CN110178267B - 天线装置和通信装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线装置和通信装置。多层电路结构(110)具有沿着竖直方向层叠的多个层。此外，至少一个腔体区域(120)形成在多层电路结构(110)的边缘处。所述至少一个腔体区域(120)是由被去除了多层电路结构(120)的介电衬底材料的多个不导电过孔形成的。此外，该装置包括布置在所述至少一个腔体区域(120)中的至少一个竖直天线贴片(130)。

Description

天线装置和通信装置
技术领域
本发明涉及天线装置以及配备有一个或更多个这种天线装置的通信装置。
背景技术
在无线通信技术中，利用各种频带来传送通信信号。为了满足不断增加的带宽需求，还考虑了与约10GHz至约100GHz范围内的频率对应的毫米波长范围内的频带。例如，毫米波长范围内的频带被视为5G(第5代)蜂窝无线电技术的候选。然而，利用这样的高频而产生的问题在于天线尺寸需要足够小以匹配波长。此外，为了实现足够的性能，在诸如移动电话、智能电话或类似通信装置的小型通信装置中可能需要多个天线(例如，天线阵列的形式)。
此外，由于线缆或通信装置内的其它有线连接上的损耗通常随着频率增加而变大，所以可能还期望具有能够将天线放置得非常靠近无线电前端电路的天线设计。
因此，需要能够有效地集成在通信装置中的紧凑尺寸天线。
发明内容
根据实施方式，提供了一种装置。该装置包括多层电路结构，该多层电路结构具有沿着竖直方向层叠的多个层。此外，该装置包括形成在多层电路结构的边缘处的至少一个腔体区域。所述至少一个腔体区域由被去除了多层电路结构的介电衬底材料的多个不导电过孔形成。此外，该装置包括布置在所述至少一个腔体区域中的至少一个竖直天线贴片。这在具有高介电常数的衬底材料(例如，陶瓷基材料)的情况下特别有益。在一些场景中，衬底材料的介电常数可大于3，例如在3至20的范围内，通常在5至8的范围内。通过腔体区域，可避免衬底材料对天线贴片的传输特性的不利影响(例如，通过使无线电信号衰减或失真)。此外，腔体区域可允许减少沿着多层电路结构的边缘的表面波的传播。
通过使用不导电过孔来形成腔体区域，腔体区域中的衬底材料的总体密度减小，导致较低的有效介电常数。由于不需要将腔体区域形成为多层电路结构内的连续孔隙，所以剩余的衬底材料可承载所述至少一个天线贴片，其因此可有效地集成在腔体区域内(例如，通过形成至少一个天线贴片形式导电条以及连接导电条的导电过孔)。
根据实施方式，腔体区域的不导电过孔被布置为在腔体区域中形成衬底材料的网状网格。例如，不导电过孔可根据一维、二维或三维点阵布置，以在衬底材料内形成细孔或孔隙。这样，可有效地减小腔体区域中的衬底材料的密度，同时维持承载所述至少一个天线贴片的剩余衬底材料的良好稳定性。根据实施方式，利用具有比多层电路结构的衬底材料低的介电常数的介电材料来填充腔体区域的不导电过孔。例如，如果衬底材料是陶瓷材料，则用于填充不导电过孔的介电材料可以是树脂。在一些场景中，也可利用空气来填充不导电过孔。
根据实施方式，多层电路结构的衬底材料包括陶瓷材料。衬底材料还可包括一种或更多种陶瓷材料与一种或更多种其它材料的组合(例如，陶瓷材料与玻璃材料的组合)。当使用这些类型的材料时，衬底材料可具有高介电常数，这有助于在多层电路结构内提供对约10GHz至约100GHz范围内的高频信号具有有利传输特性的信号连接。多层电路结构的层可通过低温共烧组装。因此，多层电路结构可以是LTCC(低温共烧陶瓷)。然而，也可使用形成多层电路结构的其它技术。例如，多层电路结构可以是印刷电路板(PCB)。
根据实施方式，腔体区域包括：至少一个第一导电条，其形成在所述多个层中的一个或更多个层中并限定腔体区域的第一水平边缘；至少一个第二导电条，其形成在所述多个层中的一个或更多个层中并限定腔体区域的第二水平边缘；以及导电过孔，其在所述至少一个第一导电条与所述至少一个第二导电条之间延伸并限定腔体区域的竖直外边缘。这样，可沿着腔体区域的边缘形成导电屏蔽。例如，这可有助于进一步减少沿着多层电路结构的边缘的表面波传播。
根据实施方式，竖直天线贴片是由形成在所述多个层中的一个或更多个层中的多个导电条形成的，并且竖直天线贴片的这些导电条通过在布置在多层电路结构的不同层上的两个或更多个导电条带之间延伸的导电过孔彼此电连接。例如，竖直天线贴片的导电条和导电过孔可被布置为形成网状图案(例如，在由水平方向和竖直方向限定的平面中延伸的规则网格的形式)。这样，竖直天线贴片可被有效地集成在多层电路结构内。然而，也可使用形成竖直天线贴片的其它形式(例如，通过在多层电路结构的边缘上作为竖直导电条形成天线贴片)。
所述至少一个天线贴片可被配置用于传输具有大于1mm且小于3cm的波长(与10GHz至300GHz范围内的无线电信号的频率对应)的无线电信号。所述至少一个天线贴片可被配置用于传输具有水平极化(即，沿着水平方向的线性极化)的无线电信号。此外，所述至少一个天线贴片可被配置用于传输具有垂直极化(即，沿着竖直方向的线性极化)的无线电信号。在一些实施方式中，该装置还可提供混合配置，其中一个或更多个天线贴片被配置用于传输具有水平极化的无线电信号并且一个或更多个天线贴片被配置用于传输具有垂直极化的无线电信号。
