CN111293420A - 天线单元、天线系统及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种天线单元、天线系统及电子装置，其中所述天线单元包括：具有三维结构的螺旋天线，所述螺旋天线设置于载板的边缘区域；所述螺旋天线包括至少一匝螺旋线圈，每匝螺旋线圈包括不在同一平面内的多个螺旋分段，所述多个螺旋分段分别设置于所述载板的多个层中。所述天线系统包括：载板、第一天线阵列和第二天线阵列；所述第一天线阵列设置于所述载板的中间区域，包括多个贴片单元；所述第二天线阵列包括至少一个本发明实施例的天线单元，所述天线单元的螺旋天线设置于所述载板的边缘区域。所述电子装置包括本发明实施例的天线系统。本发明实施例的天线单元能够减小边缘天线的体积和面积，还能够实现边缘天线的宽带阻抗匹配。

Description

天线单元、天线系统及电子装置
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种天线单元、天线系统及电子装置。
背景技术
5G新空口标准定义了多个毫米波频段，例如频段N257和N258在中美日韩欧洲等地区的总和为24.25GHz至29.5GHz，相对其中心频率的带宽约为20％，如果要兼容全球不同地区的规定频段就需要宽带天线。然而，现有天线难以覆盖较宽的频段，导致移动终端无法在全球范围内通用，给用户的出行带来不便。
另一方面，微带天线作为一种小型化的天线，广泛应用于移动终端、雷达、航空航天等领域的各种小型化设备中。随着智能终端的进一步微型化，对微带天线的尺寸提出了更高的要求。现有的微带天线的尺寸仍然难以满足当今移动终端小型化和纤薄的工艺设计要求，还增加了集成天线阵列的成本和封装芯片的体积和面积。
发明内容
为了提高天线的工作带宽、减小天线的尺寸、减小天线封装结构的体积和面积，本发明实施例提供一种天线单元，包括：具有三维结构的螺旋天线，所述螺旋天线设置于载板的边缘区域；所述螺旋天线包括至少一匝螺旋线圈，每匝螺旋线圈包括不在同一平面内的多个螺旋分段，所述多个螺旋分段分别设置于所述载板的多个层中。
可选地，所述载板包括至少两个金属层、以及介于所述两个金属层之间的非导电介质层，每匝螺旋线圈包括：首尾串接的第一螺旋分段、第二螺旋分段、第三螺旋分段和第四螺旋分段；其中所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段沿平行于载板平面的方向分别设置于所述两个金属层中，所述第二螺旋分段和所述第四螺旋分段沿所述载板的厚度方向贯穿所述非导电介质层，以将所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段电气连接。
可选地，所述载板包括沿其厚度方向交替堆叠的多个非导电介质层和多个金属层，所述螺旋天线包括多匝螺旋线圈，所述多匝螺旋线圈的多个第一螺旋分段设置于相同或不同的金属层中，所述多匝螺旋线圈的多个第二螺旋分段分别设置于相同或不同的金属层中。
可选地，所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段均包括辐射臂，所述第二螺旋分段和所述第四螺旋分段包括填充有导电材料的通孔或盲孔，所述通孔或盲孔的两端分别与所述第一螺旋分段的辐射臂和所述第三螺旋分段的辐射臂电气连接。
可选地，所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段还包括焊垫，所述焊垫与所述辐射臂的一端电气连接，所述通孔或盲孔的两端分别与所述第一螺旋分段的焊垫和所述第三螺旋分段的焊垫电气连接。
可选地，所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段呈曲线状或直线状。
可选地，所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段呈三角函数曲线状或对数函数曲线状。
可选地，所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段在所述载板平面上的投影呈锐角。
可选地，所述天线单元工作于轴向辐射模式、或法向辐射模式与轴向辐射模式的混合辐射模式；其中，在所述轴向辐射模式下，所述天线单元在所述螺旋天线的轴向具有最大的辐射强度，在所述法向辐射模式下，所述天线单元在垂直于所述螺旋天线的轴向的方向具有最大的辐射强度。
可选地，所述螺旋天线包括多匝螺旋线圈，所述多匝螺旋线圈的参数满足：3/4<C/λ0<4/3，S≈λ0/4，N≥3，其中C为每匝螺旋线圈在垂直于所述螺旋天线的轴线的平面上的投影的周长，S为所述多匝螺旋线圈的间距，N为所述多匝螺旋线圈的匝数，λ0为所述螺旋天线的工作波长。
可选地，所述螺旋天线包括多匝螺旋线圈，所述多匝螺旋线圈具有不同的螺旋半径。
可选地，所述多匝螺旋线圈的螺旋半径的变化趋势包括：两端区域的螺旋线圈的螺旋半径小于中间区域的螺旋线圈的螺旋半径。
可选地，所述载板的中间区域设置有第一天线阵列，所述第一天线阵列包括多个贴片单元，所述多匝螺旋线圈的螺旋半径的最大值小于或等于一个贴片单元的尺寸。
可选地，所述螺旋天线的轴向平行于其所在的边缘区域的载板边界的法向。
