CN113571882B - 一种通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通信设备。所述通信设备包括外壳和电路，所述外壳包括前介电质盖、后介电质盖和金属框架，所述金属框架周向设置在所述前介电质盖和所述后介电质盖之间，其中所述金属框架构成第一天线，用于在第一频带上进行辐射。所述通信设备还包括设置在所述外壳内的第二天线，所述第二天线包括一个或多个辐射单元，用于在第二频带上进行辐射，其中所述第一频带不同于所述第二频带。

Description

一种通信设备
技术领域
本发明涉及一种用于无线通信的通信设备。
背景技术
手机等通信设备需要支持越来越多的不同无线技术。这些无线技术可以包括蜂窝无线技术，例如2G/3G/4G无线技术，以及非蜂窝无线技术。通常，每种无线技术都需要专用的天线发射和接收无线信号。由于通信设备的空间限制等原因，为每种无线技术设计单独的天线给通信设备的设计带来了极大的挑战。此外，将许多天线设置在一起会导致严重的天线耦合问题。
在未来的5G无线技术中，使用的频率范围将从6GHz以下扩大到60GHz，这两者分别也称为sub-6GHz和毫米波(millimetre Wave，简称mmWave)。因此，将需要更多的天线来支持所有所需的频带。对于mmWave频率，无线应用需要使用包含多个天线单元的阵列。天线阵列与无线射频集成电路(radio frequency integrated circuit，简称RFIC)和基带(baseband，简称BB)处理器一起集成到模块中，以形成mmWave天线。传统设计需要单独的mmWave天线，其需要在通信设备中实现。因此，传统的sub-6GHz天线和mmWave天线在通信设备中各自占据自己的空间，并且需要在通信设备中共址。这带来了与通信设备内空间利用相关的挑战，以及两种天线之间的电磁兼容性问题。此外，通常而言，mmWave天线还与往往覆盖传统通信设备的金属背面不兼容。
因此，5G等新无线技术的引入将给未来通信设备的天线设计带来挑战。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种缓和或解决传统解决方案的缺点和问题的解决方案。
独立权利要求的主旨是解决上述目的和其他目的。本发明的其他有利的实施方式可以在从属权利要求中找到。
根据本发明的第一方面，上述和其他目的通过用于无线通信的通信设备来实现。所述通信设备包括：
外壳，包括前介电质盖、后介电质盖和金属框架，所述金属框架周向设置在所述前介电质盖和所述后介电质盖之间，其中所述金属框架构成第一天线，用于在第一组频带上进行辐射；
电路，设置在所述外壳内，所述电路与所述金属框架电气绝缘并且包括至少一个第一馈线，所述第一馈线耦合至所述金属框架且用于：向所述第一天线馈送所述第一组频带上的第一组射频信号；
第二天线，设置在所述外壳内，所述第二天线包括一个或多个辐射单元，用于通过所述金属框架的至少一个孔径在第二组频带上进行辐射，其中所述第一组频带的至少一个频带与所述第二组频带的至少一个频带不重叠。
因此可以理解的是，本通信设备包括一个或多个孔径，所述第二天线的辐射单元通过这些孔径进行辐射。在一示例中，孔径可以在所述金属框架中形成通孔或槽。所述通孔或槽可以填充有具有合适的阻抗匹配特性的介电材料。所述通孔或槽可以具有许多不同的形状，比如十字形、长方形、正方形、圆形等。
本发明中的一组频带应理解为包含一个或多个频带。此外，频带与另一频带不重叠的含义应理解为两个频带没有任何共同的频率。
相比传统解决方案，根据第一方面所述的通信设备具有若干优点。一个优点是，所述通信设备中的所述第一天线和所述第二天线的设计使得能够有效利用所述通信设备的有限空间。
根据第一方面所述的通信设备还可避免当两个单独的天线彼此靠近放置时出现的天线耦合问题。
此外，在是手持设备的情况下，可以通过所述金属框架的设置最大化所述第一天线在自由空间及在头边和手边位置的性能。由于所述金属框架构成了所述第一天线，因此所述第一天线可以利用全部顶面顶角和/或底面底角以最佳地耦合至机箱模式，从而为最佳辐射创造最佳环境。
此外，通过在所述第一天线体积内设置所述第二天线的辐射单元可最大化所述第二天线的增益和波束扫描覆盖范围。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述第二天线的一个或多个辐射单元设置在所述电路的旁边。
这种实现形式的优点是，最大程度地缩短了馈线长度，因此最大程度地提高了所述第二天线的效率。此外，它还允许所述第二天线和相应的电路形成单片集成天线模块，从而最大化批量生产产量。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述第二天线的一个或多个辐射单元设置在所述电路的单板上。
