CN111755812A - 天线模组及终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天线模组及应用该天线模组的终端，所述天线模组包括由多个天线单元组成的天线阵列和射频移相系统，所述天线阵列和射频移相系统集成于一电路基板上形成独立的模块。进一步地，所述天线模组的天线单元可采用微带贴片天线结构加载短路柱的方案，产生多个谐振，从而拓展了天线单元的带宽，组成天线阵列后，还可进一步地通过相互垂直排列布置天线模组来扩展实现大角度扫描和极化分集功能。本发明公开的天线模组结构简化，可应用于5G通信中，具备易于系统集成、低剖面小型化、辐射带宽较宽以及能实现大角度扫描的优点。

Description

天线模组及终端

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种天线模组及终端。

背景技术

随着无线通讯技术的发展，诸如手机、平板电脑、便携式多媒体播放器等终端设备成为必不可少的生活必需品。终端设备内部通常配置有天线模组进行无线信号收发，以支持终端设备的无线通信功能。

如今，5G(第五代移动通信技术)作为当前的研发焦点，发展5G已成为业界共识，其中，由于毫米波独特的高载频、大带宽特性，是实现5G超高速数据传输速率的主要手段。目前大多数用于终端的5G毫米波天线模块采用AOB(antenna on board)方案，即，将天线阵列布置于终端的边侧，而射频电路部分(比如射频移相系统)集成于主板(main board)上，使阵列和射频电路分开布置，无法集成为单独工作的模块。而在其它的现有技术方案中，虽然提高了天线的波束带宽，并可实现天线阵列的大角度扫描，然而，由于需要采用较复杂的多谐振结构和低介电常数的材料，致使天线的剖面较高，难以实现集成化应用。

因此，有必要提供一种新型的天线模组以解决上述问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种解决上述问题的天线模组；本发明的另一个目的是在于提供一种采用上述天线模组的终端。

本发明采用的技术方案是：提供一种天线模组，包括由多个天线单元组成的天线阵列和射频移相系统，所述天线阵列和射频移相系统集成于一电路基板上形成独立的模块。

在其中的优选实施例中，所述天线阵列为其天线单元按4×2MIMO排列组合方式布置的毫米波天线阵列。

在其中的优选实施例中，所述天线单元包括介质基层、辐射贴片、短路柱、信号接柱和接地层；所述辐射贴片布置于所述介质基层的一面上，所述接地层布置于所述介质基层的相对的另一面上，所述短路柱贯穿所述介质基层将所述辐射贴片和所述接地层电性连接在一起，所述信号接柱用以提供作为外部信号的输入输出馈点。

在其中的优选实施例中，所述短路柱可以为多个，以与所述辐射贴片构成相应的多个谐振来拓展天线单元的带宽。

在其中的优选实施例中，所述天线阵列的带宽至少覆盖24.75GHz—27.5GHz。

在其中的优选实施例中，所述辐射贴片为矩形，由该矩形辐射贴片的长边调谐低频辐射部分，由该矩形辐射贴片的短边调谐高频辐射部分。

在其中的优选实施例中，所述天线单元之间的横向间距为4毫米，纵向距离为5毫米，所述天线阵列的横向波束扫描角度可达到覆盖+/-60°。

在其中的优选实施例中，所述射频移相系统包括毫米波收发芯片和相关电路，所述毫米波收发芯片和相关电路位于所述电路基板的一面，所述天线阵列的天线单元位于所述电路基板的相对的另一面。

在其中的优选实施例中，所述电路基板为多层电路基板，依次按顺序包括辐射贴片层、第一参考地层、信号层、电源层以及第二参考地层，所述各层之间由介质基板层叠地间隔；所述辐射贴片层、第一参考地层之间通过垂直延伸的天线短路柱电性连接，并由馈接线作为输入输出馈点，从而构成天线单元；所述毫米波收发芯片的信号引脚由芯片信号接柱经由所述信号层与所述馈接线电性连接，所述毫米波收发芯片的电源引脚由电源接柱与所述电源层电性连接。

在其中的优选实施例中，所述芯片信号接柱的两侧旁设置有第一接地短路柱，该第一接地短路柱将所述芯片信号接柱周围的地电位连接为一体，为所述芯片信号接柱提供完整的参考地。

在其中的优选实施例中，还包括第三接参考地层和至少一个第二接地短路柱，所述第三参考地层位于所述电源层与所述第二参考地层之间，所述第二接地短路柱连接相应各层的地电位，以提高所述天线模组的电磁兼容性。

