天线装置及附接天线装置的结构

本发明涉及一种用于附接于表面（例如目标物体的窗玻璃表面）的天线单元，以及包含该天线单元的结构。

背景技术：

1、图1展示了电磁波10在环境中通过介质从一侧向另一侧传播的过程。该电磁波10既可通过天线（未示出）发射，也可配置为由天线接收。在此情况下，介质的介电常数或介电量（

εr2）与周围环境不同，导致电磁波10的一部分在介质与环境的界面处反射，其余部分则穿透介质。通常而言，介电常数或介电量的差异越大，电磁波的反射量就越多。

2、针对入射波的传播平面，可通过将其分解为平行与垂直电场矢量分量进行分析。此分解有助于研究波的反射系数与透射系数。

3、具体而言，假设介电介质厚度为

εr2，边界处（z =t）的输入反射系数可被表示为：

4、

5、其中，

t表示介质层

εr2的厚度，

λ0为自由空间波长，

εr1和

εr3分别是入射介质与出射介质的介电常数。需注意表示介质内的波长。

6、应用公式（1），并令

εr2等于

εr3，可知介质的厚度

t需相当大。因此公式（1）可被简化为：

7、

8、若

εr1× 5=

εr2，反射系数约为 -38%。若

εr1× 4=

εr2，则反射系数接近 -33.3%。

9、然而，在实际中

t值不会为零。当

εr2同时大于

εr1和

εr3时，反射率随

t减小而降低。若

t超过，函数将跟随呈现周期性变化。在实际应用中，反射率低于 20% 才被视为低反射。当谐振器介电常数差值超过3时，将产生显著传输损耗，导致反射率超过24%。

10、在现有技术中，美国专利公开文件us20210005951提出了一种采用波导元件与匹配介质的方案，旨在降低反射并提升前后向比（fb比）。‘951文件图3展示了其特征结构。解决该问题的核心技术方案在于调整窗玻璃内边缘与辐射元件之间的距离d（沿辐射方向r标注）。尽管‘951文献未明确说明选择

d的依据，但普遍认为其遵循反射导引原理——要求窗玻璃内边缘与辐射元件表面保持nλg（其中

n为零或更高整数）的距离。该设计基于反射发生在玻璃内表面的假设。

11、在相关的专利公开文件us20220200156中，对‘951文件中原始概念的扩展应用进行了解释。‘156文件公开了一种面向建筑物窗玻璃安装的天线单元，包含辐射元件、位于辐射元件外侧用于调制发射电磁波相位的相位控制部件，以及内侧的导电体。相位控制部件由介电体和多个导电部件构成，主要作用是调节辐射元件发射的电磁波相位。该调节改变电磁波发射方向，增大天线单元主瓣与旁瓣的增益差。相位控制元件由介电体部件与波导部件复合构成。

12、‘156文件的关键在于其与更早期的‘951文件’要求的一致性，尤其体现在辐射元件与波导部件间距

a及介电介质相对介电常数

εr的设定——为增强增益差，该距离与介电常数之比必须不小于(2.11 ×

εr1.82)毫米。这表明其辐射元件未加载介电材料，需与波导部件保持空间间隔以实现有效辐射。此外，‘156文件强调控制距离

d的重要性，该距离指辐射元件与窗玻璃内缘之间的间隙。

技术实现思路

1、本发明第一方面提供一种用于安装于目标物体的窗玻璃的天线单元元件。该天线单元元件包含适于被定位于窗玻璃的第一侧的介电辐射元件；适于被配置于窗玻璃与介电辐射元件之间、或窗玻璃的第二侧的介电波导（wave-directing）匹配件；电磁波反射器，适于被配置在窗玻璃的第一侧，并且相对于介电辐射元件而言要更远离窗玻璃的第一侧；以及天线信号馈电电路，用于向介电辐射元件传输电磁信号或从介电辐射元件接收电磁信号，以实现信号传输或接收。其中，天线单元元件适于适应并匹配窗玻璃的厚度和介电常数。