根据实施方式，该装置包括电容耦合到所述至少一个天线贴片的至少一个电浮置贴片，即，仅仅电容耦合到天线贴片而没有导电耦合到地或一些其它固定电位的导电贴片。电浮置贴片被布置在相对于所述至少一个天线贴片在朝着多层电路结构的外围的方向上偏移的平面中。通过引入电浮置贴片，与没有电浮置贴片的构造相比，可增加由天线贴片发送的无线电信号的有用带宽。通过选择电浮置贴片的尺寸和/或天线贴片与电浮置贴片之间的距离，可将带宽调谐至期望的范围。
根据实施方式，电浮置贴片是由所述多个层中的一个或更多个层中的多个导电条形成的，并且电浮置贴片的导电条通过在布置在多层电路结构的不同层上的电浮置贴片的两个或更多个导电条之间延伸的导电过孔彼此电连接。例如，电浮置贴片的导电条和导电过孔可被布置为形成网状图案(例如，在由水平方向和竖直方向限定的平面中延伸的规则网格的形式)。这样，电浮置贴片可被有效地集成在多层电路结构内。然而，也可使用形成竖直天线贴片的其它形式(例如，通过在多层电路结构的边缘上作为竖直导电条形成天线贴片)。
另选地，电浮置贴片可由形成在布置有多层电路结构的壳体元件上的竖直导电条形成。这可允许提供简化的总体组装。例如，在期望电浮置贴片与天线贴片之间的距离相当大的场景中，这允许在不增加多层电路结构的总体尺寸的情况下提供电浮置贴片。此外，在壳体元件上形成电浮置贴片允许通过气隙来分离天线贴片和电浮置贴片，这可有助于避免发送的无线电信号的失真或衰减。壳体元件可以是围绕多层电路结构的外围形成的框架。此外，壳体元件可以是布置有该装置的通信装置的外壳的一部分。
根据实施方式，该装置包括布置有多层电路结构的壳体元件以及在面向所述至少一个天线贴片的平面中布置在壳体元件上的至少一个介电贴片。介电贴片被构造了具有介电常数的变化图案。这样，介电贴片可用于补偿从天线贴片发送的无线电信号的失真。这种失真可由壳体元件的介电材料导致，并且通常导致无线电信号在穿过壳体元件之后的发散。通过变化图案，介电贴片可被配置为充当无线电信号的会聚透镜，从而补偿由壳体元件引入的发散。例如，这可通过配置变化图案以限定介电常数朝着介电贴片的中心增加来实现。
根据实施方式，所述至少一个介电贴片包括被去除了介电贴片的介电衬底材料的不导电过孔。然后，可通过设定介电贴片的不导电过孔的密度和/或通过设定介电贴片的不导电过孔的尺寸而以有效的方式构造变化图案。
根据实施方式，该装置包括至少一个馈电贴片，其被布置在所述至少一个腔体区域中并被构造用于所述至少一个天线贴片的电容馈电。馈电贴片是由所述多个层中的一个或更多个层中的多个导电条形成的。馈电贴片的导电条通过在布置在多层电路结构的不同层上的馈电贴片的两个或更多个导电条之间延伸的导电过孔彼此电连接。例如，电浮置贴片的导电条和导电过孔可被构造为形成网状图案(例如，在由水平方向和竖直方向限定的平面中延伸的规则网格的形式)。这样，电浮置贴片可被有效地集成在多层电路结构内。
然而，需要注意，也可使用对天线贴片进行馈电的其它方式(例如，导电馈电或者电容和导电馈电的组合)。
根据实施方式，该装置包括布置在多层电路结构上的无线电前端电路。在这种情况下，多层电路结构可包括容纳无线电前端电路的腔体。这样，可减少从无线电前端电路向天线贴片传送无线电信号时发生的损耗。如果该装置包括布置在多层电路结构上的无线电前端电路，则多层电路结构可包括容纳无线电前端电路的腔体。这可允许获得多层电路结构和无线电前端电路的紧凑总体封装。此外，通过缩短信号路径，可以进一步优化从无线电前端电路到天线贴片的无线电信号传送。
根据另一实施方式，提供一种例如移动电话、智能电话或类似用户装置的形式的通信装置。该通信装置包括根据上述实施方式中任一个所述的装置。此外，该通信装置包括至少一个处理器，其被配置为处理通过该装置的至少一个天线贴片发送的通信信号。
现在将参照附图更详细地描述本发明的上述和另外的实施方式。
附图说明
图1示出示意性地例示根据本发明的实施方式的天线装置的立体图。
图2A和图2B示出示意性地例示根据本发明的实施方式的腔体区域的形成的另外的透视图。
图3示出示意性地例示根据本发明的实施方式的腔体区域的导电边缘的另一立体图。
图4示出示意性地例示根据本发明的实施方式的竖直天线贴片的另一立体图。
图5示出示意性地例示根据本发明的实施方式的天线贴片和电容馈电贴片的另一立体图。
图6示出根据本发明的实施方式的天线装置的示意性截面图。
图7示意性地例示根据本发明的实施方式的天线装置的制造。
图8示出示意性地例示根据本发明的实施方式的天线装置的立体图，其设置有布置在多个腔体区域中的多个竖直天线贴片。
图9示出示意性地例示根据本发明的另一实施方式的天线装置的立体图，其还包括电浮置贴片。
图10示出示意性地例示根据本发明的实施方式的电浮置贴片的立体图。
图11示出例示根据本发明的实施方式的天线装置的特性的图。
图12示出根据本发明的实施方式的天线装置的示意性截面图，其设置有电浮置贴片。
图13例示了根据本发明的实施方式的电浮置贴片的布置方式。
图14例示了根据本发明的实施方式的电浮置贴片的另一布置方式。
图15示意性地例示了根据本发明的实施方式的介电贴片的效果。
图16示意性地例示了根据本发明的实施方式的介电贴片的构造和布置方式。
图17示意性地例示了根据本发明的实施方式的介电贴片的布置方式。
图18示意性地例示了根据本发明的实施方式的介电贴片的另一布置方式。
图19示意性地例示了根据本发明的实施方式的介电贴片的另一布置方式。
