CN111541032B - 一种毫米波与非毫米波天线整合模块系统和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及毫米波与非毫米波天线整合模块系统和电子设备，该系统包括毫米波天线模块和非毫米波环境，所述毫米波天线模块与非毫米波环境形成通讯连接，用以实现复用毫米波天线模块而达到非毫米波天线的功能。本发明提出直接复用毫米波天线模块，经设计使得此模块亦具有非毫米波模块的天线功能，且模块单体的自身体积无需加大，而模块本身也无需再额外增添天线走线，亦即在同样的体积下，可以进一步增加非毫米波天线的功能。故明显有助于避免装置体积的增大与提升系统及系统设计的紧凑度。

Description

一种毫米波与非毫米波天线整合模块系统和电子设备
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种毫米波与非毫米波天线整合模块系统和电子设备。
背景技术
随着5G时代的到来，由于更高阶MIMO(multi-input and multi-output，多输入多输出)的通讯需求、更多新频段的覆盖需求，甚至是毫米波段的加入，造成了更多天线(包含毫米波与非毫米波天线)的数量需求，而在整机空间无法显著增大下，便造成更高的天线设计难度，甚至会因不够紧凑的天线摆置或设计而造成整机尺寸的增加，以致产品竞争力的下降。而5G频段分为毫米波段与非毫米波段，目前对于非毫米波段的主流天线设计方案为分立式的天线，主流实现方式包含冲压铁片、FPC(flexible printed circuits)、LDS(laser direct structuring)，与PDS(printed direct structuring)等；而毫米波段的目前主流天线设计方案为集成式的封装天线方案AiP(antenna-in-package)，也就是将天线与芯片，尤其是射频芯片RFIC(即射频集成电路)集成为一个封装天线模块。如前所述，5G时代天线数目明显增加，故5G装置内需要多个分立设置的5G非毫米波天线与数个5G毫米波天线模块(如果装置可支持毫米波段通讯)。
故有鉴于此，中国专利CN201910760335.6提出毫米波与非毫米波天线整合模块的方案，然而，该专利独立权利要求披露的技术内容为：①毫米波天线为偶极子天线；②基板，所述基板包括地板、第一介质层和第二介质层，所述第一介质层和所述第二介质层分别位于所述地板的两侧；射频芯片，所述射频芯片设置于所述第一介质层，所述射频芯片与所述N个偶极子天线单元的馈电结构连接；非毫米波天线，所述非毫米波天线设置于所述第二介质层。故此专利保护的范围是射频芯片与非毫米波天线是平行且不同层设置的。
有鉴于上述在整机空间无法显著增大下，但需容纳更多5G(毫米波与非毫米波)天线的通讯需求，便造成更高的天线设计难度或更高的成本，甚至会因不够紧凑的天线摆置或设计而造成整机尺寸的增加，以致产品竞争力的下降。中国专利CN201910760335.6提出在模块上加入非毫米波天线走线，使得毫米波与非毫米波天线整合在一模块上，但此设计会占据较大的水平面积。
发明内容
本发明正是针对上述存在的问题，本发明提供一种毫米波与非毫米波天线整合模块系统和电子设备。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种毫米波与非毫米波天线整合模块系统，包括毫米波天线模块和非毫米波环境，所述毫米波天线模块与非毫米波环境形成通讯连接，用以实现复用毫米波天线模块而达到非毫米波天线的功能。
作为本发明一优选技术方案，所述毫米波天线模块包括模块载体、一支或以上毫米波天线、毫米波射频芯片，所述毫米波射频芯片与毫米波天线电连接。
作为本发明一优选技术方案，该非毫米波环境包括：一支或以上的非毫米波天线的馈线和非毫米波天线馈源，所述非毫米波天线馈源经由非毫米波天线的馈线与该毫米波天线模块形成通讯连接，用以实现复用毫米波天线模块而达到非毫米波天线的功能。
作为本发明一优选技术方案，所述通讯连接为电连接、或耦合式、或感应式连接。
