CN109066054A - 一种毫米波天线系统以及通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波天线系统及通信装置，包括：开有天线缝隙的框体/壳体；高介电覆盖层，设于天线缝隙的外侧；信号传输单元，设于天线缝隙的内侧；与信号传输单元电性连接的信号收发组件；以及与信号收发组件电性连接的中频和基带处理单元；其中，高介电覆盖层、天线缝隙以及信号传输单元共同构成毫米波天线系统的介质谐振天线阵列。本发明提供的一种天线系统，其具有占用空间小、可修正因素多以及工作效率高等特点。

Description

一种毫米波天线系统以及通信装置

技术领域

本发明属于通信组件的设计领域，尤其涉及一种毫米波天线系统以及通信装置。

背景技术

随着第五代移动通信(5G)的到来，毫米波阵列天线技术作为其核心技术之一越来越受到重视，在将来必然会应用到各种终端中(诸如手机，平板电脑，阅读器等)。而传统终端的设计，空间是宝贵的，这直接影响到终端的竞争力。比如一支轻薄精致的手机相对与更厚的手机往往更受到消费者的喜爱。对于5G毫米波天线阵列来说，要同时考虑到阵列的体积，布局，单元设计等因素，如有尽量减小其空间占用，又能高效实现其功能的设计方案，必将受到各厂商的青睐。

发明内容

本发明的目的是提供一种天线系统以及通信装置，其具有占用空间小、可修正因素多以及工作效率高等特点。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种毫米波天线系统，包括：

开有天线缝隙的框体/壳体；

高介电覆盖层，设于所述天线缝隙的外侧；

信号传输单元，设于所述天线缝隙的内侧；

与所述信号传输单元电性连接的信号收发组件；以及

与所述信号收发组件电性连接的中频和基带处理单元；

其中，

所述高介电覆盖层、所述天线缝隙以及所述信号传输单元共同构成所述毫米波天线系统的介质谐振天线阵列。

根据本发明一实施例，在所述天线缝隙位置处，所述框体/壳体的内侧和外侧分别设有内侧凹槽和外侧凹槽；所述内侧凹槽和所述信号传输单元具有共形设计，所述信号传输单元内嵌于所述内侧凹槽内部；