这种实现形式的优点是，设计紧凑节省空间。因此，可以通过将所述第二天线设置为单板内的集成模块等方法增加手机屏占比。这种实现形式的另一个优点是，所述辐射单元可以与所述通信设备的其余零组件分开，作为独立模块连接至所述电路。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述通信设备包括设置在所述外壳内的第一介电质，其中所述第一介电质用于实现所述第二天线的一个或多个辐射单元与所述孔径之间的电磁耦合。
这种实现形式的优点是，所述通信设备的介电质部件和所述通信设备的导电部件用于支持从天线单元朝自由空间的行波传播。能量流的方向通常沿着所述通信设备的表面。因此，所述第二天线的辐射图走向通常沿着所述通信设备的表面。由此，所述第二天线将具有扩大的波束成形和波束扫描空间覆盖，从而在所有空间方向上提供高平均增益。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述第一介电质与所述第二天线的一个或多个辐射单元阻抗匹配。
这种实现形式的优点是，可以最小化电磁波的反射，从而可以通过增强所述第二天线的辐射单元的带宽来实现所述第二天线的高效多频带操作。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述第一介电质设置在所述第二天线的一个或多个辐射单元与所述孔径之间。
由此，增加了朝向所述金属框架平面的辐射特性。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述第二天线的一个或多个辐射单元与所述金属框架在所述孔径处电流接触。
这种实现形式的优点是，改善了所述第二天线的效率和频率带宽，因为所述金属框架的表面被用作所述第二天线辐射孔径的一部分，因此增加了所述第二天线的有效尺寸。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述第二天线的一个或多个辐射单元至少部分集成在所述金属框架内，以形成所述第一天线的辐射结构的一部分。
这种实现形式的优点是，最大化了所述第二天线的增益和波束扫描覆盖范围，因为将所述第二天线的辐射单元布置在所述通信设备的所述金属框架内，这意味着与所述外壳外部的自由空间距离最小，改进了所述第二天线的全向覆盖。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述电路包括连接至所述第二天线的射频集成电路(radio frequency integrated circuit，简称RFIC)的第二馈线，用于为RFIC提供数据、电能和控制信号。
这种实现形式的优点是，所述第二天线可以配置为单片集成模块，通过所述第二馈线连接至所述电路。因此，可以标准化所述第二天线模块，这样便可以节约成本地进行批量生产。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述第二馈线包括连接至所述金属框架的屏蔽套，其中所述屏蔽套用于将所述第一天线接地到所述电路的接地线。
这种实现形式的优点是，提供了将所述第一天线接地的简单且节省空间的解决方案。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述通信设备包括第一介电质，所述第一介电质设置在所述外壳内并且在所述外壳内相对于所述第二天线的位置向内延伸。
这种实现形式的优点是，所述第二天线利用所述外壳内的体积借助位于其中的所述第一介电质实现阻抗匹配。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述第一介电质用于提供所述第二天线的一个或多个辐射单元分别与所述前介电质盖和所述后介电质盖的电磁耦合。
这种实现形式的优点是，所述第二天线可以在所有空间方向上提供二维扫描波束成形、端射(沿所述通信设备)、屏幕侧边射(垂直于所述通信设备的屏幕)和后侧边射。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述孔径填充有第二介电质。
这种实现形式的优点是，所述通信设备是密封的，不受水、灰尘、机械应力等环境因素的影响。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述孔径包括排成一行的多个槽。
这种实现形式的优点是，所述槽将所述第二天线的辐射单元耦合至所述外壳外部的自由空间，从而提供阻抗匹配和改进的波束成形特性。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述多个槽包括交替排成行的第一类型槽和第二类型槽，其中所述第一类型槽用于第一极化，所述第二类型槽用于与所述第一极化正交的第二极化。
这种实现形式的优点是，所述第二天线可以利用极化分集。利用极化分集能够在所述通信设备的各个方向上实现MIMO性能和/或稳定链路通信。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述第二天线的一个或多个辐射单元包括：