作为本发明一优选技术方案，所述模块载体上设有导电区，其与非毫米波天线的馈线电连接、或耦合式、或感应式连接；此导电区与该毫米波天线模块内的导电地或导电机构为电导通。
作为本发明一优选技术方案，所述非毫米波天线的馈线上还设有非毫米波天线匹配网路和/或频率调谐网路。
作为本发明一优选技术方案，该系统还配置有导热或导电材料，用以对该系统高热量区进行热传导至外界。
作为本发明一优选技术方案，该系统还包括其他芯片，其与毫米波射频芯片为高热量区，其他芯片选自电源管理芯片、运算处理芯片、资料储存芯片中任意一种或多种。
本发明的毫米波天线模块含有毫米波天线或其组成的阵列(可为线形阵列、方形阵列、矩形阵列、三角形阵列、圆形阵列，或非等距的任意形状阵列等)，且亦可组成一组以上的天线阵列，故毫米波天线的数目可为一支或一支以上，而毫米波天线可为单频或多频的单线性极化、双线性极化、单圆极化，或双园极化等的各形式天线，如单极子天线(monopole antenna)、偶极子天线(dipole antenna)、贴片天线(patch antenna)、堆叠贴片天线(stacked patch antenna)、倒F形天线(IFA，inverted F antenna)、平面倒F形天线(PIFA，planar inverted F antenna)、八木宇田天线(Yagi-Uda antenna)、缝隙天线(slotantenna)、磁电偶极子天线(magnetic-electric dipole antenna)、喇叭天线(hornantenna)、环天线(loop antenna)、栅格天线(grid antenna)，与背腔式天线(cavity-backed antenna)等。而两支(含两支)以上的毫米波天线，其天线形式可互为不同，而三支(含三只)以上的毫米波天线其间距可为不等间距，而毫米波天线可分布于模块之各表面(即毫米波天线不限只分布在模块的单一面上)。
而复用毫米波天线模块而达到非毫米波天线功能的天线数量可为一支，或一支以上。而非毫米波的天线形式，亦可为单极子天线(monopole antenna)、偶极子天线(dipoleantenna)、贴片天线(patch antenna)、堆叠贴片天线(stacked patch antenna)、倒F形天线(IFA，inverted F antenna)、平面倒F形天线(PIFA，planar inverted F antenna)、八木宇田天线(Yagi-Uda antenna)、缝隙天线(slot antenna)、磁电偶极子天线(magnetic-electric dipole antenna)、喇叭天线(horn antenna)、环天线(loop antenna)、栅格天线(grid antenna)，与背腔式天线(cavity-backed antenna)，复用模块可达成一支以上的非毫米波天线，则此多支非毫米波天线形式未必需要相同。而此毫米波天线模块的外形可为正方形、长方形、三角形、梯形、L字形、T字形、V字形、U字形、凹字形、凸字形、口字形、圆形、椭圆形、弧形等任何形状。而本发明所述天线模块的材质包含但不限于陶瓷(如：LTCC，low-temperature co-fired ceramic低温共烧陶瓷，或HTCC,high-temperature co-firedceramic高温共烧陶瓷，等陶瓷种类)、PCB(printed circuit board印刷电路板)、FPC(柔性电路板)(包含LCP(liquid crystal polymer)或MPI(modified PI)等)。
本发明还提供一种应用上述天线整合模块系统的电子设备，在毫米波天线模块上设有连接座，该连接座与电子设备的主板连接，其中，所述非毫米波环境设置在电子设备的主板之上。
本发明提出直接复用毫米波天线模块，经设计使得此模块亦具有非毫米波模块的天线功能，且模块单体的自身体积无需加大，而模块本身也无需再额外增添天线走线，亦即在同样的体积下，可以进一步增加非毫米波天线的功能。故明显有助于避免装置体积的增大与提升系统及系统设计的紧凑度，且相对于中国专利CN201910760335.6所提出的设计,本发明可充分利用手机侧边的高度空间，故不会占据较大的水平面积，进而提升产品综合竞争力。
