CN112242606B

CN112242606B - 通信天线阵列及电子设备

Info

Publication number: CN112242606B
Application number: CN202011498648.8A
Authority: CN
Inventors: 康锴; 田洪宇; 郭舒生; 徐建忠
Original assignee: Spreadtrum Communications Shanghai Co Ltd
Current assignee: Spreadtrum Communications Shanghai Co Ltd
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: WO2022127392A1; CN112242606A

Abstract

本申请实施例提供一种通信天线阵列及电子设备，所述通信天线阵列应用于用户设备UE，所述通信天线阵列包括：至少二个天线单元；所述至少二个天线单元呈正交设置；所述天线单元包括：2组叠层贴片；其中，每组叠层贴片的辐射边缘成函数形状且两层的辐射边缘使用积分正交的基底函数曲线；每组叠层贴片的非辐射边缘使用波纹状函数形状。本申请的技术方案具有不占用额外面积，降低了成本和封装厚度的优点。

Description

通信天线阵列及电子设备

技术领域

本申请涉及通信处理技术领域，尤其涉及一种通信天线阵列及电子设备。

背景技术

3GPP的5G标准定义了NR-FR2的多个毫米波频段，例如频段N257、N258和N261在中美日韩欧洲等地区跨越24.25-29.5 GHz，相对其中心频率的带宽约为20%；频段N259和N260跨越37-43.5 GHz，相对其中心频率的带宽约为16%；兼容全球不同地区的规定频段需要多频段宽带天线。5G毫米波通讯还要求AiP（Antenna in Package，封装天线）支持同时双极化工作，以实现极化分集或数据MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）。

现有AiP技术通常使用多层MSA作为平面阵列UPA（Uniform Patch Array，均匀贴片阵列），由于要支持双极化和多频段工作，同一组MSA需要连接多路RFIC输入输出端口（RFIO），产生多个馈电网络及其相连的馈电点。现有的MSA技术使用多层堆叠贴片和平面寄生单元以实现多频段工作并展宽工作带宽，电磁场在如此狭小的空间势必产生较强的空间耦合，耦合将直接影响分集和MIMO的工作，强烈的耦合甚至会使电磁能量在不同RFIO间传输而非通过天线辐射，使辐射效率大为降低。现有AiP应对电磁耦合所采用的方法是在馈电网络中插入滤波器，如陷波、带通、带阻或其它形式的频带极化间双工结构，引入的滤波双工电路无疑增加了馈电插入损耗，占用额外面积；较复杂的滤波电路还可能占用更多的基板层次，增加了成本和封装的厚度，不利于当今移动终端的纤薄工业设计要求。

发明内容

本申请实施例公开了一种通信天线阵列及电子设备，能够减少滤波双工电路，不占用额外面积，降低了成本和封装厚度。

第一方面，提供一种通信天线阵列，所述通信天线阵列应用于用户设备UE，所述通信天线阵列包括：至少二个天线单元；所述至少二个天线单元呈正交设置；

所述天线单元包括：2组叠层贴片；其中，

每组叠层贴片的辐射边缘成函数形状且两层的辐射边缘使用积分正交的基底函数曲线；

每组叠层贴片的非辐射边缘使用波纹状函数形状。

第二方面，提供一种电子设备，该电子设备包括第一方面的通信天线阵列。

第三方面，提供一种芯片封装结构，该芯片封装结构包括第一方面的通信天线阵列。

本申请提供的通信天线阵列包括至少二个天线单元，每个天线单元由2组叠层贴片天线分别实现相互正交的2个极化方向。贴片天线和RFIC之间有一层金属作为AiP模块的全局接地，RFIC的I/O由馈电网络通过一个穿过接地层的金属过孔连接至叠层贴片对天线产生激励；每组叠层贴片有2个金属层，贴片的4个边缘可以分为2组，一组平行的2个边缘为辐射边，另一组平行的2个边缘为非辐射边。本申请将2个辐射边设为周期函数形状，如三角函数族的基底函数；并将位于不同层上的2个辐射边分别置为2个积分正交的低周期数函数形状。在2个非辐射边，使用高周期数的函数形成波纹形状边缘，使电磁波沿贴片的传输产生慢波效应以缩小传输的距离；另外在高周期数函数上又叠加了一个低次函数形成非辐射边缘向内的凹陷，进一步缩小面积，并可以增加2个极化单元间的距离从而提高极化间隔离。

