毫米波天线装置和包括这种装置的模块的制作方法

1.本发明涉及一种包括天线阵列和人工介电结构的毫米波天线装置。


背景技术：

2.电子设备需要支持越来越多的蜂窝无线电技术，如2g/3g/4g无线电以及非蜂窝无线电技术。在即将到来的5g新空口技术中，使用的频率范围将从6ghz以下频率扩展到毫米波(millimeter-wave，mmwave)频率，即20ghz以上。对于毫米波频率，天线阵列将用于形成具有较高增益的辐射波束，以克服传播介质中较高的路径损耗。然而，增益较高的辐射波束图案导致波束宽度较窄，因此，使用了相控天线阵列等波束控制技术，以按需将波束引导到特定方向。
3.智能手机和平板电脑等移动电子设备能够以任意方向使用。因此，这种装置需要表现出尽可能接近全球面波束覆盖，导致必须实现双极化，以便在所有方向和方位上实现稳定的通信。
4.通常，毫米波天线在模块中实现，所述模块又固定到装置的主印刷电路板(printed circuit board，pcb)上。所述pcb可以包括天线阵列，其中主辐射波束方向是宽边方向，即垂直于装置的显示器。所述pcb还可以配置成使得主辐射束方向是端射方向，即平行于装置的显示器。
5.由于为了实现能够满足需求的良好多表面球形波束覆盖，就必须加入若干模块，同时需包括宽边和端射天线方向性，因此导致可用空间有限，使得将这些模块集成到移动装置中具有挑战性。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种改进的毫米波天线装置。上述和其它目的通过独立权利要求的特征实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。
7.根据第一方面，提供了一种毫米波天线装置，包括至少一个第一天线阵列，所述第一天线阵列包括多个天线振子和叠加在所述第一天线阵列上的人工介电结构。人工介电结构包括多个由介电层分隔的导体层，所述每个导体层包括多个周期性重复的导体图案，每个导体层的一个导体图案与天线振子之一相关联，与一个天线振子相关联的导体图案至少部分不相同。
8.这种配置提供了一种实现多表面波束覆盖的方法，同时保持紧凑的占地面积。所述使用人工介电结构而不是天然介电材料的天线装置可靠稳定，并且由于天线阵列的表面形状而具有性能良好的特点，因此在组装时不需要考虑天线阵列与介电结构之间的物理接口。例如，不需要装配虚拟天线贴片以实现平坦天线阵列表面的步骤。此外，导体图案可以设计成使得人工介电结构获得高介电常数，同时仍然保持相对较低的高度。有了高人工介电常数，天线阵列的尺寸就可以变小，同时改进阵列的方向性。此外，这有助于实现各向异性人工介电结构，例如，对于不同的极化和/或不同的区域可以具有不同的人工介电常数。
9.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述天线振子为贴片天线。
10.在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一天线阵列和所述人工介电结构在平行平面上延伸，一个天线振子和至少一个导体层的一个导体图案在垂直于所述平面的方向上形成天线列。
11.在第一方面的另一种可能的实现方式中，一个导体层内的导体图案相同。
12.在第一方面的另一种可能的实现方式中，每个导体图案包括多个导体贴片，并且所述导体图案布置成使得一个导体层的一个导体图案与一个天线振子和至少一个另外的导体层的一个对应的导体图案叠加。
13.在第一方面的另一种可能的实现方式中，每个导体图案与相邻导体图案通过比导体图案内相邻导体贴片之间对应的介电间隙宽的介电间隙而与相邻导体图案分隔。这样使得每个天线振子耦合到具有高人工介电常数的区域，同时将天线振子彼此分隔。
14.在第一方面的另一种可能的实现方式中，每个导体图案的导体贴片由介电间隙分隔，从而将导体图案彼此分隔。
15.在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述导体贴片包含铜。
16.在第一方面的另一种可能的实现方式中，一个导体图案的导体贴片是在尺寸和/或形状上相同和不相同的导体贴片，有助于在整个人工介电结构中实现各向同性和各向异性。