第一辐射单元阵列，用于基本上在平行于所述前介电质盖的表面和所述后介电质盖的表面中的至少一个的第一方向上进行辐射；及
第二辐射单元阵列，用于基本上在垂直于所述第一方向的第二方向上进行辐射。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述第一辐射单元阵列是端射辐射单元，所述第二辐射单元阵列是边射辐射单元。
这种实现形式的优点是，能够在完全立体角内的所有方向上取得恒定的波束扫描阵列增益覆盖。因此，无论通信设备方向和用户场景如何(例如，用户将电话保持在“通话位置”、“文字输入位置”、“视频位置”等)，都能够维持与其他通信设备的无线通信。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述前介电质盖的表面与所述后介电质盖的表面基本上平行。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述金属框架的表面至少与所述前介电质盖的表面和所述后介电质盖的表面中的其中一个表面基本上垂直。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述电路设置于伸入所述外壳内且与所述第一方向平行的单板上。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述第一组频带的所有频带与所述第二组频带的所有频带不重叠。
在根据第一方面所述的通信设备的一种实现形式中，所述第一组频带的每个频带在400MHz至10GHz的区间范围内，所述第二组频带的每个频带在10GHz至100GHz的区间范围内。这种实现形式的优点是，例如，所述通信设备支持：
多频带MIMO 4x4 sub-6GHz通信系统，比如：2G、3G、4G LTE、WiFi 802.11a/b/g/n/ac；及
mmWave通信系统，比如：5G频带(24.25GHz–43GHz)、802.11ad WiGig(57GHz–66GHz)。
本发明其他应用和优点将会在下面详细说明中清楚描述。
附图说明
附图意在阐明和阐释本发明的各项实施例，其中：
图1a示出了根据本发明实施例的通信设备的截面；
图1b示出了根据本发明实施例的通信设备的截面；
图2示出了根据本发明实施例的通信设备的横截面；
图3示出了根据本发明实施例的第二天线；
图4示出了根据本发明实施例的通信设备的横截面；
图5示出了根据本发明实施例的通信设备的截面；
图6示出了根据本发明实施例的通信设备的横截面；
图7示出了根据本发明实施例的第二天线；
图8示出了根据本发明实施例的第二天线的截面；及
图9示出了根据本发明实施例的至少一个孔径的槽。
具体实施方式
图1a和图1b示出了根据本发明不同实施例的通信设备100的截面。所述通信设备100包括外壳102，外壳102包括前介电质盖131、后介电质盖132及周向设置在所述前介电质盖131和所述后介电质盖132之间的金属框架110。所述金属框架110可以构成所述前介电质盖131和所述后介电质盖132之间的机械支撑结构。在一优选实施例中，所述金属框架是连续的，例如，完全包围所述外壳102内设置的组件。在另一个实施例中，所述金属框架110在环绕所述外壳102内设置的组件的方向上可以是不连续的，例如，之间具有非金属区域(电介电质区域)。
所述金属框架110进一步构成了第一天线，用于在第一组频带FB1上进行辐射。所述通信设备100还包括电路170，所述电路170设置在所述外壳102内。所述电路170与所述金属框架110电气绝缘并且包括至少一个第一馈线191和192，所述第一馈线耦合至所述金属框架110且用于：向所述第一天线馈送所述第一组频带FB1上的第一组射频信号。因此，所述金属框架110用于发射所述第一组频带FB1的射频信号。
此外，所述通信设备100还包括设置在所述外壳102内的第二天线150。所述第二天线150包括一个或多个辐射单元330和340(如图3和图7所示)，用于通过所述金属框架110的至少一个孔径120在第二组频带FB2上进行辐射。所述第一组频带FB1的至少一个频带与所述第二组频带FB2的至少一个频带不重叠。
在根据本发明的所述通信设备100的实施例中，所述第一组频带FB1的所有频带与所述第二组频带FB2的所有频带不重叠。因此，所述第一天线与所述第二天线150没有共同的频带，将在不同的频带上进行辐射。在一个这样的实施例中，所述第一组频带FB1的每个频带在400MHz至10GHz的区间范围内，所述第二组频带FB2的每个频带在10GHz至100GHz的区间范围内。因此，所述第一天线可以支持LTE等第一种无线技术，而所述第二天线150可以支持5G新无线(new radio，简称NR)技术等另一种无线技术。另外，也可以支持无线通信技术的其他组合。