附图说明

以下对本申请实施例用到的附图进行介绍。

图1是一种示例通信系统的系统架构图；

图2是本申请提供的通信天线阵列的部分截取示意图；

图3是本申请实施例一提供的通信天线阵列的结构示意图；

图4是本申请实施例一提供的通信天线阵列的偏置结构示意图；

图5是本申请实施例二提供的通信天线阵列的结构示意图；

图6是本申请实施例二提供的通信天线阵列的菱形阵列的结构示意图；

图7是本申请实施例二提供的通信天线阵列的偏置结构示意图；

图8为本申请所示的AiP阵列在37GHz阵列增益示意图；

图9为本申请所示的AiP阵列在40GHz阵列增益示意图；

图10为本申请所示的AiP阵列在43GHz阵列增益示意图；

图11是本申请实施例提供的AiP阵列部分极化与单元的隔离度示意图。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。

本申请中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本申请实施例中出现的“多个”是指两个或两个以上。本申请实施例中出现的第一、第二等描述，仅作示意与区分描述对象之用，没有次序之分，也不表示本申请实施例中对设备个数的特别限定，不能构成对本申请实施例的任何限制。本申请实施例中出现的“连接”是指直接连接或者间接连接等各种连接方式，以实现设备间的通信，本申请实施例对此不做任何限定。

本申请实施例的技术方案可以应用于如图1所示的示例通信系统100，该示例通信系统100包括终端110和网络设备120，终端110与网络设备120通信连接。

本申请实施例中的终端可以指各种形式的UE、接入终端、用户单元、用户站、移动站、MS（英文：mobile station，中文：移动台）、远方站、远程终端、移动设备、用户终端、终端设备（英文：terminal equipment）、无线通信设备、用户代理或用户装置。终端设备还可以是蜂窝电话、无绳电话、SIP（英文：session initiation protocol，中文：会话启动协议）电话、WLL（英文：wireless local loop，中文：无线本地环路）站、PDA（英文：personaldigital assistant，中文：个人数字助理）、具有无线通信功能的手持设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其它处理设备、车载设备、可穿戴设备，未来5G网络中的终端设备或者未来演进的PLMN（英文：public land mobile network，中文：公用陆地移动通信网络）中的终端设备等，本申请实施例对此并不限定。

参阅图2，图2为通信天线阵列的部分截取示意图，该部分截取示意图包含一对天线单元，如图2所示，该一对天线单元应用于用户设备内（具体的可以为如图1所示的通信系统中的终端内），具体的，一对天线单元可以设置在基板10上，所述一对通信天线单元包括：至少二个天线单元20；所述至少二个天线单元呈正交设置（即二个天线单元的角度可以为90°）；

天线单元包括20：2组叠层贴片201；其中，

每组叠层贴片的辐射边缘2011成函数形状且两层的辐射边缘使用积分正交的基底函数曲线；

每组叠层贴片的非辐射边缘2012使用波纹状函数形状。

在一种可选的方案中，如图2所示，所述两层的辐射边缘使用积分正交的基底函数曲线具体包括：

两层的辐射边缘使用积分正交的低周期数三角函数形状。

在一种可选的方案中，如图2所示，所述每组叠层贴片的非辐射边缘使用波纹状函数形状具体包括：

所述每组叠层贴片的非辐射边缘使用高周期数的三角函数叠加低次函数形成波纹形状边缘。

上述高周期具体可以为比低周期大的三角函数形状，低周期具体可以为预设的较低周期范围，高周期具体可以为预设的较高周期范围。低周期具体可以为预设的1次或2次周期数，高周期具体可以为预设的大于5次周期数。