17.在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述导体图案包括至少四个导体贴片。
18.在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述导体贴片为矩形，并以m
×
n矩阵图案排列。
19.在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述人工介电结构具有人工介电常数，并且每个介电层具有自然介电常数，所述人工介电常数至少部分取决于所述一个或多个自然介电常数。因为消除了天线阵列和介电结构之间的接口问题，所以这有助于实现比传统介电材料更可靠的介电结构。
20.在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述人工介电常数还取决于导体层的数量、相邻导体层之间的距离、导体贴片的尺寸以及一个导体图案内的导体贴片之间的间隙的尺寸，这使得所述人工介电常数会响应于各种特性而调谐。
21.在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述人工介电常数的值大于所述自然介电常数的值，从而实现了改进的绝缘性能。
22.在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述人工介电常数具有10到30之间的值，即属于相对较高的介电常数。
23.在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述人工介电结构与所述第一天线阵列集成，或者所述人工介电结构是连接到所述第一天线阵列上的独立结构。
24.在第一方面的另一种可能的实现方式中，每个导体图案耦合到至少一个开关，所述开关用于调整导体图案的尺寸和/或形状，而导体图案的变化又可以改变人工介电常数。
25.在第一方面的另一种可能的实现方式中，导体图案的大小和/或形状受控于开关的开启和关闭，从而提供了一种简单可靠的调谐人工介电常数的方法。
26.根据第二方面，提供了一种毫米波天线模块，所述模块包括根据上述实现方式的毫米波天线装置和用于至少容纳天线装置的基板。天线装置的第一天线阵列布置在基板的
一部分和天线装置的人工介电结构之间。这种配置提供了多表面波束覆盖，同时保持紧凑的占地面积。所述模块可以灵活设计，以支持单面或多面波束覆盖。
27.在第二方面的一种可能的实现方式中，所述基板包括第一基板区段和第二基板区段，所述第一基板区段和所述第二基板区段可选地通过第三基板区段互连，所述第二基板区段以一定角度向所述第一基板区段延伸，所述第一天线阵列布置在所述第一基板区段上。所述第三基板区段可以制成比所述第一基板区段和所述第二基板区段薄，使得它容易弯曲，并且也在包括天线模块的装置内占用尽可能小的空间。
28.在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述第一天线阵列与所述第一基板区段和/或所述第三基板区段集成，或者，所述第一天线阵列为连接到所述第一基板区段和/或所述第三基板区段上的独立结构，从而提高了装配公差和/或装配过程的灵活性。
29.在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述毫米波天线模块还包括至少一个第二天线阵列，所述第二天线阵列布置在所述第二基板区段上。这样使得天线模块包括端射天线振子和宽边天线振子，从而改善了天线模块的多表面波束覆盖。
30.在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述毫米波天线模块还包括射频集成电路，所述射频集成电路可选地布置在所述第二基板区段上。
31.在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述第二天线阵列布置在所述第二基板区段的第一侧上，所述射频集成电路布置在所述第二基板区段的第二侧上，这有助于实现尽可能小的模块占地面积。