所述外侧凹槽和所述高介电覆盖层具有共形设计，所述高介电覆盖层内嵌于所述外侧凹槽内部。

根据本发明一实施例，所述高介电覆盖层整体覆盖于全部所述天线缝隙的外侧；或者

所述高介电覆盖层包括若干高介电覆盖层子单元，每一个所述高介电覆盖层子单元覆盖于一个或者多个所述天线缝隙的外侧。

根据本发明一实施例，所述信号传输单元包括：

柔性电路板基材；

所述柔性电路板基材上设有馈电传输线以及

与所述馈电传输线电连接的信号馈入口；

其中，

所述馈电传输线的信号馈入口与所述信号收发组件电连接。

根据本发明一实施例，所述馈电传输线的末端横跨于所述天线缝隙的内侧，以耦合馈电方式将射频信号通过所述天线缝隙辐射到自由空间。

根据本发明一实施例，所述信号收发组件贴附于所述柔性电路板基材的背面。

根据本发明一实施例，所述柔性电路板基材还包括延伸部分，所述延伸部分贴附于包含所述毫米波天线系统的设备的电池上或者所述设备的后盖上或者所述设备的主线路板上；

所述信号收发组件设于所述延伸部分。

根据本发明一实施例，相邻的所述天线缝隙之间的间距d满足以下关系式：

0.25λ≤d≤λ；

其中，λ为所述毫米波天线系统的工作频率对应的波长。

根据本发明一实施例，所述天线缝隙的数量为2的正整数次幂。

根据本发明一实施例，所述天线缝隙的开孔形状为大于三边的多边形，或为由弧线构成的图形，或为由弧线和直边构成的图形。

根据本发明一实施例，所述介质谐振天线阵列为一个或多个。

根据本发明一实施例，所述高介电覆盖层介电常数大于10。

根据本发明一实施例，所述高介电覆盖层为二氧化锆陶瓷或氧化铝。

根据本发明一实施例，所述框体/壳体为全金属或者为部分金属加介质材料构成。

一种通信装置，上述任意一实施例所述毫米波天线系统。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1)本发明一实施例中的天线系统，通过将天线缝隙设于通信终端的框体/壳体的侧面，避免了在通信装置内部设置天线占用空间的问题；通过在框体/壳体设置内侧凹槽，并使信号传输单元的结构设计和内侧凹槽的设计为共形设计，信号传输单元可直接嵌入内侧凹槽里，进一步节省了天线系统的占用空间；通过在金属外框设置外侧凹槽，并使高介电覆盖层的结构设计和外侧凹槽的设计为共形设计，高介电覆盖层可直接嵌入外侧凹槽里，有效的利用了金属外框的空间，保证了通信装置的外观设计。

2)本发明一实施例中的天线系统可修正因素多，可以通过改变高介电覆盖层的介电常数以及厚度、金属外框的厚度、天线缝隙的尺寸等参数对天线系统的参数进行优化调试，能够保证在复杂的环境中天线系统有良好的阻抗、方向性、3dB带宽等指标。

3)介质谐振天线阵列位于通信终端的外观面，天线阵列受终端内部布局以及环境影响非常小，性能一致性高。

4)天线阵列采用介质谐振天线阵列的形式，介质谐振天线阵列尺寸很小，导体损耗低，增益和带宽都很好。

附图说明

图1是本发明一实施例毫米波天线系统的天线阵列位置示意图；

图2是本发明一实施例毫米波天线系统的天线阵列结构细节图；

图3是本发明一实施例毫米波天线系统的天线阵列从内到外层次结构细节图；

图4是本发明一实施例毫米波天线系统的天线阵列单元透视细节图；

图5是本发明一实施例毫米波天线系统的天线阵列单元排布示意图；

图6是本发明一实施例天线缝隙开孔形状几种可选实例示意图；

图7是本发明一实施例介质谐振天线阵列的系统架构示意图；

图8是本发明一实施例介质谐振天线阵列的S参数曲线；

图9是本发明一实施例介质谐振天线阵列单元的远场方向图；

图10是本发明一实施例介质谐振天线阵列单元的增益图；

图11是本发明一实施例介质谐振天线阵列8单元等幅同相激励时的远场方向图；

图12是本发明一实施例介质谐振天线阵列8单元等幅同相激励时的增益图；

图13是本发明一实施例介质谐振天线阵列的8单元相邻单元间等幅反相激励时的远场方向图；

图14是本发明一实施例介质谐振天线阵列的8单元相邻单元间等幅反相激励时的增益图。

附图标记说明：

100：框体/壳体；110：介质谐振天线阵列；111：信号传输单元；112：天线缝隙；113：非导电粘胶；114：高介电覆盖层；115：信号收发组件；116：中频和基带处理单元；1110：过孔；1111：单元柔性电路板基材；1112：单元带状线走线；1113:单元非导电粘胶；1114：单元高介电覆盖层；1115：单元信号馈入口；1121：单元金属框体；1122：单元矩形天线缝隙；211：非等距天线缝隙单元；212：等距天线缝隙单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种天线系统以及通信装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

参看图1、图2、图3、图4以及图5，一种毫米波天线系统，包括：开有天线缝隙112的框体/壳体100；高介电覆盖层114，设于天线缝隙112的外侧；信号传输单元111，设于天线缝隙112的内侧；与信号传输单元111电性连接的信号收发组件115；以及与信号收发组件115电性连接的中频和基带处理单元116；其中，高介电覆盖层114、天线缝隙112以及信号传输单元111共同构成毫米波天线系统的介质谐振天线阵列110。

以上毫米波天线系统，将介质谐振天线阵列110设于通信终端的外观面，介质谐振天线阵列110受终端内部布局以及环境影响非常小，性能一致性高。毫米波天线系统的天线阵列采用介质谐振天线阵列110的形式，介质谐振天线阵列110尺寸很小，导体损耗低，增益和带宽都很好。

