CN111276788B - 双频毫米波天线模组和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种双频毫米波天线模组和电子设备，双频毫米波天线模组包括第一介质基板、辐射结构、第二介质基板及馈电结构，其中，辐射结构通过第一辐射贴片、第二辐射贴片、第三辐射贴片及连接部形成了折叠贴片天线形式的结构，当馈电结构将射频端口的射频信号馈至辐射结构时，辐射结构能够形成两个工作频带，能够激励天线的基模和高次模，实现双频谐振，具有高的天线增益和辐射效率；并且，折叠贴片天线形式的辐射结构有利于有效节约布线空间，可有效降低天线剖面，实现天线模组的薄型化。

Description

双频毫米波天线模组和电子设备

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种双频毫米波天线模组和电子设备。

背景技术

随着无线通信技术的发展，5G网络技术也随之诞生。5G网络作为第五代移动通信网络，其峰值理论传输速度可达每秒数十Gb，这比4G网络的传输速度快数百倍。因此，具有足够频谱资源的毫米波频段成为了5G通信系统的工作频段之一。

然而，目前毫米波天线仍存在的天线辐射增益较低和频段窄的问题，限制了天线的使用。

发明内容

本申请实施例提供一种双频毫米波天线模组和电子设备，可以实现宽频段覆盖，提高天线增益和辐射效率。

一种双频毫米波天线模组，包括：

第一介质基板，具有相背设置的第一侧和第二侧；

辐射结构，包括间隔设置在所述第一侧上的第一辐射贴片和第二辐射贴片，还包括连接部和设置在所述第二侧上的第三辐射贴片，所述第三辐射贴片通过所述连接部分别与所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片连接，所述连接部贯穿所述第一介质基板；

第二介质基板，设置在所述第三辐射贴片背离所述第一介质基板的一侧，所述第二介质基板背离所述第三辐射贴片的一侧设有射频芯片；

馈电结构，贯穿所述第二介质基板且将所述第三辐射贴片与所述射频芯片连接。

此外，还提供一种电子设备，包括：壳体及上述的双频毫米波天线模组，其中，所述双频毫米波天线模组收容在所述在壳体内。

上述双频毫米波天线模组和电子设备，包括：第一介质基板、辐射结构、第二介质基板及馈电结构，其中，辐射结构通过第一辐射贴片、第二辐射贴片、第三辐射贴片及连接部形成了折叠贴片天线形式的结构，当馈电结构将射频端口的射频信号馈至辐射结构时，辐射结构能够形成两个工作频带，能够激励天线的基模和高次模，实现双频谐振，具有高的天线增益和辐射效率；并且，折叠贴片天线形式的辐射结构有利于有效节约布线空间，可有效降低天线剖面，实现天线模组的薄型化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为一个实施例中电子设备的立体图；

图2为一实施例中双频毫米波天线模组的结构示意图；

图3为一实施例中第一辐射贴片的结构示意图

图4为一实施例中辐射结构的结构示意图；

图5为一实施例中辐射结构的结构示意图；

图6为一实施例中辐射结构的结构示意图；

图7为另一实施例中双频毫米波天线模组的结构示意图；

图8为另一实施例中双频毫米波天线模组的结构示意图；

图9为一实施例中双频毫米波天线模组的反射参数(S参数)曲线；

图10为一实施例中的双频毫米波天线模组的增益随频率的变化曲线；

图11为一实施例中27GHz频段时天线模组的表面电流分布示意图；

图12为一实施例中44GHz频段时天线模组的表面电流分布示意图；

图13为图1所示电子设备的壳体组件在另一实施例中的主视图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

本申请一实施例的双频毫米波天线模组应用于电子设备，在一个实施例中，电子设备可以为包括手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、移动互联网设备(MobileInternet Device，MID)、可穿戴设备(例如智能手表、智能手环、计步器等)或其他可设置双频毫米波天线模组的通信模块。

在本申请实施例中，如图1所示，电子设备10可包括显示屏组件110、壳体组件120和控制器。显示屏组件110固定于壳体组件120上，与壳体组件120一起形成电子设备的外部结构。壳体组件120可以包括中框和后盖。中框可以为具有通孔的框体结构。其中，中框可以收容在显示屏组件与后盖形成的收容空间中。后盖用于形成电子设备的外部轮廓。后盖可以一体成型。在后盖的成型过程中，可以在后盖上形成后置摄像头孔、指纹识别模组、双频毫米波天线模组安装孔等结构。其中，后盖可以为非金属后盖，例如，后盖可以为塑胶后盖、陶瓷后盖、3D玻璃后盖等。控制器能够控制电子设备的运行等。显示屏组件可用来显示画面或字体，并能够为用户提供操作界面。