图20示出示意性地例示了根据本发明的实施方式的通信装置的框图。
具体实施方式
在下文中，将更详细地描述本发明的示例性实施方式。必须理解，给出以下描述仅是为了例示本发明的原理，而非为限制性的。相反，本发明的范围仅由所附权利要求限定，并不旨在由以下所描述的示例性实施方式限制。
所示实施方式涉及传输无线电信号(具体地，厘米/毫米波长范围内的短波长无线电信号)的天线。所示天线和天线装置可例如用在诸如移动电话、智能电话、平板计算机等的通信装置中。
在所示概念中，利用多层电路结构来形成贴片天线。多层电路结构具有在竖直方向上层叠的多个层。多层电路结构的层可利用导电条的图案单独地构造。此外，形成在多层电路结构的不同层上的导电条可通过在不同层的导电条之间延伸的导电过孔彼此连接。导电条可由介电衬底材料层上的金属层形成。导电过孔可对应于利用导电材料(例如，金属)至少部分地填充的冲孔、边孔(edged hole)或钻孔。
通过将不同层上的导电条带连接起来，可在多层电路结构中形成三维导电结构。如下面进一步说明的，这样的三维导电结构可包括一个或更多个竖直天线贴片、一个或更多个馈电贴片、一个或更多个电浮置贴片和/或一个或更多个导电屏蔽件。
所示实施方式中使用的竖直天线贴片形成为在与多层电路结构的层的平面垂直的竖直方向上延伸，从而允许紧凑竖直天线设计。这样，可按照有效的方式形成允许传输在竖直方向上极化的无线电信号的天线。此外，可按照有效的方式利用多层电路板的一个或更多个层将贴片天线连接到无线电前端电路。具体地，可实现小尺寸的贴片天线和到贴片天线的短长度连接。此外，可将多个这样的竖直天线贴片集成在多层电路结构中。此外，还可以利用竖直天线贴片来传输在平行于多层电路结构的层的平面延伸的水平方向上极化的无线电信号。此外，双极化构造也是可能的，其支持在竖直方向上极化的无线电信号的传输和在水平方向上极化的无线电信号的传输二者。因此，可在紧凑结构中支持不同的极化方向。
在下面进一步详述的实施方式中，将假设多层电路结构是LTCC。然而，需要注意，作为LTCC技术的替代或除了LTCC技术之外，可使用其它技术。例如，多层电路结构可基于印刷在基于树脂和纤维的衬底层上的结构化金属层形成为PCB，或形成为LTCC与PCB的组合。此外，多层电路结构可使用基于陶瓷材料和非陶瓷材料的组合(例如，陶瓷材料和玻璃材料和/或树脂的组合)的层。用于形成多层电路结构的技术和材料也可考虑期望的介电性质来选择以支持特定波长的无线电信号的传输，例如基于下面的关系
Figure GDA0002641932660000071
其中，L表示天线贴片的有效尺寸，λ表示要发送的无线电信号的波长，εr表示多层电路结构的衬底材料的相对介电常数。在典型实现方式中，衬底材料的介电常数(即，相对介电常数εr)可大于3，例如在3至20的范围内，通常在5至8的范围内。
图1示出例示了基于所示概念的天线装置100的立体图。在所示示例中，天线装置100包括多层电路结构110。多层电路结构110包括在竖直方向上层叠的多个层。例如，这些层可各自对应于在隔离衬底(例如，基于陶瓷或陶瓷和玻璃的组合)上的结构化金属化层。腔体区域120形成在多层电路结构110的边缘区域115中。竖直天线贴片130被布置在腔体区域120内。竖直天线贴片130在与多层电路结构110的多个层垂直并与多层电路结构110的多个边缘中的一个边缘平行的竖直平面(限定了边缘区域115)中延伸。天线贴片130可被配置用于传输在竖直方向上极化的无线电信号，如“V”所表示的实线箭头所示。另选地或另外地，天线贴片130可被配置用于传输在水平方向上极化的无线电信号，如“H”所表示的实线箭头所示。
在所示天线装置100中，腔体区域120允许减少无线电信号在多层电路结构110的衬底材料内的传播。通过腔体区域120。因此，可避免无线电信号的衰减或失真。具体地，腔体区域120可允许显著减少表面波沿着多层电路结构110的边缘的传播。
如进一步所示，天线装置100包括布置在多层电路结构110中形成的腔体170中的无线电前端电路芯片180。因此，可通过多层电路结构的一个或更多个层上的导电条有效地形成从无线电前端电路芯片180到天线贴片130的电连接。具体地，可用较短长度形成电连接，以使得可限制高频的信号损耗。此外，也可利用多层电路结构110的一个或更多个层将无线电前端电路芯片180连接到其它电路(例如，电源电路或数字信号处理电路)。
图2A和图2B进一步例示了腔体区域120的形成。如图所示，腔体区域120由不导电过孔121形成。从不导电过孔121去除了多层电路结构110的衬底材料。通过从不导电过孔121去除衬底材料，减小了腔体区域120中衬底材料的总体密度，导致较低的有效介电常数。腔体区域120中的剩余衬底材料形成网状网格，其充当天线贴片130的支承。此外，腔体区域120中的剩余衬底材料也可充当其它结构的支承，如下面进一步说明的。
不导电过孔121可保持敞开，因此填充有空气或类似环境介质，从而在不导电过孔121中获得低介电常数。然而，一个或更多个不导电过孔121也可填充具有比多层电路结构110的衬底材料低的介电常数的另一介电材料。例如，如果衬底材料是陶瓷材料，则填充不导电过孔121的介电材料可以是树脂。用固体介电材料填充不导电过孔121可允许改进腔体区域120中的多层电路结构110的机械稳定性。