可选地，所述载板还包括一个或多个接地平面，所述一个或多个接地平面覆盖所述载板的中间区域而暴露出所述载板的边缘区域，所述一个或多个接地平面通过沿所述载板的厚度方向贯穿所述载板的接触孔电气连接，所述一个或多个接地平面靠近所述载板的边缘区域处形成有向所述载板的中间区域缩进的缺口，所述螺旋天线的一部分设置于所述缺口暴露出的载板中。
可选地，所述天线单元还包括：设置于所述载板的中间区域的馈电传输线，所述馈电传输线的馈电端与所述螺旋天线的第一端电气连接，所述螺旋天线的第二端为自由端，适于辐射信号。
相应地，本发明实施例还提供一种所述天线系统，包括：载板、第一天线阵列和第二天线阵列；所述第一天线阵列，设置于所述载板的中间区域，包括多个贴片单元；所述第二天线阵列，包括至少一个本发明实施例的天线单元，所述天线单元的螺旋天线设置于所述载板的边缘区域。
可选地，所述多个贴片单元沿平行于载板平面的方向设置，所述贴片单元的辐射最大增益指向垂直于所述载板平面的方向，所述至少一个天线单元的螺旋天线的轴线沿平行于所述载板平面的方向设置，所述天线单元的辐射最大增益指向所述螺旋天线的轴向。
可选地，所述第二天线阵列包括多个天线单元，所述多个天线单元在所述载板上呈一维阵列排布；所述第一天线阵列的辐射波束分布范围包括沿垂直于所述载板平面的一个幅射平面上的±60°之间的扇区；所述第二天线阵列的辐射波束分布范围包括沿垂直于所述载板平面的所述一个幅射平面上的60°至120°之间的扇区。
可选地，收发芯片，所述收发芯片分别与所述第一天线阵列和所述第二天线阵列电气连接，所述收发芯片适于接收和发送预设频率范围的信号。
可选地，所述收发芯片包括：收发外围电路和射频集成电路芯片。
可选地，所述收发芯片适于接收和发送毫米波信号。
可选地，所述载板包括封装基板。
可选地，所述天线系统还包括PCB板，所述封装基板的第一表面设置有所述第一天线阵列和所述第二天线阵列，所述封装基板的第二表面设置有所述收发芯片，所述承载有第一天线阵列、第二天线阵列和收发芯片的封装基板集成于所述PCB板上。
可选地，所述天线系统还包括PCB板，所述封装基板的第一表面设置有所述第一天线阵列，所述封装基板的第二表面设置有所述收发芯片，所述承载有第一天线阵列和收发芯片的封装基板集成于所述PCB板的第一区域，所述第二天线阵列集成于所述PCB板的第二区域。
可选地，所述天线系统还包括PCB板，所述封装基板的第一表面设置有所述第二天线阵列，所述封装基板的第二表面设置有所述收发芯片，所述承载有第二天线阵列和收发芯片的封装基板集成于所述PCB板的第一区域，所述第一天线阵列集成于所述PCB板的第二区域。
可选地，所述载板包括PCB板，所述第一天线阵列、所述第二天线阵列和所述收发芯片均集成于所述PCB板上。
相应地，本发明实施例还提供一种所述电子装置，包括：本发明实施例的天线系统。
可选地，所述电子装置包括适用于5G新空口标准的移动终端。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例的天线单元，包括具有三维结构的螺旋天线，由于所述螺旋天线可以设置于所述载板的多个层中，而非在同一平面内，合理地利用了所述载板的横向空间和纵向空间，极大地减小了所述天线单元的体积和面积，符合当今移动终端小型化和纤薄的工艺设计要求。
进一步地，每匝螺旋线圈包括首尾串接的第一螺旋分段、第二螺旋分段、第三螺旋分段和第四螺旋分段，其中所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段沿平行于载板平面的方向分别设置于所述两个金属层中，所述第二螺旋分段和所述第四螺旋分段沿所述载板的厚度方向贯穿所述非导电介质层，即所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段为两段平面螺旋天线，所述第二螺旋分段沿纵向延伸用于将所述两段平面螺旋天线电气连接，这样能够在实现具有三维结构的螺旋天线的前提下、更大程度地利用所述两个金属层的平面来设置具有预设长度和预设形状的平面螺旋分段，以实现所述螺旋天线的宽带阻抗匹配。
进一步地，所述载板包括沿其厚度方向交替堆叠的多个非导电介质层和多个金属层，所述螺旋天线包括多匝螺旋线圈，所述多匝螺旋线圈的多个第一螺旋分段设置于相同或不同的金属层中，所述多匝螺旋线圈的多个第二螺旋分段分别设置于相同或不同的金属层中，因此，每匝螺旋线圈的分段设计可以具有较大的自由度，以便调节所述螺旋天线的各项性能。
进一步地，所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段可以呈三角函数或对数函数等连续平滑函数曲线的形状，有利于实现所述螺旋天线与收发芯片的阻抗匹配。
进一步地，所述天线单元作为边缘天线可以工作于轴向辐射模式，以覆盖主天线阵列的最大工作角度以外的空间，便于和主天线阵列协同工作覆盖整个扇区；或者，所述天线单元可以工作于法向辐射模式与轴向辐射模式的混合辐射模式，不仅能够覆盖主天线阵列的最大工作角度以外的空间，还有利于缩小所述天线单元的结构尺寸，能够在天线性能与缩小天线的结构尺寸之间达到平衡。
进一步地，所述天线单元的工作模式由所述螺旋天线的结构参数决定，可以通过设置所述螺旋天线的每匝螺旋线圈的螺旋周长、多匝螺旋线圈的螺旋间距、及螺旋线圈的匝数来调节所述天线单元的工作模式，具体可以通过设置3/4<C/λ0<4/3，S≈λ0/4，N≥3，使得所述螺旋天线工作于轴向辐射模式或混合辐射模式。
