CN110676578A - 毫米波天线及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种毫米波天线，属于天线技术领域。该毫米波天线包括：N层介质基板、第一金属层、第二金属层、第一辐射贴片、馈电结构和多个导电结构，第一金属层、N层介质基板和第二金属层层叠设置。多个导电结构均穿过N层介质基板，每个导电结构均与第一金属层和所述第二金属层连接，且多个导电结构能够围成一个介质腔体。馈电结构用于馈入激励信号，以激励介质腔体谐振于第一谐振频率。本申请实施例中，可以通过馈电结构馈入的激励信号激励介质腔体以高次模的模式产生第一谐振频率的毫米波信号，从而保证了毫米波天线的高增益的有效性，同时降低了毫米波天线在终端中所占用的空间。

Description

毫米波天线及电子设备

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别涉及一种毫米波天线及电子设备。

背景技术

随着第五代移动通信(5G)的到来，毫米波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，可移动穿戴设备等)。其中，毫米波天线是指工作频率在24.25GHz～52.6GHz范围内的天线。

在毫米波天线的使用过程中，通常会以阵列的方式对多个毫米波天线进行排布，来增加毫米波天线的带宽，然而，这种毫米波天线设置方式不仅增加了毫米波天线的整体设计难度，还增大了整个毫米波天线所占的体积。

发明内容

本申请提供了一种毫米波天线，可以在保证单个毫米波天线具有高带宽的情况下，减小毫米波天线的设计难度，减小毫米波天线所占的体积较大的问题。

所述技术方案如下：

一方面，提供了一种毫米波天线，所述毫米波天线包括：N层介质基板、第一金属层、第二金属层、第一辐射贴片、馈电结构和多个导电结构，所述N为大于或等于1的整数；

所述第一金属层、所述N层介质基板和所述第二金属层层叠设置；

所述多个导电结构均穿过所述N层介质基板，每个导电结构均与所述第一金属层和所述第二金属层连接，且所述多个导电结构围成一个介质腔体；

所述第一金属层上设置有第一通孔，所述第一通孔贯穿所述第一金属层，所述第二金属层上设置有第二通孔，第二通孔贯穿所述第二金属层，所述第一辐射贴片位于所述第一通孔内；

所述馈电结构设置于所述介质腔体内，所述馈电结构的一端与所述第一辐射贴片连接，所述馈电结构的另一端穿设于所述第二通孔，所述馈电结构用于馈入激励信号，所述激励信号用于激励所述介质腔体谐振于第一谐振频率。

另一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括如上述第一方面所述的毫米波天线。

本申请提供的技术方案的有益效果至少包括：

可以通过N层介质基板、第一金属层、第二金属层、第一辐射贴片、馈电结构和多个导电结构构成一个毫米波天线。构成的毫米波天线中，在第二金属层的基础上，通过多个导电结构围成一侧开口的介质腔体。这样，馈电结构在介质腔体内馈入激励信号后，该激励信号可以激励介质腔体以高次模的模式谐振于第一谐振频率，从而能够使该毫米波天线具有较高的增益。这样，不仅实现了单个毫米波天线的高增益，还降低了毫米波天线在终端中所占用的空间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种毫米波天线的主视结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种毫米波天线的俯视结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种毫米波天线的回波损耗的曲线图；

图4是本申请实施例提供的一种毫米波天线的增益的曲线图；

图5是本申请实施例提供的一种毫米波天线在26GHz处的辐射方向图；

图6是本申请实施例提供的一种毫米波天线在28GHz处的辐射方向图；

图7是本申请实施例提供的一种毫米波天线在30GHz处的辐射方向图；

图8是本申请实施例提供的一种毫米波天线的辐射效率的曲线图；

图9是本申请实施例提供的另一种毫米波天线的主视结构示意图；

图10是本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

附图标记：

1：介质基板；2：第一金属层；3：第二金属层；4：第一辐射贴片；5：馈电结构；6：导电结构；7：第三金属层；8：第二辐射贴片；9：射频芯片；

21：第一通孔；31：第二通孔；71：第三通孔；

1001：处理器；1002：存储器；1003：毫米波天线。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