附图说明
图1是本发明实施例一毫米波天线模块的前视图(a)和后视图(b)；
图2是本发明实施例一毫米波与非毫米波天线整合模块系统的前视图(a)和后视图(b)；
图3是本发明实施例二毫米波与非毫米波天线整合模块系统的前视图(a)和后视图(b)；
图4是本发明实施例三毫米波与非毫米波天线整合模块系统后视图；
图5是本发明实施例四毫米波与非毫米波天线整合模块系统的后视图；
图6是本发明实施例五毫米波与非毫米波天线整合模块系统的后视图；
图7是本发明实施例六毫米波与非毫米波天线整合模块系统的前视图(a)和后视图(b)；
图8是本发明实施例七毫米波与非毫米波天线整合模块系统的后视图；
图9是本发明实施例八毫米波与非毫米波天线整合模块系统的后视图；
图10是本发明实施例九毫米波与非毫米波天线整合模块系统的前视图(a)和后视图(b)；
图11是本发明实施例十毫米波与非毫米波天线整合模块系统的前视图(a)和后视图(b)。
具体实施方式
为了便于本领域的普通技术人员能够理解并实施本发明，下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。
参考图1-11，本发明提供一种毫米波与非毫米波天线整合模块系统，包括毫米波天线模块1和非毫米波环境2，所述毫米波天线模块1与非毫米波环境2形成通讯连接，用以实现复用毫米波天线模块1而达到非毫米波天线的功能。
实施例一
如图1之实施例一所示，此例中的毫米波天线模块1有四个毫米波天线11而形成的一维线性阵列(但不限)，而毫米波天线阵列11a主要设置在模块载体12前侧的长边侧立面(即正面)。而模块载体12后侧的长边侧立面(即背面)，可放置芯片(包含射频芯片RFIC射频芯片，或加上电源管理IC即PMIC等芯片)、与/或相关电子器件、与/或芯片屏蔽设施(如：屏蔽罩或屏蔽层)、与/或连接座(connector or socket)等。而射频芯片的射频通路与毫米波天线11的馈电端口为电连接。
其中毫米波天线11可为前述的各种天线形式，而其天线的尺寸大小优选不大于其最低工作频点的2个等效导波波长(equivalent guided wavelength)，而毫米波天线间距优选不大于其最低工作频点的2个自由空间波长(free-space wavelength)。此例中的毫米波天线模块1的两短边侧立面(或其部分)为导电墙或导电区12a，而非毫米波的馈源21可经天线馈线22(与匹配网路23，和/或频率调谐网路)经电连接馈入毫米波天线模块1的两侧壁，而此导电墙或导电区12a与模块载体12内的导电地或导电结构为电导通(优选金属地或金属结构)，如此，毫米波天线模块1即能具有(两)非毫米天线11的功能，实现了不需额外增加空间与成本及减少开发难度的情形下，达到更为空间紧凑与功能完备的设计，进而能覆盖5G的毫米波与(多支)非毫米波频段的一体化模块方案；另外，为了强化散热，可加上导电或导热材料3连接芯片区的屏蔽罩或屏蔽层12b，将芯片区的热量导排至外界。而此整合模块系统设置图则如图2(a)、2(b)所示。
本发明实施例中，非毫米波环境2：非毫米波的馈源21、非毫米波天线馈线22、非毫米波天线匹配网路23(和/或频率调谐网路)，优选配置在PCB主板24上，通过PCB主板24、毫米波天线模块1、非毫米波环境2的组合，可以提供复用毫米波天线模块1而达到非毫米波天线的功能的电子设备。此时，PCB主板24上在毫米波天线模块1的模块载体12的覆盖区及其延伸区域设置为不镀铜的毫米波天线模块1的净空区24a；模块载体12上设置有电连座12c，该连接座12c与电子设备的主板电连接。
实施例二
如图3之实施例二所示，与实施例一的差异之处在于：此实施例中的毫米波天线模块1的背面长边侧立面(或其部分)为导电墙或导电区12a，而非毫米波的馈源21可经天线馈线22(与匹配网路23，和/或频率调谐网路)经电连接馈入毫米波天线模块1的此侧壁，而此导电墙或导电区12a与模块内的导电地或导电结构为电导通(优选金属地或金属结构)，如此，毫米波天线模块1即能具有(两)非毫米天线的功能，实现了不需额外增加空间与成本及减少开发难度的情形下，达到更为空间紧凑与功能完备的设计，进而能覆盖5G的毫米波与(多支)非毫米波频段的一体化模块方案；另外，为了强化散热，可加上导电或导热材料3连接芯片区的屏蔽罩或屏蔽层12b，将芯片区的热量导排至外界。而此整合模块的系统设置图则如图3所示。