进一步地，所述螺旋天线包括的多匝螺旋线圈可以具有不同的螺旋半径，通过调节所述多匝螺旋线圈的螺旋半径的变化趋势能够调节所述螺旋天线的宽带阻抗匹配和辐射方向增益。
本发明实施例的天线系统，包括第一天线阵列和第二天线阵列，所述第第一天线阵列设置于所述载板的中间区域，作为主天线，所述第二天线阵列包括本发明实施例的天线单元，设置于所述载板的边缘区域，作为边缘天线，所述边缘天线可以覆盖所述主天线的最大工作角度以外的空间，便于和所述主天线协同工作覆盖整个扇区。所述天线系统还包括载板和收发芯片，所述载板可以包括封装基板或PCB板，实际应用中可以采用多种方式形成天线的封装结构，也可以采用多种方式在所述PCB板上集成所述第一天线阵列、所述第二天线阵列和所述收发芯片。
附图说明
图1a是一种边缘天线10的结构示意图；
图1b是另一种边缘天线20的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的天线单元30的结构示意图；
图3是本发明另一个实施例的天线单元40的结构示意图；
图4是本发明一个实施例的天线系统50的结构示意图；
图5是本发明另一实施例的第二天线阵列的结构示意图；
图6是本发明图5所示实施例的第二天线阵列的阻抗特性曲线图；
图7是本发明图5所示实施例的第二天线阵列在23.8GHz、26.8GHz、29.8GHz的E面辐射方向示意图；
图8是本发明图5所示实施例的第二天线阵列在23.8GHz、26.8GHz、29.8GHz的H面辐射方向示意图；
图9是本发明另一个实施例的天线系统70的结构框图；
图10是本发明另一个实施例的天线系统80的结构框图；
图11是本发明另一个实施例的天线系统90的结构框图；
图12是本发明另一个实施例的天线系统100的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
应用于通信系统中的天线可以包括主天线和边缘天线，其中主天线可以设置于基板的中间区域，边缘天线可以设置于基板的边缘区域，所述主天线与所述边缘天线协同工作完成信号的收发。
参考图1a，图1a是一种边缘天线10的结构示意图。在一些实施例中，所述边缘天线10可以是八木宇田(Yagi-Uda)天线，包括：基板11、反射器(reflector)12、引向器(director)13、及微带馈线(Microstrip Feed)14等。图1b是另一种边缘天线20的结构示意图，所述边缘天线20可以是一种宽带Yagi天线，包括：基板21、接地平面22、引向器23、和传输线型平衡不平衡转换器(Balun)25。在图1a和图1b所示的边缘天线10和20中，所述反射器、所述引向器、以及Balun等结构增加了所述边缘天线的结构面积，从而增加了天线的封装成本及天线封装的体积和面积，难以满足当今移动终端小型化纤薄的工业设计要求。
为此，本发明实施例提供一种天线单元，所述天线单元作为一种边缘天线，不仅极大地减小了边缘天线的体积和面积，还能够实现与收发芯片之间的宽带匹配。
参考图2，图2是本发明一个实施例的天线单元30的结构示意图。在一些实施例中，所述天线单元30可以包括：具有三维结构的螺旋天线33，所述螺旋天线33设置于载板31的边缘区域。所述螺旋天线33可以包括至少一匝螺旋线圈，每匝螺旋线圈包括不在同一平面内的多个螺旋分段，所述多个螺旋分段分别设置于所述载板31的多个层中。
在一些实施例中，所述载板31包括至少两个金属层311和313、以及介于所述两个金属层之间的非导电介质层312，每匝螺旋线圈包括：首尾串接的第一螺旋分段331、第二螺旋分段332、第三螺旋分段333和第四螺旋分段334；其中所述第一螺旋分段331和所述第三螺旋分段333分别沿平行于所述载板31的平面的方向设置于所述两个金属层311和313中，所述第二螺旋分段332和所述第四螺旋分段334沿所述载板31的厚度方向贯穿所述非导电介质层312，以将所述第一螺旋分段331和所述第三螺旋分段333电气连接。
在一些实施例中，所述螺旋天线33可以包括一匝螺旋线圈。
在一些实施例中，所述载板31仅包括两个金属层：第一金属层311和第二金属层313，所述螺旋天线33可以包括多匝螺旋线圈，所述多匝螺旋线圈的多个第一螺旋分段331可以均设置于所述第一金属层311内，所述多匝螺旋线圈的多个第二螺旋分段332可以均设置于所述第二金属层313内，所述第一金属层311和第二金属层313之间可以包括一个或多个非导电介质层。
在另一些实施例中，所述载板包括沿其厚度方向交替堆叠的多个非导电介质层和多个金属层，所述螺旋天线包括多匝螺旋线圈，所述多匝螺旋线圈的多个第一螺旋分段可以设置于相同或不同的金属层中，所述多匝螺旋线圈的多个第二螺旋分段可以设置于相同或不同的金属层中，所述第二螺旋分段和第四螺旋分段贯穿与其电气连接的第一螺旋分段和第二螺旋分段之间的一个或多个层。可以理解地是，当所述载板包括多个非导电介质层和多个金属层时，所述螺旋天线的分段式布线可以具有多种设计自由度，这里不一一列举，实际应用时可以根据天线所要达到的性能对所述螺旋天线的分段式结构进行相应的设计。