在其中的优选实施例中，还包括连接底座和射频接口，所述毫米波收发芯片具备收发一体功能，可以处于接收或发送波束扫描两种状态，所述毫米波收发芯片的状态由所述连接底座外接的控制信号决定，所述毫米波收发芯片可通过所述射频接口实现与外部交互通讯。

在其中的优选实施例中，所述相关电路包括功率合成电路，所述毫米波收发芯片为多个，从所述天线阵列接收到的信号通过所述多个毫米波收发芯片处理后，再通过所述功率合成电路合成一路信号，并可通过所述射频接口提供给外部处理。

在其中的优选实施例中，所述连接底座为多个按中心轴对称的方式布置于所述毫米波收发芯片所在侧的一面上，其中，所述连接底座可用于控制信号接口，也可用于提供电源接口。

在其中的优选实施例中，所述功率合成电路位于中心轴线上，所述多个毫米波收发芯片对称地布置于所述功率合成电路的两侧，所述射频接口位于中心轴线上的所述功率合成电路的一侧，所述处于中间位置的连接底座中位于中心轴线上的所述功率合成电路的另一侧。

在其中的优选实施例中，所述天线单元可采用同轴方式馈电，即所述馈接线为由从所述辐射贴片层上垂直地延伸形成的馈线信号接柱。

在其中的优选实施例中，所述天线单元可采用耦合方式馈电，即所述馈接线为以所述第一参考地层为参考地的微带馈线，所述第一参考地层设有与所述微带馈线相交的耦合开孔。

本发明还提供一种终端，包括上述任意的一种天线模组。

在其中的优选实施例中，所述天线模组按预定间距分开布置且在相邻区域的两个天线模组是按辐射方向相互垂直排列方式布置的。

与现有相关技术相比，本发明提供的天线模组，采用多层电路结构，将天线阵列和射频移相系统集成于一电路基板上形成独立的模块，便于系统级集成和规模化应用。另外，在其中优选的方案中，本发明的天线模组的天线单元采用微带贴片天线结构加载短路柱的方案，产生多个谐振，从而拓展了天线单元的带宽，结构简化且实现了低剖面小型化，组成天线阵列后，还可进一步地通过相互垂直排列布置天线模组来扩展实现大角度扫描和极化分集功能。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例的天线模组的结构示意图。

图2(a)为图1中的天线单元的放大后的正面示意图。

图2(b)为图2(a)中的天线单元的一剖面结构示意图。

图2(c)为图1中的采用耦合馈电方式的天线单元的结构示意图。

图3为图1的正面视图。

图4为图1的底面视图。

图5为沿图3的A-A剖切线剖切的剖面结构示意图。

图6为图1的天线模组应用于终端的缩小比例的结构示意图。

符号说明：

天线模组00 天线阵列10 射频移相系统20

天线单元100(100’) 辐射贴片101、101’、101” 介质基层102

短路柱103、103’ 信号接柱104、104” 接地层105

第一介质基层102’ 微带馈线104’ 第一参考接地层105’

第二介质基层106’ 耦合开孔107’ 毫米波收发芯片201

相关电路202 功率合成电路202a 连接底座30、301、

302、303 射频接口40 信号层108

电源层109 第二参考地层110 第三参考地层111

天线短路柱103” 信号引脚201a 电源引脚201b

芯片信号接柱1041 电源接柱1042

第一接地短路柱1031 第二接地短路柱1032

通信终端01 电池011

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。

本发明公开实施例提供的技术方案涉及天线模组，该天线模组可以适用于手机、平板电脑、笔记本、智能手表、双屏平板电脑等具有通信功能的终端。本公开实施例对此不作限定。为适应小型化发展和集成化发展的趋势，本发明公开实施例的天线模组主要将核心的天线阵列和射频移相系统集成于一电路基板上形成独立的模块，可灵活地应用于各电路中，并可支持5G毫米波波束扫描，但不以此为限定。

请参照图1所示，示出了本发明一较佳实施例的天线模组00的结构示意图。

如图1所示，该天线模组00采用按4×2MIMO排列组合方式布置的4×2毫米波天线阵列，包括8个天线单元100组成的天线阵列10和射频移相系统20，所述天线阵列10和射频移相系统20集成于一电路基板上形成独立的模块。在其它的实施例中，所述天线单元的数量和形式可以不同，比如采用4X1阵列(此时相应地，所述毫米波收发芯片的数量只有一个)，不作限定。