在一实施例中，壳体组件120内集成有双频毫米波天线模组，双频毫米波天线模组能够透过壳体组件120发射和接收毫米波信号，从而使得电子设备能够实现毫米波信号的广覆盖。

毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波，其频率大约在20GHz～300GHz之间。3GPP已指定5G NR支持的频段列表，5G NR频谱范围可达100GHz，指定了两大频率范围：Frequency range 1(FR1)，即6GHz以下频段和Frequency range 2(FR2)，即毫米波频段。Frequency range 1的频率范围：450MHz-6.0GHz，其中，最大信道带宽100MHz。Frequencyrange 2的频率范围为24.25GHz-52.6GHz，最大信道带宽400MHz。用于5G移动宽带的近11GHz频谱包括：3.85GHz许可频谱，例如：28GHz(24.25-29.5GHz)、37GHz(37.0-38.6GHz)、39GHz(38.6-40GHz)和14GHz未许可频谱(57-71GHz)。5G通信系统的工作频段有28GHz，39GHz，60GHz三个频段。

如图2所示，本申请实施例提供一种双频毫米波天线模组，双频毫米波天线模组包括第一介质基板210、辐射结构220、第二介质基板230和馈电结构240。

在本实施例中，第一介质基板210具有相背设置的第一侧和第二侧，用于承载辐射结构220。

一实施例中，双频毫米波天线模组可为采用HDI(高密度互联)工艺或IC载板工艺集成的多层印制电路板(Printed circuit board，PCB)，第一介质基板210可理解包括相互叠加的介质层，例如PP(Prepreg，半固化片)层，在第一介质基板210的每个PP层上可再镀上金属层或传输带线。其中，PP层可由起到隔绝及粘合的作用。金属层可以为铜层、锡层、铅锡合金层、锡铜合金层等。一实施例中，第一介质基板210可以采用介电常数较低的PP层，较低的介电常数有利于增加天线带宽。

在本实施例中，辐射结构220包括间隔设置在第一介质基板210第一侧上的第一辐射贴片301和第二辐射贴片302，还包括连接部304和设置在第一介质基板210第二侧上的第三辐射贴片303，第三辐射贴片303通过连接部304分别与第一辐射贴片301和第二辐射贴片302连接，连接部304贯穿第一介质基板210。

其中，第一辐射贴片301和第二辐射贴片302同层且间隔设置，第三辐射贴片303通过第一介质基板210与第一辐射贴片301和第二辐射贴片302异层设置，且第三辐射贴片303通过连接部304分别与第一辐射贴片301和第二辐射贴片302连接，由此，第一辐射贴片301、第二辐射贴片302、第三辐射贴片303及连接部304形成了折叠贴片天线形式的辐射结构220。第三辐射贴片303的馈电端口通过馈电结构240与射频端口连接，当馈电结构240将射频信号馈至第三辐射贴片303的馈电端口时，第一辐射贴片301、第二辐射贴片302能够同时获得射频信号。其中，第三辐射贴片303的馈电端口的位置不受限定，可以根据实际需求调试确定；第一辐射贴片301与第三辐射贴片303之间间距等于第二辐射贴片302与第三辐射贴片303之间的间距，一实施例中，该间距为0.64mm-0.96mm，以提高辐射结构220的天线增益和辐射效率。

辐射结构220通过第一辐射贴片301、第二辐射贴片302、第三辐射贴片303及连接部304形成了折叠贴片天线形式的结构，当馈电结构240将射频端口的射频信号馈至辐射结构220时，辐射结构220能够形成两个工作频带，能够激励天线的基模和高次模，实现双频谐振，具有高的天线增益和辐射效率；并且，折叠贴片天线形式的辐射结构220有利于有效节约布线空间，可有效降低天线剖面，实现天线模组的薄型化。

辐射结构220双频谐振的阻抗匹配可通过对第一辐射贴片301、第二辐射贴片302及第三辐射贴片303进行挖缝、挖槽等方式调节，也可以通过调节第三辐射贴片303的位置来实现匹配。