在一些实施例中，所述第一螺旋分段331可以设置于所述载板31的顶层金属层中，所述第二螺旋分段332可以设置于所述载板31的底层金属层中；或者所述第一螺旋分段331和所述第二螺旋分段332可以分别设置于所述载板31的不同中间金属层中。
在一些实施例中，所述第一螺旋分段331可以包括辐射臂3311，所述第三螺旋分段333可以包括辐射臂3331，所述第二螺旋分段332和所述第四螺旋分段334可以包括填充有导电材料的通孔(through hole)或盲孔(via)，所述通孔或盲孔的两端分别与所述第一螺旋分段331的辐射臂3311和所述第三螺旋分段333的辐射臂3331电气连接，从而形成一匝螺旋线圈。在一些实施例中，所述辐射臂可以是通过沉积或刻蚀等工艺形成的金属导线(trace)。
在一些实施例中，所述第一螺旋分段331还可以包括一个焊垫3312，所述焊垫3312与所述辐射臂3311的一端电气连接，所述第三螺旋分段333还可以包括两个焊垫3332，分别与所述辐射臂3331的两端电气连接，所述第二螺旋分段332的两端分别与所述第一螺旋分段331的焊垫3312和所述第三螺旋分段333的一个焊垫3332电气连接，所述第四螺旋分段334的两端分别与所述第三螺旋分段333的另一个焊垫3332和下一匝的螺旋线圈的第一螺旋分段331的一个焊垫3312电气连接。
在一些实施例中，所述第一螺旋分段331和所述第三螺旋分段333可以呈曲线状或直线状。具体地，所述第一螺旋分段331和所述第三螺旋分段333可以呈三角函数曲线状或对数函数曲线状，采用连续平滑的函数曲线形式有利于所述螺旋线圈33和收发芯片(TRXRFIC)之间的阻抗匹配。
在一些实施例中，所述第一螺旋分段331和所述第三螺旋分段333在所述载板31平面上的投影可以呈锐角，有利于减小所述螺旋天线33的结构面积，在所述载板31的不同层上形成投影之间呈锐角的第一螺旋分段331和第三螺旋分段333，有利于工艺实现和制造。
在一些实施例中，所述螺旋天线33可以工作于轴向辐射模式、或法向辐射模式与轴向辐射模式的混合辐射模式；其中，在所述轴向辐射模式下，所述螺旋天线33在其轴向上具有最大的辐射强度，在所述法向辐射模式下，所述螺旋天线33在垂直于其轴向的方向上具有最大的辐射强度。
所述螺旋天线33的工作模式由其结构参数决定，当所述螺旋天线33的螺旋半径远小于所述螺旋天线33的工作波长λ0时，所述螺旋天线33类似于电偶极子，工作于法向辐射模式。为了实现辐射信号的侧向覆盖，在一些实施例中，可以设置所述螺旋天线33的轴线指向其所在的边缘区域的载板边界的法向，同时使所述螺旋天线33工作于轴向辐射模式。为了激励所述螺旋天线33的轴向辐射模式，可以设置所述螺旋天线33的多匝螺旋线圈的参数满足：3/4<C/λ0<4/3，S≈λ0/4，N≥3，其中C为每匝螺旋线圈在垂直于所述螺旋天线33的轴线的平面上的投影的周长，S为所述多匝螺旋线圈的间距，N为所述多匝螺旋线圈的匝数，λ0为所述螺旋天线33的工作波长。例如，所述螺旋天线33的工作带宽的中心频率为26.75GHz，λ0可以取11.2mm。
需要说明的是，上述参数中限定了每匝螺旋线圈的投影周长C，在其它实施例中，也可将C转化为每匝螺旋线圈的半径r，以每匝螺旋线圈的半径r替代周长参数C作为结构参数之一对所述螺旋天线33进行结构设计。
在一些实施例中，所述螺旋天线33可以包括多匝螺旋线圈，所述多匝螺旋线圈可以具有不同的螺旋半径。具体地，如图2所示，所述多匝螺旋线圈的螺旋半径的变化趋势可以包括：两个端部区域的螺旋线圈的螺旋半径小于中间区域的螺旋线圈的螺旋半径。螺旋线圈的半径变化趋势可以用于调节所述螺旋天线33的宽带阻抗匹配和辐射方向增益。可以理解的是，在其它实施例中，所述多匝螺旋线圈的螺旋半径可以具有不同于图2所示的变化趋势。
考虑到性能与结构尺寸的折中，在一些实施例中，使所述螺旋天线33工作于混合辐射模式更为实用，相应地可以设计所述螺旋天线33的多匝螺旋线圈具有较小间距而每匝螺旋线圈半径变化的形式。
在一些实施例中，所述载板31的中间区域还设置有第一天线阵列(图2中未示出)，所述第一天线阵列可以包括多个贴片单元，所述多匝螺旋线圈的螺旋半径的最大值可以和一个贴片单元的尺寸相当，例如所述多匝螺旋线圈的螺旋半径的最大值可以小于或等于一个贴片单元的尺寸。
在一些实施例中，所述螺旋天线33可以设置于所述载板31的一侧的边缘区域，也可以设置于所述载板31的多侧的边缘区域，例如所述载板31可以是矩形，所述螺旋天线33可以设置于平行于所述载板31的三条边的边缘区域。
在一些实施例中，所述载板31沿其厚度方向的一个表面上设置有接地平面(Ground Plane)32，所述接地平面32覆盖所述载板31的中间区域而暴露出所述载板31的边缘区域。
在一些实施例中，所述天线单元30还可以包括设置于所述载板31的中间区域的馈电传输线(Microstrip Feed)34，所述馈电传输线34的馈电端与所述螺旋天线33的第一端电气连接，所述螺旋天线33的第二端为自由端，适于辐射信号。
图2所示实施例的天线单元30相比于图1a和图1b的边缘天线10和20而言，节省了引向器和反射器，从而减小了天线的尺寸，减小天线封装的面积和体积；节省了宽带匹配balun，易于与收发芯片(TRX RFIO)连接，面积小并且宽带匹配特性好；具有较大的工作带宽，且辐射最大增益指向载板侧向，和主天线阵列协同工作覆盖整个扇区。
