CN106471671A - 集成在多层印刷电路板上的天线馈电器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及为支持更高的数据速率而提供的预第五代(5G)或5G通信系统，超第四代(4G)通信系统，第四代(4G)通信系统诸如长期演进LTE。发射机包括用于将天线馈电器集成到多层印刷电路板(PCB)中的设备。本设备包括布置在具有缝隙开口的多层PCB之上的天线元件，缝隙开口基本上互相重叠并且使得RF信号能够从位于多层PCB导电层中的一个上的印刷传输线耦合。多层PCB板包括至少一个收发器单元和基带单元，使得在不降低天线带宽和效率的情况下将天线馈电器、收发器和基带单元集成到单个多层PCB板上。

Description

集成在多层印刷电路板上的天线馈电器
技术领域
本申请大体涉及无线通信装置，并且更具体地，涉及集成在多层印刷电路板上的天线馈电器。
背景技术
为满足对由于第四代(4G)通信系统的发展而增加的无线数据通信量的需要，已经为研发改进的第五代(5G)或预5G通信系统做出了努力。因此，5G或预5G通信系统也称为“超4G网络”或“后长期演进(LTE)系统”。
5G通信系统被认为是在例如60GHz波段的更高频率(毫米波)波段中实施，以便实现更高的数据速率。为了减少无线电波的传播损耗并且增大传输距离，在5G通信系统中讨论了波束成形、大规模多输入多输出(MIMO)、全维度MIMO(FD-MIDO)、阵列天线、模拟波束成形、大规模天线技术。
另外，在5G通信系统中，正在基于先进小小区、云无线接入网络(RAN)、超密度网络、装置到装置(D2D)通信、无线回程、移动网络、协作通信、协作多点(CoMP)、接收端干扰消除等进行用于系统网络改进的研发。
在5G系统中，已经研发了作为先进编码调制(ACM)的混合频率移位键控(FSK)、正交幅度调制(FQAM)和滑动窗叠加编码(SWSC)、以及作为先进接入技术的滤波器组多载波(FBMC)、非正交多址接入(NOMA)和稀疏编码多址接入(SCMA)。
FD-MIMO应用在基站(BS)处排列成二维点阵的大量有源天线元件。这样，BS阵列能够以提供充分的自由度来支持多用户MIMO(MU-MIMO)的方位角和仰角波束成形。基站的工作频率取决于频谱可用性、服务供应商和所使用的双工方案。例如，LTE TDD波段#41(2.496-2.69GHz)和#42(3.4-3.6GHz)以及FDD波段#7(2.5-2.57GHz UL和2.62-2.69GHzDL)以及#22(3.41-3.5GHz UL和3.51-3.6GHz DL)为FD-MIMO提供适当波谱。在这些频率波段处，波长在8-12厘米的范围内，鉴于FD-MIMO系统可由几百个有源天线组成，因此天线系统相对庞大。因而，有必要进行高度集成来保持总体较小的形状因数、低成本、轻重量并且避免不必要的功率损耗。这意味着构成有源天线系统的多个板(诸如，天线板、天线馈电板、收发器板和基带板)需要集成到一个紧凑单元中。
通常，集成收发器板和基带板需要多层PCB技术和极高效的系统架构。然而，天线和天线馈电板集成并不简单，因为其通常导致频带宽度和效率的损失。
发明内容
技术方案
在第一实施方式中，提供了天线系统。该天线系统包括布置成与多层印刷电路板(PCB)层叠接近的天线元件。多层PCB层叠包括多个交替的导电层和介电层，其中，第一导电层配置为用作天线接地面层并且包括缝隙开口，该缝隙开口的横向尺寸小于天线元件的横向尺寸，第二导电层配置为用作屏蔽层，第三导电层配置为用作系统接地面层。多层PCB层叠还包括至少两个第一缝隙开口，该至少两个第一缝隙开口的横向尺寸小于天线元件的横向尺寸，该至少两个第一缝隙开口布置在类似的横向位置处并且穿过至少两个连续的导电层，使得第一缝隙开口基本上互相重叠。所述多层PCB层叠还包括印刷在至少一个导电层上的传输线，传输线配置为传播射频(RF)信号并且配置为通过至少两个第一缝隙开口中的至少一个将RF信号耦合至天线元件。多层PCB层叠还包括具有配置为传播直流(DC)信号的部分的至少一个导电层。多层PCB层叠还包括电耦合至传输线的至少一个RF收发器单元和电耦合至RF收发器单元的至少一个基带处理单元。多层PCB层叠还包括多个导电层互连通孔，该多个导电层互连通孔使得所述多层PCB层叠中的所述接地面层与天线接地面层的部分之间、所述屏蔽层与所述导电层的部分之间能够电连接，该通孔布置成穿过所有导电层、跨多层PCB层叠的区域中不包括第一缝隙开口的实质部分分布。
根据以下附图、描述和权利要求，其它技术特征可对本领域技术人员显而易见。在本专利文件的全文中，对某些特定的词汇和短语进行了定义。本领域普通技术人员应理解的是，在绝大多数情况下，这些定义应用于这些所限定的词汇和短语的以往使用以及将来使用。