参考图2(a)、图2(b)、图2(c)所示，所述天线单元100的设计思路是对传统的微带贴片天线结构进行创新，通过加载短路柱结构以增加谐振从而提高辐射带宽，具体地，在本实施例中，所述天线单元100主要由二层电路板构成，采用同轴馈电方式馈电，其包括辐射贴片101、介质基层102、短路柱103、信号接柱104和接地层105。所述介质基层102为绝缘材质制成，通常是低介电常数的材料，以适用于高频应用。所述辐射贴片101为形状为矩形的导电金属片(通常为铜箔)，其布置于所述介质基层102的一面上，所述接地层105也为导电金属片(通常为铜箔)布置于所述介质基层102的相对的另一面上，从而形成微带结构天线，可通过所述辐射贴片101的长边调谐低频辐射部分，由其短边调谐高频辐射部分，从而覆盖一定的带宽。所述短路柱103为导体，可以是形状为圆柱形的金属化过孔，贯穿所述介质基层102将所述辐射贴片101和所述接地层105电性连接在一起。所述信号接柱104为由从所述辐射贴片层101上垂直地延伸形成的导体，也可以是形状为圆柱形的金属化过孔，为同轴馈电方式所必备的馈接线，用以提供作为外部信号的输入输出的馈点。

在本发明中，一个所述短路柱103可对应地产生一个谐振峰，与所述微带结构的辐射贴片101产生的谐振峰共同地扩展了天线可辐射的带宽。在实际使用中，通过测量得出，由此形成的天线阵列的带宽可至少扩展到能够覆盖到2G以上的带宽，优选频率范围为24.75GHz—27.5GHz。当然，根据设计需要，所述短路柱103可以在不同位置设置成多个，这样，产生多个不同的谐振峰，从而达到所需的更宽的带宽。

在其它的实施例中，如图2(c)所示的天线单元100’,包括辐射贴片101’、第一介质基层102’、短路柱103’、微带走线104’、第一参考接地层105’以及第二介质基层106’，采用耦合方式馈电，即以所述第一参考地层105’(等同于上文的接地层105)为参考地的微带馈线104’为馈接线，以提供作为外部信号的输入输出的馈点，所述第一参考地层105’设有与所述微带馈线104’相交的耦合开孔107’，从而实现与同轴馈电方式一样的效果。

进一步地，由图3～图5所示，并结合图1，示出了由多层电路基板集成的天线模组00，为一集成化的独立模块，所述电路基板的一面上(定义为正面)布置由所述天线单元100组成4×2阵列的天线阵列10，所述电路基板的相对的另一面上(定义为底面)布置射频移相系统20、连接底座30以及射频接口40。在该实施例中，通过优化设计使所述天线单元100之间在阵列中的横向间距为4毫米，纵向距离为5毫米，通过实验测得，此时的天线辐射性能达到最佳状态。所述射频移相系统20包括两个毫米波收发芯片201和相关电路202，所述两个毫米波收发芯片201是完全一样的，都具备收发一体功能，可以处于接收或发送波束扫描两种状态，此状态由所述连接底座30外接的SPI控制信号决定。所述毫米波收发芯片201均为四通道，以匹配4×2天线阵列的设置，所述相关电路202至少包括一功率合成电路202a，用以将所述两个毫米波收发芯片201的信号合成为一路信号。

如图4所示，所述连接底座30，通常为含多个传输通道的板对板连接器，数量为三个，且按中心轴对称的方式呈一排地布置于底面上，用以为所述毫米波收发芯片201提供电源支持和状态控制的外接信号的通信接口，其中，处于中间位置的所述连接底座302提供电源接口(通道)，其余两个连接底座301、303既可用于控制信号接口(通道)，也可用于电源接口(通道)。

所述射频接口40通常为一与外部电缆接头相连的同轴插座，所述毫米波收发芯片201可通过该射频接口40实现与外部交互通讯。

再次参考图4所示，为实现电路及其布局简化和获得最优的性能效果，将所述功率合成电路202a设置于所述天线模组00的中心轴线上，所述两个毫米波收发芯片201对称地布置于所述功率合成电路202a的两侧，并将所述射频接口40布设于所述功率合成电路202a的一侧，而将所述处于中间位置的连接底座302设于所述功率合成电路202a的另一侧，其它两个连接底座301、303则对称地布置于所述连接底座302的两侧。通过以上布置，从所述天线阵列10接收到的信号通过所述两个毫米波收发芯片201处理后，再通过所述功率合成电路202a合成一路信号，然后再通过所述射频接口40提供给外部处理，在此过程中所关联的相应连接线路可实现最少化，且走线布局最合理，从而获得最优的指标。