参考图3，图3是根据本发明另一实施例的天线单元40的结构示意图。所述天线单元40包括：具有三维结构的螺旋天线43及馈电传输线44，所述螺旋天线43设置于载板41的边缘区域，所述馈电传输线44的馈电端与所述螺旋天线43的第一端电气连接，所述螺旋天线43的第二端为自由端，适于辐射信号。
所述螺旋天线43可以包括至少一匝螺旋线圈，所述载板41包括至少两个金属层411和413、以及介于所述两个金属层411和413之间的非导电介质层412，每匝螺旋线圈包括：首尾串接的第一螺旋分段431、第二螺旋分段432、第三螺旋分段433和第四螺旋分段434；其中所述第一螺旋分段431和所述第三螺旋分段433沿平行于所述载板41的平面的方向分别设置于所述两个金属层411和413中，所述第二螺旋分段432和所述第四螺旋分段434沿所述载板41的厚度方向贯穿所述非导电介质层412，以将所述第一螺旋分段431和所述第三螺旋分段433电气连接。
所述载板41包括一个或多个接地平面42。所述一个或多个接地平面42覆盖所述载板41的中间区域而暴露出所述载板41的边缘区域，所述一个或多个接地平面42通过沿所述载板41的厚度方向贯穿所述载板41的接触孔46电气连接。
本实施例与图2所示实施例的区别在于：所述一个或多个接地平面42靠近所述载板41的边缘区域处形成有向所述载板41的中间区域缩进的缺口42a，所述螺旋天线43的一部分设置于所述缺口42a暴露出的载板41中。具体地，所述缺口42a可以呈梯形。
在芯片结构面积允许的情况下，如图3所示可以使用多层连接的接地平面并在边缘切割出一定形状的缺口以将所述螺旋天线43缩进所述缺口，减小了所述螺旋天线43在所述载板41边缘延伸出的长度从而减小封装尺寸，同时还能更优地控制波束的指向和增益。
本发明实施例还提供一种天线系统。参考图4，图4是本发明一个实施例的天线系统50的结构示意图。在一些实施例中，所述天线系统50可以包括载板51、第一天线阵列、和第二天线阵列，其中所述第一天线阵列设置于所述载板51的中间区域，包括多个贴片单元58；所述第二天线阵列设置于所述载板51的边缘区域，包括至少一个本发明前述实施例的天线单元，所述天线单元可以包括螺旋天线53和馈电传输线54，所述螺旋天线53设置于所述载板51的边缘区域，所述馈电传输线54设置于所述载板51的中间区域，所述馈电传输线54的一端与所述螺旋天线53电气连接，所述馈电传输线54的另一端与收发芯片电气连接。
在一些实施例中，所述天线系统50的第二天线阵列可以包括多个天线单元，所述载板51可以为矩形，所述多个天线单元分别沿平行于所述矩形的三条边的方向设置于所述载板51的边缘区域。所述载板51可以是封装基板，也可以是PCB(Printed Circuit Board)板。
在一些实施例中，所述多个贴片单元58可以平行于载板平面设置，所述贴片单元58的辐射最大增益指向垂直于所述载板平面的方向，所述多个天线单元的螺旋天线53的轴线可以平行于所述载板平面设置，所述多个天线单元的辐射最大增益指向所述螺旋天线53的轴向。
在一些实施例中，所述第一天线阵列的辐射波束分布范围包括沿垂直于所述载板平面的一个辐射平面上的±60°之间的扇区，所述第二天线阵列的辐射波束分布范围包括沿垂直于所述载板平面的所述一个辐射平面上60°至120°之间的扇区。具体地，所述一个辐射平面可以是沿平行于所述矩形载板51的长边方向纵切所述载板51形成的剖面。
在图4所示实施例的天线系统50中，所述第一天线阵列可以看作是主天线，所述第二天线阵列为边缘天线，由于所述主天线和所述边缘天线分别工作于不同的辐射模式，因此所述边缘天线能够弥补所述主天线侧向波束覆盖不足的技术问题。
参考图5，图5是本发明另一实施例的第二天线阵列的结构示意图。
在一些实施例中，所述第二天线阵列可以包括多个螺旋天线63，所述多个螺旋天线63在所述载板61的边缘区域呈一维阵列排布，所述多个螺旋天线63可以共用一条馈电传输线64，所述馈电传输线64可以具有多个馈电端，所述多个馈电端可以分别与所述多个螺旋天线63电气连接。
结合参考图6、图7和图8，图6是本发明图5所示实施例的第二天线阵列的阻抗特性曲线图，图6的纵坐标是回波损耗/dB，横坐标是频率/GHz，图7是本发明图5所示实施例的第二天线阵列在23.8GHz、26.8GHz、和29.8GHz的E面辐射方向示意图，图8是本发明图5所示实施例的第二天线阵列在23.8GHz、26.8GHz、和29.8GHz的H面辐射方向示意图。
由于轴向模式的螺旋天线63一般具有较宽的工作带宽，通过优化设计所述螺旋天线63可以实现与所述馈电传输线64的宽带匹配。如图6所示，-10dB以下的工作频段为24GHz至29.5GHz，阻抗带宽为5.5GHz，中心频点为26.75GHz，带宽比为20％。因此，在没有附加任何匹配电路的情况下，所述第二天线阵列的工作带宽可以覆盖整个N258和N257频段。
在其他实施例中，所述螺旋天线63的工作频段也可以是24GHz至300GHz之间具有预设带宽的毫米波频段，例如可以是24GHz至29.5GHz，37GHz至42.5GHz，或57GHz至71GHz。
由图7所示的E面辐射方向图可以看出，扣除馈电网络和各种材料损耗后，所述第二天线阵列在24GHz至29.5GHz频段内实现了8dB至10dB的增益，即每个天线单元在该频段内的增益优于3dB至4dB，也优于理想偶极子的2.18dBi。此外，所述第二天线阵列的辐射波束分布范围包括E面内的60°至120°之间的扇区，其最大增益方向为90°，即所述螺旋天线63的轴向，符合预期的边缘天线的覆盖范围，可以弥补主天线阵列在最大工作角度以外的方向。
