CN112635981B - 天线组件、天线阵列和通信设备 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及一种天线组件、由多个该组件组成的天线阵列和通信设备。该天线组件包括主体部分。该主体部分包括基板以及布置在基板上的天线。该天线组件还包括金属层。该金属层与主体部分相隔预定距离而被布置在主体部分靠近天线的一侧。该金属层具有沿金属层的纵向方向并排分布在金属层上的多个镂空部。其中多个镂空部中的每个镂空部包括沿金属层的横向方向延伸的呈I形的第一开槽以及沿纵向方向分别设置在第一开槽的两侧的第二开槽。以此方式，能够在不改变天线主体原有结构以及不影响天线的馈电方式的情况下，有效地扩展天线的带宽。与此同时，本公开提出的方案能够实现更好的扩展自由度以及较低的生产成本。

Description

天线组件、天线阵列和通信设备

技术领域

本公开的实施例总体上涉及通信元件领域。并且更具体地，涉及一种天线组件、天线阵列和通信设备。

背景技术

在第五代移动通信技术(5G)中，频率分布变得更加宽泛和复杂。例如，在毫米波28GHz范围内，目前全球需要5.25GHz带宽(美国为24.25GHz-28.35GHz，而日本为27.5GHz-29.5GHz)，其约占中心频率的20％。在此前提下，商用5G频谱被聚焦在毫米波波段是必然趋势，这些频谱包括24GHz，28GHz，37GHz，39GHz，47GHz频段。

针对毫米波波段并没有太多的天线类型选择。毫米波天线的典型类型包括贴片天线、波导天线和介质天线等。贴片天线可直接在PCB板上加工。而波导天线和介质天线由于被用作相控阵列并且通过数字波束赋形芯片来控制，则需要集成在PCB上。因此，从这一角度上看，贴片天线是针对毫米波波段而言较好的天线选择。

发明内容

总体上，本公开的实施例涉及一种天线组件和天线阵列。

在本公开的第一方面，提供了一种天线组件。该天线组件包括主体部分。该主体部分包括基板以及布置在基板上的天线。该天线组件还包括金属层。该金属层与主体部分相隔预定距离而被布置在主体部分靠近天线的一侧。该金属层具有沿金属层的纵向方向并排分布在金属层上的多个镂空部。其中多个镂空部中的每个镂空部包括沿金属层的横向方向延伸的呈I形的第一开槽以及沿纵向方向分别设置在第一开槽的两侧的第二开槽。

在一些实施例中，镂空部还包括沿纵向方向分别设置在第一开槽的两侧并且与第一开槽彼此贯通的多个十字形的第三开槽，并且该多个十字形的第三开槽被布置成关于第一开槽彼此对称。

在一些实施例中，第二开槽为矩形或菱形。

在一些实施例中，天线组件还包括天线罩。该天线罩被布置在基板上，以覆盖天线。并且金属层被固定在天线罩朝向所述基板的面上。

在一些实施例中，预定距离与天线的工作波长之比处于0.2至0.4的范围之间。天线罩的厚度对应于该预定距离。

在一些实施例中，天线组件还包括垂直于基板布置的、用于支撑金属层的支架。

在一些实施例中，预定距离与天线的工作波长之比处于0.2至0.4的范围之间，该支架沿垂直于基板的方向的高度对应于预定距离。

在一些实施例中，天线是贴片天线，该天线通过直接馈电或缝隙馈电的方式而被馈电。

在一些实施例中，基板的厚度与天线的工作波长之比处于0.08至0.12的范围之间。。

在一些实施例中，金属层沿纵向方向的长度与天线的工作波长之比为0.7，以及金属层沿横向方向的宽度与天线的工作波长之比为0.5。

在一些实施例中，基板的长度对应于金属层的长度，并且基板的宽度对应于金属层的宽度。

在一些实施例中，基板是印刷电路板。

在本公开的第二方面，提供了一种天线阵列。该天线阵列包括多个第一方面所述的天线组件。

提供发明内容部分是为了简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开内容的关键特征或主要特征，也无意限制本公开内容的范围。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开的实施例的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例而非限制性的方式示出了本公开的若干实施例，其中：