一具体实施例中的框体/壳体100可以是全金属也可以是部分金属加介质材料组成，例如，可以是常用的移动终端的外壳，这些移动终端通常用于商务通讯或者休闲娱乐，不论哪种用途，使用者都期待该移动终端具有轻薄的设计，本实施例中的毫米波天线系统最大化的利用了框体/壳体100及其周侧的空间，保证了使用该天线系统的移动终端满足轻薄化的设计理念。当然，本实施例中的毫米波天线系统也可用于一些特殊用途的通信装置，这些通信装置可能应用于复杂的电磁环境之中，此时使用者会期待一种性能较佳的通信装置，本实施例中的毫米波天线系统具有多种可修正的因素，例如可以通过改变高介电覆盖层114的介电常数以及厚度、框体/壳体100的厚度、天线缝隙的尺寸等参数对毫米波天线系统的参数进行优化调试，能够保证在复杂的环境中天线系统有良好的阻抗、方向性、3dB带宽等指标。

在一个具体实施方案中，在天线缝隙112位置处，框体/壳体100的内侧和外侧分别设有内侧凹槽和外侧凹槽；内侧凹槽和信号传输单元111具有共形设计，信号传输单元111内嵌于内侧凹槽内部；外侧凹槽和高介电覆盖层114具有共形设计，高介电覆盖层114内嵌于外侧凹槽内部。

可以理解，通过在框体/壳体100设置内侧凹槽，并使信号传输单元111的结构设计和内侧凹槽的设计为共形设计，信号传输单元111可直接嵌入内侧凹槽里，进一步节省了毫米波天线系统的占用空间；通过在框体/壳体100设置外侧凹槽，并使高介电覆盖层114的结构设计和外侧凹槽的设计为共形设计，高介电覆盖层114可直接嵌入外侧凹槽里，有效的利用了框体/壳体100的空间，保证了通信装置的外观设计。

一具体实施例中的外侧凹槽和内侧凹槽可以通过铣加工得到。

一具体实施例中的高介电覆盖层114可选择整体覆盖于全部天线缝隙112的外侧。当然，高介电覆盖层114也可以包括若干高介电覆盖层子单元，每一个高介电覆盖层子单元覆盖于一个或者多个天线缝隙112的外侧。

再次参看图5，一具体实施例中的介质谐振天线阵列110具有多个天线缝隙112，天线缝隙112可设于框体/壳体100的任意一侧面，当然也可以在多个侧面均设有天线缝隙112以实现特定的波束赋形和波束扫描功能。对于一些具有斜角的框体/壳体100，天线缝隙112也可以设于斜角位置处，但是考虑到斜角位置尺寸较小，难以形成天线阵列单元，因此需要和侧面的天线阵列配合使用。介质谐振天线阵列110中的相邻天线缝隙的间距可以等间距也可以不等间距，例如可以是非等距天线缝隙单元211，等距天线缝隙单元212。相邻天线缝隙112的间距d满足关系式：0.25λ≤d≤λ；其中，λ为天线系统的工作频率对应的波长。

在一个具体实施方式中，天线缝隙112的数量优选为2的正整数次幂。

参看图6，一具体实施例中的天线缝隙112的开孔形状为大于三边的多边形(例如矩形、五边形等)，或为由弧线构成的图形(例如圆形、椭圆形等)，或为由弧线和直边构成的图形(例如半圆形、扇形等)。

进一步地，信号传输单元111包括：柔性电路板基材；柔性电路板基材上设有馈电传输线以及与馈电传输线电连接的信号馈入口；其中，馈电传输线的信号馈入口与信号收发组件115电连接。具体地，馈电传输线的末端横跨于天线缝隙112的内侧，以耦合馈电方式将射频信号通过天线缝隙112辐射到自由空间。