在开始以下具体实施方式之前，阐述在本专利文献全文中所使用的某些词汇和短于的定义可能是有利的。术语“耦合(couple)”及其派生词表示两个或更多元件之间的任何直接或间接通信，而不管这些元件是否互相物理接触。措辞“发送”、“接收”和“通信”及其派生词包括直接通信和间接通信。措辞“包括(include)”和“包括(comprise)”及其派生词表示没有限制的包括。措辞“或”是可兼的，表示和/或。短语“与……相关(associated with)”及其派生词表示包括(include)、包括在……中(be included within)、与……互连(interconnect with)、包含(contain)、包含在……中(be contained within)、连接至……或者与……连接(connect to or with)、耦合至……或与……耦合(couple to orwith)、可与……通信(be communicable with)、与……配合(cooperate with)、交叉(interleave)、并列(juxtapose)、与……接近(be proximate to)、结合至……或与……结合(be bound to or with)、具有……性质(have a property of)、与……有关系或和……有关系(have a relationship to or with)等。术语“控制器”表示控制至少一个操作的任何装置、系统或其部分。这种控制器可在硬件中实现或可在硬件和软件和/或固件的组合中实现。与任一特定控制器相关的功能都可以为集中式或分布式，无论是本地还是远程。当短语“中的至少一个”与项目的列表一起使用时，表示可使用所列项目中一个或多个的不同组合，并且可需要列表中的仅一个项目。例如“A、B和C中的至少一个”包括以下组合中的任一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A和B和C。
附图说明
为了更完全理解本公开及其优点，现参考结合附图所作出的以下描述，其中，相同的附图标记表示相同的部件：
图1示出了根据本公开的示例性无线网络；
图2A和图2B示出了根据本公开的示例性无线发送与接收路径；
图3A示出了根据本公开的示例性用户设备(UE)；
图3B示出了根据本公开的示例性演进型Node B(eNB)；
图4示出了使用缝隙耦合微带的贴片天线馈电器；
图5示出了多层印刷电路板(PCB)贴片天线馈电器；
图6示出了图4中典型的缝隙馈电器与图5中多层PCB缝隙馈电器的史密斯圆图天线阻抗；
图7示出了使用连接件附接至多层PCB的天线馈电电路的图示；
图8示出了根据本公开集成到多层PCB中的天线馈电电路；
图9示出了根据本公开集成有天线馈电设备的多层PCB板；
图10示出了根据本公开位于所提出的天线馈电多层PCB之上的双极化天线贴片板；
图11示出了根据本公开的偶极天线组件；以及
图12和图13示出了根据本公开从图11的偶极天线PCB板到多层PCB的过渡。
具体实施方式
在本专利文献中，以下讨论的图1至图13以及用来描述本公开的原理的多个实施方式仅用作示例，并且不应以任何限制本公开的范围的方式解释。本领域技术人员将理解的是，本公开的原理可以在任何适当布置的无线通信装置中实施。
图1示出了根据本公开的示例性无线网络100。图1中示出的无线网络100的实施方式仅用作示例。在不脱离本公开的范围的情况下，可使用无线网络100的其他实施方式。
如图1所示，无线网络100包括eNodeB(eNB)101、eNB 102和eNB 103。eNB 101与eNB102和eNB 103通信。eNB 101还与至少一个网间协议(IP)网络130(诸如因特网、专有IP网络或其他数据网络)通信。
根据网络类型，也可使用其他公知的术语代替“eNodeB“或“eNB”，诸如使用“基站“或“接入点”。为方便起见，在本专利文件中使用术语“eNodeB”和“eNB”来表示向远程终端提供无线接入的网络基础设施构件。此外，根据网络类型，可使用其他公知的术语(诸如，“移动电台”、“用户服务站”、“远程终端”、“无线终端”或“用户装置”)来代替“用户设备”或“UE”。为方便起见，无论UE是移动装置(诸如，移动电话或智能电话)还是通常被认为是固定装置(例如，台式计算机或自动售货机)，在本专利文献中都使用术语“用户设备”和“UE”来表示无线地接入eNB的远程无线设备。
eNB 102为在eNB 102的覆盖区120内的第一多个用户设备(UE)提供向网络130的无线宽带接入。第一多个UE包括：可位于小型企业(SB)内的UE 111；可位于企业(E)内的UE112；可位于WiFi热点(HS)内的UE 113；可位于第一住宅(R)的UE 114；可位于第二住宅(R)中的UE 115；以及可以是如手机、无线膝上计算机、无线PDA等的移动装置(M)的UE 116。eNB103为eNB 103的覆盖区125内的第二多个UE提供向网络130的无线宽带接入。第二多个UE包括UE 115和UE 116。在一些实施方式中，eNB 101-103中的一个或多个可使用5G、LTE、LTE-A、WiMAX或其他先进无线通信技术来互相通信并且与UE 111-116通信。