图1示出了根据本公开的一个实施例的天线组件的透视图；

图2示出了根据本公开的另一实施例的天线组件的透视图；

图3A至3B示出了根据本公开实施例的天线组件的性能的仿真图；

图4A至4B示出了根据本公开实施例的天线组件的性能的仿真图；

图5示出了根据本公开的一个实施例的天线组件的金属层的平面图；

图6A至6C示出了根据本公开实施例的金属层的开槽参数的变化对天线组件的性能影响的仿真图；

图7示出了根据本公开实施例的金属层的镂空部的数目对天线组件的性能影响的仿真图；

图8示出了根据本公开的一个实施例的天线组件的透视图；

图9示出了根据本公开实施例的金属层与天线本体之间的预定距离的变化对天线组件的性能影响的仿真图；

图10示出了根据本公开的一个实施例的天线阵列的透视图；以及

图11示出了根据本公开实施例的天线阵列的性能的仿真图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。

如上文所述，商用5G频谱被聚焦在毫米波波段是必然趋势，而针对毫米波波段，贴片天线是针对毫米波波段而言较好的天线选择。然而，具有嵌入式微带线馈电的贴片天线具有2％-5％的带宽。以一个这样的贴片天线难以实现覆盖20％的带宽。

已经提出的解决方案是使用几种不同的天线来覆盖整个带宽。但该方案会造成较高成本。因此，期望将贴片天线的带宽扩展到覆盖整个频段。

如果增加基板厚度并且降低基板的介电常数，则能够提高天线的带宽。然而较厚的基板和较低的介电常数一位高成本。此外，对于微带传输线和微波电路，最好选用介电常数高的薄基板。这一要求与宽带微带天线的概念相矛盾，因为贴片天线与馈电网络和电路集成在同一基板上。

孔径耦合贴片由三层电路组成。顶层为贴片，第二层为带槽接地，最后一层为微带传输线，采用此种技术，单个天线单元和阵列实现了20％以上的带宽。然而，此方案的缺点在于较大的背瓣大，以及由于基板层数较多而带来的高成本。

利用寄生贴片可以产生双调谐谐振，使探头馈电叠加贴片的带宽可以扩展到10％-20％。U型槽贴片是在泡沫基板(空气基板)上具有中空U型槽的矩形贴片天线。在不需要寄生贴片的情况下，U型槽贴片可以达到20-30％的阻抗。

然而，上述两种方案虽然均可获得20％以上的带宽，但必须借助于空气或泡沫基板。然而，由于空气基板的电长度较小，在毫米波的应用中受到限制。例如，28GHz的波长是10.7mm。如果将厚度为h/(λ_0)＝0.07的空气衬底用于具有256个元件(16x16)天线阵列,应该保持两层印刷电路板之间的100mmx100mm的区域中的恒定的0.6毫米空气衬底厚度。从技术上讲，要实现高精度是非常困难的。如果只使用印刷电路板而没有空气基板，可以达到15％的带宽。由此可见，现有的扩展贴片天线带宽的方案均无法达到理想状态。

因此，本公开的实施例提供了一种天线组件，该天线组件包括与天线间隔一定距离布置的具有开槽的金属构件，其能够在不改变天线主体原有结构以及不影响天线的馈电方式的情况下，有效地扩展天线的带宽，同时实现更好的扩展自由度以及较低的生产成本。

在下文中将参考附图结合示例性实施例来详细描述本公开的原理。图1示出了根据本公开的一个实施例的天线组件的透视图。如图1所示，天线组件100包括主体部分110。主体部分110包括基板111以及布置在基板111上的天线112。

在图1示出的天线112是贴片天线。应当理解，天线112也可以是能够用于毫米波波段的任何类型的天线。基板111可以是印刷电路板。天线112例如可以通过键合或粘合等方式而被耦合到基板111上。

在一些实施例中，天线112能够通过直接馈电的方式而被馈电。此外，天线112也可以通过耦合馈电或缝隙馈电等其他馈电方式来馈电。

再次参见图1，天线组件100还包括与主体部分110像个预定距离d而被布置在主体部分110靠近天线111一侧的金属层130。多个镂空部140沿金属层130的纵向方向X而被并排均匀地分布在该金属层130上。