进一步地，柔性电路板基材还包括延伸部分，延伸部分贴附于包含毫米波天线系统的设备的电池上或者设备的后盖上或者设备的主线路板上；信号收发组件115设于延伸部分。

具体地，再次参看图4，图4为一实施例介质谐振天线单元的透视细节图,从外到内包括：单元高介电覆盖层1114，单元非导电粘胶1113，单元金属框体1121，单元高介电覆盖层1114和单元非导电粘胶1113内嵌于单元金属框体1121上。单元金属框1121上有单元矩形天线缝隙1122、单元柔性电路板基材1111、单元带状线走线1112、过孔1110以及单元信号馈入口1115。信号传输单元111具体包括：单元柔性电路板基材1111、形成于单元柔性电路板基材1111上的馈电传输线(具体可以为单元带状线走线1112)、过孔1110；以及与馈电传输线电连接的单元信号馈入口1115；其中，单元信号馈入口1115与信号收发组件115电连接。其中，单元柔性电路板基材1111可以为LCP(Liquid Crystal Polymer，工业化液晶聚合物)，馈电传输线也可以是共面波导、微带线等。单元柔性电路板基材1111可通过导电胶或者导电浆料或者螺钉或者激光焊接或者超声波焊接或者锡膏焊接或者弹片连接或者近距离耦合连接或者弹性材料压紧连接的方式和内侧凹槽连接在一起。具体地，单元柔性电路板基材1111的厚度为0.2mm，宽度大于2mm。

天线的阻抗可以通过改变以下因素进行调节：高介电覆盖层114的长宽高、单元带状线走线1112的长度、宽度枝节的多少、走线连续程度以及框体/壳体100的厚度。

参看图7，一具体实施例中的信号收发组件115可以使用SMT(Surface MountTechnology，表面贴装技术)技术贴于单元柔性电路板基材1111背面，这样可以减少信号传输的路径损耗。可以是每一个信号传输单元111对应一个信号收发组件115，也可以是多个信号传输单元111(比如4个、8个等)对应于一个信号收发组件115，这取决于一个信号收发组件115可以带动的天线数量。信号收发组件115集成有对天线单元起到调幅调相作用的模块，以实现波束赋形和波束扫描。同时还可以将毫米波频率降低至中频，比如15GHz，以减小传输损耗，再通过传输线将信号传输至通信装置的中频和基带处理单元116进行处理，实现毫米波天线系统的下行功能，或者反过来以实现上行的功能。

一具体实施例中的高介电覆盖层114的介电常数大于10；高介电覆盖层114的材料为陶瓷材料(二氧化锆、三氧化二铝、氧化铝等)，或者是高分子材料(PA,PC,PBS,PBT,LCP,PC+ABS,PEI,PPS,ABS)。优选的，高介电覆盖层114选择二氧化锆陶瓷，介电常数25，厚度优选为0.35mm至0.55mm。

一具体实施例中，天线系统还包括非导电粘性单元，用以将高介电覆盖层114和缝隙天线阵列110的缝隙结构固粘在一起。具体地，非导电粘性单元为非导电粘胶113，优选非导电粘胶113的介电常数小于3，厚度小于0.55mm。

一具体实施例中，天线系统的工作频段为27.5GHz～28.5GHz。

介质谐振天线阵列110可以为1组或多组。例如，在一个具体的方案中，框体/壳体100上有两组介质谐振天线阵列110，位于靠近框体/壳体100顶端的左右两侧面。或者，框体/壳体100上有三组介质谐振天线阵列110，位于靠近框体/壳体100顶端的左右两侧面以及顶面。或者，框体/壳体100上有四组介质谐振天线阵列110，位于靠近框体/壳体100顶端的左右两侧面、背面以及顶面。或者，框体/壳体100上有五组介质谐振天线阵列110，位于靠近框体/壳体100顶端的左右两侧面、背面、底面以及顶面。

参看图8，本发明一实施例天线阵列S参数曲线，对应于图1的缝隙天线阵列模型。缝隙天线阵列工作在28GHz，-10dB S11带宽1.5GHz，各天线单元间隔离大于15dB。参看图9、图10、图11、图12、图13及图14，分别为本发明一实施例天线阵列单元远场方向图、单元增益图、天线阵列单元等幅同相激励时的远场方向图、天线阵列单元等幅同相激励时的增益图、天线阵列单元相邻单元间等幅反相激励时的远场方向图以及天线阵列单元相邻单元间等幅反相激励时的增益图。天线单元约有4.2dB的增益，在天线阵列单元等幅同相时，在阵面法相方向可以实现11.7dB的增益，在天线阵列单元相邻单元间等幅反相激励时可以实现9.5dB的增益。综合图11、图12、图13及图14容易观察到，此阵列设计方式可以实现俯仰角从0度到正负90度之间扫描并且增益变化小于3dB，覆盖非常广。如框体/壳体100另一个侧面以及顶面、底面和背面也设置另4组相同的阵列，将可以实现空间中大范围的覆盖。