在图8所示的H面辐射方向图中，所述第二天线阵列的辐射波束分布范围包括60°至120°之间的扇区。
参考图9，图9是本发明另一个实施例的天线系统70的结构框图。
在一些实施例中，所述天线系统70可以包括第一天线阵列71、第二天线阵列72、收发芯片73、封装基板74以及PCB板，所述第一天线阵列71设置于所述封装基板74的第一表面的中间区域，包括多个贴片单元，所述第二天线阵列72包括至少一个本发明前述实施例的天线单元和馈电传输线，所述天线单元的螺旋天线设置于所述封装基板74的第一表面的边缘区域，所述馈电传输线设置于所述封装基板74的第一表面的中间区域。所述收发芯片73分别与所述第一天线阵列71和所述第二天线阵列72电气连接，所述收发芯片73适于接收和发送预设频率范围的信号。其中所述第一天线阵列71、所述第二天线阵列72、所述收发芯片73和所述封装基板74形成一个AiP(Antenna in Package)结构，所述AiP结构集成于所述PCB板上，所述PCB板可以安装在终端中并和许多其它部件连接。
在一些实施例中，所述收发芯片包括收发外围电路和射频集成电路芯片(RadioFrequency Integrated Circuit,RFIC)，所述收发芯片适于接收和发送24GHz至300GHz间具有预设带宽的毫米波信号。所述收发外围电路可以包括滤波电路和耦合电路等。
参考图10，图10是本发明另一个实施例的天线系统80的结构框图。
在一些实施例中，所述天线系统80可以包括第一天线阵列81、第二天线阵列82、收发芯片83、以及PCB板84。所述第一天线阵列81包括多个贴片单元，所述第二天线阵列82包括至少一个本发明前述实施例的天线单元和馈电传输线，所述收发芯片83适于接收和发送预设频率范围的信号，所述收发芯片83分别与所述第一天线阵列81和所述第二天线阵列82电气连接。所述第一天线阵列81、所述第二天线阵列82和所述收发芯片83都集成在所述PCB板84上，所述收发芯片83可以与所述第一天线阵列81、所述第二天线阵列82集成于所述PCB板上的不同区域。所述PCB板可以安装在终端中并和许多其它部件连接。
参考图11，图11是本发明另一个实施例的天线系统90的结构框图。
在一些实施例中，所述天线系统90可以包括第一天线阵列91、第二天线阵列92、收发芯片93、封装基板94以及PCB板95。所述第一天线阵列91包括多个贴片单元，所述第二天线阵列92包括至少一个本发明前述实施例的天线单元和馈电传输线，所述收发芯片93适于接收和发送预设频率范围的信号，所述收发芯片93分别与所述第一天线阵列91和所述第二天线阵列92电气连接。所述封装基板94的第一表面设置有所述第一天线阵列91，所述封装基板94的第二表面设置有所述收发芯片93，所述第一天线阵列91、所述收发芯片93、和所述封装基板94形成一个AiP结构，所述AiP结构集成于所述PCB板95上的第一区域，所述第二天线阵列92集成在所述PCB板95上的第二区域。所述PCB板可以安装在终端中并和许多其它部件连接。
参考图12，图12是本发明另一个实施例的天线系统100的结构框图。
在一些实施例中，所述天线系统100可以包括第一天线阵列101、第二天线阵列102、收发芯片103、封装基板104以及PCB板105。所述第一天线阵列101包括多个贴片单元，所述第二天线阵列102包括至少一个本发明前述实施例的天线单元和馈电传输线，所述收发芯片103适于接收和发送预设频率范围的信号，所述收发芯片103分别与所述第一天线阵列101和所述第二天线阵列102电气连接。所述封装基板104的第一表面设置有所述第二天线阵列102，所述封装基板104的第二表面设置有所述收发芯片103，所述第二天线阵列102、所述收发芯片103和所述封装基板104形成一个AiP结构，所述AiP结构集成于所述PCB板105上的第一区域，所述第一天线阵列101集成在所述PCB板105上的第二区域。所述PCB板可以安装在终端中并和许多其它部件连接。
本发明实施例还提供一种电子装置，所述电子装置可以包括本发明前述实施例的天线系统。
在一些实施例中，所述电子装置可以是适用于5G新空口(5G NR)标准的移动终端，所述移动终端包括本发明前述实施例的天线系统，所述天线系统与所述移动终端中的其他部件相连接。
在一些实施例中，所述天线系统的工作频段可以为24GHz至300GHz间的具有预设带宽的毫米波频段，例如24GHz至29.5GHz，37GHz至42.5GHz，或57GHz至71GHz等。
综上所述，本发明实施例的天线单元，包括具有三维结构的螺旋天线，由于所述螺旋天线可以设置于所述载板的多个层中，而非在同一平面内，合理地利用了所述载板的横向空间和纵向空间，极大地减小了所述天线单元的体积和面积，符合当今移动终端小型化和纤薄的工艺设计要求。