一实施例中，第一辐射贴片301和第二辐射贴片302设置开槽，开槽用于调整双频毫米波天线模组的阻抗匹配。开槽有利于降低辐射贴片的重量，调节阻抗匹配；并且，开槽的周围能够使得辐射贴片上的电流路径增加，附加了电感和电容，从而调节辐射贴片的谐振特性，展宽带宽。开槽可以是矩形槽、方形槽、U型槽、圆环槽、椭圆形槽，具体形状和具体位置根据实际需求进行设置。例如，如图3所示(以第一辐射贴片301为例)，可以设置开槽为U型槽301b，U型槽301b的中轴线O穿过第一辐射贴片301的馈电端口301a，可以降低辐射贴片的重量，调节阻抗匹配，同时展宽带宽。

一实施例中，第一辐射贴片301和第二辐射贴片302形成有一间隔单元，第三辐射贴片303在第一介质基板210第一侧上的投影覆盖间隔单元，从而提高辐射结构220双频谐振的阻抗匹配。

辐射结构220的材料可以为导电材料，例如金属材料、合金材料、导电硅胶材料、石墨材料、氧化铟锡(Indium tin oxide，ITO)等，还可以为具有高介电常数的材料，例如具有高介电常数的玻璃、塑料、陶瓷等。

第一辐射贴片301、第二辐射贴片302及第三辐射贴片303的形状可以为方形或矩形，还可为其它可能的形状，如三角形、梯形或椭圆形。在实际应用中，第一辐射贴片301、第二辐射贴片302及第三辐射贴片303的形状可以相同也可以不同。一实施例中，第一辐射贴片301、第二辐射贴片302及第三辐射贴片303均为正方形，且边长为2.1mm-3.1mm，例如，边长为1.75mm。

一实施例中，辐射结构220的连接部304包括第一连接单元304a和第二连接单元304b。第一连接单元304a，垂直贯穿第一介质基板210且将第一辐射贴片301与第三辐射贴片303连接；第二连接单元304b，垂直贯穿第一介质基板210且将第二辐射贴片302与第三辐射贴片303连接。从而，第一辐射贴片301到第三辐射贴片303之间馈电距离与第二辐射贴片302到第三辐射贴片303之间的馈电距离相同，进一步提高两个频带上辐射的一致性。

一实施例中，第一连接单元304a与第二连接单元304b镜像对称设置在第三辐射贴片303的两端，且馈电结构240在第三辐射贴片303的投影位置处于第三辐射贴片303的中心，从而，双频毫米波天线模组处于完全对称状态，电流在交叉极化方向上形成的电场可以相互抵消。

一实施例中，参见图4-图6，第一连接单元304a包括多个间隔设置的第一金属化过孔(图4-图6以5个为例)，第二连接单元304b包括多个间隔设置的第二金属化过孔(图4-图6以5个为例)。具体地，可以在第一基质基板210中开设贯穿通孔，在该贯穿通孔内填充金属材料以形成第一金属化过孔和第二金属化过孔，从而使得第一辐射贴片301通过第一金属化过孔与第三辐射贴片303连接，第二辐射贴片302通过第二金属化过孔与第三辐射贴片303连接。

一实施例中，多个第一金属化过孔在第一阵列方向上呈直线阵列设置，多个第二金属化过孔在第二阵列方向上呈直线阵列设置，第一阵列方向与第二阵列方向平行。从而，进一步提高馈电结构220的对称性。

需要说明的是，第一金属化过孔的数量可以仅为一个，第二金属化过孔的数量也可以仅为一个。第一金属化过孔的数量和第二金属化通孔的数量可以相同或者不同。

在本实施例中，第二介质基板230设置在第三辐射贴片303背离第一介质基板210的一侧，在第二介质基板230背离第三辐射贴片303的一侧设有射频芯片250。射频芯片250的射频端口接入射频信号至馈电结构240。一实施例中，第二介质基板230与第一介质基板210为平面尺寸相同的矩形，且投影重合。第二介质基板230采用介电常数较低的介质板，较低的介电常数有利于增加天线带宽。

