本公开的实施例总体上涉及通信技术，更具体地，涉及多边形环路天线以及相应的通信设备和天线制造方法。
背景技术：
第四代(4g)和第五代(5g)标准的一个目标是提供更高速的移动通信。在4g-长期演进(lte)无线通信中，已经使用多输入多输出(mimo)技术来提供大的信道容量。在mimo系统中，通过使用天线分集，诸如广泛使用的极化分集，来提高无线通信系统性能。除了极化分集，mimo系统还使用方向图分集技术来提高系统容量。方向图分集技术利用了到达角完全不同的射线的不相干性。与全向天线相比，定向天线，例如具有锥形辐射方向图的天线，可以显著提高系统容量。
然而，方向图分集对于容量的提高的效果与无线电环境有密切的关系。当无线电环境较差，例如信噪比(snr)较低时，定向天线对于容量的提高的效果不那么明显。目前，具有方向图分集的可重构天线(ra)已经在5g系统的标准化工作中受到广泛关注，但是还没有设计出适用于mimo系统的ra。针对室内定位场景中也提出了使用方向图ra来提高定位系统的准确性。然而，在基于rss的定位系统中使用的ra通常很大，并且难以集成到mimo天线阵列中。
技术实现要素：
总体上，本公开的实施例提出多边形环路天线以及相应的通信设备和天线制造方法。
在第一方面，本公开的实施例提供一种多边形环路天线。该天线包括：辐射器件，所述辐射器件包括多个辐射单元，每个所述辐射单元构成所述天线的一个边；多个容性器件，所述天线的每个边上布置偶数个所述容性器件；以及多个馈电单元，所述天线的每个边上的两个相邻的容性器件之间布置一个所述馈电单元。
在第二方面，本公开的实施例提供一种通信设备，包括至少一个根据第一方面的天线。
在第三方面，本公开的实施例提供一种制造根据第一方面的天线的方法。
通过下文描述将会理解，根据本公开的实施例，提供了一种多边形环路天线结构。天线的每个边由一个辐射单元构成，该边上布置偶数个容性器件，两个相邻的容性器件之间布置一个馈电单元。与传统天线相比，根据本公开的实施例的多边形环路天线大小和厚度都较小，却具有较宽的工作带宽，并且能够产生较多的辐射状态。而且，该多边形环路天线的馈电网络简单，易于制造。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
图1示出了一种具有两个辐射状态的共口径天线的透视图；
图2(a)、2(b)和2(c)示出了此种天线的俯视图、侧视图和仰视图；
图3示出了加载了混合高阻抗表面(hhis)的方形环路天线(sla)的透视图；
图4示出了采用电容耦合的sla的透视图；
图5(a)和5(b)示出了根据本公开的某些其他实施例的多边形环路天线的透视图和俯视图；
图6示出了根据本公开的天线的反射系数曲线；
图7示出了根据本公开的某些实施例的天线的三维辐射方向图；
图8(a)和8(b)示出了根据本公开的某些实施例的天线的二维辐射方向图；
图9示出了根据本公开的某些实施例的天线的辐射方向图在垂直面上的同极化分量和交叉极化分量；
图10(a)至10(d)示出了根据本公开的某些实施例的天线针对四种天线配置的3d辐射方向图；以及
图11示出了根据本公开的某些实施例的通信设备的框图。
在所有附图中，相同或相似参考数字表示相同或相似元素。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
在此使用的术语“通信设备”是指具有在无线通信网络中收发无线电信号能力的设备。通信设备的示例包括网络设备和终端设备。
在此使用的术语“网络设备”是指在基站或者通信网络中具有特定功能的其他实体或节点。“基站”(bs)可以表示节点b(nodeb或者nb)、演进节点b(enodeb或者enb)、远程无线电单元(rru)、射频头(rh)、远程无线电头端(rrh)、中继器、或者诸如微微基站、毫微微基站等的低功率节点等等。在本公开的上下文中，为讨论方便之目的，术语“网络设备”和“基站”可以互换使用，并且可能主要以enb作为网络设备的示例。