进一步地，每匝螺旋线圈包括首尾串接的第一螺旋分段、第二螺旋分段、第三螺旋分段和第四螺旋分段，其中所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段沿平行于载板平面的方向分别设置于所述两个金属层中，所述第二螺旋分段和所述第四螺旋分段沿所述载板的厚度方向贯穿所述非导电介质层，即所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段为两段平面螺旋天线，所述第二螺旋分段沿纵向延伸用于将所述两段平面螺旋天线电气连接，这样能够在实现具有三维结构的螺旋天线的前提下、更大程度地利用所述两个金属层的平面来设置具有预设长度和预设形状的平面螺旋分段，以实现所述螺旋天线的宽带阻抗匹配。
进一步地，所述载板包括沿其厚度方向交替堆叠的多个非导电介质层和多个金属层，所述螺旋天线包括多匝螺旋线圈，所述多匝螺旋线圈的多个第一螺旋分段设置于相同或不同的金属层中，所述多匝螺旋线圈的多个第二螺旋分段分别设置于相同或不同的金属层中，因此，每匝螺旋线圈的分段设计可以具有较大的自由度，以便调节所述螺旋天线的各项性能。
进一步地，所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段可以呈三角函数或对数函数等连续平滑函数曲线的形状，有利于实现所述螺旋天线与收发芯片的阻抗匹配。
进一步地，所述天线单元作为边缘天线可以工作于轴向辐射模式，以覆盖主天线阵列的最大工作角度以外的空间，便于和主天线阵列协同工作覆盖整个扇区；或者，所述天线单元可以工作于法向辐射模式与轴向辐射模式的混合辐射模式，不仅能够覆盖主天线阵列的最大工作角度以外的空间，还有利于缩小所述天线单元的结构尺寸，能够在天线性能与缩小天线的结构尺寸之间达到平衡。
进一步地，所述天线单元的工作模式由所述螺旋天线的结构参数决定，可以通过设置所述螺旋天线的每匝螺旋线圈的螺旋周长、多匝螺旋线圈的螺旋间距、及螺旋线圈的匝数来调节所述天线单元的工作模式，具体可以通过设置3/4<C/λ0<4/3，S≈λ0/4，N≥3，使得所述螺旋天线工作于轴向辐射模式或混合辐射模式。
进一步地，所述螺旋天线包括的多匝螺旋线圈可以具有不同的螺旋半径，通过调节所述多匝螺旋线圈的螺旋半径的变化趋势能够调节所述螺旋天线的宽带阻抗匹配和辐射方向增益。
本发明实施例的天线系统，包括第一天线阵列和第二天线阵列，所述第第一天线阵列设置于所述载板的中间区域，作为主天线，所述第二天线阵列包括本发明实施例的天线单元，设置于所述载板的边缘区域，作为边缘天线，所述边缘天线可以覆盖所述主天线的最大工作角度以外的空间，便于和所述主天线协同工作覆盖整个扇区。所述天线系统还包括载板和收发芯片，所述载板可以包括封装基板或PCB板，实际应用中可以采用多种方式形成天线的封装结构，也可以采用多种方式在所述PCB板上集成所述第一天线阵列、所述第二天线阵列和所述收发芯片。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (29)

1.一种天线单元，其特征在于，包括：具有三维结构的螺旋天线，所述螺旋天线设置于载板的边缘区域；
所述螺旋天线包括至少一匝螺旋线圈，每匝螺旋线圈包括不在同一平面内的多个螺旋分段，所述多个螺旋分段分别设置于所述载板的多个层中。
2.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述载板包括至少两个金属层、以及介于所述两个金属层之间的非导电介质层，每匝螺旋线圈包括：首尾串接的第一螺旋分段、第二螺旋分段、第三螺旋分段和第四螺旋分段；
其中所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段沿平行于载板平面的方向分别设置于所述两个金属层中，所述第二螺旋分段和所述第四螺旋分段沿所述载板的厚度方向贯穿所述非导电介质层，以将所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段电气连接。
3.如权利要求2所述的天线单元，其特征在于，所述载板包括沿其厚度方向交替堆叠的多个非导电介质层和多个金属层，所述螺旋天线包括多匝螺旋线圈，所述多匝螺旋线圈的多个第一螺旋分段设置于相同或不同的金属层中，所述多匝螺旋线圈的多个第二螺旋分段分别设置于相同或不同的金属层中。
4.如权利要求2所述的天线单元，其特征在于，所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段均包括辐射臂，所述第二螺旋分段和所述第四螺旋分段包括填充有导电材料的通孔或盲孔，所述通孔或盲孔的两端分别与所述第一螺旋分段的辐射臂和所述第三螺旋分段的辐射臂电气连接。
5.如权利要求4所述的天线单元，其特征在于，所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段还包括焊垫，所述焊垫与所述辐射臂的一端电气连接，所述通孔或盲孔的两端分别与所述第一螺旋分段的焊垫和所述第三螺旋分段的焊垫电气连接。
6.如权利要求2所述的天线单元，其特征在于，所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段呈曲线状或直线状。
7.如权利要求6所述的天线单元，其特征在于，所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段呈三角函数曲线状或对数函数曲线状。
8.如权利要求6所述的天线单元，其特征在于，所述第一螺旋分段和所述第三螺旋分段在所述载板平面上的投影呈锐角。