本发明实施例不限于频段27.5GHz-28.5GHz，别的频段设计也可使用本发明的设计思想。通过增加或减小天线缝隙112的尺寸，改变缝隙形状，改变高介电覆盖层114的三维尺寸和用料，改变带状线相对缝隙的位置和尺寸，以实现别的频段覆盖。

本发明还提供了一种通信装置，包括上述实施例的毫米波天线系统。通信装置可以为和外界进行通信的带有一显示单元的装置或终端，例如是手机、笔记本电脑、平板电脑等。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (15)

1.一种毫米波天线系统，其特征在于，包括：

开有天线缝隙的框体/壳体；

高介电覆盖层，设于所述天线缝隙的外侧；

信号传输单元，设于所述天线缝隙的内侧；

与所述信号传输单元电性连接的信号收发组件；以及

与所述信号收发组件电性连接的中频和基带处理单元；

其中，

所述高介电覆盖层、所述天线缝隙以及所述信号传输单元共同构成所述毫米波天线系统的介质谐振天线阵列。

2.如权利要求1所述毫米波天线系统，其特征在于，在所述天线缝隙位置处，所述框体/壳体的内侧和外侧分别设有内侧凹槽和外侧凹槽；所述内侧凹槽和所述信号传输单元具有共形设计，所述信号传输单元内嵌于所述内侧凹槽内部；

所述外侧凹槽和所述高介电覆盖层具有共形设计，所述高介电覆盖层内嵌于所述外侧凹槽内部。

3.如权利要求1所述毫米波天线系统，其特征在于，所述高介电覆盖层整体覆盖于全部所述天线缝隙的外侧；或者

所述高介电覆盖层包括若干高介电覆盖层子单元，每一个所述高介电覆盖层子单元覆盖于一个或者多个所述天线缝隙的外侧。

4.如权利要求1所述毫米波天线系统，其特征在于，所述信号传输单元包括柔性电路板基材；

所述柔性电路板基材上设有馈电传输线以及

与所述馈电传输线电连接的信号馈入口；

其中，

所述馈电传输线的信号馈入口与所述信号收发组件电连接。

5.如权利要求4所述毫米波天线系统，其特征在于，所述馈电传输线的末端横跨于所述天线缝隙的内侧，以耦合馈电方式将射频信号通过所述天线缝隙辐射到自由空间。

6.如权利要求4所述毫米波天线系统，其特征在于，所述信号收发组件贴附于所述柔性电路板基材的背面。

7.如权利要求4所述毫米波天线系统，其特征在于，所述柔性电路板基材还包括延伸部分，所述延伸部分贴附于包含所述毫米波天线系统的设备的电池上或者所述设备的后盖上或者所述设备的主线路板上；

所述信号收发组件设于所述延伸部分。

8.如权利要求1-7任意一项所述毫米波天线系统，其特征在于，相邻的所述天线缝隙之间的间距d满足以下关系式：

0.25λ≤d≤λ；

其中，λ为所述毫米波天线系统的工作频率对应的波长。

9.如权利要求8所述毫米波天线系统，其特征在于，所述天线缝隙的数量为2的正整数次幂。

10.如权利要求8所述毫米波天线系统，其特征在于，所述天线缝隙的开孔形状为大于三边的多边形，或为由弧线构成的图形，或为由弧线和直边构成的图形。

11.如权利要求1-7任意一项所述毫米波天线系统，其特征在于，所述介质谐振天线阵列为一个或多个。

12.如权利要求1-7任意一项所述毫米波天线系统，其特征在于，所述高介电覆盖层介电常数大于10。

13.如权利要求1-7任意一项所述毫米波天线系统，其特征在于，所述高介电覆盖层为二氧化锆陶瓷或氧化铝。

14.如权利要求1-7任意一项所述毫米波天线系统，其特征在于，所述框体/壳体为全金属或者为部分金属加介质材料构成。

15.一种通信装置，其特征在于，包括权利要求1-14任意一项所述毫米波天线系统。