本申请提供的通信天线阵列包括至少二个天线单元，每个天线单元由2组叠层贴片天线分别实现相互正交的2个极化方向。贴片天线和RFIC之间有一层金属作为AiP模块的全局接地，RFIC的I/O由馈电网络通过一个穿过接地层的金属过孔连接至叠层贴片对天线产生激励；每组叠层贴片有2个金属层，贴片的4个边缘可以分为2组，一组平行的2个边缘为辐射边，另一组平行的2个边缘为非辐射边。本申请将2个辐射边设为周期函数形状，如三角函数族的基底函数；并将位于不同层上的2个辐射边分别置为2个积分正交的低周期数函数形状，在2个非辐射边，使用高周期数的函数形成波纹形状边缘，使电磁波沿贴片的传输产生慢波效应以缩小传输的距离；另外在高周期数函数上又叠加了一个低次函数形成非辐射边缘向内的凹陷，进一步缩小面积，并可以增加2个极化单元间的距离从而提高极化间隔离。本申请的AiP阵列中部分极化与单元间隔离度如图11所示，在没有任何额外双工滤波电路的情况下，频带内相互隔离度都优于-15dB，可以满足极化与单元间的隔离要求；将馈电网络中的传输损耗减到最低水平，保证辐射增益以及分集MIMO所必需的正交性。

在一种可选的方案中，二个天线阵列包括8个天线单元，所述8个天线单元呈二个均匀贴片阵列UPA，每个天线单元相互正交的水平和垂直极化阵列呈直线排列。

在一种可选的方案中，所述UPA包括：2个同一极化阵列，同一极化阵列为菱形阵列。

在一种可选的方案中，在垂直方向上临近的两个天线单元的两个中心设置有偏移量。

在一种可选的方案中，二个天线阵列包括8个天线单元，所述8个天线单元为二个均匀贴片阵列UPA，每个天线单元相互正交的水平和垂直极化阵列呈直线排列且在垂直方向上临近的两个天线单元各自旋转α角度。

在一种可选的方案中，所述α为30°、45°或60°。

实施例一

本申请实施例提供了一种通信天线阵列，本申请实施例中的通信天线阵列包括：8个天线单元20，其排列分布如图3所示，图3中阵列为1x4的UPA，垂直方向的两个天线单元相互正交的水平（H）和垂直（V）极化阵列呈直线排列。阵列方向的单元排列方法是（图3实施例中为水平方向）：选择工作频段中合适的频率所对应的波长。图3中同一组V/H极化单元的水平位置对齐，V/H 2个阵列的单元间距相等，可以观察到V极化单元下侧辐射边缘与H极化单元距离较近，而因本申请的天线单元在非辐射边缘使用了波纹与凹陷结构，在单元间距较小的情况下仍可以获得较好的极化间隔离度。

基本型阵列依据常规阵列的设计形式进行了规则排列，而天线单元与阵列中还有其它结构参数可以加以利用，以提高诸如阵列增益、极化单元间隔离等等性能指标，并优化版图布局增加对整体AiP设计的控制自由度。

图4显示了一种将天线单元按1维菱形分布排列的1x4单元AiP阵列设计，图中虚线框401内的4个单元为同一极化的阵列；另外4个单元构成另一正交极化的阵列。这种排列方式形成了2个极化的1维菱形阵列，菱形阵列与直线阵列都可以得到解析形式的阵列因子结果；相比直线排列，在合适的纵向偏移量下，菱形排列具有更高的阵列增益。因此本发明采用两种极化分离的单元设计与1维菱形阵列形式，将有利于在紧凑的空间内实现较优的阵列性能。此外在临近的H/V极化单元间，还可以引入一个水平位置上的偏移量Xoff，如图4中所示；利用该偏移量可以更好地控制单元间的耦合，以及V/H两个阵列的辐射性能。

实施例二

本申请实施例提供了一种通信天线阵列，本申请实施例中的通信天线阵列包括：8个天线单元20，其排列分布如图5所示，垂直方向的两个天线单元相互正交的水平（H）和垂直（V）极化阵列呈直线排列，将V/H极化单元各自旋转α（以45º为例）后形成的一种阵列形式。该阵列形式中，每种极化的单元仍按直线形式排列，形成V/H两种极化的2个1x4直线阵列；该阵列形式中相邻的V/H单元有2个辐射边缘相邻呈直角，且距离较近；通过控制馈电点和位置偏移，仍可以获得良好的极化间隔离。整体阵列形式可以保证辐射场中2个极化良好的正交特性。虽然使用了各种曲线边缘设计，但该阵列形式单元之间的留空位置仍较为规则，可以容纳其它频段的AiP单元或其它电路，因此该阵列形式有较高效的板图布局，适合多频段AiP的设计要求。