如图2A和图2B的示例所示，不同的几何构造可用于布置不导电过孔121。在图2A的示例中，不导电过孔121根据条纹网格来布置。该构造导致剩余衬底材料形成网状网格(也对应于条纹网格)。在剩余衬底材料内，不导电过孔121因此形成介电常数减小的孔隙或区域的一维点阵。在图2B的示例中，不导电过孔121根据棋盘状图案来布置。在剩余衬底材料内，不导电过孔121因此形成介电常数减小的孔隙或区域的二维点阵。
需要注意，如图2A和图2B所示的不导电过孔121的几何构造方式仅是示例性的，各种其它构造也是可能的。例如，如图2A和图2B所示的两个或更多个构造可被层叠以获得不导电过孔121的各种三维构造方式。此外，也可使用不导电过孔121的不规则布置方式。
在一些实现方式中，导电结构可设置在腔体区域120的边缘上。这些导电结构可充当导电屏蔽。这可有助于通过例如减少来自天线贴片130的表面波的传播来进一步改进传输特性。图3例示了可如何在腔体区域120的边缘上形成这样的导电结构的示例。
在图3的示例中，第一导电条122形成在腔体区域120的第一(上)水平边缘上。第二导电条123形成在腔体区域120的第二(下)水平边缘上。在腔体区域120的竖直边缘上，第一导电条122和第二导电条123通过导电过孔124彼此连接。结果，沿着腔体区域120的外边缘形成具有矩形框架的几何形状的导电结构。
需要注意，如图3所示的腔体区域120的边缘上的导电结构的构造仅是示例性的，其它几何构造也是可能的。例如，导电条和导电线也可被布置为近似于腔体区域120的弯曲(例如，圆形或椭圆形)几何形状。
图4进一步例示了竖直天线贴片130的构造。这里，需要注意，为了更好地概述，图4聚焦于导电结构并且未示出多层电路结构110的边缘区域115中的不导电部分。
可以看出，竖直天线贴片130在与多层电路结构110的多个层垂直的平面中延伸，并且沿着多层电路结构110的边缘延伸。竖直天线贴片130由多层电路结构110的不同层上的多个导电条131形成。导电条131在竖直方向上彼此层叠，从而形成三维超结构。不同层的导电条131通过导电过孔132(例如，金属化过孔)连接。如图所示，竖直天线贴片130的导电条131和导电过孔按照网状图案布置并且形成在与多层电路结构110的层垂直并与多层电路结构110的边缘平行的平面延伸的基本上矩形的导电结构。网状图案的网格间距被选择为足够小以使得在要由竖直天线贴片130发送的无线电信号的预期波长，与均匀导电结构相比的差异可忽略。通常，这可通过小于竖直天线贴片130的竖直和/或水平尺寸的四分之一的网格间距来实现。需要注意，例如，基于导电条131的不规则间距和过孔132的规则间距、基于水平方向和竖直方向上的规则间距、或者基于水平方向和竖直方向上的不规则间距，可使用各种类型的网格结构。需要注意，在网格结构中也可使用在竖直方向上未对准的过孔132。此外，需要注意，可使用各种数量的导电条131和/或过孔132。
如上面提及的，竖直天线贴片130可被配置用于传输垂直极化的无线电信号或者用于传输水平极化方向的无线电信号。在水平极化方向的情况下，可由竖直天线贴片130发送的无线电信号的波长由竖直天线贴片130的有效水平尺寸确定。例如，竖直天线贴片130的水平宽度(沿着多层电路结构110的多个层中的一个层的边缘测量)可用作有效尺寸L以确定竖直天线贴片130谐振的无线电信号的波长λ。在垂直极化方向的情况下，可由竖直天线贴片130发送的无线电信号的波长由竖直天线贴片130的有效竖直尺寸确定。例如，天线贴片130的竖直宽度(垂直于多层电路结构110的多个层测量)可用作有效尺寸L以确定竖直天线贴片130谐振的无线电信号的波长λ。
图5进一步例示了可用于竖直天线贴片130的馈电的示例性构造。在图5的示例中，假设使用竖直天线贴片130的电容馈电。然而，要注意，也可使用对竖直天线贴片130进行馈电的其它方式(例如，导电馈电和/或电容馈电与导电馈电的组合)。类似于图4，图5聚焦于导电结构并且没有示出多层电路结构110的边缘区域115中的不导电结构。
可以看出，馈电贴片135设置在相对于竖直天线贴片130朝着多层电路结构110的中心偏移的平面中。类似竖直天线贴片130，馈电贴片135也位于上述腔体区域120中。馈电贴片135被配置用于竖直天线贴片130的电容馈电并且平行于竖直天线贴片130延伸。在所示示例中，馈电贴片135具有小于竖直天线贴片130的尺寸。
类似于竖直天线贴片130，馈电贴片135由多层电路结构110的不同层上的多个导电条136形成。导电条136在竖直方向上彼此层叠，从而形成三维超结构。多层电路结构110的不同层的导电条136通过导电过孔137(例如，金属化过孔)连接。如图所示，馈电贴片135的导电条带136和导电过孔按照网状图案布置并且形成在与多层电路结构110的多个层垂直并与多层电路结构110的边缘平行的平面延伸的基本上矩形的导电结构。网状图案的网格间距被选择为足够小以使得在要由竖直天线贴片130发送的无线电信号的预期波长下，与均匀导电结构相比的差异可忽略。因此，馈电贴片135可形成有与竖直天线贴片130相似或相同的网格间距。类似于竖直天线贴片130，馈电贴片135可具有规则网格结构或不规则网格结构。