进一步地，参考图5所示，为一天线单元采用同轴馈电方式的实施例，所述天线模组00的电路基板为多层电路基板，通过层压工艺形成，按从上到下的顺序依次包括辐射贴片层101”、第一参考地层105’、信号层108、电源层109、第二参考地层110以及第三参考地层111，上述各层之间由介质基板层叠地间隔。其中，前述的天线阵列的天线单元100由所述辐射贴片层101”、第一参考地层105’、垂直地电性连接它们的天线短路柱103”以及垂直地从辐射贴片层101”延伸并作为馈接线的信号接柱104”组成。所述毫米波收发芯片201具备信号引脚201a和电源引脚201b，所述信号引脚201a通过从其上垂直地延伸的一芯片信号接柱1041按同轴馈电方式经由所述信号层108(具体地，为信号走线轨迹108a)与所述信号接柱104”电性连接，从而与所述辐射贴片层101”相连，在其它的实施例中，所述毫米波收发芯片201也可以通过前述的耦合馈电方式与所述辐射贴片层101”连接，达到相类似的效果；所述电源引脚201b则由电源接柱1042与所述电源层109电性连接，从而提供供电输送路径。

由上可知，所述天线阵列采用4×2方式布置的8个天线单元100位于电路基板的上面部分，所述射频移相系统20位于电路基板的下面部分，且在天线模组的底面设置有多个接口，包括设置于连接底座30的SPI信号及电源接口以及射频接口40，所述射频移相系统20通过连接底座30可与外部信号交互和控制，实现对所述毫米波收发芯片201的管理和控制，所述毫米波收发芯片201通过功率合成电路202a连接到射频接口40，该射频接口40可与终端的底板(图中未示出)相连，将功率合成电路202a合成的一路信号提供给终端主芯片(图中未示出)处理。

进一步地，为了减少传输损耗，可在所述芯片信号接柱1041的两侧旁设置第一接地短路柱1031，该第一接地短路柱1031将所述芯片信号接柱1041周围的地电位连接为一体，从而为所述芯片信号接柱1041提供完整的参考地。此外，通过设置第三参考地层111，并设置至少一个第二接地短路柱1032，从而通过该第二接地短路柱1032连接相应各层的地电位，以提高所述天线模组00的电磁兼容性，当然，在其它对电磁兼容性不敏感的设计中，也可不增设第三参考地层111和第二接地短路柱1032。

如图6所示，为一天线模组00应用于通信终端01的一个实施例，在此实施例中，包括位于中间的电池011和在通信终端01的顶端和底端围绕该电池011布置的四个天线模组00，所述天线模组00按4×4的MIMO布局，采用极化分集的方案,即同侧垂直排布。由于一个天线模组00只能在一个方向上进行波束扫描，两个天线模组00的相互垂直排布，可以实现两个相互垂直方向的波束扫描，增大天线模组MIMO的波束覆盖范围。同时，两个天线模组的天线阵列的极化方向也相互垂直，能够使毫米波MIMO阵列接收两种极化方向的电磁波，增强智能手机终端的信号接收能力。通过实验测量，此天线阵列的横向波束扫描角度能够至少覆盖+/-60°，达到了大角度扫描的效果。

终上所述，本发明提供的天线模组首次采用独立模块的方式可灵活地应用于各种应用场合。其天线模组的天线单元通过增设短路柱拓展了天线阵列的带宽，并通过合理布置，能实现大角度扫描和极化分集功能，其结构简化，并符合低剖面的小型化发展趋势，在5G通信中具有非常广阔的市场空间。

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发明专利范围的限制。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 (19)

1.一种天线模组，其特征在于，包括由多个天线单元组成的天线阵列和射频移相系统，所述天线阵列和射频移相系统集成于一电路基板上形成独立的模块。

2.根据权利要求1所述的天线模组，其特征在于，所述天线阵列为其天线单元按4×2MIMO排列组合方式布置的毫米波天线阵列。

3.根据权利要求2所述的天线模组，其特征在于，所述天线单元包括介质基层、辐射贴片、短路柱、信号接柱和接地层；所述辐射贴片布置于所述介质基层的一面上，所述接地层布置于所述介质基层的相对的另一面上，所述短路柱贯穿所述介质基层将所述辐射贴片和所述接地层电性连接在一起，所述信号接柱用以提供作为外部信号的输入输出馈点。