32.在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述第一基板区段和/或所述第三基板区段包括用于在所述第一天线阵列和所述射频集成电路之间传输至少一个信号的传输线。
33.在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述基板是印制电路板。
34.根据第三方面，提供了一种装置，所述装置包括根据上述实现方式的毫米波天线模块、底盘和至少部分包围天线模块和底盘的外壳。这可以实现具有良好的多表面光束覆盖和紧凑的占地面积的装置。
35.在第三方面的一种可能的实现方式中，所述外壳至少包括主表面和沿着所述主表面的外围并与所述主表面成一定角度延伸的外围表面，所述天线模块的第一基板区段向邻近的所述外围表面延伸，所述天线模块的人工介电结构位于所述天线模块的第一天线阵列与所述外围表面之间，这种配置充分利用了装置内的现有空间。
36.在第三方面的另一种可能的实现方式中，所述天线模块的第二基板区段至少部分平行于主表面延伸，所述天线模块的第二天线阵列面向主表面，所述天线模块的射频集成电路面向外壳内部。这使得天线模块的性能得以提高，同时可以保护相关组件。
37.在第三方面的另一种可能的实现方式中，与天线模块的一个天线振子相关联的每个单独导体图案的尺寸和/或形状的配置取决于装置的相邻结构组件(可选地是外壳和/或底盘)，这使得可以考虑用于形成天线模块的紧邻环境的结构的特性。
38.在第三方面的另一种可能的实现方式中，紧邻所述装置的介电结构组件(可选地是后盖)布置的导体图案的导体贴片具有第一表面区域尺寸和/或形状。
39.紧邻所述装置的导电结构组件(可选地是底盘)布置的导体图案的导体贴片具有第二表面区域尺寸和/或形状。
40.本发明的这些和其它方面在下面描述的实施例中是显而易见的。
附图说明
41.在本发明的以下详细部分中，将参考附图中示出的示例性实施例更详细地解释各方面、实施例和实现方式，其中：
42.图1a示出了根据本发明实施例的人工介电结构的示意性侧视图；
43.图1b示出了根据本发明实施例的人工介电结构的不同导体层的顶视图；
44.图2a至e示出了根据本发明实施例的导体层的不同导体图案；
45.图3示出了根据本发明实施例的毫米波天线模块的透视图；
46.图4示出了图3的实施例的底视图；
47.图5示出了根据本发明实施例的毫米波天线模块的顶视图；
48.图6示出了根据本发明实施例的包括毫米波天线模块的装置的局部横截面视图；
49.图7示出了根据本发明实施例的毫米波天线装置的顶视图。
具体实施方式
50.图7示出了包括至少一个第一天线阵列2和叠加在第一天线阵列2上的人工介电结构3的毫米波天线装置1。
51.第一天线阵列2包括多个天线振子2a。天线振子2a可以是贴片天线。
52.如图1a所示，人工介电结构3包括由介电层5分隔的多个导体层4。通过焊接或粘合剂(如胶带或胶水)等方式，人工介电结构3可以与第一天线阵列2(未示出)集成，或者人工介电结构3可以是连接到第一天线阵列2上的单独结构，如图6和7所示。
53.每个导体层4包括多个周期性重复的导体图案6，如图1b所示。每个导体层4的一个导体图案6与天线振子2a中的一个相关联。
54.第一天线阵列2和人工介电结构3可以在平行的平面上延伸，一个天线振子2a和至少一个导体层4的一个导体图案6在垂直于平面的方向上形成天线列。换句话说，导体图案6可以布置成使得一个导体层4的一个导体图案6与一个天线振子2a和至少一个另外的导体层4的一个相应的导体图案6叠加。图1b示出了将与介电层5互相堆叠的多个导体层4，每个导体层4具有四个导体图案6，即可以形成四个天线列。
55.如图2a至e所示，每个导体图案6可以包括多个导体贴片6a。导体图案6可以由任何适当数量或尺寸的导体贴片6a组成，但仅包括一个导体贴片。图1b示出了从图的顶部看到的天线列，所述天线列包括具有12个导体贴片6a的导体图案6、具有4个导体贴片6a的导体图案6和具有6个导体贴片6a的导体图案6。