如图5中进一步所示，装置100可包括将竖直天线贴片130电连接到地平面的接地贴片134。地平面可由多层电路结构110的多个层中的一个层上的导电区域形成。接地贴片134可由形成在多层电路结构110的多个层中的一个层上的导电条形成。如图5所示，接地贴片134可在竖直方向上偏离馈电贴片135。在该构造中，竖直天线贴片130可用于传输在竖直方向上极化的无线电信号。通过使接地贴片134在水平方向上偏离馈电贴片135，竖直天线贴片130可被构造用于传输在水平方向上极化的无线电信号。
图6示出了例示天线装置100的构造的示意性截面图。如图所示，竖直天线贴片130和馈电贴片135布置在腔体区域120中。可以看出，馈电贴片135连接到馈电点138。从馈电点138，在多层电路结构110中形成至无线电前端电路芯片180的电连接139。从多层电路结构110的边缘测量的腔体区域120的深度由T表示。馈电贴片135与竖直天线贴片130间隔开距离G。腔体区域120的深度T可在0.5mm至2mm的范围内，通常为约1mm。可以以优化至竖直天线贴片130的电容耦合为目的来设定馈电贴片135的距离G和尺寸。仿真表明，小尺寸的馈电贴片135(例如，具有竖直天线贴片130的尺寸的四分之一或更小)允许实现良好带宽、竖直贴片天线130的紧凑总体尺寸以及几乎均匀的全向传输特性。
此外，腔体区域120的深度T、竖直天线贴片130的尺寸以及距离G和长度L可根据要经由竖直天线贴片130发送或接收的无线电信号的标称波长来设定。当假设竖直天线贴片130用于四分之一波贴片天线构造时，竖直天线贴片130的竖直或水平尺寸对应于标称波长的四分之一，并且距离G可小于标称波长的四分之一。另外，腔体区域的深度T然后可在标称波长的四分之一或更小的范围内。如果竖直天线贴片130用于半波贴片天线构造，则可省略接地贴片134，并且竖直天线贴片130的竖直或水平尺寸可对应于标称波长的一半。在不与要经由竖直天线贴片130发送或接收的无线电信号的极化方向对应的方向上，可使用尺寸略小的竖直天线贴片130。
图7示意性地例示了可用于在多层电路结构110中形成腔体区域120、竖直天线贴片130和馈电贴片135的工艺。
在由(I)表示的第一阶段，提供衬底材料的多个片材710。这些片材710中的每一个对应于要形成的多层电路结构110的单个层。各个片材710可切割成根据要形成的多层电路结构110的外部几何形状确定的形状。这里，需要注意，各个片材710的形成可从层到层不同。
在由(II)表示的第二阶段，在各个片材710中形成过孔720、721、722、723、724、725。如图所示，孔720、721、722、723、724、725可按照不同尺寸形成。可通过冲孔、钻孔、机加工、蚀刻或这些技术的组合来形成所述孔。在所示示例中，孔721、722、723、724、725具有形成上述不导电过孔121和上述导电过孔124、132、137的目的。孔720具有形成用于保持无线电前端电路芯片180的上述腔体170的目的。这里，需要注意，孔的形状、数量和/或位置可从层到层不同。
在由(III)表示的第三阶段，利用诸如金属的导电材料填充孔720、721、722、723、724、725中的一些。在所示示例中，这些是孔723和725。其它孔(在所示示例中，孔720、721、722和724)保持空的或填充具有比片材710的衬底材料低的介电常数的固体介电材料。此外，导电条726、727形成在各个片材的一侧或两侧(例如，通过沉积金属层)。这里，需要注意，孔的填充可从层到层不同，和/或导电条的形状、数量和/或位置可从层到层不同。
在由(IV)表示的第四阶段，各个层710被对准并层叠，并且通过将各个层710彼此层压来形成多层电路结构110。在所示示例中，该层压被假设为通过低温共烧来实现。然而，此外或作为替代，可使用其它层压技术。
图8示出了例示基于所示概念的另一天线装置101的立体图。天线装置101大致类似于上述天线装置100。然而，与天线装置100相比，天线装置101包括多个腔体区域120以及各自布置在多个腔体区域120中的对应一个腔体中的多个竖直天线贴片130。腔体区域120和天线贴片130可各自如结合图1至图7所说明那样配置和制造。
需要注意，在具有如图8所示的多个竖直天线贴片130的构造中，所有竖直天线贴片130可被构造为传输在竖直方向上极化的无线电信号，或者所有竖直天线贴片130可被构造为传输在水平方向上极化的无线电信号。然而，混合构造也是可能的，其中，一个或更多个天线贴片130被构造为传输在竖直方向上极化的无线电信号，而一个或更多个其它天线贴片130被构造为传输在水平方向上极化的无线电信号。此外，需要注意，在一些实现方式中，还可将多个竖直天线贴片130包括到同一腔体区域120中。
图9示出了例示基于所示概念的另一天线装置102的立体图。天线装置102大致类似于上述天线装置101。也就是说，天线装置102包括布置在腔体区域120中的多个竖直天线贴片130。
如图所示，天线装置102与天线装置101的不同之处在于其还包括电浮置贴片140。针对各个竖直天线贴片130，提供对应的浮置贴片140。浮置贴片140仅电容耦合到对应竖直天线贴片130，并且不具有到地或一些其它固定电位的任何导电耦合。