在此使用的术语“终端设备”或“用户设备”(ue)是指能够与基站之间或者彼此之间进行无线通信的任何终端设备。作为示例，终端设备可以包括移动终端(mt)、订户台(ss)、便携式订户台(pss)、移动台(ms)或者接入终端(at)，以及车载的上述设备。在本公开的上下文中，为讨论方便之目的，术语“终端设备”和“用户设备”可以互换使用。
在此使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。
如上所述，具有方向图分集的可重构天线(ra)已经在5g系统的标准化工作中受到广泛关注。然而，现有的天线解决方案存在增益低、带宽窄、三维(3d)结构大且复杂等缺点。这限制了mimo天线阵列的性能。mimo天线需要ra作为基本原件能够足够小。
另外，针对室内定位场景中也提出了使用方向图ra来提高使用接收信号强度(rss)的定位系统的准确性。与例如基于到达时间(toa)、到达时间差(tdoa)和到达角(aoa)的方法相比，基于rss的方法更可行。一方面，此种方法能够利用现有的无线基础架构，从而能够减小资本支出(capex)。另一方面，当前标准商用的无线电技术，诸如wi-fi、zigbee、有源射频识别(rfid)和蓝牙等都提供rss测量，因而可以跨不同的系统平台应用关于rss测量的相同算法。然而，在不可预测的室内环境中存在复杂的多径效应，包括阴影(例如信号被阻挡)、反射(例如无线电电波遇到物体后反弹)、绕射(例如无线电电波遇到阻碍物后散开)、和折射(例如无线电电波在经过不同介质时会发生弯折)、等等。由于这些效应，rss测量会以不可预测的方式衰减。使用方向图ra可以提高基于rss的定位系统的准确性。然而，如上所述，在基于rss的定位系统中使用的ra通常很大，并且难以集成到mimo天线阵列中。在此种情况下，需要设计大小和厚度较小而带宽较大的高效天线布置，以便既能够应用于mimo系统。
已经提出了一种在不增加天线大小的情况下增加工作带宽的方法。图1、图2(a)、图2(b)和图2(c)分别示出了采用此种方法设计的示例天线100的透视图、俯视图、侧视图和仰视图。如图1所示，天线100包括圆形辐射片110、接地介质板120和馈电片130。在此示例中，介质板120的厚度h＝3.7mm，其可以选用rogersrt/
如图2(c)所示，支撑柱150-1经由两个耦合电容210接地。支撑柱150-2至150-5可以通过pin二极管220接地，或者这四个支撑柱不接地。直流(dc)控制信号可以在经过射频扼流圈230后通过支撑柱150-1馈电，如图2(b)所示。相应地，从支撑柱150-1经过辐射片110再到其余支撑柱150-2至150-5形成直流通路。通过此天线布置能够获得宽边辐射方向图和圆锥形辐射方向图这两种辐射状态。
另外，还针对波束自适应应用，提出了一种方形环路天线(sla)。sla通常具有四个馈电点。当依次激励一个馈电点时，可以使波束依次指向四个不同的空间象限，由此可以产生四种辐射状态。然而，此种天线存在如下三个主要缺陷而导致其实现受限：(a)其厚度过厚，为四分之一波长；(b)其带宽有限；(c)辐射方向图有很强的旁瓣。
针对这些问题，已经提出了一些解决方法。一种方法是在sla上加载混合高阻抗表面(hhis)。图3示出了加载了hhis的示例sla300的透视图。如图所示，sla300在四个边上分别布置有馈电点305、310、315和320。这种加载hhis的方法能够显著减小天线的厚度。例如，在4.7ghz的频率处能够将天线的厚度减小至λ0/13.6。但是，此种设计在实现上较复杂。例如，需要打很多孔，如图所示。这浪费了很多人力物力成本。另外，天线的大小仍然很大。
图4示出了另一种sla400，其采用电容耦合。如图所示，sla400的四个边的长度为ll，介质板的长度为l。在每个边上布置一个馈电405、410、415和420。在每个馈电405、410、415或420处，布置一个矩形的金属贴片，其宽度为lpl，厚度为wpl。每个金属贴片与天线之间形成一个宽为wl的缝隙，从而实现电容耦合。另外，在天线400的每个边上布置一个开口，宽度为gl。此种布置可以显著减小天线的厚度，而且实现较简单。然而，在此种天线布置中，每个金属贴片与对应的天线开口形成单一谐振，从而导致了一定的工作带宽损失。