2、优选地，距离d被定义为从窗玻璃的最外侧边缘至电磁反射接地面的厚度，且测量路径沿辐射方向r穿过介电辐射元件。目标物体的窗玻璃与介电辐射元件共同构成的介质，具有总相对合成（resultant）介电常数（r）。其中，距离d按下列公式计算：

3、d =

d+ 0.5nλg

4、其中n为大于等于1且小于8的整数。

d代表总厚度公差，其范围为0.125λg至+0.125λg。λg表示介质中在预定中心工作频率下的合成波长。辐射方向r被定义为从介电辐射元件发出的、或指向介电辐射元件的方向。

5、更优选地，其中整数n的取值范围为1至4。最优选地，n等于2。

6、在一个具体实施方式中，目标物体为建筑物、汽车或墙体。

7、在另一个具体实施方式中，介质辐射元件为以下任一类型：介质谐振器天线、介质通孔成型天线、介质密集贴片天线、介质负载导电辐射元件、介质负载狭缝天线、介质负载喇叭天线、介质负载基板集成介电谐振器天线（sidra）、介质负载贴片天线、介质谐振磁电偶极天线，或以上的任意组合。其中，介电辐射元件的合成介电常数大于4。

8、在优选实施方案的一个变化中，介电波导匹配件包括合成介电介质，该合成介电介质包含至少一个介电元件和一个或多个介电基板或间隙。介电介质的合成介电常数与介电辐射元件的介电常数差异不超过3，且与窗玻璃的所述介电常数差异不超过3。

9、在优选实施方案的另一个变化中，介电波导匹配件包括至少一个由一种或多种固体介电材料制成的部件，每种所述固体介电材料的介电常数均高于3。

10、在优选实施方案的再一个变化中，天线单元元件为外部独立天线单元，适于通过信号电缆连接至无线电设备，或连接至无线电设备/系统内安装的天线组件。

11、在一个具体实施方式中，介电辐射元件、介电波导匹配件和电磁波反射器具有光学透明、半透明或局部透明特性。

12、在优选实施方案的一个变化中，电磁波反射器包含导电表面、导电网格表面、介电常数至少为20的高介电常数基板，或它们的任意组合；电磁波反射器被配置为在预定中心工作频率下反射至少50%的电磁波，并且电磁波反射器作为天线单元元件的电磁反射接地（electromagnetic reflective ground）。

13、优选地，电磁波反射器被配置为在预定中心工作频率下反射至少70%的电磁波。

14、在优选实施方案的一个变化中，介电辐射元件至少部分地由一种或多种固体介电材料构成，每种所述固体介电材料的介电常数均高于4。

15、在优选实施方案的另一个变化中，天线信号馈电电路包含以下一种或多种方式：介质谐振天线（dra）接地槽激励馈电、dra近场馈电、密集贴片近场馈电、探针馈电、以及侧向耦合馈电。这些馈电类型能够向介质谐振器元件传输或接收信号耦合，适用于单馈电、双馈电或多输入多输出（mimo）馈电等配置。

16、在优选实施方案的再一个变化中，介电波导匹配件通过金属条加载以诱导相位偏移，从而影响距离d。

17、在优选实施方案的再一个变化中，介电辐射元件相对于介电波导匹配件呈偏移或倾斜配置，以实现向所述窗玻璃的内侧或外侧弯曲的辐射模式，从而形成一个或多个额外折射路径。这些路径与窗玻璃保持谐振，产生叠加的辐射指向性模式。

18、在优选实施方案的再一个变化中，天线单元元件包含两个介电波导匹配件，它们分别被配置于窗玻璃的内侧和外侧，以实现沿窗玻璃方向的谐振，并将辐射波引导至介电辐射元件与窗玻璃周围进行全向辐射。