如图所示，浮置贴片140被布置在相对于对应竖直天线贴片130在朝着多层电路结构110的外围的方向上偏移的平面中。如图10中所示，浮置贴片140可按照与竖直天线贴片130和馈电贴片135相似的方式形成(即，通过导电过孔142(例如，金属化过孔)连接的多层电路结构110的不同层上的导电条141)。当看向多层电路结构110的边缘时，浮置贴片140位于竖直天线贴片130的前面，因此可用于调谐竖直天线贴片130的辐射特性。具体地，浮置贴片140可用于增强经由竖直天线贴片130发送的无线电信号的有用带宽。
可例如从如图11所示的仿真结果看出有用带宽的这种增强。在图11中，使用具有浮置贴片140的天线构造发送的信号的大小由实线示出，而使用没有浮置贴片140的天线配置发送的信号的大小由虚线示出。可以看出，在各个情况下获得约30GHz的谐振频率。在具有浮置贴片140的天线构造的情况下，有用带宽(被限定为大小超过-10dB的范围)为约2GHz。在没有浮置贴片140的天线构造的情况下，有用带宽为约4GHz。
图12示出了例示天线装置102的构造的示意性截面图。如图所示，竖直天线贴片130和馈电贴片135布置在腔体区域120中。浮置贴片相对于竖直天线贴片130在馈电贴片135的相反侧(即，朝着多层电路结构110的外围)偏移。类似于天线装置100，馈电贴片135连接到馈电点138，并且从馈电点138，在多层电路结构110中形成至无线电前端电路芯片180的电连接139。从多层电路结构110的边缘测量的腔体区域120的深度由T表示。浮置贴片140至竖直天线贴片130的距离由H表示。馈电贴片135与竖直天线贴片130间隔开距离G。竖直天线贴片的尺寸、深度T和距离G的确定可如结合图6所说明的那样。
浮置贴片140至竖直天线贴片130的距离H可处于1mm至4mm的范围内。仿真表明，在该距离H范围内，所得的谐振频率与距离H的值不存在显著相关性。因此，即使在不太精确地控制距离H的实现方式中，也可实现稳定阻抗匹配。这样的实现方式的示例包括浮置贴片不集成在多层电路结构110内，而是设置在单独的元件上(例如，类似容纳天线装置102的壳体或外壳的一部分的壳体元件上)的构造。这样的构造的示例示出于图13和图14中。
在图13的示例中，多层电路结构110被包围在框架200中。在多层电路结构110的形成有竖直天线贴片130的一侧，框架200与多层电路结构110的边缘间隔开。在多层电路结构110的其他侧，框架200可紧密地配合到多层电路结构110的边缘。可以看出，在这种情况下，浮置贴片140可设置在框架200的面向竖直天线贴片130的那部分上。例如，浮置贴片140可以被提供为印刷或以其它方式沉积的金属层。包括多层电路结构110和具有浮置贴片140的框架200的组件可形成为用于并入其它装置中(例如，诸如移动电话、智能电话、平板计算机等的通信装置中)的封装件。
需要注意，尽管在图13的示例中，浮置贴片140被布置在框架200的内侧(即，朝向竖直天线贴片130的一侧)，其它布置方式也是可能的。例如，浮置贴片140可设置在框架200的外侧(即，背离竖直天线贴片130的一侧)。此外，浮置贴片140可设置在框架200的内侧和外侧。
在图14的示例中，多层电路结构110被假设为并入诸如移动电话、智能电话、平板计算机等的通信装置中。如图所示，多层电路结构被布置为靠近通信装置的外壳201，其中在外壳201与多层电路结构110的形成有竖直天线贴片130的边缘之间具有特定距离。可以看出，在这种情况下，浮置贴片140可设置在外壳201的面向竖直天线贴片130的那部分上。例如，浮置贴片140可被提供为印刷或以其它方式沉积的金属层。
需要注意，尽管在图14的示例中浮置贴片140被布置在外壳201的内侧(即，面向竖直天线贴片130的一侧)，其它布置方式也是可能的。例如，浮置贴片140可设置在外壳201的外侧(即，背向竖直天线贴片130的一侧)。此外，浮置贴片140可设置在外壳201的内侧和外侧。
在上述天线装置100、101、102被并入壳体或外壳中的场景中，该外壳通常将至少部分地由不导电(因此介电)材料形成。这样，可避免壳体或外壳充当针对经由竖直天线贴片130发送的无线电信号的屏蔽。然而，在壳体或外壳中使用介电材料可导致无线电信号在穿过壳体或外壳的介电材料时的失真和/或折射。这种影响随着无线电信号的频率增加而增大，并且可能在与约10GHz至约100GHz范围内的频率对应的毫米波长范围内的无线电信号的情况下显著。在下文中，将描述允许解决在无线电信号穿过由介电材料形成的壳体或外壳的一部分时对无线电信号的这些影响的实现方式。这通过向上述天线装置100、101、102进一步提供具有其中介电常数根据特定变化图案而变化的介电贴片来实现。
图15(A)和图15(B)例示了这种介电贴片的效果。图15(A)示意性地例示了无线电信号从竖直天线贴片130穿过由介电材料形成的壳体元件202(例如，壳体或外壳的一部分)传播。如图所示，无线电信号在穿过壳体元件202时失真，导致无线电信号在穿过壳体元件202之后发散。这种类型的发散通常是不期望的，因为其可导致信号质量降低。与之相比，图15(B)例示了介电贴片150被设置在壳体元件202上以使得从天线贴片130发送的无线电信号穿过介电贴片150和壳体元件202的场景。如图所示，介电贴片150被构造为表现得像针对无线电信号的会聚透镜，从而补偿由壳体元件202导致的发散。介电贴片150的这种构造通过在介电贴片150中配置的介电常数的变化图案来实现。例如，通过限定变化图案，使得介电常数朝着介电贴片150的中心增加，介电贴片150可被构造为表现得像会聚透镜。
