＝dcosθ；
48.距离
49.相位差则
50.正常情况下，被测物体发出信号，第一天线组件10a接收其信号，其接收信号强度与距离有如下关系：
51.rssi＝txpower+pathloss+rxgain+systemgain。
52.其中，发送功率(txpower)、接收增益(txpower)、系统增益(systemgain)都是定值，而路径衰减(pathloss)在理想情况下与传播距离直接相关，其中pathloss＝36.6+(20log10(f))+(20log10(d))，对于特定信道，pathloss只与距离有关。由于发送功率、接收增益、系统增益都是定值，令txpower+rxgain+systemgain＝a，则理论rssi＝a+pathloss＝a+36.6+(20log10(f))+(20log10(d))。
53.需要说明的是，在本技术实施例中，采用功分器1023和至少两个移相器1024对每一馈电结构1021的激励的幅度和相位进行调整，当然在其他实施例中，还可以仅设置对部分馈电结构1021的激励的幅度和相位进行调整。如图9所示，以两个馈电结构1021进行说明，每一馈电结构1021通过移相器1024与功分器1023连接，且该功分器1023用于与馈源连接，其中，馈电结构1021可以通过移相器1024和功分器1023连接同一馈源，也可以连接不同的馈源，在本技术实施例中为了降低天线设计难度，可以设置馈电结构1021可以通过移相器1024和功分器1023连接同一馈源。
54.可选地，针对不同的应用场景，可以控制所述功分器1023和所述移相器1024对天线组件(10)的工作状态的调整方式。例如，在一些实施例中，所述工作状态包括第一状态和第二状态，，所述天线组件可在第一状态和第二状态之间切换，所述天线组件10在所述第一状态下测距的角度小于所述天线组件10在第二状态下测距的角度，所述天线组件10在所述第一状态下测距的距离大于所述天线组件10在第二状态下测距的距离。
55.本技术实施例中，通过改变所述馈电结构1021对所述天线辐射本体101激励的幅度(0-1)和相位(0-360
°
)，从而改变天线组件10对应的天线方向图的尖锐和平滑状态。如图11所示，波束的方向性不强，但是波束范围更大，从而可以接收来波的范围更大，增益平坦度更好，从而uwb天线测距范围更大。在uwb天线测距状态下，切换天线方向图变尖锐，如图12所示，此时波束的范围较窄，收来波的检测范围小，但方向性强，则增益更高，从而uwb天线测距的距离更远。
56.在一些实施例中，可以根据rssi判别障碍物，在进行测量的状态下，若实际的rssi较弱，则被测物体可以能较远，此时可以将天线组件10对应的天线方向图调整到尖锐状态，从而提高提升uwb天线增益，增强rssi，使uwb天线测距的距离更远。若实际的接收信号强度rssi较强，则说明路径信号较好，此时可以将天线组件10对应的天线方向图调整到平滑状态，以提升uwb天线的测距范围。
57.例如，在一些实施例中，所述工作状态包括第三状态和第四状态，所述第三状态为调整前的状态，所述第四状态为调整后的状态，所述天线组件10在所述第三状态下波束方向与所述天线组件10在所述第四状态下波束方向不同。
58.本技术实施例中，参照图13，第一天线组件10a的初始波束方向(如图13中的a所
示)被障碍物20遮挡，其实际rssi会远小于理论rssi，则判定为第一天线组件10a被障碍物20遮挡。此时第一天线组件10a自动调整单元方向图，使其远离障碍物，调整后的波束方向如图13中的b所示。由于本技术实施例中，可以对天线组件10的波束方向进行调整，因此，在被遮挡时无需通过额外设置的天线组件来保证天线性能，相对于现有技术中通过额外设置天线组件来避免遮挡，本技术实施例可以降低天线组件的数量。
59.本技术实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括上述实施例中的超带宽天线，该超带宽天线的结构和工作原理可以参照上述实施例，在此不再赘述。由于本技术提供的电子设备采用了上述实施例中的超带宽天线，因此本技术实施例中的电子设备具有上述实施例中超带宽天线的全部有益效果。
60.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
61.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。