虚线示出了覆盖区120和125的大概范围，仅为了图示和说明的目的，将覆盖区120和125示出成近似圆形。应清楚地理解，与eNB相关的覆盖区(诸如覆盖区120和125)可根据eNB的配置以及与自然和人为干扰相关的无线电环境变化而具有包括不规则形状的其他形状。
如以下更详细地描述的，eNB 101-103中的一个或多个包括用于将天线馈电器集成到包括多个导电层和介电层的多层PCB中的设备。天线馈电板被集成到多层PCB板上，该多层PCB板包括其余关键的电信系统构件(诸如，收发器单元和基带单元中的至少一个)。所集成的板的总体厚度小于2.54毫米(0.100”)，并且可以以低成本和高可靠性进行大量生产。
虽然图1示出了无线网络100的一个示例，但是可对图1进行各种改变。例如，在任一适当的布置中，无线网络100可包括任何数量的eNB和任何数量的UE。此外，eNB 101可以与任何数量的UE直接通信，并且向这些UE提供向网络130的无线宽带接入。同样地，每个eNB102-103可以与网络130直接通信，并且为UE提供向网络130的直接无线宽带接入。而且，eNB101、102和/或103可提供向其它或附加的外部网络(诸如，外部电话网络或其它类型的数据网络)的接入。
图2A和图2B示出了根据本公开的示例性无线发送与接收路径。在以下描述中，发送路径200可描述成在eNB(诸如eNB 102)中实施，而接收路径250可描述为在UE(例如UE116)中实施。然而，将理解的是，接收路径250可在eNB中实施，并且发送路径200可在UE中实施。在一些实施方式中，发送路径200和接收路径250包括用于将天线馈电器集成到包括多个导电层和介电层的多层PCB中的设备。
发送路径200包括信道编码与调制块205、串行到并行(S到P)块210、采样数为N的快速傅里叶逆变换(IFFT)块215、并行到串行(P到S)块220、添加循环前缀块225和上转换器(UC)230。接收路径250包括下转换器(DC)255、去循环前缀块260、串行到并行(S到P)块265、采样数为N的快速傅里叶变换(FFT)块270、并行到串行(P到S)块275和信道解码与调制块280。
在发送路径200中，信道编码与调制块205接收信息位的集合、实施编码(诸如低密度奇偶校验(LDPC)编码)，并且对输入位进行调制(例如四相移相键控(QPSK)或正交幅度调制(QAM))以产生频域调制符号的序列。串行到并行块210将串行调制符号转换(例如，解复用)成并行数据来产生N个并行符号流，其中，N是eNB 102和UE 116中使用的IFFT/FFT采样数。采样数为N的IFFT块215对N个并行符号流执行IFFT操作以产生时域输出信号。并行到串行块220转换(例如，复用)来自采样数为N的IFFT块215的并行时域输出符号以产生串行时域信号。添加循环前缀块225将循环前缀插入到时域信号。上转换器230将添加循环前缀块225的输出调制(例如，上转换)成用于通过无线信道传输的RF频率。信号在转换为RF频率之前还可在基带处滤波。
来自eNB 102的所发送的RF信号在穿过无线信道之后到达UE 116，并且在UE 116处执行与在eNB 102处执行的那些操作相逆的操作。下转换器255将所接收的信号下转换成基带频率，并且去循环前缀块260去除循环前缀，以产生串行时域基带信号。串行到并行块265将时域基带信号转换成并行时域信号。采样数为N的FFT块270执行FFT算法来产生N个并行频域信号。并行到串行块275将并行频域信号转换成经调制的数据符号的序列。信道解码与解调块280解调并解码经调制的符号，以恢复初始输入数据流。
eNB 101-103中的每个可实现与下行链路中向UE 111-116的发送相似的发送路径200，并且可实现与上行链路中从UE 111-116的接收相似的接收路径250。同样地，UE 111-116中的每个可实现用于在上行链路中向eNB101-103的发送的发送路径200，并且可实现用于在下行链路中从eNB 101-103的接收的接收路径250。
图2A和图2B中的每个构件可仅使用硬件或使用硬件与软件/固件的组合实现。作为具体示例，图2A和图2B中的至少一部分构件可通过软件实现，而其他构件可通过可配置硬件或软件与可配置硬件的结合实现。例如，FFT块270和IFFT块215可实现为可配置的软件算法，其中，采样数N的值可根据实施例而进行修改。
此外，虽然本公开被描述为使用FFT和IFFT，但是，这仅用作示例并且不应被解释为限制本公开的范围。可使用其他类型的变换式(诸如离散傅里叶变换(DFT)方程和离散傅里叶逆变换(IDFT)方程)。将理解的是，对于DFT方程和IDFT方程，变量N的值可以是任何整数(诸如1、2、3、4等)，而对于FFT方程和IFFT方程，变量N的值可以是为2的幂的任何整数(例如，1、2、4、8、16等)。
虽然图2A和图2B示出了无线发送与接收路径的示例，但是可对图2A和图2B作出各种改变。例如，图2A和图2B中的各种构件可结合、进一步再分或省略，并且可根据特定需要添加其他构件。此外，图2A和图2B旨在示出可用于无线网络的发送与接收路径的类型的示例。可使用任何其他适当的架构来支持无线网络中的无线通信。
