CN110690570B - 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及电子设备，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、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，多个导电结构穿过N层介质基板，每个导电结构均与第一金属层和第二金属层连接，且多个导电结构围成一个介质腔体，第一金属层上设置有第一缝隙、第二缝隙和第一通孔，第二金属层上设置有第二通孔，馈电结构的一端位于第一通孔内，馈电结构的另一端穿设于第二通孔。本申请实施例中，通过馈电结构的馈电激励介质腔体以高次模产生目标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，降低了毫米波天线所占用的空间。

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，毫米波天线的主要指标包括波束的等效全向辐射功率和球形空间覆盖度，为了保证毫米波天线具有更好的等效全向辐射功率和球形空间覆盖度，通过会采用相控阵的排列方式设置辐射波束能够互补的多个毫米波天线进行排列，从而使毫米波天线具有较高的增益。

然而通过上述方式设置毫米波天线时，由于需要多个辐射波束能够互补的毫米波天线，从而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及电子设备，可以在保证单个毫米波天线具有高增益的情况下，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、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缝隙、第二缝隙和第一通孔，所述第一通孔位于所述第一缝隙和所述第二缝隙之间，且所述第一缝隙、所述第二缝隙和所述第一通孔均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，所述馈电结构穿过所述N层介质基板，所述馈电结构的一端位于所述第一通孔内，且与所述第一金属层之间形成第一间隙，所述馈电结构的另一端穿设于所述第二通孔，且与所述第二金属层之间形成第二间隙，所述馈电结构用于馈入激励信号，所述激励信号用于激励介质腔体谐振于目标谐振频率。

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：

本申请中，由于馈电结构的一端位于第一通孔内，且与第一金属层之间形成第一间隙，馈电结构的另一端穿设于第二通孔，且与第二金属层之间形成第二间隙，因此在馈电结构可以在介质腔体内正常馈入激励信号。由于多个导电结构的两端分别与第一金属层和第二金属层连接，且多个导电结构可以围成介质腔体，这样，馈电结构馈入的激励信号可以激励介质腔体以高次模的模式产生目标谐振频率的毫米波信号，从而可以保证该毫米波天线具有较高的增益。另外，由于第一通孔位于第一缝隙和第二缝隙之间，从而可以保证介质腔体产生的高次模的毫米波信号可以向外辐射，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。

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另一种毫米波天线的主视结构示意图；

图3是本申请实施例提供的又一种毫米波天线的主视结构示意图；

图4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5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6是本申请实施例提供的一种毫米波天线的辐射效率曲线图；

图7是本申请实施例提供的一种毫米波天线在38GHz处的E面和H面的辐射方向图；

图8是本申请实施例提供的又一种毫米波天线在38GHz处的3D辐射方向图；

图9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：馈电结构；5：导电结构；6：射频芯片；

21：第一缝隙；22：第二缝隙；23：第一通孔；

31：第二通孔。

901：处理器；902：存储器；903：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结构示意图。如图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、馈电结构4和多个导电结构5，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5均穿过N层介质基板1，每个导电结构5均与第一金属层2和第二金属层3连接，且多个导电结构5围成一个介质腔体。第一金属层2上设置有第一缝隙21、第二缝隙22和第一通孔23，第一通孔23位于第一缝隙21和第二缝隙22之间，且第一缝隙21、第二缝隙22和第一通孔23均贯穿第一金属层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，馈电结构4穿过N层介质基板1，馈电结构4的一端位于第一通孔23内，且与第一金属层2之间形成第一间隙，馈电结构4的另一端穿设于第二通孔31，且与第二金属层3之间形成第二间隙，馈电结构4用于馈入激励信号，该激励信号用于激励介质腔体谐振于目标谐振频率。

本申请实施例中，由于馈电结构4的一端位于第一通孔23内，且与第一金属层2之间形成第一间隙，馈电结构4的另一端穿设于第二通孔31，且与第二金属层3之间形成第二间隙，因此在馈电结构4可以在介质腔体内正常馈入激励信号。由于多个导电结构5的两端分别与第一金属层2和第二金属层3连接，且多个导电结构5可以围成介质腔体，这样，馈电结构4馈入的激励信号可以激励介质腔体以高次模的模式产生目标谐振频率的毫米波信号，从而可以保证该毫米波天线具有较高的增益。另外，由于第一通孔23位于第一缝隙21和第二缝隙22之间，从而可以保证介质腔体产生的高次模的毫米波信号可以向外辐射，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所占用的空间。

其中，第一间隙的形状可以为环形或方形等，只要第一间隙能够完全隔离第一金属层2与馈电结构4即可，第二间隙的形状与第一间隙的形状可以相同，也可以不相同，只要第二间隙能够完全隔离第二金属层与馈电结构即可，本申请实施例对此不做限定。

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。

其中，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1，也即是每层介质基板11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。

