CN111276800B - 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介质基板、辐射贴片、接地板及馈电网络，其中，辐射贴片设置在介质基板的第一侧且设有馈电端口，接地板设置在介质基板第二侧且设有开孔，开孔与射频芯片的射频端口位置相对应，馈电端口和射频端口之间通过第一馈电结构、传输带线及第二馈电结构形成的折叠型馈电网络进行连接，从而实现单馈双频覆盖。双频毫米波天线模组一方面利用辐射贴片与传输带线间的电磁耦合，可以抵消第一馈电结构及第二馈电结构的电感，拓展阻抗带宽，扩展频段宽度；另一方面，折叠型的馈电网络还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：

介质基板，具有相背设置的第一侧和第二侧；

辐射贴片，设置在所述介质基板的第一侧，设有一馈电端口；

接地板，设置在所述介质基板的第二侧，所述接地板设有开孔，所述开孔与射频芯片的射频端口位置相对应；

馈电网络，设置在所述辐射贴片和接地板之间且贯穿所述介质基板和所述接地板，所述馈电网络包括传输带线、第一馈电结构及第二馈电结构，所述第一馈电结构的第一端连接所述馈电端口，所述第一馈电结构的第二端连接所述传输带线的第一端，所述第二馈电结构的第一端连接所述传输带线的第二端，所述第二馈电结构的第二端通过所述开孔连接所述射频端口。

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：介质基板、辐射贴片、接地板及馈电网络，其中，辐射贴片设置在介质基板的第一侧且设有馈电端口，接地板设置在介质基板第二侧且设有开孔以对应射频端口，馈电端口和射频端口之间通过第一馈电结构、传输带线及第二馈电结构形成的折叠型馈电网络进行连接，从而实现单馈双频覆盖。双频毫米波天线模组一方面利用辐射贴片与传输带线间的电磁耦合，可以抵消第一馈电结构及第二馈电结构的电感，拓展阻抗带宽，扩展频段宽度；另一方面，折叠型的馈电网络还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为一实施例中辐射贴片的结构示意图；

图4为一实施例中多个辐射贴片的结构示意图；

图5为另一实施例中双频毫米波天线模组的结构示意图；

图6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7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为一实施例中隔离栅格的结构示意图；

图10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介质基板210、辐射贴片220、接地板230和馈电网络240。

在本实施例中，介质基板210具有相背设置的第一侧和第二侧。第一侧可用于设置辐射贴片220，第二侧可用于设置接地板230。

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)。例如，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。在一实施例中，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。

一实施例中，如图2所示，介质基板210包括第一介质层210a和第二介质层210b，在第一介质层210a中开设贯穿通孔以设置第一馈电结构，在第二介质层210b开设贯穿通孔以设置第二馈电结构，在第一介质层210a和第二介质层210b之间设置传输带线，从而在介质基板210中形成带传输带线的折叠型馈电网络。

在本实施例中，辐射贴片220设置在介质基板210的第一侧，用于收发毫米波信号。辐射贴片220可以为用于辐射毫米波信号的相控天线阵列，天线阵列的具体类型本申请实施例不作进一步限定，可进行毫米波信号的收发即可。在一实施例中，辐射贴片220还可通过挖缝或挖槽等方式调节天线匹配。具体地，通过在辐射贴片220上的开槽或缝隙，有利于降低辐射贴片220的重量，调节阻抗匹配；并且，开槽或缝隙的周围能够使得辐射贴片220上的电流路径增加，附加了电感和电容，从而调节辐射贴片220的谐振特性，展宽带宽。例如，在辐射贴片220上设置开槽，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。一实施例中，如图3所示，可以设置开槽为U型槽220b，U型槽220b的中轴线O穿过辐射贴片220的馈电端口220a，从而通过降低辐射贴片220的重量，调节阻抗匹配，还可以展宽带宽。

辐射贴片220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。其中，辐射贴片220为正方形，边长为0.4～0.5λ，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长，例如，边长为1.75mm。

一实施例中，辐射贴片220的数量为多个，且多个辐射贴片220沿辐射贴片220的对角线的延伸方向间隔排列，增大了相邻辐射贴片220的馈电端口的间距，有利于改善组阵后天线间的隔离度，提高天线增辐射增益。其中，辐射贴片220的数目、相邻辐射贴片220间的间距可以根据具体扫描角度和增益要求而定，本实施例并不作限定。