图3A示出了根据本公开的示例性UE 116。图3中示出的UE 116的实施方式仅用作示例，并且图1A的UE 111-115可具有相同或类似的配置。然而，UE以多种配置出现，并且图3A不将本公开的范围限制到UE的任何具体实施例。
UE 116包括多个天线305a-305n、射频(RF)收发器310a-310n、发送(TX)处理电路315、扩音器320以及接收(RX)处理电路325。TX处理电路315和RX处理电路325分别耦合至RF收发器310a-310n中的每个，例如，分别耦合至与天线305a、天线305b和第N个天线305n耦合的RF收发器310a、RF收发器210b至第N个RF收发器310n。在某些实施方式中，UE 116包括单个天线305a和单个RF收发器310a。在某些实施方式中，天线305中的一个或多个包括用于将天线馈电器集成到包括多个导电层和介电层的多层PCB的设备。UE 116还包括扬声器330、主处理器340、输入/输出(I/O)接口(IF)345、键盘350、显示器355和存储器360。存储器360包括基本操作系统(OS)程序361和一或多个应用362。
RF收发器310a-310n从相应的天线305a-305n接收由网络100的eNB或AP发送的输入RF信号。在某些实施方式中，RF收发器310a-310n中的每个与相应的天线305a-305n被配置用于特定的频率波段或技术类型。例如，第一RF收发器310a和天线305a可配置为通过近场通信(诸如蓝牙)来进行通信，而第二RF收发器310b和天线305b可配置为通过IEEE 802.11通信(诸如Wi-Fi)来进行通信，并且另一RF收发器310n和天线305n可配置为通过蜂窝式通信(诸如3G、4G、5G、LTE、LET-A或WiMAX)进行通信。在某些实施方式中，RF收发器310a-310n中的一个或多个与相应的天线305a-305n被配置用于特定的频率波段或相同的技术类型。RF收发器310a-310n对输入RF信号进行下转换来产生中频(IF)信号或基带信号。IF信号或基带信号被发送至RX处理电路325，RX处理电路325通过对基带信号或IF信号进行滤波、解码和/或数字化来产生经处理的基带信号。RX处理电路325将经处理的基带信号发送至扬声器330(诸如对于语音数据)或发送至主处理器340以供进一步处理(诸如对于网页浏览数据)。
TX处理电路315从扩音器320接收模拟语音或数字语音，或者从主处理器340接收其他输出基带数据(诸如网页数据、电子邮件或交互式视频游戏数据)。TX处理电路315对输出基带数据进行编码、复用和/或数字化，以产生经处理的基带信号或IF信号。RF收发器310a-310n从TX处理电路315接收输出的经处理的基带信号或IF信号，并且将基带信号或IF信号上转换成通过天线305a-305n中的一个或多个发送的RF信号。
主处理器340可包括一个或多个处理器或其他处理装置，并且执行存储在存储器360中的基本OS程序361来控制UE 116的总体操作。例如，根据公知的原理，主处理器340可通过RF收发器310a-310n、RX处理电路325和TX处理电路315来控制正向信道信号的接收和反向信道信号的发送。在一些实施方式中，主处理器340包括至少一个微处理器或微控制器。
主处理器340还能够执行存储器360中存在的其他处理和程序。主处理器340可根据执行过程的需要将数据移动到存储器360中或从存储器360中移出。在一些实施方式中，主处理器340配置为基于OS程序361或响应于从eNB或操作员接收到的信号来执行应用362。主处理器340还耦合至I/O接口345，I/O接口345使UE 116能够连接至其他装置(诸如，膝上型计算机和便携计算机)。I/O接口345是这些配件与主控制器340之间的通信路径。
主处理器340还耦合至键盘350和显示单元355。UE 116的用户可使用键盘350来将数据输入到UE 116中。显示器355可以是液晶显示器或能够呈现文本或至少有限图形(诸如来自网站)或者文本和有限图形的组合的其他显示器。
存储器360耦合至主处理器340。存储器360的一部分可包括随机存取存储器(RAM)，并且存储器360的另一部分可包括闪速存储器或其它只读存储器(ROM)。
虽然图3A示出了UE 116的一个示例，但是可对图3作出各种改变。例如，图3A中的各种构件可结合、进一步再分或省略，并且可根据特定需要添加其他构件。作为具体示例，主处理器340可划分为多个处理器，诸如一个或多个中央处理器(CPU)和一个或多个图形处理单元(GPU)。此外，虽然图3示出了配置成移动电话或智能电话的UE 116，但是UE可配置成如其他类型的移动装置或固定装置那样工作。
图3B示出了根据本公开的示例性eNB 102。图3B中所示的eNB 102的实施方式仅用作示例，并且图1的其他eNB可具有相同或类似的配置。然而，eNB以多种配置出现，并且图3B不将本公开的范围限制到eNB的任何具体的实施例。