其中，馈电结构4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。

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，如图2所示，第一金属层2和第二金属层3形成于该介质基板1上，也即是第一金属层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3所示，毫米波天线还可以包括M层介质基板1，M为大于或等于1的整数，M层介质基板1层叠设置在第一金属层2背离第二金属层的一侧，多个导电结构5还穿过M层介质基板1，M层介质基板1上设置有第三通孔，第三通孔贯穿M层介质基板，第三通孔用于至少暴露出第一缝隙和第二缝隙。

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6，射频芯片6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6与馈电结构的连接，通过射频芯片6向馈电机构传输电信号，以使馈电结构可以在介质腔体内馈入激励信号。

在一些实施例中，如图4所示，第一缝隙21和第二缝隙22均呈矩形结构，且第一缝隙21的长度方向和第二缝隙22的长度方向平行。这样设置，可以保证介质腔体因激励而产生的毫米波信号的辐射方向沿第一金属层2所在的平面的法线方向，避免第一金属层2对辐射的毫米波信号的阻挡，从而进一步提高毫米波信号的辐射效率。

另外，由于第一缝隙21和第二缝隙22均呈矩形结构，从而可以通过设置第一缝隙21和第二缝隙22的长和/或宽的尺寸，使得第一缝隙21和第二缝隙22具有更有的阻抗匹配，以减少第一金属层2对毫米波信号的反射，从而提高毫米波信号的辐射效率。

需要说明的是，第一缝隙21和第二缝隙22的尺寸完全相同。示例地，第一缝隙21和第二缝隙22的长度均为3.4毫米，宽度均为0.3毫米。

当然，第一缝隙21和第二缝隙22也可以呈其他结构，只要可以保证第一缝隙21和第二缝隙22具有较高的阻抗匹配，以提高介质腔体产生的毫米波信号的辐射效率即可，本申请实施例对此不做限定。

在一些实施例中，如图4所示，第一缝隙21和第二缝隙22关于介质腔体的第一表面的中心点对称。这样，介质腔体产生的高次模的毫米波信号沿第一缝隙21和第二缝隙22向外辐射时，可以保持相同的相位，进而避免毫米波信号向外辐射时不会出现分瓣的现象或偏离第一金属层2的法线的方向。

需要说明的是，第一缝隙21和第二缝隙22可以为一个虚拟矩形上相对的两个边，当然，第一缝隙21和第二缝隙22也可以按照其他方式进行设置，只要在毫米波信号沿第一缝隙21和第二缝隙22向外辐射时，具有相同的相位，且不会出现分瓣或偏离第一金属层2的法线的方向即可，本申请实施例对此不做限定。

在一些实施例中，如图4所示，介质腔体平行于第一金属层的横截面呈矩形结构或圆形。当然，介质腔体的横截面也可以为多边形结构等，本申请实施例对此不做限定。

在一些实施例中，介质腔体平行于第一缝隙21的宽度方向的长度大于λ，这样通过横截面上过中心点的线段的长度的设置，保证介质腔体被激励出高次模的毫米波信号。

其中，横截面上过中心点，且沿第一缝隙21的宽度方向的线段是指过横截面的中心点，且沿第一缝隙21的宽度方向的直线与横截面的边界相交后形成的线段。λ是目标谐振频率的毫米波信号在介质基板1中传播的波长。

需要说明的是，当介质腔体的横截面为矩形结构时，假设该矩形结构的一条边与第一缝隙21的宽度方向平行，则介质腔体上与第一缝隙21的宽度方向平行的边的长度大于λ。

示例地，假设目标谐振频率的毫米波信号在介质基板1中传播的波长为4.0毫米，介质腔体的横截面为正方形，此时介质腔体的横截面的尺寸可以为4.2毫米*4.2毫米，此时在馈电结构4馈电后，介质腔体可以被激励出TM21模的毫米波信号。

在一些实施例中，如图1所示，馈电结构4沿垂直于第一金属层方向的中心线与介质腔体沿垂直于第一金属层方向的中轴线平行。这样，可以通过馈电结构4的位置，确保介质腔体可以被激励出高次模的毫米波信号。

需要说明的是，馈电结构4沿垂直第一金属层方向的中心线与介质腔体沿沿垂直第一金属层方向的中轴线之间的距离不同，介质腔体所激励出的毫米波信号的模式也会不同。

示例地，馈电结构4沿垂直于第一金属层方向的中心线与介质腔体沿垂直于第一金属层方向的中轴线之间的距离等于介质腔体上与第一缝隙21的宽度方向平行的边的长度的四分之一，此时，介质腔体可以被激励出TM21模的毫米波信号。

还需要说明的是，馈电结构的中心线可以在介质腔体沿第一缝隙的长度方向的中心线上，也即是，馈电结构4的中心线可以与介质腔体沿第一缝隙的长度方向的中心线重合。

在一些实施例中，多个导电结构5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5。

当然，多个导电结构5也可以为其他结构，只要能够围成介质腔体，且能够在馈电结构4馈入的激励信号的激励下在高次模的模式下产生毫米波信号即可，本申请实施例对此不做限定。比如，多个导电结构5也可以为多个金属片等。