图1示例了本申请实施例的一种毫米波天线的主视结构示意图。如附图1所示，毫米波天线包括：N层介质基板1、第一金属层2、第二金属层3、第一辐射贴片4、馈电结构5和多个导电结构6，N为大于或等于1的整数。第一金属层2、N层介质基板1和第二金属层3层叠设置，多个导电结构6均穿过N层介质基板1，每个导电结构6均与第一金属层2和第二金属层3连接，且多个导电结构6能够围成一个介质腔体。第一金属层2上设置有第一通孔21，第一通孔21贯穿第一金属层2，第二金属层3上设置有第二通孔31，第二通孔31贯穿第二金属层3，第一辐射贴片4位于第一通孔21内，馈电结构5设置于介质腔体内，馈电结构5的一端与第一辐射贴片4连接，馈电结构5的另一端穿设于第二通孔31，馈电结构5用于馈入激励信号，激励信号用于激励介质腔体谐振于第一谐振频率。

本申请实施例中，可以通过N层介质基板1、第一金属层2、第二金属层3、第一辐射贴片4、馈电结构5和多个导电结构6构成一个毫米波天线。构成的毫米波天线中，在第二金属层3的基础上，通过多个导电结构6围成一侧开口的介质腔体。这样，馈电结构5在介质腔体内馈入激励信号后，该激励信号可以激励介质腔体以高次模的模式谐振于第一谐振频率，从而能够使该毫米波天线具有较高的增益。这样，不仅实现了单个毫米波天线的高增益，还降低了毫米波天线在终端中所占用的空间。

其中，馈电结构5可以是金属探针，当然，也可以是其他材质的探针，只要具有导电功能即可，本申请实施例对此不做限定。馈电结构5馈入的激励信号不仅可以用于激励介质腔体谐振于第一谐振频率，该激励信号还用于激励第一辐射贴片4谐振于第二谐振频率。以通过第一谐振频率和第二谐振频率的结合，使得该毫米波天线能够覆盖更宽的频率区间。示例地，第一谐振频率和第二谐振频率可以共同覆盖22.3GHz～30.3GHz频率区间。

在一些实施例中，馈电结构5和第一辐射贴片4可以呈L形结构。这样，馈电结构5馈入的激励信号激励第一辐射贴片4以高次模的模式产生第二谐振频率的毫米波信号时，该毫米波信号可以介质腔体被激励而产生的毫米波信号的辐射方向产生影响，以保证介质腔体内产生的第一谐振频率的毫米波信号能够沿第一通孔21向外辐射，从而保证该毫米波天线的高增益的有效性。

在一些实施例中，为了保证毫米波天线的高增益的特性，介质基板1可以采用具有低损耗特性的材料制成。可以通过介质基板1的介质损耗角正切值限定介质基板1的低损耗性。

其中，介质损耗角正切值越小，表明介质基板1的高频低损耗性能越好。这样，每层介质基板1的介质损耗角正切值可以均小于正切阈值，正切阈值是指介质基板1具有低损耗特性的性能阈值。

示例地，正切阈值可以为0.03，此时，可以选用介质损耗正切值为0.002或0.001的介质基板，也即是每层介质基板1的介质损耗正切值可以为0.002或0.001，进而可以保证每层介质基板1具有低损耗性。

在一些实施例中，第一辐射贴片4的法向中心线可以与第一通孔21的中心线重合，以通过第一辐射贴片4产生的毫米波信号对在介质腔体内产生的毫米波信号的辐射方向产生影响，进而保证介质腔体内产生的毫米波信号的辐射方向能够沿第一通孔21所在的平面的法线方向，以保证毫米波天线的高增益的有效性，同时增大毫米波天线的辐射效率。

当然，第一辐射贴片4的法向中心线与第一通孔21的中心线之间也可以偏移一定距离，只要能够保证毫米波天线的高增益的有效性，同时能够增大毫米波天线的辐射效率即可，本申请实施例对此不做限定。

在一些实施例中，如图2所示，第一通孔21和第一辐射贴片4均可以呈矩形结构，且第一通孔21长度方向与第一辐射贴片4的长度方向平行。

这样可以通过第一辐射贴片4和第一通孔21的位置关系，保证第一辐射贴片4上产生的毫米波信号能够对介质腔体内产生的毫米波信号的辐射方向进行影响，以保证介质腔体内产生的毫米波信号可以沿第一通孔21向外辐射。