为了解决这些以及其它潜在问题，本公开的实施例提供了一种多边形环路天线，天线的每个边由一个辐射单元构成。在天线的每个边上布置偶数个容性器件，并且在两个相邻的容性器件之间布置一个馈电单元。与传统天线相比，根据本公开的实施例的多边形环路天线大小和厚度较小而带宽较宽，并且能够形成较多的自适应辐射波束。
下面将结合图5(a)和5(b)对本公开的原理和具体实施例进行详细说明，其分别示出了根据本公开的某些实施例的示例多边形环路天线500的透视图和俯视图。
在此示例中，天线500实施为四边形环路天线，也即sla。然而，应当理解，这仅仅处于示范目的。在其他实施例中，天线500可以具有任意其他适当数目的边。例如，天线500可以实施为三边形环路、五边形环路、等等。
如图所示，天线500包括辐射器件505，其包括四个辐射单元510-1、510-2、510-3和510-4(统称为辐射单元510)。通过辐射器件505，天线500可以将所接收的馈电信号辐射出去。后文将对此进行进一步描述。在此示例中，每个辐射单元510实施为一个金属导电条，用于实现相应的辐射功能。如图5(b)所示，金属导电条的示例长度la＝40mm，示例宽度wa＝1.6mm。通常，sla的谐振频率与其平均圆周长度成反比。因而此示例中的天线500的平均周长4×(la-wa)＝153.6mm，产生大约3.5ghz的谐振频率。从而，可以满足lte系统的3.4～3.6ghz频带要求。
天线500还包括多个容性器件520-1至520-8(统称为容性器件520)。在此示例中，每个边上布置了两个容性器件。应当理解，这仅仅是示例而非限制。可以在天线的每个边布置任意适当偶数个容性器件。例如，在某些实施例中，可以在每个边上布置四个容性器件520。
根据本公开的实施例，容性器件520可以实施为目前已有或将来开发的任意适当的容性器件。在此示例中，如图5(b)所示，容性器件520为交指电容，其长度lf＝4mm，指宽wf＝0.3mm，以及间距gf＝0.2mm。
容性器件520必须以不降低辐射效率的方式布置在天线500的每个边上，在本实施例中，其应尽可能靠近馈电端口。为了进一步减小天线的厚度，可以通过调节加载的容性值和其位置来实现，但同时会影响天线的工作带宽或者辐射效率。在某些实施例中，容性器件520-1和520-2嵌入到相对应的金属导电条(即辐射单元510-1)中。
根据本公开的实施例，天线500还包括多个馈电单元530-1、530-2、530-3和530-4(统称为馈电单元530)。在天线500的每个边上，两个相邻容性器件520之间布置一个馈电单元530。在此示例中，每个馈电单元530包括馈电探针540-1、540-2、540-3和540-4(统称为馈电探针540)。馈电探针540的大小可以根据实际需要来设计。在此示例中，馈电探针540的直径为1.3mm。
如图所示，馈电探针540在相对应的馈电点550-1、550-2、550-3和550-4(统称为馈电点550)处与辐射单元510相接触。馈电探针540用于接收馈电信号。继而，如上所述，由辐射器件505将馈电信号辐射出去。
与传统sla类似，可以依次对一个馈电探针(例如馈电探针540-1)进行馈电而同时保持其他馈电探针(例如馈电探针540-2、540-3和540-4)开路来控制产生多个倾斜波束，从而形成多个辐射状态。所产生的倾斜波束与相应的馈电点的方向相反。以此方式，天线500可以生成多种倾斜波束，每种倾斜波束可以通过选择相应的馈电端口来控制。
为了进一步增强天线的性能，在某些实施例中，可以将容性器件520对称地放置在相应的馈电点550的两侧。容性器件520的间距可以根据实际需要来设计。在此示例中，两个相邻容性器件520的间距为4mm。