4.根据权利要求3所述的天线模组，其特征在于，所述短路柱可以为多个，以与所述辐射贴片构成相应的多个谐振来拓展天线单元的带宽。

5.根据权利要求4所述的天线模组，其特征在于，所述天线阵列的带宽至少覆盖24.75GHz—27.5GHz。

6.根据权利要求3所述的天线模组，其特征在于，所述辐射贴片为矩形，由该矩形辐射贴片的长边调谐低频辐射部分，由该矩形辐射贴片的短边调谐高频辐射部分。

7.根据权利要求2所述的天线模组，其特征在于，所述天线单元之间的横向间距为4毫米，纵向距离为5毫米，所述天线阵列的横向波束扫描角度可达到覆盖+/-60°。

8.根据权利要求1所述的天线模组，其特征在于，所述射频移相系统包括毫米波收发芯片和相关电路，所述毫米波收发芯片和相关电路位于所述电路基板的一面，所述天线阵列的天线单元位于所述电路基板的相对的另一面。

9.根据权利要求8所述的天线模组，其特征在于，所述电路基板为多层电路基板，依次按顺序包括辐射贴片层、第一参考地层、信号层、电源层以及第二参考地层，所述各层之间由介质基板层叠地间隔；所述辐射贴片层、第一参考地层之间通过垂直延伸的天线短路柱电性连接，并由馈接线作为输入输出馈点，从而构成天线单元；所述毫米波收发芯片的信号引脚由芯片信号接柱经由所述信号层与所述馈接线电性连接，所述毫米波收发芯片的电源引脚由电源接柱与所述电源层电性连接。

10.根据权利要求9所述的天线模组，其特征在于，所述芯片信号接柱的两侧旁设置有第一接地短路柱，该第一接地短路柱将所述芯片信号接柱周围的地电位连接为一体，为所述芯片信号接柱提供完整的参考地。

11.根据权利要求9所述的天线模组，其特征在于，还包括第三接参考地层和至少一个第二接地短路柱，所述第三参考地层位于所述电源层与所述第二参考地层之间，所述第二接地短路柱连接相应各层的地电位，以提高所述天线模组的电磁兼容性。

12.根据权利要求9所述的天线模组，其特征在于，还包括连接底座和射频接口，所述毫米波收发芯片具备收发一体功能，可以处于接收或发送波束扫描两种状态，所述毫米波收发芯片的状态由所述连接底座外接的控制信号决定，所述毫米波收发芯片可通过所述射频接口实现与外部交互通讯。

13.根据权利要求12所述的天线模组，其特征在于，所述相关电路包括功率合成电路，所述毫米波收发芯片为多个，从所述天线阵列接收到的信号通过所述多个毫米波收发芯片处理后，再通过所述功率合成电路合成一路信号，并可通过所述射频接口提供给外部处理。

14.根据权利要求13所述的天线模组，其特征在于，所述连接底座为多个按中心轴对称的方式布置于所述毫米波收发芯片所在侧的一面上，其中，所述连接底座可用于控制信号接口，也可用于提供电源接口。

15.根据权利要求13或14所述的天线模组，其特征在于，所述功率合成电路位于中心轴线上，所述多个毫米波收发芯片对称地布置于所述功率合成电路的两侧，所述射频接口位于中心轴线上的所述功率合成电路的一侧，所述处于中间位置的连接底座中位于中心轴线上的所述功率合成电路的另一侧。

16.根据权利要求9所述的天线模组，其特征在于，所述天线单元可采用同轴方式馈电，即所述馈接线为由从所述辐射贴片层上垂直地延伸形成的馈线信号接柱。

17.根据权利要求9所述的天线模组，其特征在于，所述天线单元可采用耦合方式馈电，即所述馈接线为以所述第一参考地层为参考地的微带馈线，所述第一参考地层设有与所述微带馈线相交的耦合开孔。

18.一种终端，其特征在于，包括权利要求1至17任意一项权利要求所述的天线模组。

19.如权利要求18所述的一种终端，其特征在于，所述天线模组按预定间距分开布置且在相邻区域的两个天线模组是按辐射方向相互垂直排列方式布置的。

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