在一些实施例中，第一通孔21的长度为1.5λ，第一辐射贴片4的长度为0.5λ，λ是指第一谐振频率的毫米波信号在介质基板中传播的波长。

由于第一长度为1.5λ，也即是第一通孔21上沿与第一辐射贴片4的长度方向的第一侧边的长度为介质基板的介质有效波长的1.5倍，从而可以保证在馈电结构5通电后，在介质腔体内可以在高次模TM21的模式下产生毫米波信号。由于第二长度为0.5λ，也即是第一辐射贴片4延长度方向的长度为介质基板的介质有效波长的0.5倍，从而可以保证在第一辐射贴片4产生的毫米波信号的影响下，介质腔体内在高次模TM21的模式下产生的毫米波信号能够沿第一通孔21所在的平面的法线方向向外辐射，从而进一步提高毫米波天线的辐射效率。

示例地，介质基板的介质有效波长为1.4毫米，此时第一通孔21的长度可以为2.1毫米，第一辐射贴片4的长度可以为0.7毫米。假设介质基板的厚度为1.18毫米，介质基板的长和宽均为5毫米，第一通孔21的宽为2.1毫米，第一辐射贴片4的宽为0.5毫米，通过仿真得到的该毫米波天线的带宽为22.3～30.3GHz，相对带宽的宽度与中心频率的比值为30.42％。该毫米波天线的回波损耗曲线图可以如图3所示，该毫米波天线的增益曲线图可以如图4所示，该毫米波天线在26GHz处的辐射方向图可以图5所示，该毫米波天线在28GHz处的辐射方向图可以图6所示，该毫米波天线在30GHz处的辐射方向图可以图7所示，该毫米波天线的辐射效率曲线图可以如图8所示。

其中，该单个毫米波天线可覆盖毫米波的n257，n258，n261三个频段，该单个毫米波天线在22.3～30.3GHz的带宽内的增益均大于6dBi，相比较传统的毫米波天线具有明显的提高；该单个毫米波天线在22.3～30.3GHz的带宽内的辐射效率均大于97.9％。

在一些实施例中，馈电结构5与第一辐射贴片4之间的连接点与第一辐射贴片4的中心点之间的距离位于第一距离范围内，第一距离范围是指介质腔体内产生的第一谐振频率的毫米波信号沿第一通孔21的法线方向辐射时，连接点在第一辐射贴片4的长度方向上相对于第一辐射贴片4的中心点的偏移范围。

其中，第一距离范围的最小边界大于或等于0.1λ，且最大边界小于或等于0.5λ，λ是指第一谐振频率的毫米波信号在介质基板1中传播的波长。

在一些实施例中，多个导电结构6可以为直径相同的金属化通孔，以便于可以通过过孔的工艺在N层介质基板1上设置多个导电结构6。

当然，多个导电结构6也可以为其他结构，只要能够围成封闭区域，且能够在馈电结构5馈入的激励信号下，激励介质腔体在高次模的模式下产生第一谐振频率的毫米波信号，以及激励第一辐射贴片在高次模的模式下产生第二谐振频率的毫米波信号即可，本申请实施例对此不做限定。比如，多个导电结构6也可以为金属片等。

其中，多个导电结构6中任意相邻两个导电结构6之间的距离位于第二距离范围内，第二距离范围是指在介质腔体内产生的第一谐振频率的毫米波信号不会在相邻两个导电结构6之间发生辐射损耗的距离范围。

这样，通过第二距离范围对相邻两个导电结构6之间的最小距离进行限制，以避免设置的导电结构6的数量过多的情况，同时通过第二距离范围对相邻两个导电结构6之间的最大距离进行限制，以避免介质腔体内产生的毫米波信号在相邻两个导电结构6之间的辐射损耗。

需要说明的是，在一些实施例中，当每个导电结构6的直径小于0.05λ时，第二距离范围的最小边界可以是0.05λ，且最大边界可以是0.25λ，当每个导电结构6的直径大于0.05λ，且小于0.25λ时，第二距离范围的最小边界可以是导电结构6的直径，且最大边界可以是0.25λ。

在一些实施例中，第一金属层2与第二金属层3之间的介质基板的厚度总和小于厚度阈值。

其中，厚度阈值是指在毫米波天线的尺寸的限制下，介质腔体内产生的毫米波信号的辐射效率最大时介质基板的厚度。这样，可以通过厚度阈值限定第一金属层2和第二金属层3之间的介质基板的厚度总和，以限定介质腔体的空腔体积，进而保证该毫米波天线辐射效率。

在一些实施例中，N可以为1，也即是第一金属层2和第二金属层3之间只设置有一层介质基板1，这样，第一金属层2和第二金属层3分别形成于该介质基板1的两侧。

在另一些实施例中，N可以为大于1的整数，也即是第一金属层2和第二金属层3之间设置有至少两层介质基板，这样，如图1所示，第一金属层2和第二金属层3分别设置在该至少两层介质基板1中位于两侧的介质基板1上，且第一金属层2和第二金属层3均位于介质基板1的外侧。