以二维扫描为例，参见图4(以辐射贴片220为正方形为例，则多个辐射贴片220的阵列方向为45°对角线方向，其中，220a为馈电端口)，辐射贴片220的数量为4个，4个辐射贴片220沿45°对角线方向呈1×4间隔排列。多个辐射贴片220沿45°对角线方向间隔排列有利于提高天线增益；1×4排布具有更高的空间覆盖，且结构上可以放置于手机左右两侧。

辐射贴片220设有用于馈入电流信号的单一馈电端口以实现天线的单馈双频覆盖。馈电端口的位置根据调试确定。在一实施例中，辐射贴片220的馈电端口位于对角线上，从而当多个辐射贴片220沿对角线方向间隔排列时，可以改善馈电端口间的隔离度，降低辐射贴片220间的互耦。

辐射贴片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。

在本实施例中，接地板230设置在介质基板210第二侧，接地板230上设有开孔。接地板230背离介质基板210的一侧设有射频芯片250，开孔与射频芯片250的射频端口位置相对应，馈电网络240穿过开孔与射频端口连接。接地板230为金属层，例如为铜层。

在本实施例中，馈电网络240设置在辐射贴片220和接地板230之间且贯穿介质基板210和接地板230，使辐射贴片220的馈电端口与射频芯片250的射频端口连接，实现射频芯片250对辐射贴片220的馈电，进而实现毫米波信号的收发。

馈电网络240包括传输带线240a、第一馈电结构240b及第二馈电结构240c，第一馈电结构240b的第一端连接馈电端口，第一馈电结构240b的第二端连接传输带线240a的第一端，第二馈电结构240c的第一端连接传输带线240a的第二端，第二馈电结构240c的第二端通过开孔连接射频端口。其中，第一馈电结构240b、传输带线240a及第二馈电结构240c形成折叠型的馈电网络240，一方面，辐射贴片220与传输带线240a间的电磁耦合，用于形成双频毫米波天线模组的宽带阻抗匹配网络，可以抵消第一馈电结构240b及第二馈电结构240c的电感，拓展阻抗带宽；另一方面，折叠型的馈电网络240还可有效降低天线剖面，实现天线模组的薄型化。

在一实施例中，第一馈电结构240b和第二馈电结构240c分别垂直于传输线传输带线240a，从而在垂直于传输带线240a的方向上第一馈电结构240b和第二馈电结构240c的长度最短，进一步有效降低天线剖面，实现天线模组的薄型化。其中，第一馈电结构240b长度和第二馈电结构240c长度的相对大小不受限定，具体根据传输带线240a到接地板230的距离需求进行设定。例如，第一馈电结构240b的长度与第二馈电结构240c的长度相等，从而传输带线240a到馈电端口的垂直距离等于传输带线240a到射频端口的垂直距离；或者第一馈电结构240b的长度小于第二馈电结构240c的长度，从而传输带线240a到馈电端口的垂直小于等于传输带线240a到射频端口的垂直距离。

在一实施例中，第一馈电结构240b和第二馈电结构240c分别为馈电探针。当介质基板210包括两层相互叠加的介质层时，第一馈电结构240b通过第一馈电探针的上端贯穿第一介质层210a并连接馈电端口，通过第一馈电探针的下端连接传输带线240a；第二馈电结构240c通过第二馈电探针的上端连接传输带线240a，通过第二馈电探针的下端贯穿第二介质层210b及接地板230并连接射频端口。

在一实施例中，可以在介质基板210的第一介质层210a和第二介质层210b之间开设通孔，在该通孔内填充导电材料以形成馈电网络240的传输带线240a，并通过第一馈电探针及第二馈电探针导通射频芯片250与辐射贴片220。

在一实施例中，传输带线240a的长度L为0.5λ，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长，传输带线240a到接地板230的距离H为0.4mm-0.6mm，从而进一步提高馈电时天线模组的增益和辐射效率。

作为一个实施例的双频毫米波天线模组参数如下(参见图5，图5为双频毫米波天线模组20的立体图，细节处仅示出辐射贴片220、馈电网络240及射频端口250a)：辐射贴片220尺寸为1.75×1.75mm，传输带线240a长2.1mm，天线单元尺寸为5mm×5mm，传输带线240a到接地板230的距离为0.5mm，双频毫米波天线模组具有低剖面，厚度仅有0.85mm。