eNB 102包括多个天线365a-365n、多个RF收发器370a-370n、发送(TX)处理电路375和接收(RX)处理电路380。eNB 102还包括控制器/处理器385、存储器390和回程或网络接口395。
RF收发器370a-370n从天线365a-365n接收输入RF信号(诸如，由UE或其他eNB发送的信号)。RF收发器370a-370n对输入RF信号进行下转换以产生IF信号或基带信号。IF信号或基带信号被发送至RX处理电路380，RX处理电路380通过对基带信号或IF信号进行滤波、解码和/或数字化来产生经处理的基带信号。RX处理电路320将经处理的基带信号发送至控制器/处理器385以供进一步处理。在某些实施方式中，天线370或RF收发器370a-370n中的一个或多个包括用于将天线馈电器集成到包括多个导电层和介电层的多层PCB中的设备。
TX处理电路375从控制器/处理器385接收模拟数据或数字数据(诸如，语音数据、网页数据、电子邮件或交互式视频游戏数据)。TX处理电路375对输出的基带数据进行解码、复合和/或数字化，以产生经处理的基带信号或IF信号。RF收发器370a-370n从TX处理电路385接收输出的经处理的基带信号或IF信号，并且将基带信号或IF信号上转换成通过天线365a-365n发送的RF信号。
控制器/处理器385可包括控制eNB 102的总体操作的一个或多个处理器或其他处理装置。例如，根据公知原理，控制器/处理器385可通过RF收发器370a-370n、RX处理电路380和TX处理电路375来控制正向信道信号的接收和反向信道信号的发送。控制器/处理器385也可支持其他功能，诸如更先进的无线通信功能。例如，控制器/处理器385可支持波束成形操作或方向性路由操作，在方向性路由操作中，来自多个天线365a-365n的输出信号被不同地加权，以将输出的信号有效地转向到期望的方向上。在eNB 102中，控制器/处理器385可支持各种其他功能。在一些实施方式中，控制器/处理器385包括至少一个微处理器或微控制器。
控制器/处理器385还能够执行存储器390中存在的程序以及其他进程，诸如基本OS。控制器/处理器385可根据执行过程的需要而将数据移动到存储器390中或从存储器390中移出。
控制器/处理器325还耦合至回程或网络接口395。回程或网络接口395允许eNB102通过回程连接或通过网络与其他装置或系统通信。接口395可支持借助于任何适当的有线或无线连接的通信。例如，当eNB 102实现为蜂窝式通信系统的一部分(诸如支持5G、LTE或LTE-A的那部分)时，接口395可允许eNB 102通过有线或无线回程连接与其他eNB通信。当eNB 102实现为接入点时，接口395可允许eNB 102通过有线或无线局域网络或者通过与更大型的网络(诸如因特网)的有线或无线连接进行通信。接口395包括支持借助于有线或无线连接的通信的任何适当的结构，诸如以太网或RF收发器。
存储器390耦合至控制器/处理器385。存储器390的一部分可包括RAM，并且存储器390的另一部分可包括闪速存储器或其他ROM。
如以下更详细地描述的，eNB 102的发送与接收路径(使用RF收发器370a-370n、TX处理电路375和/或RX处理电路380实现)支持与FDD小区和TDD小区的集合体的通信。
虽然图3B示出了eNB 102的一个示例，但是可对图3B作出各种改变。例如，eNB 102可包括任何数量的图3B所示的每个构件。作为具体示例，接入点可包括多个接口395，并且控制器/处理器385可支持在不同网络地址之间路由数据的路由功能。作为另一具体示例，虽然eNB 102被示出为包括单个实例的TX处理电路375和单个实例的RX处理电路380，但是eNB 102可每个都包括多个实例(诸如每个RF收发器对应一个TX处理电路375和RX处理电路380)。
图4示出了使用缝隙耦合微带的贴片天线馈电器400。FD-MIMO BS阵列中使用的两种普及的天线元件(贴片天线和偶极天线)在试图与其它RF构件集成时均会受到性能劣化的困扰。具体地，为使印刷微带贴片天线覆盖如LTE TDD#41、#42波段和FDD#7、#22波段中操作所需的频带宽度的约10％的频带宽度，必须使用约1-5毫米的空气间隙405来代替介电基底。空气间隙405可通过使用塑料间隔件410将贴片天线板415以所需距离固定在具有接地面425和缝隙430开口的板420之上来建立。在这种情况下，通过直接电接触(诸如使用某种探针馈电技术)来给贴片天线馈电不是良好的实践，因为这样会增大机械复杂性、降低可靠性、增加总成本并且需要会妨碍组装和生产的定制。因此，贴片天线馈电器400使用孔径耦合馈电技术，其中，缝隙430在贴片天线435之下的区域中的天线接地面425上开口，并且将RF信号从横跨缝隙430开口的印刷传输线440耦合至贴片天线415。