56.每个单独的导体层4内的导体图案6可以是相同的，然而，至少一个导体层4可以包括不相同的导体图案6，如图2a所示，其中两个最右边的导体图案6具有比两个最左边的导体图案6稍小的表面区域的导体贴片6a。这使得人工介电结构3相对于人工介电常数是各向异性的，例如具有不同的极化和/或不同的区域。此外，如图1b所示，与一个天线振子2a相关联的导体图案6可以至少部分不相同，即具有不同的形状、尺寸和/或数量的导体贴片6a。
57.每个导体图案6的导体贴片6a可以由介电间隙分隔，如图1b、2a至e和7所示。相应地，每个导体图案6可以通过比导体图案内相邻导体贴片6a之间的相应介电间隙宽的介电间隙与相邻导体图案6分隔，如图1b和7所示。
58.一个导体图案6的导体贴片6a可以是尺寸和/或形状相同的导体贴片6a，如图2a、
2d、2e和7所示，也可以是如图2b和2c所示的不相同的导体贴片6a。
59.导体图案6可以包括至少四个导体贴片6a。导体贴片6a可以是矩形的，并以m
×
n矩阵图案布置，如图1b、2a至e和7所示。导体贴片6a可以包含铜材料。
60.人工介电结构3具有人工介电常数，每个介电层5具有自然介电常数。人工介电常数至少部分取决于自然介电常数。人工介电常数还可以取决于导体层4的数量、相邻导体层4之间的距离、导体贴片6a的尺寸以及一个导体图案6内的导体贴片6a之间的间隙的尺寸。优选地，人工介电常数具有高于自然介电常数的值。人工介电常数的值可以在10和30之间的范围内，优选在20左右。
61.每个导体图案6可以耦合到至少一个开关13，如图2c所示。开关13用于调整导体图案6的尺寸和/或形状，导体图案6的这种变化反过来又会改变人工介电常数的值，使得可以根据特定需求调谐人工介电常数。通过开启和关闭开关13即可调整导体图案6的尺寸和/或形状，例如通过控制电压来开启和关闭开关13。
62.图3至5示出了包括上述毫米波天线装置1和用于至少容纳天线装置1的基板8的毫米波天线模块7。天线装置1的第一天线阵列2布置在基板8的一部分与天线装置1的人工介电结构3之间，使得人工介电结构3布置在第一天线阵列2的顶部，即，人工介电结构3布置得更靠近外部，而第一天线阵列2布置得更靠近包括天线模块7的装置的内部。基板8可以是印刷电路板。
63.基板8可以包括第一基板区段8a和第二基板区段8b，如图3至5所示。第一基板区段8a和第二基板区段8b可以通过第三基板区段8c互连，如图3和4所示。例如，第二基板区段8b以90
°
的角度延伸到第一基板区段8a，但也可以调整为任何合适的角度。
64.第一天线阵列2布置在第一基板区段8a上。第一天线阵列2可以集成到第一基板区段8a和/或第三基板区段8c(未示出)。第一天线阵列2也可以是连接到第一基板区段8a的单独结构，如图3至5所示，和/或连接到第三基板区段8c(未示出)。
65.毫米波天线模块7还可以包括至少一个第二天线阵列9，第二天线阵列9布置在第二基板区段8b上，如图3所示。所述天线模块7可以布置成使得第二基板区段8b和第二天线阵列9紧邻包括天线模块7的装置11的后盖延伸，如图3和4所示的实施例的情况。不具有第二天线阵列9的天线模块7可以布置成使得第二基板区段8b紧邻包括天线模块7的装置11的显示器延伸，如图5所示的实施例的情况。
66.毫米波天线模块7还可以包括射频集成电路10，射频集成电路10可选地布置在第二基板区段8b上，如图4所示。第一基板区段8a和/或第三基板区段8c可以包括传输线，所述传输线用于在第一天线阵列2和射频集成电路10之间传输至少一个信号。所述传输线可以在基板8上布线，并通过焊接或导电胶带等方式连接到射频集成电路10。
67.如图3所示，第二天线阵列9可以布置在第二基板区段8b的第一侧，射频集成电路10可以布置在第二基板区段8b的第二侧。
68.本发明还涉及一种装置11，所述装置包括根据上述实现方式的毫米波天线模块7、底盘13和至少部分地包围天线模块7的外壳12，如图6所示。外壳12至少包括盖(例如后盖)和显示器。
69.外壳12可以包括至少主表面12a，例如装置的显示侧或后盖侧，以及沿着主表面12a的外围并与主表面12a成角度延伸的外围表面12b，例如布置在装置的后盖侧和显示侧