实施例三
如图4之实施例三所示，此实施例与实施例二的差异之处在于：非毫米波的馈源21可经天线馈线22(与匹配网路23，和/或频率调谐网路)经电连接馈入毫米波天线模块1的屏蔽罩或屏蔽层12b及与连接座12c扣合的连接头12d(为导电部分，其覆盖了连接座12c)，而此屏蔽罩或屏蔽层12b及连接座12c上的连接头12d(为导电部分)与模块载体12内的导电地或导电结构为电导通(优选金属地或金属结构)，如此，毫米波天线模块1即能具有(两)非毫米天线的功能，实现了不需额外增加空间与成本及减少开发难度的情形下，达到更为空间紧凑与功能完备的设计，进而能覆盖5G的毫米波与(多支)非毫米波频段的一体化模块方案；另外，为了强化散热，可加上导电或导热材料3连接芯片区的屏蔽罩或屏蔽层12b，将芯片区的热量导排至环境与系统。而此整合模块的系统设置图则如图4所示。
实施例四
如图5之实施例四所示，此实施例与实施例一的差异之处在于：此例中的毫米波天线模块1的底面(或其部分)为导电墙或导电区(图中未示出)，而非毫米波的馈源21可经天线馈线22(与匹配网路23)经电连接馈入毫米波天线模块1的底面，而此导电墙或导电区与模块载体12内的金属地或金属结构为电导通，如此，毫米波天线模块1即能具有(两)非毫米天线的功能，实现了不需额外增加空间与成本及减少开发难度的情形下，达到更为空间紧凑与功能完备的设计，进而能覆盖5G的毫米波与(多支)非毫米波频段的一体化模块方案；另外，为了强化散热，可加上导电或导热材料3连接芯片区的屏蔽罩或屏蔽层12b，将芯片区的热量导排至外界。
实施例五
如图6之实施例五所示，此实施例与实施例一的差异之处在于：导电或导热材料3可显著偏心放置，而达不同频覆盖的多支天线。
实施例六
如图7(a)、7(b)之实施例六所示，此实施例与实施例一的差异之处在于：此例中的毫米波天线模块的一短边侧立面(或其部分)为导电墙或导电区。
实施例七
如图8之实施例七所示，此例与实施例一的差异之处在于：此例中的毫米波天线模块1的两短边侧立面(或其部分)有导电区12a，而非毫米波的馈源21可经天线馈线22(与匹配网路23)经电连接机制(如：弹片25)馈入毫米波天线模块1两侧壁的导电区12a，而此导电区12a与模块载体12内的金属地或金属结构为电导通，如此，毫米波天线模块1即能具有(多支)非毫米天线的功能，且可去除天线模块的板上净空区，实现了不需额外增加空间与成本及减少开发难度的情形下，达到更为空间紧凑与功能完备的设计，进而能覆盖5G的毫米波与(多支)非毫米波频段的一体化模块方案。
实施例八
如图9之实施例八所示，此例与实施例二之差异在于：非毫米波的馈源21可经天线馈线22(与匹配网路23)与毫米波天线模块1侧壁导电墙或导电区12a经耦合(非电连接)的方式将能量馈入模块，而天线馈线与天线模块的间距优选不大于1个自由空间波长(free-space wavelength)，且此导电墙或导电区12a与模块载体12内的金属地或金属结构为电导通，如此，毫米波天线模块即能具有(两)非毫米天线的功能，实现了不需额外增加空间与成本及减少开发难度的情形下，达到更为空间紧凑与功能完备的设计，进而能覆盖5G的毫米波与(多支)非毫米波频段的一体化模块方案；另外，为了强化散热，可加上导电或导热材料3连接芯片区的屏蔽罩或屏蔽层12b，将芯片区的热量导排至外界。
实施例九
如图10之实施例九所示，此例与实施例一的差异之处在于：非毫米波的馈源21可经天线馈线22(与匹配网路23)与毫米波天线模块1侧壁导电墙或导电区12a经耦合(非电连接)的方式将能量馈入毫米波天线模块1，而天线馈线与天线模块的间距优选不大于1个自由空间波长(free-space wavelength)，且此导电墙或导电区12a与毫米波天线模块1内的金属地或金属结构为电导通，如此，毫米波天线模块1即能具有(两)非毫米天线的功能，实现了不需额外增加空间与成本及减少开发难度的情形下，达到更为空间紧凑与功能完备的设计，进而能覆盖5G的毫米波与(多支)非毫米波频段的一体化模块方案；另外，为了强化散热，可加上导电或导热材料3连接芯片区的屏蔽罩或屏蔽层12b，将芯片区的热量导排至外界。