这是馈电孔径耦合贴片天线的典型形式。然而，该技术要求缝隙430和印刷微带440馈电线从下方与金属表面相距至少λ/8。如果例如为了屏蔽目的而将导电层505在缝隙430的下方放平或者作为多层PCB层叠的导电层的一部分，如图5中所示的多层印刷电路板(PCB)贴片天线馈电器500中那样，则缝隙430实际上被金属层短接，或者相当于其品质因数Q变得很高并且天线带宽和阻抗受到严重影响。例如，在波段#41(2.496-2.69GHz)处的λ/8相当于14.4毫米(0.567”)的距离。这是多层PCB中馈电线必须与任何铜信号布线或接地面/布线相距的最短距离，否则，如图6所示，天线阻抗远远偏离期望的50欧姆(Ω)的目标。该λ/8间隔的要求的不利影响是其不能将缝隙馈电的微带天线馈电线路由到多层PCB上，这是因为现代PCB的最大厚度限于＜5.08毫米(0.200”)。
为了避免这个缺点，如图7所示天线馈电电路700中所示，先前的方法将多层PCB板的屏蔽层或顶部导电层505以大于λ/8的距离与天线馈电板分离开，使用RF连接件705将来自收发器的RF信号传送至天线馈电板，其中，收发器通常被包括在多层PCB上。
在蜂窝频率下，RF连接件705的长度通常为约18毫米。图7的天线馈电电路700的配置不是很有实用性，因为天线馈电电路700的配置增大了总体的天线形状因数、由于昂贵的RF连接件和适配器而增加了成本，而RF连接件和适配器导致系统的额外损耗、增加组件的复杂性并且降低可靠性(尤其在进行大量生产时)、增加了总重量(考虑到具有约几百个天线连接件的实际天线系统)并且最终对两个板与RF连接件之间的错位误差敏感。
本公开的实施方式阐明了将天线馈电板集成到多层PCB板上的方法和设备，该多层PCB板包括其余关键的电信系统构件(诸如，至少一个收发器单元和基带单元)。该集成板的总厚度小于2.54毫米(0.100”)，并且该集成板可以以低成本和高可靠性进行大规模生产。
图8示出了根据本公开集成到多层PCB中的天线馈电电路。图8中示出的天线馈电电路800的实施方式仅用作示例。在某些实施方式中，eNB 102的天线365或收发器370中的一个或多个可具有相同或类似的配置。在不脱离本公开的范围的情况下，可使用天线馈电电路800的其他实施方式。
天线馈电电路800被集成到多层PCB 805中。为了避免阻挡天线接地面810层上的缝隙开口815a，在主天线馈电缝隙815之下在多层PCB 805板上的所有连续导电层820上提供缝隙815b开口。为了保证导电层820的部分与系统和天线接地面810层的电连接，根据需要加入互连导电通孔825。通孔825跨多层PCB 805的区域的实质部分分布，但是在所有导电层820上的缝隙815开口之外并且远离所有导电层820上的缝隙815开口。天线馈电电路800包括贴片天线835。在某些实施方式中，贴片天线835是天线365。传播待耦合至贴片天线835的RF信号的微带线830放置在顶部导电层820之上，并且部分地放置在贴片天线835之下。空气间隙840通过将贴片天线板850以所需距离固定在具有接地面810的板855之上的塑料间隔件845建立。
图9示出了根据本公开集成有天线馈电设备的多层PCB板。图9所示的集成有天线馈电设备900的多层PCB板的实施方式仅用作示例。在某些实施方式中，eNB 102的天线365或收发器370中的一个或多个可具有相同或类似的配置。在不脱离本公开范围的情况下，可使用天线馈电电路900的其他实施方式。
集成有天线馈电设备900的多层PCB板包括收发器905。收发器905和基带910包括收发器370的部分。收发器905包括功率放大器、滤波器、发送与接收(TRX)开关、双工器、混合器、摸拟-数字转换器(ADC)/数字-模拟转换器(DAC)。收发器905的电构件主要耦合至多层PCB 805板的底侧处的导电层820a，与天线馈电线915的电连接用互连通孔825实现，天线馈电线915可以是在多层PCB 805板的顶侧处的导电层820之上的印刷微带线830。印刷定向耦合器920和功率分配器925也放置在多层PCB板855的顶侧处的导电层820之上，并且电连接至天线馈电线915。基带910被包括在PCB板855的顶侧之上，并且通过互连通孔825电连接至收发器单元905。基带910包括诸如ASIC、FPGA、DSP、存储器等处理电路。
图10示出了根据本公开位于所提出的天线馈电多层PCB之上的双极化天线贴片板。图10中示出的双极化天线贴片板1000的实施方式仅用作示例。在图10所示的示例中，仅示出了两个元件。在不脱离本公开范围的情况下，可使用其他实施方式。
图10示出了以短距离位于包括参照图8所描述的馈电设备的多层PCB之上的双极化的贴片天线阵列板的俯视图，示出的两个元件1005a和1005b仅用作示例。通孔825的阵列布置成穿过多层PCB 805并且以约λ/10均匀地间隔开。通孔825配置为用作补偿较差的馈电线阻抗的调谐元件，即根据图6使较差的馈电线阻抗旋转成接近50Ω，其中，较差的馈电线阻抗是由天线接地面层上的缝隙元件与多层PCB的底层上的屏蔽层之间缺乏垂直间隔而引起的。在没有补偿通孔阵列的情况下，由于图8中指出的阻抗，而不能将天线馈电结构集成到多层PCB中。虽然对于通孔阵列间隔不存在精确的公式，但是经验数据指示λ/10-λ/12在大多数情况下都会产生最优的阻抗，不过这些经验数据不是硬性限制。