一实施例中，参见图7，在第二介质基板230和射频芯片250之间设有接地板260，接地板260设有通孔，通孔与射频端口位置相对应，从而馈电结构240通过通孔连接射频芯片250的射频端口。接地板260用于承载天线主体并提供接地信号。接地板260可为金属层，例如为铜层。在一实施例中，接地板260距离第三辐射贴片303的馈电端口的距离可设置为0.14mm-0.26mm之间，从而减少馈电时馈电过孔带来的馈电效应。

在本实施例中，馈电结构240贯穿第二介质基板230和接地板260且将第三辐射贴片303的馈电端口与射频接口连接，实现射频芯片250对辐射结构220的馈电，进而实现毫米波信号的收发。

一实施例中，馈电结构240包括贯穿第二介质基板230的馈电探针。馈电结构240通过馈电探针的上端贯穿第二介质基板230并连接第三辐射贴片303的馈电端口，通过馈电探针的下端连接连接射频端口。馈电探针的垂直高度可根据第三辐射贴片303的高度及宽度，馈电探针与第三辐射贴片303边缘的距离来确定，但通常馈电探针的垂直高度为0.05λ至0.1λ。

作为一个实施例的双频毫米波天线模组参数如下(参见图8，图8为双频毫米波天线模组20的立体图，细节处仅示出第一辐射贴片301和第二辐射贴片302，且以第一连接单元304a包括5个第一金属化过孔，且第二连接单元304b包括5个第二金属化过孔为例)：辐射结构220尺寸为2.6×2.6mm，厚度0.8mm；天线模组尺寸为5.75mm×4.2mm，第三辐射贴片303到接地板260的距离为0.2mm，双频毫米波天线模组具有低剖面。

上述双频毫米波天线模组的测试结果参见图9-图12：图9的S11系数曲线显示，双频毫米波天线模组在回波损耗小于-10dB的频段范围包含两个频段，一个覆盖毫米波27GHz频段，一个覆盖毫米波44GHz频段，均能满足天线工作要求。两个谐振频率点-10dB的阻抗带宽较一般的双频天线有明显增大，由此说明双频毫米波天线模组能够实现宽频段覆盖，在27GHz和44GHz这两个频率点同时具有良好的谐振表现，能够很好的适用于双频毫米波系统的信号收发。图10的增益随频率的变化曲线显示，双频毫米波天线模组在27GHz和44GHz频段内的增益都达到5.7dB以上，这使得天线在双频毫米波频段上的辐射效率高，增益大。图11和图12(图11和图12为根据实验测试结果绘制的简易示意图)分别显示了27GHz和44GHz两种频段时天线模组的表面电流分布(其中，填充的箭头代表电流流向，箭头越粗代表电流强度越大，箭头越细代表电流强度越小)，27GHz频段时，天线模组的三个辐射贴片表面的电流方向大致与x轴的方向平行，其最强电流分布在第三辐射贴片303表面的中心，天线模组激励起基模模式；44GHz频段时，天线模组的第三辐射贴片303表面的电流方向大致与-x轴的方向平行且相比于27GHz频段第三辐射贴片303表面的电流方向1有180°的旋转，第一辐射贴片301表面的电流方向和第二辐射贴片302的电流方向分别在x轴方向和y轴方向相对应，其最强电流分布在连接部304表面及第三辐射贴片303表面的中心，天线模组激励起高次模模式。

上述双频毫米波天线模组，包括：第一介质基板210、辐射结构220、第二介质基板230及馈电结构240，其中，辐射结构220通过第一辐射贴片301、第二辐射贴片302、第三辐射贴片303及连接部304形成了折叠贴片天线形式的结构，当馈电结构240将射频端口的射频信号馈至辐射结构220时，辐射结构220能够形成两个工作频带，能够激励天线的基模和高次模，实现双频谐振，具有高的天线增益和辐射效率；并且，折叠贴片天线形式的辐射结构220有利于有效节约布线空间，可有效降低天线剖面，实现天线模组的薄型化。

如图13所示，一种电子设备包括壳体及上述任一实施例中的双频毫米波天线模组，其中，所述双频毫米波天线模组收容在所述壳体内。

在一实施例中，电子设备包括多个双频毫米波天线模组，多个双频毫米波天线模组分布于壳体的不同侧边。例如，壳体包括相背设置的第一侧边121、第三侧边123，以及相背设置的第二侧边122和第四侧边124，所述第二侧边122连接所述第一侧边121、所述第三侧边123的一端，所述第四侧边124连接所述第一侧边121、所述第三侧边123的另一端。第一侧边121、所述第二侧边122、所述第三侧边123和所述第四侧边124中的至少两个分别设有毫米波模组。毫米波模组的数量为2个时，2个毫米波模组200分别位于第二侧边122、第四侧边124，从而使得双频毫米波天线模组在非扫描方向的维度上缩小整体尺寸，使得放置于电子设备的两侧成为可能。