需要说明的是，当第一金属层2和第二金属层3之间设置有至少两层介质基板1时，为了保证第一金属层2和第二金属层3的接地的良好性，至少两层介质基板之间还可以设置接地层，接地层环绕介质腔体，且与多个导电结构连接。

其中，接地层可以是铜基层，当然也可以是其他金属层，只要可以实现接地即可，本申请实施例对此不做限定。

示例地，如图1所示，N层介质基板1的数量为5层，第一金属层2设置在最上层的介质基板1的上表面，第二金属层3设置在最下层的介质基板的下表面。此时，由上至下的最上层介质基板1和第二层介质基板1之间，第二层介质基板和第三层介质基板1之间，第三层介质基板和第四层介质基板之间，以及第四层介质基板1和最下层介质基板1之间均可以设置有铜基层作为接地层。

在一些实施例中，如图9所示，该毫米波天线还可以包括M层介质基板、第三金属层7和第二辐射贴片8，M层介质基板和第三金属层依次层叠设置在第一金属层背离第二金属层的一侧，多个导电结构还穿过第一金属层和M层介质基板，每个导电结构还与第三金属层连接；第三金属层上设置有第三通孔，第三通孔贯穿第三金属层，第二辐射贴片位于第三通孔内，第二辐射贴片用于在第一辐射贴片的耦合馈电激励下，谐振于第三谐振频率。

这样，可以通过第二辐射贴片8和第一辐射贴片4耦合，使第二辐射贴片产生第三谐振频率的毫米波信号。以通过第二谐振频率的毫米波信号和第三谐振频率的毫米波信号同时对介质腔体产生的第一谐振频率的毫米波信号的辐射方向产生影响，从而进一步保证介质腔体产生的毫米波信号能够沿第一通孔21的法线方向向外辐射。

其中，第二辐射贴片8的尺寸可以小于第一辐射贴片4的尺寸，以保证第二辐射贴片8可以正常工作。第三通孔71的尺寸可以和第一通孔21的尺寸相同或相似，本申请实施例在此不再赘述。

在一些实施例中，如图1或图9所示，该毫米波天线还可以包括射频芯片9，射频芯片9设置于第二金属层背离第一金属层的一侧，并与馈电结构穿设于第二通孔的一端连接。这样，可以通过射频芯片9与馈电结构的连接，通过射频芯片9向馈电机构传输电信号，以使馈电结构可以馈入激励信号。

本申请实施例中，可以通过N层介质基板、第一金属层、第二金属层、第一辐射贴片、第二辐射贴片、馈电结构和多个导电结构构成一个毫米波天线。构成的毫米波天线中，可以在第二金属层的基础上，通过多个导电结构围成一侧开口的介质腔体。这样，在馈电结构穿过第二通孔与射频芯片电连接，且在馈电结构接收到射频芯片传输的电信号后，馈电结构馈入激励信号至介质腔体，以激励介质腔体谐振于第一谐振频率，激励第一辐射贴片谐振于第二谐振频率，激励第二辐射贴片谐振于第三谐振频率，从而能够使该毫米波天线具有较高的增益。由于馈电结构与第一辐射贴片和第二辐射贴片均呈L形连接，这样，第一辐射贴片和第二辐射贴片上均可以以高次模的模式产生毫米波信号，从而对在介质腔体内产生的毫米波信号的辐射方向产生影响，以保证在介质腔体内的毫米波信号能够沿第一通孔向外辐射，从而保证了毫米波天线的高增益的有效性。这样，不仅实现了单个毫米波天线的高增益，还降低了毫米波天线在终端中所占用的空间。

图10示例了本申请实施例的一种电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括的毫米波天线。

该电子设备可以是智能手机、平板电脑、MP3播放器(Moving Picture ExpertsGroup Audio Layer III，动态影像专家压缩标准音频层面3)、MP4(Moving PictureExperts Group Audio Layer IV，动态影像专家压缩标准音频层面4)播放器、笔记本电脑或台式电脑等。

在一些实施例中，如图10所示，该电子设备可以包括处理器1001、存储器1002和上述图1-图9中所示实施例的毫米波天线1003。

其中，处理器1001可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。存储器1002可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。毫米波天线1003用于接收电信号，并转换为电磁波信号，以与通信网络以及其他通信设备进行通信，或者将接收到的电磁波信号转换为电信号。