实施例十
如图11之实施例十所示，此例与实施例九的差异之处在于：一非毫米波的馈源21可经天线馈线22(与匹配网路23)与毫米波天线模块1侧壁导电墙或导电区12a经耦合(非电连接)的方式将能量馈入毫米波天线模块1，而天线馈线与天线模块的间距优选不大于1个自由空间波长(free-space wavelength)，而另一非毫米波的馈源21可经天线馈线22(与匹配网路23)经电连接机制馈入毫米波天线模块1导电侧壁或导电区12a，且此导电墙或导电区与模块内的金属地或金属结构为电导通，如此，毫米波天线模块1即能具有(两)非毫米天线的功能，且因为此两天线为不同形式的设计，故此两天线具有较高的隔离度，有利于射频链路的性能提升与无线传输的辐射特性，同时也实现了不需额外增加空间与成本及减少开发难度的情形下，达到更为空间紧凑与功能完备的设计，进而能覆盖5G的毫米波与(多支)非毫米波频段的一体化模块方案；另外，为了强化散热，可加上导电或导热材料3连接芯片区的屏蔽罩或屏蔽层12b，将芯片区的热量导排至外界。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种毫米波与非毫米波天线整合模块系统，包括毫米波天线模块和非毫米波环境，其特征在于，所述毫米波天线模块与非毫米波环境形成通讯连接，所述毫米波天线模块包括模块载体，所述模块载体上设有导电区，所述非毫米波环境包括一支或一支以上的非毫米波天线的馈线，所述导电区与所述非毫米波天线的馈线进行电连接、或耦合式、或感应式连接；此导电区与该毫米波天线模块内的导电地或导电机构为电导通，从而所述非毫米波环境能够实现复用毫米波天线模块而达到非毫米波天线的功能。
2.根据权利要求1所述的毫米波与非毫米波天线整合模块系统，其特征在于，所述毫米波天线模块包括一支或以上毫米波天线、毫米波射频芯片，所述毫米波射频芯片与毫米波天线电连接。
3.根据权利要求1所述的毫米波与非毫米波天线整合模块系统，其特征在于，该非毫米波环境还包括非毫米波天线馈源，所述非毫米波天线馈源经由非毫米波天线的馈线与该毫米波天线模块形成通讯连接，用以实现复用毫米波天线模块而达到非毫米波天线的功能。
4.根据权利要求1-3任一项所述的毫米波与非毫米波天线整合模块系统，其特征在于，所述通讯连接为电连接、或耦合式、或感应式连接。
5.根据权利要求1所述的毫米波与非毫米波天线整合模块系统，其特征在于，所述非毫米波天线的馈线上还设有非毫米波天线匹配网路和/或频率调谐网路。
6.根据权利要求1所述的毫米波与非毫米波天线整合模块系统，其特征在于，该系统还配置有导热或导电材料，用以对该系统高热量区进行热传导至外界。
7.根据权利要求6所述的毫米波与非毫米波天线整合模块系统，其特征在于，该系统还包括其他芯片，其与毫米波射频芯片为高热量区，其他芯片选自电源管理芯片、运算处理芯片、资料储存芯片中任意一种或多种。
8.根据权利要求1所述的毫米波与非毫米波天线整合模块系统，其特征在于，所述毫米波天线可为单频或多频的单线性极化、双线性极化、单圆极化或双圆极化形式天线中的任意一种；
或：
所述毫米波天线组成一个以上毫米波天线阵列；每个所述毫米波天线阵列为线形阵列、方形阵列、矩形阵列、三角形阵列、圆形阵列、非等距阵列中任意一种；
或：
所述毫米波天线阵列数量为一个，为一维线性阵列，每支毫米波天线的尺寸小于等于其最低工作频点的2个等效导波波长(guided wavelength)；相邻两支毫米波天线的间距为小于等于其最低工作频点的2个自由空间波长(free-space wavelength)。
9.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的天线整合模块系统，在毫米波天线模块上设有连接座，该连接座与电子设备的主板连接，其中，所述非毫米波环境设置在电子设备的主板之上。
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