19、在优选实施方案的再一个变化中，目标物体的窗玻璃为双层玻璃结构，内外玻璃板间距超过6毫米。距离d被定义为从窗玻璃的第一侧的内层玻璃板的最外边缘至电磁反射接地面的厚度。

20、在优选实施方案的再一个变化中，天线单元元件还包括位于窗玻璃的第二侧的最外边缘的介电窗部件；其中距离d被定义为电磁波反射器与介电窗部件的最外边缘之间的距离，且介电窗部件的介电常数大于4。

21、在优选实施方案的再一个变化中，介电波导匹配件呈穹顶状以引入相位偏移，使其向更宽角度方向偏移。该附加相位偏移（含空气介质）将被纳入总距离条件d = d + 0.5nλg中，以实现更宽的辐射角度，该条件与距离d的设定相符。

22、在优选实施方案的再一个变化中，天线单元元件，还包括介电常数介于2至3.5之间的低介电常数贴片（假设窗玻璃具有大于6的中等介电常数εr），其适于被粘贴在所述窗玻璃的最外侧或所述介电波导匹配件的最外侧，可进一步增强增益并减少窗玻璃反射。

23、波导匹配件（可与辐射元件集成）设置于辐射元件与目标物体窗玻璃之间，该结构便于电磁辐射在两者间传输。电磁波反射器相对于辐射元件更远离窗玻璃。

24、波导匹配件通过匹配其与窗玻璃组合体空气侧反射的波路，使辐射元件表面距离保持恒定，从而维持主瓣辐射路径r方向上0.5

nλg的驻波条件（其中

n为整数，λg为介质在预定中心频率下的合成波长）。需注意上述公式中包含0.5λg系数，用于补偿因窗口玻璃反射导致的180度相位变化。

25、可选地，天线附接的目标物体可为建筑物的窗玻璃、汽车的车窗玻璃、墙体的窗玻璃或任何物体/设备/机器的窗玻璃。

26、可选地，天线装置可包含单个或多个辐射元件，这些不同辐射元件可为同类或异类元件，其介电常数均大于4，以维持共振模式，实现与信号馈线电磁波耦合时的辐射共振。

27、可选地，介质辐射元件构成介质谐振器天线阵列的一部分。可选地，天线装置包含介质谐振器天线阵列，且辐射元件属于该阵列的组成部分。

28、可选地，介电辐射元件具有实质光学透明性（即由实质上光学透明的材料制成）。例如，该辐射元件的透明度或光透射率（针对可见光）可达70%以上、80%以上、90%以上、95%以上或99%以上。

29、可选地，介电辐射元件由一种或多种玻璃、水晶或陶瓷材料制成。

30、可选地，介电辐射元件可部分由任意形状的介电材料构成，其中该介电辐射元件的合成介电常数大于4，以维持共振模式，使其在与信号馈线耦合时实现辐射共振。

31、可选地，介电辐射元件由蓝宝石玻璃（al2o3）、钠钙玻璃或水晶玻璃制成。

32、波导匹配件可与介电辐射元件分离或集成。

33、可选地，波导匹配件由硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、水晶玻璃和铅玻璃中至少一种制成。

34、可选地，波导匹配件可部分由任意形状的介电材料构成。

35、可选地，波导匹配件可嵌入金属条以诱导影响距离d的相位偏移。该附加相位偏移将纳入总距离条件d = d + 0.5nλg。

36、可选地，波导方向匹配件具有实质光学透明性（即由实质上光学透明的材料制成）。例如，该匹配件的透明度或可见光透射率可达70%以上、80%以上、90%以上、95%以上或99%以上。

37、天线馈电电路可选配多种馈电机制，包括但不限于：介质谐振天线（dra）接地槽激励馈电、dra近场馈电、密集贴片近场馈电、探针馈电及侧向耦合馈电。

38、电磁波反射器可选地包含全导电或部分导电的电工材料，包括但不限于ito（氧化铟锡）、金属网膜、金属网玻璃、金属网、部分导电贴片、fto（氟掺杂氧化锡）、石墨烯或其他导电材料。