本领域技术人员可以理解，图10中示出的结构并不构成对电子设备的限定，可以包括比图示更多或更少的组件，或者组合某些组件，或者采用不同的组件布置。

本申请实施例中，由于单个毫米波天线具有高增益，且占用空间小的优点，因此，该电子设备可以只设置一个该毫米波天线，即可满足该电子设备的需求，从而为该电子设备预留出更大的空间。

以上所述仅为本申请的说明性实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种毫米波天线，其特征在于，所述毫米波天线包括：N层介质基板、第一金属层、第二金属层、第一辐射贴片、馈电结构和多个导电结构，所述N为大于或等于1的整数；

所述第一金属层、所述N层介质基板和所述第二金属层层叠设置；

所述多个导电结构均穿过所述N层介质基板，每个导电结构均与所述第一金属层和所述第二金属层连接，且所述多个导电结构围成一个介质腔体；

所述第一金属层上设置有第一通孔，所述第一通孔贯穿所述第一金属层，所述第二金属层上设置有第二通孔，所述第二通孔贯穿所述第二金属层，所述第一辐射贴片位于所述第一通孔内；

所述馈电结构设置于所述介质腔体内，所述馈电结构的一端与所述第一寄生辐射贴片连接，所述馈电结构的另一端穿设于所述第二通孔，所述馈电结构用于馈入激励信号，所述激励信号用于激励所述介质腔体谐振于第一谐振频率。

2.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述馈电结构和所述第一辐射贴片呈L形结构。

3.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一通孔和所述第一辐射贴片均呈矩形结构，且所述第一通孔的长度方向与所述第一辐射贴片的长度方向平行。

4.如权利要求3所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一通孔的长度为1.5λ，所述第一辐射贴片的长度为0.5λ，所述λ是所述第一谐振频率的毫米波信号在所述介质基板中传播的波长。

5.如权利要求3所述的毫米波天线，其特征在于，所述馈电结构与所述第一辐射贴片之间的连接点与所述第一辐射贴片的中心点之间的距离位于第一距离范围内，所述第一距离范围是指所述介质腔体内产生的所述第一谐振频率的毫米波信号沿所述第一通孔的法线方向辐射时，所述连接点在所述第一辐射贴片的长度方向上相对于所述第一辐射贴片的中心点的偏移范围。

6.如权利要求5所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一距离范围的最小边界大于或等于0.1λ，且最大边界小于或等于0.5λ，所述λ是所述第一谐振频率的毫米波信号在所述介质基板中传播的波长。

7.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一辐射贴片的法向中心线与所述第一通孔的中心线重合。

8.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述多个导电结构为直径相同的金属化通孔。

9.如权利要求8所述的毫米波天线，其特征在于，所述多个导电结构中任意相邻两个导电结构之间的距离位于第二距离范围内，所述第二距离范围是指在所述介质腔体内产生的所述第一谐振频率的毫米波信号不会在相邻两个导电结构之间发生辐射损耗的距离范围。

10.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，每层介质基板的介质损耗角的正切值均小于正切阈值，所述正切阈值是指介质基板具有低损耗特性的性能阈值。

11.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述激励信号还用于激励所述第一辐射贴片谐振于所述第二谐振频率。

12.如权利要求11所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一谐振频率和所述第二谐振频率共同覆盖22.3GHz～30.3GHz频率区间。

13.如权利要求1-12任一项所述的毫米波天线，其特征在于，所述毫米波天线还包括M层介质基板、第三金属层和第二辐射贴片；

所述M层介质基板和所述第三金属层依次层叠设置在所述第一金属层背离所述第二金属层的一侧，所述多个导电结构还穿过所述第一金属层和所述M层介质基板，每个所述导电结构还与所述第三金属层连接；

所述第三金属层上设置有第三通孔，所述第三通孔贯穿所述第三金属层，所述第二辐射贴片位于所述第三通孔内，所述第二辐射贴片用于在所述第一辐射贴片的耦合馈电激励下，谐振于第三谐振频率。

14.如权利要求13所述的毫米波天线，其特征在于，所述毫米波天线还包括射频芯片，所述射频芯片设置于所述第二金属层背离所述第一金属层的一侧，并与所述馈电结构穿设于所述第二通孔的一端连接。

15.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1-14任一项所述的毫米波天线。

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