具有上述任一实施例的双频毫米波天线模组的电子设备，可以适用于5G通信毫米波信号的收发，提高毫米波信号的辐射效率和辐射增益，拓展阻抗带宽，同时有效降低天线剖面，实现天线模组的薄型化，缩小天线模组在电子设备内的占用空间。

该电子设备可以为包括手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、移动互联网设备(Mobile Internet Device，MID)、可穿戴设备(例如智能手表、智能手环、计步器等)或其他可设置天线的通信模块。

本申请所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用可包括非易失性和/或易失性存储器。合适的非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RM)，它用作外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RM以多种形式可得，诸如静态RM(SRM)、动态RM(DRM)、同步DRM(SDRM)、双数据率SDRM(DDR SDRM)、增强型SDRM(ESDRM)、同步链路(Synchlink)DRM(SLDRM)、存储器总线(Rmbus)直接RM(RDRM)、直接存储器总线动态RM(DRDRM)、以及存储器总线动态RM(RDRM)。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种双频毫米波天线模组，其特征在于，包括：

第一介质基板，具有相背设置的第一侧和第二侧；

辐射结构，包括间隔设置在所述第一侧上的第一辐射贴片和第二辐射贴片，还包括连接部和设置在所述第二侧上的第三辐射贴片，所述第三辐射贴片通过所述连接部分别与所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片连接，所述连接部贯穿所述第一介质基板；其中，所述第一辐射贴片与所述第三辐射贴片之间间距等于所述第二辐射贴片与所述第三辐射贴片之间的间距；

第二介质基板，设置在所述第三辐射贴片背离所述第一介质基板的一侧，所述第二介质基板背离所述第三辐射贴片的一侧设有射频芯片；

馈电结构，贯穿所述第二介质基板且将所述第三辐射贴片与所述射频芯片连接；所述馈电结构在所述第三辐射贴片的投影位置处于所述第三辐射贴片的中心。

2.根据权利要求1所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述连接部包括：

第一连接单元，垂直贯穿所述第一介质基板且将所述第一辐射贴片与所述第三辐射贴片连接；

第二连接单元，垂直贯穿所述第一介质基板且将所述第二辐射贴片与所述第三辐射贴片连接。

3.根据权利要求2所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述第一连接单元与所述第二连接单元镜像对称设置在所述第三辐射贴片的两端。

4.根据权利要求2所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述第一连接单元包括多个间隔设置的第一金属化过孔，所述第二连接单元包括多个间隔设置的第二金属化过孔。

5.根据权利要求4所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，多个所述第一金属化过孔在第一阵列方向上呈直线阵列设置，多个所述第二金属化过孔在第二阵列方向上呈直线阵列设置，所述第一阵列方向与所述第二阵列方向平行。

6.根据权利要求1所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片之间形成有一间隔单元；

所述第三辐射贴片在所述第一侧上的投影覆盖所述间隔单元。

7.根据权利要求1所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述馈电结构包括贯穿所述第二介质基板的馈电探针。

8.根据权利要求1-7任一项所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，还包括：

接地板，设置在所述第二介质基板和所述射频芯片之间，所述接地板设有通孔，所述通孔与射频端口位置相对应。

9.根据权利要求1-7任一项所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述第一辐射贴片和第二辐射贴片上设置有开槽，所述开槽用于调整所述双频毫米波天线模组的阻抗匹配。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：

壳体；及

如权利要求1～9任一项所述的双频毫米波天线模组，其中，所述双频毫米波天线模组收容在所述壳体内。

11.根据权利要求10所述的电子设备，其特征在于，所述双频毫米波天线模组的数量为多个；

所述壳体包括相背设置的第一侧边、第三侧边，以及相背设置的第二侧边和第四侧边，所述第二侧边连接所述第一侧边、所述第三侧边的一端，所述第四侧边连接所述第一侧边、所述第三侧边的另一端；

所述第一侧边、所述第二侧边、所述第三侧边和所述第四侧边中的至少两个分别设有所述双频毫米波天线模组。

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