39、可选地，电磁波反射器具有实质性或部分光学透明性（即由实质上光学透明且导电的材料制成）。

40、可选地，电磁波反射器全部或部分由介电常数极高的材料构成，例如氧化锆、铌酸锂（linbo3）、高介电常数玻璃及高介电常数陶瓷，其能够反射目标频率下的信号的至少50%。

41、可选地，天线装置具有实质性光学透明性。例如，整个天线装置的透明度或透光率（针对可见光）可达70%以上、80%以上或90%以上。

42、在本发明的第二个方面，提供了一种形成天线装置附接结构的方法。该方法包括将上述第一方面的天线装置附接于结构体，使波导匹配件位于介质辐射元件与结构体窗玻璃之间。

43、在本发明的第三个方面，提供一种用于附接于结构的介质谐振器天线装置。该装置包含具有介质谐振元件的介质谐振天线，以及与介质谐振元件可操作耦合或已操作耦合的匹配件。匹配件布置于介质谐振元件与结构体之间，以便当介质谐振天线装置附接于结构体时，促进介质谐振元件与结构体之间的电磁辐射传输。介质谐振元件具有第一介电常数或有效介电常数。匹配件被配置为具有小于第一介电常数或有效介电常数的第二介电常数或有效介电常数。第四方面的介质谐振器天线装置可视为第一方面天线装置的具体实例。因此，本文中与第一方面天线装置相关的任何特征均可酌情适用于第四方面的介质谐振器天线装置。

44、在本发明的第四个方面，提供了一种天线装置附接结构。该结构包含主体结构及附接其上的根据第四个方面的介质谐振器天线装置，其中匹配件设置于辐射元件与主体结构之间。主体结构可附接多个第四个方面介质谐振器天线装置。

45、在本发明的第五个方面，提供了一种用于附接于结构的介质谐振器天线阵列装置。该装置包含具有多个介质谐振器元件的天线阵列，以及用于与介质谐振器元件操作性耦合或已操作性耦合的匹配件。匹配件设置于介质谐振元件与结构体之间，以便当介质谐振天线阵列装置连接至结构体时，促进电磁辐射在介质谐振元件与结构体之间的传输。每个介质谐振元件具有第一介电常数或有效介电常数。匹配件被配置为具有小于第一介电常数或有效介电常数的第二介电常数或有效介电常数。下述的第六个方面的介质谐振器天线阵列装置可视为第一个方面天线装置的具体实例。因此，本文中与第一个方面天线装置相关的任何特征均可酌情适用于第六个方面的介质谐振器天线阵列装置。

46、在本发明的第六个方面，提供了一种天线装置附接结构。该结构包含主体结构及附接其上的第六个方面介质谐振器天线阵列装置，匹配件设置于辐射单元与主体结构之间。主体结构可附接多个第六个方面介质谐振器天线阵列装置。

47、在某些实施例中，上述一个或多个方面的天线装置可在一个或多个毫米波频段工作，例如但不限于3.5ghz频段、5-6ghz频段、12ghz频段、28ghz频段及60ghz频段。

48、在某些实施例中，上述一个或多个方面的天线装置可作为发射天线装置和/或接收天线装置运行。

49、本发明的其他特征和方面将通过参考详细说明及附图变得显而易见。本文所述任一特征（或特征组合）可与其他特征（或特征组合）进行适当组合，以满足不同实施例的需求。

50、诸如“通常”、‘约’、“实质上”等程度表述根据上下文使用，以涵盖制造公差、性能衰减趋势及实际应用中的倾向性等因素。例如，当数值受“约”等程度术语修饰时，该表述包含所述数值±15%、±10%、±5%、±2%或±1%的范围。除非另有说明，本文所称“实质上光学透明”通常指透明度或可见光透射率超过70%。

51、除非另有说明，术语“连接”、“耦合”、‘安装’、“附接”等均涵盖直接与间接连接、耦合、安装、附接等情形。