除贴片天线835之外，这种集成馈电设备在给偶极天线馈电时也可用作平衡-不平衡转换器。已知偶极天线比贴片天线提供更大的频带宽度，并且还提供低得多的交叉极化场。这种特征使得偶极天线适于使天线阵列(诸如在现代MIMO无线通信系统中使用的天线阵列)波束成形。偶极天线的一个缺点是它们需要平衡的馈电和阻抗匹配。这通常通过外部平衡-不平衡转换器和阻抗转化器来提供。平衡-不平衡转换器将单端RF信号(诸如由微带线830传播的信号)转换成可在差分模式中用于给偶极天线馈电的差分RF信号或平衡RF信号(诸如通过一对共面带传播的RF信号)。需要阻抗转化器将系统阻抗(通常为50Ω)转化成偶极天线阻抗(通常为约200Ω)。这种阻抗变换比(4:1)需要过长的传输线阻抗转化器(>λ/4)，而过长的传输线阻抗转化器需要PCB板上额外的空间，从而致使集成困难。总之，为了最佳性能，偶极天线需要放置在接地面之上约λ/4处。
图11示出了根据本公开的偶极天线组件。图11中示出的偶极天线组件1110的实施方式仅用作示例。在不脱离本公开的范围的情况下，可使用其他实施方式。
如图11中所示的示例所示，RF信号从平坦的多层PCB板向偶极天线PCB板1105的传递不是直接的，其中，平坦的多层PCB板通常在顶部两层上具有天线接地面和馈电线，偶极天线PCB板1105与多层PCB 805成直角放置。偶极天线1100包括布置在偶极天线PCB板1105上的偶极天线元件1110。偶极天线PCB板1105通过紧固装置1115耦合至多层PCB 805，紧固装置1115诸如具有螺钉的直角连接件、具有粘合剂的直角连接件、塑料焊接件、其他化学结合件或它们的组合。偶极天线PCB板1105如传播RF信号的微带线830那样布置在缝隙815的至少一部分之上。
在图11、图12和图13中，本公开的实施方式中公开的集成馈电设备进行了修改，以用作给偶极天线馈电的平衡-不平衡转换器和阻抗转化器。从偶极天线PCB板1105向多层PCB 805的过渡也在图12和图13中公开。图11、图12和图13示出了图8中公开的用于给贴片天线馈电的设备、适于给偶极天线馈电。
在图12和图13中所示的示例中，约λ/2长的偶极天线元件印刷在具有两个导电层820和一个介电层1205的天线PCB板1105上。然后，将天线PCB板1105与多层PCB 805成直角放置，多层PCB 805在其上部的两个层上具有天线馈线(即传播RF信号的微带线830)和接地面810。在某些实施方式中，天线PCB板1105在操作的中心频率下为约λ/4高。偶极天线PCB板1105使用紧固装置1115固定至多层PCB 805，紧固装置1115诸如具有螺钉的塑料直角连接件、具有粘合剂的直角连接件、塑料焊接件、其他化学结合件或它们的组合。在某些实施方式中，沿着天线PCB板1105与多层PCB板805物理接触的边缘1210在多层PCB板805上打开窄浅凹槽。凹槽的宽度和长度分别等于天线PCB板1105的厚度和长度。凹槽的深度1215小于多层PCB板805的第一介电层1205的厚度。通过该配置，天线PCB板1105可稍微凹进到多层PCB板805中，使得用于天线PCB板1105上的天线元件1110的两个平衡带与通孔垫1220实质接触并有效地电接触，其中，通孔垫1220位于多层PCB板805上，并且通过在缝隙815开口的两侧的通孔825与多层PCB接地面短接。通过这种方式，通过微带线830传播的RF信号可从微带线830并且通过缝隙815开口耦合到成对的平衡带(即，天线元件1110)，从而通过偶极天线1100辐射出去，其中，微带线830在多层PCB 805的顶部导电层820b之上并且在天线接地面上横跨缝隙815开口的一部分，而天线接地面位于多层PCB的第二导电层820上。本技术可以在给偶极阵列馈电的多个位置处进行复制。
虽然通过示例性实施方式描述了本公开，但是可给本领域技术人员各种改变和修改的启示。其意图是本公开如同这些改变和修改落入所附权利要求的范围内那样包括这些改变和修改。

Claims (15)

1.一种天线，包括：
天线元件，布置成与多层印刷电路板(PCB)层叠接近；以及
所述多层PCB层叠，包括：
多个交替的导电层和介电层，其中，第一导电层配置为用作天线接地面层并且包括缝隙开口，所述缝隙开口的横向尺寸小于所述天线元件的横向尺寸，第二导电层配置为用作屏蔽层，第三导电层配置为用作系统接地面层，
至少两个第一缝隙开口，所述至少两个第一缝隙开口的横向尺寸小于所述天线元件的横向尺寸，所述至少两个第一缝隙开口布置在类似的横向位置处并且穿过至少两个连续的导电层，使得所述第一缝隙开口基本上互相重叠，
传输线，印刷在至少一个导电层上，所述传输线配置为传播射频(RF)信号并且配置为通过所述至少两个第一缝隙开口中的至少一个耦合至所述天线元件，
至少一个导电层，具有配置为传播直流(DC)信号的部分，
至少一个收发器单元，电连接至所述传输线，
至少一个基带处理单元，电连接至所述收发器单元；以及