图16例示了可如何利用导致介电贴片150充当无线电信号的会聚透镜的介电常数的变化图案来配置介电贴片150的示例。在图16的示例中，这通过在介电贴片150中提供不导电过孔151并使用不导电线151的尺寸和/或密度来调谐介电常数的局部有效值来实现。在图16的示例中，不导电过孔151的尺寸从介电贴片150的边缘朝着中心(沿着垂直于无线电信号的传播路径的方向)减小。此外，不导电过孔151的密度从介电贴片150的边缘朝着中心(沿着垂直于无线电信号的传播路径的方向)减小。
尽管图16仅例示了一个平面中的变化图案，但是将理解，不导电过孔151可根据各种三维图案和几何形状来布置，以实现期望的透镜特性。这样的透镜特性可包括柱面透镜的特性，而且包括球面或抛物面透镜的特性。
如图16中进一步所示，介电贴片150还可与结合图9至图14说明的浮置贴片140组合(例如，通过将介电贴片150和浮置贴片140作为夹层结构设置在壳体元件202上)。这里，需要注意，布置浮置贴片140、介电贴片150和壳体元件202的所示次序仅是示例性的，这些元件可按照各种方式重新布置。例如，浮置贴片140可设置在壳体元件202的背向竖直天线贴片130的一侧，而介电贴片150被设置在壳体元件202的面向竖直天线贴片130的一侧。此外，浮置贴片140和介电贴片150二者可设置在壳体元件202的背向竖直天线贴片130的一侧。此外，浮置贴片140可被夹在介电贴片150与壳体元件202之间。
可利用各种构造来提供具有上述介电贴片150或多个介电贴片150的天线装置101、101或102。现在将参照图17至图19进一步描述这样的构造的示例。
在图17的示例中，多层电路结构110被包围在框架203中。在多层电路结构110的形成有竖直天线贴片130的一侧，框架203与多层电路结构110的边缘间隔开。在多层电路结构110的其它侧，框架203可紧密地配合到多层电路结构110的边缘。可以看出，在这种情况下，介电贴片150可被附接到框架203的面向竖直天线贴片130的那部分。例如，介电贴片150可被粘到框架203的内侧。在图17的构造中，介电贴片150可由与框架203的材料不同的材料形成。包括多层电路结构110和具有介电贴片150的框架203的组件可形成为用于并入其它装置中(例如，诸如移动电话、智能电话、平板计算机等的通信装置中)的封装件。
在图18的示例中，多层电路结构110被包围在框架204中。在多层电路结构110的形成有竖直天线贴片130的一侧，框架204与多层电路结构110的边缘间隔开。在多层电路结构110的其它侧，框架204可紧密地配合到多层电路结构110的边缘。在图17的构造中，介电贴片150形成在框架204的面向竖直天线贴片130的那部分的材料内。例如，介电贴片150可通过在框架204的材料中钻、冲压和/或以其它方式机加工不导电过孔151来形成。包括多层电路结构110和具有介电贴片150的框架204的组件可形成为用于并入其它装置中(例如，诸如移动电话、智能电话、平板计算机等的通信装置中)的封装件。
在图19的示例中，多层电路结构110被假设为并入诸如移动电话、智能电话、平板计算机等的通信装置中。如图所示，多层电路结构被布置为靠近通信装置的外壳205。可以看出，在这种情况下，介电贴片150可设置在外壳205的面向竖直天线贴片130的那部分的材料内。例如，介电贴片150可通过在框架204的材料中钻、冲压和/或以其它方式机加工不导电过孔151来形成。
图20示意性地例示了配备有一个或更多个天线装置310的通信装置300。这些天线装置310可对应于上述类型(例如，天线装置100、101或102)。此外，通信装置300还可包括其它类型的天线。通信装置可对应于小尺寸的用户装置，例如移动电话、智能电话、平板计算机等。然而，将理解，也可使用其它类型的通信装置，例如基于车辆的通信装置、无线调制解调器或自主传感器。
如进一步所示，通信装置300还包括一个或更多个通信处理器340。通信处理器340可生成或以其它方式处理要经由天线装置310传输的通信信号。为此，通信处理器340可根据一个或更多个通信协议(例如，根据5G蜂窝无线电技术)执行各种类型的信号处理和数据处理。
将理解，如上所述的概念易于进行各种修改。例如，所述概念可结合各种类型的无线电技术和通信装置来应用，而不限于5G技术。所示天线装置可从通信装置发送无线电信号和/或在通信装置中接收无线电信号。此外，将理解，所示天线结构可经受关于天线几何形状的各种修改，可使用各种形状的天线贴片、馈电贴片、浮置贴片和/或介电贴片。例如，所示矩形形状的天线贴片、馈电贴片、浮置贴片或介电贴片可被修改为较复杂的形状，例如类似L形、类似F形、类似H形。此外，还可利用诸如圆形或椭圆形的弯曲形状。此外，需要注意，如上所述的天线装置的各个特征可按照各种方式组合。例如，上述介电贴片也可用于不包括上述腔体区域的天线装置。

Claims (18)

1.一种天线装置(100；101；102)，该天线装置包括：
具有沿着竖直方向层叠的多个层的多层电路结构(110)；
形成在所述多层电路结构(110)的边缘处的至少一个腔体区域(120)，
所述至少一个腔体区域(120)是由被去除了所述多层电路结构(110)的介电衬底材料的多个不导电过孔(121)形成的；以及
布置在所述至少一个腔体区域(120)中的至少一个竖直天线贴片(130)，