如图1所示，每个镂空部140包括沿着金属层130的横向方向Y延伸的、呈I形的第一开槽141。此外，每个镂空部140还包括沿金属层130的纵向方向X分别设置在第一开槽141的两侧的各一个第二开槽142。图1中示出的第二开槽142为矩形形状。应当理解，第二开槽142还可以被设计成其他适合的形状、例如正方形、菱形等。

通过布置第一开槽141，能够有效地提高天线的带宽和谐振频率，而第二开槽142对天线的带宽和谐振频率并无影响，但能够调节垂直方向的电磁场分布，从而改变天线的垂直波束模式。

除了第一开槽141和第二开槽142之外，在一些实施例中，图1中的金属层还可以包括另外的开槽。图2示出了根据本公开的另一实施例的天线组件的透视图。如图2所示，金属层130还可以包括多个十字形的第三开槽143。该多个十字形的第三开槽143可以沿金属层130的纵向方向X分别设置在第一开槽141的两侧并且与该第一开槽141彼此贯通。此外，该多个十字形的第三开槽143被布置成关于第一开槽141彼此对称。

第三开槽143被配置为用于阻抗匹配，但仅用于微调。通常将第三开槽143的阻抗与第一开槽141相匹配。因为第一开槽141的影响是敏感的，这意味着微小的槽长变化也会引起较大的阻抗变化。因此，在确定了第一开槽141的尺寸的情况下，仍然可以通过改变第三开槽143的长度和宽度来微调阻抗。

总体上，金属层130上的各个开槽的尺寸和数量变化将会对天线的带宽、谐振频率以及磁场分布造成不同程度的影响。这部分将在下文中结合图5至图7被进一步详细分析，故在此暂不阐述。

以此方式，通过在图1和图2中提供的金属层，能够有效地扩展天线的带宽。例如，该金属层能够将天线的带宽扩展至30％以上。与此同时，本公开提出的天线组件无需改变天线主体原有结构并且不受到天线的馈电方式的影响，这是由于该金属层与通常提供馈电的基板112在空间上被间隔开。此外，金属层130的镂空部140是周期性重复设置的，这有利于利用图1和图2中的天线组件100来形成天线阵列。

图3A至3B以及图4A至4B示出了根据本公开实施例的天线组件的性能的仿真图。以下结合图3A至3B以及图4A至4B进一步说明天线组件100的金属层130天线的带宽扩展的结果。

图3A示出了散射参数(S参数)的图表，其中曲线301表示未使用图1和图2中示出的金属层的天线的S参数，而曲线302表示使用了图1和图2中示出的金属层的天线的S参数。能够看出，相较于未使用金属层的天线，使用金属层的天线的带宽从15％被提高至33％(S11小于-10dB)。此外，该金属层的天线的带宽的扩展也能从图3B示出的天线的史密斯图表中的曲线303看出。

此外，该金属层对于贴片天线的波束赋形的影响非常小。图4A和4B为未使用图1和图2中示出的金属层的天线和使用了图1和图2中示出的金属层的天线的垂直平面和水平平面。可以看出天线增益保持不变，并且主波束的变化最小。在图4A示出的水平平面图中，曲线401表示未使用金属层的天线，而曲线402表示使用了金属层的天线。在图4B示出的垂直平面图中，曲线403表示未使用金属层的天线，而曲线403表示使用了金属层的天线。示出的垂直平面中，主波束没有指向中心，而是指向-9°，这是因为馈电点不在贴片天线的中间。但这种不对称的垂直平面是贴片天线中常见的。如果将贴片作为天线阵的单元，这种不对称可以忽略不计。对于天线阵列，主波束再次指向中心。

除了金属层之外，适当的基板的厚度选择也可以有助于天线带宽的扩展。再次参照图1，针对28GHz的天线，基板111例如可以是RO4730G3，ε_r＝2.98。为了扩展天线的带宽，基板111的厚度H例如可以增加到h/(λ_0)＝0.12。λ_0表示天线的工作波长。该基板111的厚度H例如可以是0.78mm。

在下文中，将结合图5至图7被进一步详细分析金属层130上的各个开槽的尺寸和数量变化对天线的带宽、谐振频率以及磁场分布造成的影响。

图5示出了根据本公开的一个实施例的天线组件的金属层的平面图。如上文所述，金属层130中的第一开槽141能够影响天线的带宽和谐振频率。如图5所示，第一开槽141的三个尺寸参数，即第一尺寸参数L3、第二尺寸参数L4以及第三尺寸参数W3决定天线的谐振频率。