9.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述天线单元工作于轴向辐射模式、或法向辐射模式与轴向辐射模式的混合辐射模式；
其中，在所述轴向辐射模式下，所述天线单元在所述螺旋天线的轴向具有最大的辐射强度，在所述法向辐射模式下，所述天线单元在垂直于所述螺旋天线的轴向的方向具有最大的辐射强度。
10.如权利要求9所述的天线单元，其特征在于，所述螺旋天线包括多匝螺旋线圈，所述多匝螺旋线圈的参数满足：3/4<C/λ0<4/3，S≈λ0/4，N≥3，其中C为每匝螺旋线圈在垂直于所述螺旋天线的轴线的平面上的投影的周长，S为所述多匝螺旋线圈的间距，N为所述多匝螺旋线圈的匝数，λ0为所述螺旋天线的工作波长。
11.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述螺旋天线包括多匝螺旋线圈，所述多匝螺旋线圈具有不同的螺旋半径。
12.如权利要求11所述的天线单元，其特征在于，所述多匝螺旋线圈的螺旋半径的变化趋势包括：两端区域的螺旋线圈的螺旋半径小于中间区域的螺旋线圈的螺旋半径。
13.如权利要求11所述的天线单元，其特征在于，所述载板的中间区域设置有第一天线阵列，所述第一天线阵列包括多个贴片单元，所述多匝螺旋线圈的螺旋半径的最大值小于或等于一个贴片单元的尺寸。
14.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述螺旋天线的轴向平行于其所在的边缘区域的载板边界的法向。
15.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，所述载板还包括一个或多个接地平面，所述一个或多个接地平面覆盖所述载板的中间区域而暴露出所述载板的边缘区域，所述一个或多个接地平面通过沿所述载板的厚度方向贯穿所述载板的接触孔电气连接，所述一个或多个接地平面靠近所述载板的边缘区域处形成有向所述载板的中间区域缩进的缺口，所述螺旋天线的一部分设置于所述缺口暴露出的载板中。
16.如权利要求1所述的天线单元，其特征在于，还包括：设置于所述载板的中间区域的馈电传输线，所述馈电传输线的馈电端与所述螺旋天线的第一端电气连接，所述螺旋天线的第二端为自由端，适于辐射信号。
17.一种天线系统，其特征在于，包括：载板、第一天线阵列和第二天线阵列；
所述第一天线阵列，设置于所述载板的中间区域，包括多个贴片单元；
所述第二天线阵列，包括至少一个如权利要求1至16任一项所述的天线单元，所述天线单元的螺旋天线设置于所述载板的边缘区域。
18.如权利要求17所述的天线系统，其特征在于，所述多个贴片单元沿平行于载板平面的方向设置，所述贴片单元的辐射最大增益指向垂直于所述载板平面的方向，所述至少一个天线单元的螺旋天线的轴线沿平行于所述载板平面的方向设置，所述天线单元的辐射最大增益指向所述螺旋天线的轴向。
19.如权利要求18所述的天线系统，其特征在于，所述第二天线阵列包括多个天线单元，所述多个天线单元在所述载板上呈一维阵列排布；所述第一天线阵列的辐射波束分布范围包括沿垂直于所述载板平面的一个幅射平面上的±60°之间的扇区；所述第二天线阵列的辐射波束分布范围包括沿垂直于所述载板平面的所述一个幅射平面上的60°至120°之间的扇区。
20.如权利要求17所述的天线系统，其特征在于，还包括：收发芯片，所述收发芯片分别与所述第一天线阵列和所述第二天线阵列电气连接，所述收发芯片适于接收和发送预设频率范围的信号。
21.如权利要求20所述的天线系统，其特征在于，所述收发芯片包括：收发外围电路和射频集成电路芯片。
22.如权利要求20所述的天线系统，其特征在于，所述收发芯片适于接收和发送毫米波信号。
23.如权利要求20所述的天线系统，其特征在于，所述载板包括封装基板。
24.如权利要求23所述的天线系统，其特征在于，还包括PCB板，所述封装基板的第一表面设置有所述第一天线阵列和所述第二天线阵列，所述封装基板的第二表面设置有所述收发芯片，所述承载有第一天线阵列、第二天线阵列和收发芯片的封装基板集成于所述PCB板上。
25.如权利要求23所述的天线系统，其特征在于，还包括PCB板，所述封装基板的第一表面设置有所述第一天线阵列，所述封装基板的第二表面设置有所述收发芯片，所述承载有第一天线阵列和收发芯片的封装基板集成于所述PCB板的第一区域，所述第二天线阵列集成于所述PCB板的第二区域。
26.如权利要求23所述的天线系统，其特征在于，还包括PCB板，所述封装基板的第一表面设置有所述第二天线阵列，所述封装基板的第二表面设置有所述收发芯片，所述承载有第二天线阵列和收发芯片的封装基板集成于所述PCB板的第一区域，所述第一天线阵列集成于所述PCB板的第二区域。
27.如权利要求20所述的天线系统，其特征在于，所述载板包括PCB板，所述第一天线阵列、所述第二天线阵列和所述收发芯片均集成于所述PCB板上。
28.一种电子装置，其特征在于，包括：如权利要求17至27任一项所述的天线系统。
29.如权利要求28所述的电子装置，其特征在于，所述电子装置包括适用于5G新空口标准的移动终端。
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