其中，多个导电结构5中任意相邻两个导电结构5之间的距离位于参考距离范围内，参考距离范围是指在介质腔体内产生的毫米波信号不会在相邻两个导电结构5之间发生辐射损耗的距离范围。

这样，通过参考距离范围对相邻两个导电结构5之间的最小距离进行限制，以避免设置的导电结构5的数量过多的情况，同时通过参考距离范围对相邻两个导电结构5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5之间的辐射损耗。

需要说明的是，当馈电结构4为圆柱状结构时，馈电结构4的直径和每个导电结构5的直径可以相同。示例地，馈电结构4和导电结构5的直径可以为0.2毫米。

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1的厚度总和小于厚度阈值，也即是N层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1的总厚度。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之间的介质基板的层数，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。

结合上述示例，当N等于1，介质基板的介质损耗正切值为0.002，介质基板的介电常数可以为6，介质基板的平面尺寸为6毫米*6毫米，介质腔体的厚度为0.7毫米，第一缝隙21和第二缝隙22的尺寸均为3.4毫米*0.3毫米，介质腔体的横截面的尺寸为4.2毫米*4.2毫米，馈电结构和每个导电结构均为圆柱状，且直径为0.2毫米，第一间隙和第二间隙均为环状结构，且宽度为0.2毫米。通过仿真得到的该毫米波天线的S11曲线的目标谐振频率为38GHz，阻抗带宽为37.4～38.3GHz，该毫米波天线的回波损耗曲线图可以如图5所示，该毫米波天线的辐射效率曲线图可以如图6所示，该毫米波天线在38GHz处的E面和H面的辐射方向图可以如图7所示，该毫米波天线在38GHz处的3D辐射方向图可以如图8所示。

本申请实施例中，由于馈电结构的一端位于第一通孔内，且第一金属层之间形成第一间隙，馈电结构的另一端穿设于第二通孔，且与第二金属层之间形成第二间隙，因此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机传输的电信号后，馈电结构可以在介质腔体内馈电激励信号。由于多个导电结构的两端分别与第一金属层和第二金属层连接，且多个导电结构可以围成介质腔体，这样，馈电结构馈入的激励信号可以激励介质腔体以高次模的模式产生目标谐振频率的毫米波信号，从而可以保证该毫米波天线具有较高的增益。另外，由于第一通孔位于第一缝隙和第二缝隙之间，从而可以保证介质腔体产生的高次模的目标谐振频率的毫米波信号可以向外辐射，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所占用的空间。

图9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9所示，该电子设备可以包括处理器901、存储器902和上述图1-图8中所示实施例的毫米波天线903。

其中，处理器901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902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903用于接收电信号，并转换为毫米波信号，以与通信网络以及其他通信设备进行通信，或者将接收到的毫米波信号转换为电信号。

本领域技术人员可以理解，图9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 (14)

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、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缝隙、第二缝隙和第一通孔，所述第一通孔位于所述第一缝隙和所述第二缝隙之间，且所述第一缝隙、所述第二缝隙和所述第一通孔均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，所述馈电结构穿过所述N层介质基板，所述馈电结构的一端位于所述第一通孔内，且与所述第一金属层之间形成第一间隙，所述馈电结构的另一端穿设于所述第二通孔，且与所述第二金属层之间形成第二间隙，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目标谐振频率。

2.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一缝隙和所述第二缝隙均呈矩形结构，且所述第一缝隙的长度方向和所述第二缝隙的长度方向平行。

3.如权利要求2所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一缝隙和所述第二缝隙关于所述介质腔体的第一表面的中心点对称。

4.如权利要求2所述的毫米波天线，其特征在于，所述介质腔体平行于所述第一金属层的横截面呈矩形或圆形。

5.如权利要求4所述的毫米波天线，其特征在于，所述介质腔体平行于所述第一缝隙的宽度方向的长度大于λ，所述λ是所述目标谐振频率的毫米波信号在所述介质基板中传播的波长。

6.如权利要求2所述的毫米波天线，其特征在于，所述馈电结构沿垂直于所述第一金属层方向的中心线与所述介质腔体沿垂直于所述第一金属层方向的中轴线平行。

7.如权利要求6所述的毫米波天线，其特征在于，所述馈电结构沿垂直于所述第一金属层方向的中心线与所述介质腔体沿垂直于所述第一金属层方向的中轴线之间的距离等于所述介质腔体与所述第一缝隙的宽度方向平行的边的长度的四分之一。

8.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。

9.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述目标谐振频率为38GHz，所述毫米波天线的阻抗带宽为37.4-38.3GHz。

10.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。

11.如权利要求10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参考距离范围内，所述参考距离范围是指在所述介质腔体内产生的所述目标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。

12.如权利要求1-11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，所述M为大于或等于1的整数；

所述M层介质基板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M层介质基板，所述M层介质基板上设置有第三通孔，所述第三通孔贯穿所述M层介质基板，所述第三通孔用于至少暴露出所述第一缝隙和所述第二缝隙。

13.如权利要求12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。

14.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1-13任一项所述的毫米波天线。

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