图6A示出了第一开槽141的第一尺寸参数L3的变化对天线的谐振频率的影响，而图6B示出了第一开槽的第三尺寸参数W3对天线的带宽的谐影响。在图6A中，当第一开槽141的第一尺寸参数L3从相较于从4.9mm降低到4.6mm，相较于曲线602，曲线601的谐振频率提高200MHz。在图6B中，当第一开槽的第三尺寸参数W3从0.5mm增加到0.75mm，相较于曲线603，曲线604的带宽增加约400MHz。

如上文所述，第二开槽142谐振频率和带宽没有影响，但对垂直方向的磁场分布有影响。换句话说，它改变了天线的垂直波束模式。如上文所述，由于贴片天线的馈电点不在贴片天线中间，垂直波束模式的主波束为-9°(如图4B所示)。如果在贴片天线上放置一个没有第二开槽142的金属板，主波束就会移动到-18°。第二开槽142可以改善磁场分布，使波束图恢复到-9°，就像原始的贴片天线一样。由于第二开槽142不改变匹配阻抗，槽长和槽宽的尺寸变化可以忽略。在此示出的第二开槽的槽宽W4可以是0.5mm。

上文提到第三开槽143仅仅用于阻抗匹配的微调。例如第一开槽的第一尺寸参数L1发生变化，相邻的两个第一开槽会相互影响(相互耦合)。。因此，在确定了第一开槽141的尺寸的情况下，仍然可以通过改变第三开槽143的长度和宽度来微调阻抗。

图6C以史密斯图示出了两种不同尺寸的第三开槽143的尺寸参数L5对于天线阻抗的影响。当第三开槽143的尺寸参数L5从1.5mm增加到1.8mm时，阻抗的变化最小。

如在图1、2和5中示出的，镂空部140能够并排地，以周期形重复的形式沿金属层130的纵向方向X均匀分布在金属板130上。镂空部140的数目能够影响天线阻抗带宽。而镂空部140的数目取决于金属层的尺寸参数。在一些实施例中，金属层沿纵向方向X的长度L2与天线的工作波长之比可以为0.7，以及金属层沿横向方向Y的宽度W2与天线的工作波长之比可以为0.5。对于28GHz天线，金属层沿横向方向Y的宽度W2为5.35mm,金属层沿纵向方向X的长度L2可以为7.5mm。在本公开示出的实施例中，天线上共有4个镂空部140。

图7示出了不同数目的镂空部对于天线带宽的影响。曲线701表示金属层具有一个镂空部时的天线带宽。曲线702表示金属层具有两个镂空部时的天线带宽。曲线703表示金属层具有三个镂空部时的天线带宽。曲线704表示金属层具有四个镂空部时的天线带宽。由图7能够看出，具有四个镂空部的金属层能够带来最大的天线带宽。

除了上文已经提及的结构和参数之外，天线的性能还能够取决于金属层与天线主体或天线之间的预定距离d。在一些实施例中，预定距离d与天线的工作波长之比处于0.2至0.4的范围之间，例如该预定距离处于2mm-3.8mm的范围之间。

金属层可以附着在天线罩的内侧，天线罩内侧与天线主体或天线之间保持预定距离d。由于天线罩的介电常数与空气的介电常数存在差异，预定距离d需根据实际情况进行调整。图8示出了根据本公开的一个实施例的天线组件的透视图。与图2中的实施例相比，图8中的天线组件100还包括天线罩120。该天线罩120可以通过四周的支撑被布置在基板111上，以覆盖天线112。金属层130例如能够被固定在天线罩120朝向基板111的面上。

此外，尽管图中未示出，在一些实施例中，金属层与天线主体或天线之间的预定距离d例如可以通过支架来实现。该支架可以被布置成垂直于基板，以用于支撑金属层。该支架沿垂直于基板的方向的高度可以对应于预定距离d。

图9示出了根据本公开实施例的金属层与天线本体之间的预定距离的变化对天线组件的性能影响的仿真图。在图9中，点1所在的曲线表示金属层与天线本体之间的预定距离为3mm,点2所在的曲线表示金属层与天线本体之间的预定距离为3.6mm，而点3所在的曲线表示金属层与天线本体之间的预定距离为3.8mm。