之间的侧框架。
70.天线模块7布置成使得天线模块7的第一基板区段8a邻近外围表面12b延伸，天线模块7的人工介电结构3位于天线模块7的第一天线阵列2和外围表面12b之间，这使得第一天线阵列2可以实现端射。
71.天线模块7的第二基板区段8b可以至少部分地平行于主表面12a延伸，即平行于显示侧和/或后盖侧延伸，并紧邻主表面12a或与主表面12a保持一定距离。如果第二基板区段8b设置有第二天线阵列9，则第二天线阵列9优选地布置成面向主表面12a。天线模块7的射频集成电路10面向外壳12的内部，例如面向底盘13。图3和4所示的天线模块7如果按图6所示布置，将使得第二天线阵列9以后盖的形式布置在主表面12a附近，并使得第二天线阵列9仅在后盖的方向上辐射，即形成所谓的宽边辐射。显示器方向的辐射将被导电显示器阻挡。图5中所示的天线模块7按图6所示布置，所述模块将不包括第二天线阵列9。因此，第二基板区段8b可以以显示器的形式布置在主表面12a附近。如果将射频集成电路10布置在第二基板区段8b上，所述电路可以布置在底盘13和显示主表面12a之间，或者可选地布置在底盘13和后盖主表面12a之间。
72.与一个特定天线振子2a相关联的每个单独导体图案6的尺寸和/或形状的配置取决于装置11的任何相邻结构组件的特性，例如外壳12和/或底盘13。紧邻所述装置的介电结构组件(例如由玻璃或塑料制成的后盖)布置的导体图案的导体贴片6a可以具有第一表面区域尺寸和/或形状。相应地，紧邻所述装置的导电结构组件(例如由钢或铝制成的底盘)布置的导体图案的导体贴片6a可以具有第二表面区域尺寸和/或形状。第一表面区域可以大于所述第二表面区域，反之亦然。
73.本文已经结合各种实施例描述了各个方面和实现方式。但是，本领域技术人员在实践所请求保护的主题时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，能够理解和实现所公开实施例的其它变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，术语“一”或者“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。
74.权利要求书中使用的附图标记不应当被解释为限制范围。除非另有说明，否则附图(例如，交叉阴影、部件设置、比例、度数等)应结合说明书一起阅读，并应被视为本发明的整个书面描述的一部分。如在描述中使用的，术语“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“向上”和“向下”，以及其形容词和副词派生词(例如，“水平”、“向右”、“向上”等)，仅指特定绘图面向读者时所示结构的方向。类似地，术语“向内”和“向外”通常是指表面相对于其伸长轴线或旋转轴线的定向，具体视情况而定。

技术特征：
1.一种毫米波天线装置(1)，其特征在于，包括：至少一个第一天线阵列(2)，所述第一天线阵列(2)包括多个天线振子(2a)；叠加在所述第一天线阵列(2)上的人工介电结构(3)；所述人工介电结构(3)包括由介电层(5)分隔的多个导体层(4)，每个导体层(4)包括多个周期性重复的导体图案(6)，每个导体层(4)的一个导体图案(6)与所述天线振子(2a)中的一个相关联，与一个天线振子(2a)相关联的导体图案(6)至少部分不相同。2.根据权利要求1所述的毫米波天线装置(1)，其特征在于，每个导体图案(6)包括多个导体贴片(6a)，所述导体图案(6)布置成使得一个导体层(4)的一个导体图案(6)与一个天线振子(2a)和至少一个另外的导体层(4)的一个相应的导体图案(6)叠加。3.根据权利要求1或2所述的毫米波天线装置(1)，其特征在于，所述人工介电结构(3)具有人工介电常数，并且每个介电层(5)具有自然介电常数，所述人工介电常数至少部分取决于所述一个或多个自然介电常数。4.根据权利要求3所述的毫米波天线装置(1)，其特征在于，所述人工介电常数还取决于导体层(4)的数量、相邻导体层(4)之间的距离、所述导体贴片(6a)的尺寸以及在一个导体图案内的导体贴片(6a)之间的间隙的尺寸。