天线500还包括六边形介质板560。在此示例中，介质板560采用了三层的层压板材料，例如可以选用taconicrf-60(tm)层压板材料。介质板560总厚度为5.4mm，侧边长l＝80mm。如图所示，在此示例中，两个相邻的辐射单元510之间形成的夹角与介质板560的一个边相对，从而可以进一步减小天线的大小。应当理解，可以根据实际需求将介质板设计为任意适当形状。本公开的范围在此方面不受限制。
根据本公开的实施例，提供了一种减小传统天线的大小和厚度并且增加工作带宽的方法。所提出的天线可以是例如共口径可重构天线，其大小与基于选择各个子元件的可重构天线相比更小。其厚度在3.5ghz处厚度近似为0.063λ0，与图3所示的传统天线300的厚度(例如0.074λ0)更薄，与图4所示的天线厚度(0.045λ0)略厚但是却能得到图4所示结构3倍的带宽。大小与厚度与天线的成本和紧凑性密切相关。大小和厚度的减小使得mimo天线阵列能够利用此种ra，而同时整个系统仍然具有紧凑的结构。由于大小和厚度小、带宽大以及可配置性高，此种天线可以用于5g系统中的mimo和定位。
下面结合图6至图10说明根据本公开的实施例的多边形环路天线的射频(rf)性能。所示出的rf性能是天线500的馈电点530-1被激励时的rf性能，其是基于ansofthfss进行分析和仿真而得出的。
图6示出了天线500的反射系数曲线600。曲线600是使用50ω的发生器内阻获得的。如图所示，在3.35～3.90的频带范围内，反射系数达到-10db以下的标准。特别地，在3.4～3.79ghz的频带范围内，反射系数达到-15db以下。这两个频带的带宽分别占总频带的15.2％和10.8％。与传统天线相比，天线500的工作带宽显著增加。另外，交指电容的引入使得产生了两个相邻的谐振频点，从而在减少天线厚度的同时增大了天线的工作带宽。
图7、图8(a)和8(b)示出了天线500的辐射方向图，其中图7示出了3d辐射方向图700，而图8(a)和8(b)示出了天线500的二维(2d)辐射方向图810和820。方向图700和800是以3.5ghz作为中心频率点测得的。
如图7所示，天线500产生在一个象限中倾斜的辐射方向图。当馈电点530-1被激励而保持其他馈电点530-2、530-3和530-4开路时，天线500的辐射方向与所激励的馈电点530-1相对。图8(a)所示的2d方向图810是沿φ＝180°将3d的方向图700切开后得到的。如图所示，峰值点指向θ＝43°,φ＝180°。天线500在最大辐射场方向上具有最大实现增益7.7dbi。
图9示出了天线500的辐射方向图在垂直面上的同极化分量910和交叉极化分量920。归因于线性方向的电流，主瓣在eθ方向上线性极化。正因为如此，如图所示，交叉极化分量有很低的幅值，因而交叉极化分量在将方向图竖直切开时是可不见。将方向图按方位角切开时显示出交叉极化分量。交叉极化分量比同极化分量小11db，这优于传统天线。另外，在同极化主瓣的方向上没有交叉极化旁瓣。主波束具有大约60°的半功率方向角波束宽度。在天线500在每个馈电点530-1至530-4两侧对称地加载容性器件的情况下，激励其他馈电点530-2、530-3和530-4时所得到的辐射方向图与激励一个馈电点530-1时的方向图相同。
图10(a)至10(d)示出了天线500针对四种天线配置的3d辐射方向图
图11示出了适合实现本公开的实施例的通信设备1100的方框图。如图所示，通信设备1100包括控制器1110。控制器1110控制通信设备1100的操作和功能。例如，在某些实施例中，控制器1110可以借助于与其耦合的存储器1120中所存储的指令1130来执行各种操作。存储器1120可以是适用于本地技术环境的任何合适的类型，并且可以利用任何合适的数据存储技术来实现，包括但不限于基于半导体的存储器件、磁存储器件和系统、光存储器件和系统。尽管图11中仅仅示出了一个存储器单元，但是在通信设备1100中可以有多个物理不同的存储器单元。