此外，天线的尺寸可以取决于天线的工作波长。例如，天线的边长可以是0.25倍的工作波长。此外，在一些实施例中，基板的长度对应于金属层的长度，并且基板的宽度对应于金属层的宽度。

在另一方面，本公开的实施例还提供了一种由上述天线组件组成的天线阵列。图10示出了根据本公开的一个实施例的天线阵列的透视图。如图10所示，天线阵列200例如可以包括4*4的天线组件，即4*4的天线主体110以及4*4的金属层130。应当理解，天线主体与金属层的数目一一对应。

5G应用要求天线(即8x8阵列，图中未示出)的主波束应当在水平面±60°之间灵活切换。图11示出了根据本公开实施例的天线阵列的性能的仿真图。从图11可以看出，针对最大-30°(点1)、最大-60°(点2)以及最大0°的角度，上述要求均能被满足。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所公开的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其他普通技术人员能理解本文公开的各实施例。

Claims (14)

1.一种天线组件(100)，包括：

主体部分(110)，所述主体部分(110)包括基板(111)以及布置在所述基板(111)上的天线(112)；以及

金属层(130)，与所述主体部分(110)相隔预定距离(d)而被布置在所述主体部分(110)靠近所述天线(112)的一侧，所述金属层(130)具有沿所述金属层(130)的纵向方向(X)并排分布在所述金属层(130)上的多个镂空部(140)，其中所述预定距离(d)与所述天线(112)的工作波长之比处于0.2至0.4的范围之间，

其中所述多个镂空部(140)中的每个镂空部(140)包括沿所述金属层(130)的横向方向(Y)延伸的呈I形的第一开槽(141)以及沿所述纵向方向(X)分别设置在所述第一开槽(141)的两侧的第二开槽(142)。

2.根据权利要求1所述的天线组件(100)，其中所述镂空部(140)还包括沿所述纵向方向(X)分别设置在所述第一开槽(141)的两侧并且与所述第一开槽(141)彼此贯通的多个十字形的第三开槽(143)，并且所述多个十字形的第三开槽(143)被布置成关于所述第一开槽(141)彼此对称。

3.根据权利要求1所述的天线组件(100)，其中所述第二开槽(142)为矩形或菱形。

4.根据权利要求1所述的天线组件(100)，还包括天线罩(120)，所述天线罩(120)与所述主体部分(110)相隔所述预定距离(d)而被布置在基板(111)上方，以覆盖所述天线(112)，并且所述金属层(130)被固定在所述天线罩(120)朝向所述基板(111)的面上。

5.根据权利要求4所述的天线组件(100)，所述天线罩(120)的厚度对应于所述预定距离(d)。

6.根据权利要求1所述的天线组件(100)，还包括垂直于所述基板(111)布置的、用于支撑所述金属层(130)的支架。

7.根据权利要求6所述的天线组件(100)，其中所述距离(d)与所述天线(112)的工作波长之比处于0.2至0.4的范围之间，所述支架沿垂直于所述基板(111)的方向的高度对应于所述预定距离(d)。

8.根据权利要求1所述的天线组件(100)，其中所述天线(112)是贴片天线，所述天线(112)通过直接馈电、耦合馈电或缝隙馈电的方式而被馈电。

9.根据权利要求1所述的天线组件(100)，其中所述基板(111)的厚度(H)与所述天线(112)的工作波长之比处于0.08至0.12的范围之间。

10.根据权利要求1所述的天线组件(100)，其中所述金属层(130)沿所述纵向方向(X)的长度(L2)与所述天线(112)的工作波长之比为0.7，以及所述金属层(130)沿所述横向方向(Y)的宽度(W2)与所述天线(112)的工作波长之比为0.5。

11.根据权利要求9所述的天线组件(100)，其中所述基板(111)的长度(L1)对应于所述金属层(130)的长度(L2)，并且所述基板(111)的宽度(W1)对应于所述金属层(130)的宽度(W2)。

12.根据权利要求1所述的天线组件(100)，其中所述基板(111)是印刷电路板。

13.一种天线阵列(200)，包括多个根据权利要求1-12中任一项所述的天线组件(100)。

14.一种通信设备，包括根据权利要求1-12中任一项所述的天线组件(100)。