多个导电层互连通孔，配置为使得所述多层PCB层叠中的所述接地面层与所述天线接地面层的部分之间、所述屏蔽层与部分导电层之间能够导电连接，所述通孔布置成穿过所有导电层、跨所述多层PCB层叠的不包括所述第一缝隙开口的区域的实质部分分布。
2.如权利要求1所述的天线，其中，所述天线元件印刷在天线PCB板上，所述天线PCB板布置在所述多层PCB层叠之上，并且位于与所述多层PCB层叠的平面基本平行且成一定距离的平面上，所述距离通过塑料间隔件保持，所述塑料间隔件配置为在所述天线PCB板与所述多层PCB层叠之间形成空气间隙而不在所述天线PCB板与所述多层PCB层叠之间建立电连接，所述塑料间隔件的高度为约2-5毫米。
3.如权利要求2所述的天线，其中，所述天线元件包括：
贴片天线，印刷在两层天线PCB板的底部导电层的一部分上，所述两层天线PCB板的厚度为约10-150密耳，并且所述两层天线PCB板具有在1.1-5.5的范围内的介电常数，并且使得导体完全从所述两层PCB板的顶层移除，并且所述天线PCB板的底层是与所述多层PCB层叠最接近的层；或者
矩形贴片天线，具有窄缝隙切口，所述窄缝隙切口沿着所述矩形贴片天线的两个对角线从角延伸到角。
4.如权利要求1所述的天线，其中，所述传输线印刷在所述多层PCB的顶部导电层上，所述顶部导电层是与所述天线元件最接近的层，以及其中，所述传输线包括微带线、共平面波导线或成对的共平面带中的一个。
5.如权利要求4所述的天线，其中，布置在所述多层PCB层叠的顶部导电层之下的所述第二导电层配置成所述天线接地面并且包括横向尺寸比所述天线元件的横向尺寸小的所述至少一个第一缝隙开口，所述至少一个第一缝隙开口配置为将所述RF信号从所述传输线耦合至所述天线元件。
6.如权利要求4所述的天线，其中，印刷在顶部导电层上的传输线横跨穿过不同层的所述缝隙开口的实质部分。
7.如权利要求4所述的天线，其中，所述第三导电层、第四导电层、第五导电层、第六导电层、第七导电层和第八连续导电层均包括具有类似几何形状并且具有比所述天线元件的横向尺寸小的横向尺寸的缝隙开口，所述缝隙开口在每个导电层上的类似横向位置处形成并且布置为使得所述开口基本上互相重叠并且与所述第二导电层上的缝隙开口基本上重叠。
8.如权利要求1所述的天线，其中，所述屏蔽层基本上用铜覆盖且不包括缝隙开口，并且配置为将所述屏蔽层之下的空间与所述屏蔽层之上的空间电学上屏蔽开。
9.如权利要求1所述的天线，其中，第二缝隙开口在具有所述第一缝隙开口的所有导电层上形成为靠近并且邻近每个所述第一缝隙开口，所述第二缝隙开口配置为将第二RF信号以垂直偏振的模式耦合至所述天线元件，使得所述天线系统是双极化天线。
10.如权利要求9所述的天线，其中，所述RF信号和所述第二RF信号通过所述第一缝隙开口和所述第二缝隙开口耦合至双极化天线元件。
11.如权利要求1所述的天线，其中:
所述至少一个收发器单元包括功率放大器、滤波器、发送与接收(TRX)开关、双工器、混合器、音频到数字转换器(ADC)/数字到音频转换器(DAC)，所述至少一个收发器单元电连接至所述第六连续导电层并且通过所述互连通孔电连接至传播所述RF信号的所述微带传输线，
所述基带单元包括处理电路、存储器，并且电连接至所述第一导电层以及通过所述互连通孔电连接至所述收发器单元。
12.如权利要求1所述的天线，其中，所述天线元件是偶极天线元件，所述偶极天线元件印刷在两层天线PCB板的导电层的一部分上并且具有两个成对的对称窄导电带传输线，所述两个成对的对称窄导电带传输线以小间隙分离开并且在一侧附接至一个偶极馈电端子，并且配置为将所述RF信号传送至所述偶极天线，所述带印刷在所述天线PCB板的导电层的一部分上，所述天线PCB板在与所述多层PCB层叠垂直的平面上布置并且使得所述两个导电馈电带线的另一侧在所述缝隙开口的基本上相对侧上的两个位置处与所述天线接地面电接触，使得RF信号通过所述缝隙开口耦合至所述偶极天线馈电带线，其中，所述缝隙开口在所述多层PCB层叠的天线接地面导电层上形成。
13.如权利要求12所述的天线，其中，所述天线PCB板上的所述两个成对的对称窄导电带传输线延伸至所述天线PCB板的底部边缘，并且其中，所述天线PCB板固定成与所述多层PCB层叠成直角，并且通过紧固装置固定，其中，所述天线PCB板和多层PCB板物理接触。
14.如权利要求13所述的天线，其中，所述天线PCB上的所述导电带传输线中的每个电连接至所述多层PCB层叠的表面上的通孔垫，其中，所述通孔垫的横向尺寸与每个带线的宽度近似相等，并且每个垫通过导电的通孔电连接至所述天线接地面，所述通孔垫和所述通孔均位于在所述多层PCB的所述天线接地面层上的所述缝隙开口的基本上相对侧上。
15.如权利要求1所述的天线，其中，所述天线和所述多层PCB包括在外壳中，所述外壳具有平面金属部分，所述平面金属部分与所述多层PCB层叠的系统接地面层电连接并且与所述收发器单元和所述基带单元的散热器热连接。
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