壳体元件(201；202；203；204；205)，所述多层电路结构(110)布置在所述壳体元件中；以及
至少一个介电贴片(150)，所述至少一个介电贴片被布置在所述壳体元件(200)上的、面向所述至少一个竖直天线贴片(130)的平面中，
所述至少一个介电贴片(150)被构造有介电常数的变化图案，其中，所述变化图案是按照使得介电常数朝着所述至少一个介电贴片(150)的中心增加的方式限定的。
2.根据权利要求1所述的天线装置(100；101；102)，
其中，所述腔体区域(120)包括：
形成在所述多个层中的一个或更多个层中并限定所述腔体区域(120)的第一水平边缘的至少一个第一导电条(122)；
形成在所述多个层中的一个或更多个层中并限定所述腔体区域(120)的第二水平边缘的至少一个第二导电条(123)；以及
在所述至少一个第一导电条(122)与所述至少一个第二导电条(123)之间延伸并限定所述腔体区域(120)的竖直外边缘的导电过孔(124)。
3.根据权利要求1或2所述的天线装置(100；101；102)，
其中，所述腔体区域(120)的所述不导电过孔(121)被布置为在所述腔体区域(120)中形成衬底材料的网状网格。
4.根据权利要求1所述的天线装置(100；101；102)，
其中，所述竖直天线贴片(130)是由形成在所述多个层中的一个或更多个层中的多个导电条(131)形成的，所述竖直天线贴片(130)的导电条(131)通过在布置在所述多层电路结构(110)的不同层上的导电条(131)中的两个或更多个导电条之间延伸的导电过孔(132)彼此电连接。
5.根据权利要求4所述的天线装置(100；101；102)，
其中，所述竖直天线贴片(130)的导电条(131)和所述导电过孔(132)被布置为形成网状图案。
6.根据权利要求1所述的天线装置(100；101；102)，
其中，形成所述腔体区域(120)的所述不导电过孔(121)被具有比所述多层电路结构(110)的衬底材料低的介电常数的介电材料填充。
7.根据权利要求1所述的天线装置(100；101；102)，
其中，形成所述腔体区域(120)的所述不导电过孔(121)被空气填充。
8.根据权利要求1所述的天线装置(102)，该天线装置包括：
至少一个电浮置贴片(140)，所述至少一个电浮置贴片被电容耦合到所述至少一个竖直天线贴片(130)，并且被布置在相对于所述至少一个竖直天线贴片(130)在朝着所述多层电路结构(110)的外围的方向上偏移的平面中。
9.根据权利要求8所述的天线装置(102)，
其中，所述电浮置贴片(140)是由所述多个层中的一个或更多个层中的多个导电条(141)形成的，所述电浮置贴片(140)的导电条(141)通过在布置在所述多层电路结构(110)的不同层上的所述电浮置贴片(140)的导电条(141)中的两个或更多个导电条之间延伸的导电过孔(142)彼此电连接。
10.根据权利要求8所述的天线装置(102)，
其中，所述电浮置贴片(140)是由形成在壳体元件(200；201；202；203；204；205)上的竖直导电条形成的，所述多层电路结构(110)被布置在所述壳体元件中。
11.根据权利要求1所述的天线装置(100；101；102)，
其中，所述至少一个介电贴片(150)包括被去除了介电贴片(150)的介电衬底材料的不导电过孔(151)。
12.根据权利要求11所述的天线装置(100；101；102)，
其中，所述变化图案是通过设定所述介电贴片(150)的不导电过孔(151)的密度和/或通过设定所述介电贴片(150)的不导电过孔(151)的尺寸来构造的。
13.根据权利要求1所述的天线装置(100；101；102)，该天线装置包括：
至少一个馈电贴片(135)，所述至少一个馈电贴片被布置在所述至少一个腔体区域(120)中，并且被构造为向所述至少一个竖直天线贴片(130)电容馈电，
所述馈电贴片(135)是由所述多个层中的一个或更多个层中的多个导电条(136)形成的，所述馈电贴片(140)的导电条(136)通过在布置在所述多层电路结构(110)的不同层上的所述馈电贴片(135)的导电条(136)中的两个或更多个导电条之间延伸的导电过孔(137)彼此电连接。
14.根据权利要求1所述的天线装置(100；101；102)，
其中，所述多层电路结构(110)的衬底材料包括陶瓷材料。
15.根据权利要求1所述的天线装置(100；101；102)，
其中，所述多层电路结构(110)的多个层是通过低温共烧组装的。
16.根据权利要求1所述的天线装置(100；101；102)，该天线装置包括：
布置在所述多层电路结构(110)上的无线电前端电路(180)。
17.根据权利要求16所述的天线装置(100；101；102)，
其中，所述多层电路结构(110)包括容纳所述无线电前端电路(180)的腔体(170)。
18.一种通信装置(300)，该通信装置包括：
至少一个根据权利要求1至16中任一项的天线装置(100；101；102)；以及
至少一个处理器(340)，所述至少一个处理器被配置为处理经由所述至少一个天线装置(100；101；102)的所述至少一个竖直天线贴片(130)发送的通信信号。
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