上述双频毫米波天线模组的测试结果参见图6和图7：图6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28GHz频段，一个覆盖毫米波39GHz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28GHz和39GHz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7的增益随频率的变化曲线显示，双频毫米波天线模组在28GHz和39GHz频段内的增益都达到5.9dB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。

上述双频毫米波天线模组，包括：介质基板210、辐射贴片220、接地板230及馈电网络240，其中，辐射贴片220设置在介质基板210的第一侧且设有馈电端口，接地板230设置在介质基板210第二侧且设有射频端口，馈电端口和射频端口之间通过第一馈电结构240b、传输带线240a及第二馈电结构240c进行连接，从而实现单馈双频覆盖。双频毫米波天线模组一方面利用辐射贴片220与传输带线240a间的电磁耦合，可以抵消第一馈电结构240b及第二馈电结构240c的电感，传输带线240a与辐射贴片220耦合形成宽带阻抗匹配网络，以拓展双频毫米波天线模组的阻抗带宽，扩展频段宽度；另一方面，折叠型的馈电网络240还可有效降低天线剖面，实现天线模组的薄型化。

在一实施例中，参见图8(图8仅示出隔离栅格260与辐射贴片220的位置关系)，双频毫米波天线模组还包括隔离栅格260。隔离栅格260环绕设置在每个辐射贴片220周围，并贯穿介质基板210至接地板230，用于在多个辐射贴片220时调节相邻两个辐射贴片220之间的隔离度(图8以4个辐射贴片220呈1×4排布为例)。

在一实施例中，参见图9，隔离栅格260包括环绕设置在辐射贴片220周围的金属化过孔260a，金属化过孔260a贯穿至接地板230，从而可以防止相邻两个辐射贴片220辐射的毫米波信号相互影响，以进一步提高相邻两个辐射贴片220之间的隔离度。

如图10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 (14)

1.一种双频毫米波天线模组，其特征在于，包括：

介质基板，具有相背设置的第一侧和第二侧；

辐射贴片，设置在所述介质基板的第一侧，设有一馈电端口；

接地板，设置在所述介质基板的第二侧，所述接地板设有开孔，所述开孔与射频芯片的射频端口位置相对应；

馈电网络，设置在所述辐射贴片和接地板之间且贯穿所述介质基板和所述接地板，所述馈电网络包括传输带线、第一馈电结构及第二馈电结构，所述第一馈电结构的第一端连接所述馈电端口，所述第一馈电结构的第二端连接所述传输带线的第一端，所述第二馈电结构的第一端连接所述传输带线的第二端，所述第二馈电结构的第二端通过所述开孔连接所述射频端口；所述传输带线与所述辐射贴片耦合，用于形成所述双频毫米波天线模组的宽带阻抗匹配网络，并抵消所述第一馈电结构及所述第二馈电结构的电感。

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，所述辐射贴片的数量为多个，多个所述辐射贴片沿所述辐射贴片的对角线的延伸方向间隔排列。

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，所述辐射贴片的馈电端口位于所述对角线上。

4.根据权利要求1所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述介质基板包括第一介质层和第二介质层；

所述第一馈电结构贯穿所述第一介质层，所述第二馈电结构贯穿所述第二介质层及所述接地板，所述传输带线设置在所述第一介质层和所述第二介质层之间。

5.根据权利要求1所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述第一馈电结构和所述第二馈电结构分别垂直于所述传输带线。

6.根据权利要求5所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，在垂直于所述传输带线的方向，所述第一馈电结构的长度与所述第二馈电结构的长度相等。

7.根据权利要求1-6任一项所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述第一馈电结构和所述第二馈电结构分别为馈电探针。

8.根据权利要求1-6任一项所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述传输带线的长度为0.5λ，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。

9.根据权利要求1-6任一项所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述辐射贴片为正方形，边长为0.4～0.5λ，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。

10.根据权利要求1-6任一项所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述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。

11.根据权利要求1-6任一项所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述辐射贴片的数量为多个，所述双频毫米波天线模组还包括：

隔离栅格，环绕设置在每个所述辐射贴片周围，并贯穿所述介质基板至所述接地板，用于调节相邻两个所述辐射贴片之间的隔离度。

12.根据权利要求11所述的双频毫米波天线模组，其特征在于，所述隔离栅格包括环绕设置在每个所述辐射贴片周围的金属通孔，所述金属通孔贯穿至所述接地板。

13.一种电子设备，其特征在于，包括：

壳体；及

如权利要求1～12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。

14.根据权利要求13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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