控制器1110可以是适用于本地技术环境的任何合适的类型，并且可以包括但不限于通用计算机、专用计算机、微控制器、数字信号控制器(dsp)以及基于控制器的多核控制器架构中的一个或多个多个。通信设备1100也可以包括多个控制器1110。控制器1110与收发器1140耦合，收发器1140借助于一个或多个天线1150收发无线电信号。上文参考图5和图10所描述的所有特征均适用于天线1150，在此不再赘述。
一般而言，本公开的各种示例实施例可以在硬件或专用电路、软件、逻辑，或其任何组合中实施。某些方面可以在硬件中实施，而其他方面可以在可以由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件中实施。当本公开的实施例的各方面被图示或描述为框图、流程图或使用某些其他图形表示时，将理解此处描述的方框、装置、系统、技术或方法可以作为非限制性的示例在硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他计算设备，或其某些组合中实施。
作为示例，本公开的实施例可以在机器可执行指令的上下文中被描述，机器可执行指令诸如包括在目标的真实或者虚拟处理器上的器件中执行的程序模块中。一般而言，程序模块包括例程、程序、库、对象、类、组件、数据结构等，其执行特定的任务或者实现特定的抽象数据结构。在各实施例中，程序模块的功能可以在所描述的程序模块之间合并或者分割。用于程序模块的机器可执行指令可以在本地或者分布式设备内执行。在分布式设备中，程序模块可以位于本地和远程存储介质二者中。
用于实现本公开的方法的计算机程序代码可以用一种或多种编程语言编写。这些计算机程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程的数据处理装置的处理器，使得程序代码在被计算机或其他可编程的数据处理装置执行的时候，引起在流程图和/或框图中规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在计算机上、部分在计算机上、作为独立的软件包、部分在计算机上且部分在远程计算机上或完全在远程计算机或服务器上执行。
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是包含或存储用于或有关于指令执行系统、装置或设备的程序的任何有形介质。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读存储介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁的、光学的、电磁的、红外的或半导体系统、装置或设备，或其任意合适的组合。机器可读存储介质的更详细示例包括带有一根或多根导线的电气连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存储存取器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或闪存)、光存储设备、磁存储设备，或其任意合适的组合。
另外，尽管操作以特定顺序被描绘，但这并不应该理解为要求此类操作以示出的特定顺序或以相继顺序完成，或者执行所有图示的操作以获取期望结果。在某些情况下，多任务或并行处理会是有益的。同样地，尽管上述讨论包含了某些特定的实施细节，但这并不应解释为限制任何发明或权利要求的范围，而应解释为对可以针对特定发明的特定实施例的描述。本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可以整合实施在单个实施例中。反之，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分离地在多个实施例或在任意合适的子组合中实施。
尽管已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应当理解，所附权利要求中限定的主题并不限于上文描述的特定特征或动作。相反，上文描述的特定特征和动作是作为实现权利要求的示例形式而被公开的。