5.根据权利要求3或4所述的毫米波天线装置(1)，其特征在于，所述人工介电常数的值大于所述自然介电常数的值。6.根据权利要求3至5中任一项所述的毫米波天线装置(1)，其特征在于，每个导体图案(6)耦合到至少一个开关(13)，所述开关用于调整所述导体图案(6)的尺寸和/或形状，所述导体图案(6)的变化反过来又可以改变所述人工介电常数。7.一种毫米波天线模块(7)，其特征在于，包括：根据权利要求1至6中任一项所述的毫米波天线装置(1)；用于至少容纳所述天线装置(1)的基板(8)；所述天线装置(1)的第一天线阵列(2)布置在所述基板(8)的一部分和所述天线装置(1)的人工介电结构(3)之间。8.根据权利要求7所述的毫米波天线模块(7)，其特征在于，所述基板(8)包括第一基板区段(8a)和第二基板区段(8b)，所述第一基板区段(8a)和所述第二基板区段(8b)可选地通过第三基板区段(8c)互连，所述第二基板区段(8b)以一定角度向所述第一基板区段(8a)延伸，所述第一天线阵列(2)布置在所述第一基板区段(8a)上。9.根据权利要求8所述的毫米波天线模块(7)，其特征在于，还包括至少一个第二天线阵列(9)，所述第二天线阵列(9)布置在所述第二基板区段(8b)上。10.根据权利要求8或9所述的毫米波天线模块(7)，其特征在于，还包括射频集成电路(10)，所述射频集成电路(10)可选地布置在所述第二基板区段(8b)上。11.根据权利要求9和10所述的毫米波天线模块(7)，其特征在于，所述第二天线阵列(9)布置在所述第二基板区段(8b)的第一侧上，所述射频集成电路(10)布置在所述第二基
板区段(8b)的第二侧上。12.根据权利要求10或11所述的毫米波天线模块(7)，其特征在于，所述第一基板区段(8a)和/或所述第三基板区段(8c)包括用于在所述第一天线阵列(2)和所述射频集成电路(10)之间传输至少一个信号的传输线。13.根据权利要求7至12中任一项所述的毫米波天线模块(7)，其特征在于，所述基板(8)为印刷电路板。14.一种装置(11)，所述装置包括根据权利要求1至13中任一项所述的毫米波天线模块(7)、底盘(13)和至少部分包围所述天线模块(7)和所述底盘(13)的外壳(12)。15.根据权利要求14所述的装置(11)，其特征在于，所述外壳(12)至少包括主表面(12a)和沿着所述主表面(12a)的外围并与所述主表面(12a)成一定角度延伸的外围表面(12b)，所述天线模块(7)的第一基板区段(8a)邻近所述外围表面(12b)延伸，所述天线模块(7)的人工介电结构(3)位于所述天线模块(7)的第一天线阵列(2)和所述外围表面(12b)之间。16.根据权利要求14或15所述的装置(11)，其特征在于，所述天线模块(7)的第二基板区段(8b)至少部分平行于所述主表面(12a)延伸，所述天线模块(7)的第二天线阵列(9)面向所述主表面(12a)，所述天线模块(7)的射频集成电路(10)面向所述外壳(12)的内部。17.根据权利要求14至16中任一项所述的装置(11)，其特征在于，与所述天线模块(7)的一个天线振子(2a)相关联的每个单独导体图案(6)的尺寸和/或形状配置取决于所述装置(11)的相邻结构组件，可选地是所述外壳(12)和/或所述底盘(13)。

技术总结
提供了一种毫米波天线装置(1)，所述毫米波天线装置包括至少一个第一天线阵列(2)，所述第一天线阵列(2)包括多个天线振子(2a)，例如贴片天线，以及叠加在所述第一天线阵列(2)上的人工介电结构(3)。所述人工介电结构(3)包括由介电层(5)分隔的多个导体层(4)，每个导体层(4)包括多个周期性重复的导体图案(6)。每个导体层(4)的一个导体图案(6)与所述天线振子(2a)中的一个相关联，并且与一个天线振子(2a)相关联的导体图案(6)至少部分不相同。所述人工介电结构(3)具有人工介电常数，并且每个介电层具有自然介电常数，所述人工介电常数至少部分取决于自然介电常数，优选具有10


技术研发人员：田瑞源 珍妮
受保护的技术使用者：华为技术有限公司
技术研发日：2020.11.24
技术公布日：2023/8/5