图6的阵列形式中将V/H单元各自旋转45º后采用1维菱形排列，图中虚线框601中4个单元构成同一极化的1个1维菱形阵列，另外4个单元形成极化正交的另一1维菱形阵列。虽然以极化方向为参考坐标，图4所示1维阵列呈现不规则的排列形式，但阵列的方向图主瓣特性仍与规则1维直线或菱形阵列的辐射场特性一致。同样通过控制单元间距馈点位置等几个参数，可以获得良好的极化间隔离与辐射场的极化正交性。该形式的阵列版图布局可以在两组单元间形成更为规则的轮廓，有利于其它天线电路结构的集成。

图7显示了进一步在相邻的正交极化单元间引入一个位置偏移量(这里以水平偏移Xoff为例)的阵列形式，该偏移可以更多地提高极化间隔离与辐射场的极化正交性。该阵列形式中同组极化的阵列单元间距仍保持1维菱形排列的均匀阵元间距。

图8为本申请所示的AiP阵列在37GHz阵列增益示意图，图9为本申请所示的AiP阵列在40GHz阵列增益示意图，图10为本申请所示的AiP阵列在43GHz阵列增益示意图。图8、图9、图10显示了本申请的AiP阵列形式在N259和N260频段的辐射方向图，图中阵列增益结果已计入了馈电网络和基板材料的各种损耗，为最终的可实现增益。参阅图8、图9、图10，可以观察到，虽然因位置偏移量和1维菱形排列等设计的引入，阵列辐射的对称性有所损失；但阵列整体增益仍符合UPA的设计期望，而且在目前5GNR FR2定义的高频段N259和N260两个频段内增益较高，并且都有一致的主瓣增益。

本申请还提供一种用户设备，该用户设备可以包括上述如图2、图3、图4、图5、图6、图7所示的通信天线阵列。

本申请还提供一种芯片封装结构，该芯片封装结构可以包括上述如图2、图3、图4、图5、图6、图7所示的通信天线阵列。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

Claims

1.一种通信天线阵列，其特征在于，所述通信天线阵列应用于用户设备UE，所述通信天线阵列包括：至少二个天线单元；所述至少二个天线单元呈正交设置；

所述天线单元包括：2组叠层贴片；其中，

每组叠层贴片的非辐射边缘使用波纹状函数形状;

每组叠层贴片有2个金属层，贴片的4个边缘可以分为2组，一组平行的2个边缘为辐射边，另一组平行的2个边缘为非辐射边;

两层的辐射边缘使用积分正交的低周期数三角函数形状;

所述每组叠层贴片的非辐射边缘使用高周期数的三角函数叠加低次函数形成波纹形状边缘;

低周期具体为预设的1次或2次周期数，高周期具体为预设的大于5次周期数。

2.根据权利要求1所述的通信天线阵列，其特征在于，所述通信天线阵列包括：二个天线阵列，包括8个天线单元，所述8个天线单元呈二个均匀贴片阵列UPA，每个天线单元相互正交的水平和垂直极化阵列呈直线排列。

3.根据权利要求2所述的通信天线阵列，其特征在于，所述UPA包括：2个同一极化阵列，同一极化阵列为菱形阵列。

4.根据权利要求2或3所述的通信天线阵列，其特征在于，在垂直方向上临近的两个天线单元的两个中心设置有偏移量。

5.根据权利要求1所述的通信天线阵列，其特征在于，所述通信天线阵列包括：二个天线阵列，包括8个天线单元，所述8个天线单元呈二个均匀贴片阵列UPA，每个天线单元相互正交的水平和垂直极化阵列呈直线排列且在垂直方向上临近的两个天线单元各自旋转α角度。

6.根据权利要求5所述的通信天线阵列，其特征在于，所述α为30°、45°或60°。

7.根据权利要求5或6所述的通信天线阵列，其特征在于，在垂直方向上临近的两个天线单元的两个中心设置有偏移量。

8.一种用户设备，其特征在于，所述用户设备包括如权利要求1-7任意一项所述的通信天线阵列。

9.一种芯片封装结构，其特征在于，所述芯片封装结构包括如权利要求1-7任意一项所述的通信天线阵列。