所述第二天线150可以与所述金属框架110分开设置在所述外壳102内部，也可以与所述金属框架110部分集成设置在所述外壳102内部，分别如图1a和1b中的两个不同实施例所示。在图1a所示的实施例中，所述第二天线150与所述金属框架110电分离，设置在所述电路170的旁边。在此实施例中，使用介电质结构实现所述第二天线150与所述金属框架110的所述孔径120的电磁耦合。在图1b所示的实施例中，所述第二天线150与所述金属框架110部分或完全集成设置在其旁边。在此实施例中，使用导电结构实现所述第二天线150与所述金属框架110的所述孔径120的电磁耦合。
图1a和图1b示出了所述通信设备100的不同部件/组件的相对位置。在图1a和图1b所示的实施例中，所述前介电质盖131的表面和所述后介电质盖132的表面均沿第一方向D1延伸。因此，所述前介电质盖131的表面与所述后介电质盖132的表面基本上平行。所述金属框架110的(主)表面沿第二方向D2延伸，所述第二方向D2垂直于所述第一方向D1。因此，所述金属框架110的表面至少与所述前介电质盖131的表面和所述后介电质盖132的表面中的其中一个表面基本上垂直。因此，在一种情况下所述前介电质盖131、所述后介电质盖132和所述金属框架110可以形成近似矩形的盒子，其中所述前介电质盖131和所述后介电质盖132分别构成所述矩形盒子的顶部和底部，所述金属框架110构成所述矩形盒子的侧面(例如，所述外壳102的支撑侧壁)。
所述电路170可以设置在PCB板230上(如图5所示)，所述PCB板230在所述外壳102内延伸，并且至少与所述前介电质盖131的表面和所述后介电质盖132的表面中的其中一个表面平行，即沿所述第一方向D1延伸。在另一实施例中，所述通信设备100的部件之间的相对位置可能与图1a和图1b所示的相对位置不同，而不偏离本发明的范围。
可以通过使用一个或多个连接点191和192提供所述第一天线的馈电、接地和阻抗负载，所述连接点设置在所述电路170和所述金属框架110之间。所述金属框架110用作所述第一天线的发射极，而所述电路170用作或为所述第一天线提供接地线。所述第一天线可以支持在多个蜂窝频带，例如，698MHz至5800MHz，上操作的NxN(其中N是正整数)多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，简称MIMO)传输。此类MIMO天线可以在重叠频带上操作，从而在LTE和LTE Advanced技术中支持载波聚合。在实施例中，所述第一天线可以包括单极天线、缝隙天线、倒F天线、多馈电天线、T型天线、具有电容性或具有感应馈电的天线、具有电容性或具有感应阻抗负载的天线、具有可调阻抗负载的天线以及其各种衍生物。所述第一天线还可以用于在多个蜂窝频带上有效地辐射电磁能量，例如从698MHz到5800MHz。所述第一天线还可以配置为在所述频带内具有优于10dB的相互隔离，及小于0.2的包络相关系数(envelope correlation coefficient，简称ECC)。
图2示出了所述通信设备100的一实施例，其中介电质结构用于提供所述第二天线150与所述金属框架110的至少一个孔径120的电磁耦合。在图2中，所述通信设备100还包括设置在所述外壳102内的第一介电质160，其用于将所述第二天线150与所述金属框架110分开。所述第一介电质160用于将所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340电磁耦合至所述金属框架110的所述孔径120。因此，所述第一介电质160设置在所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340与所述孔径120之间，如图2所示。此外，所述第一介电质160可以与所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340阻抗匹配。从而，提供从所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340通过所述第一介电质160传播的电磁能量的空间阻抗匹配。
所述第一介电质160可以是聚酰胺–玻璃纤维(glass fiber，简称GF)、聚碳酸酯(polycarbonate，简称PC)-GF、聚碳酸酯(polycarbonate，简称PC)-ABS树脂(acrylonitrile butadiene styrene，简称ABS)、聚对苯二甲酸丁二酯(polybutyleneterephthalate，简称PBT)-GF或类似材料的组合物。可以采用通常基于GF增强组合物的纳米成型技术来形成所述第一介电质160。所述第一介电质160也可以是基于树脂材料的注塑件，所述树脂材料可以是聚苯醚(Polyphenylene ether，简称PPE)、PC、聚丙烯(Polypropylene，简称PP)、聚乙烯(Polyethylene，简称PE)和聚苯硫醚(Polyphenylenesulphide，简称PPS)。
图2中所示的所述通信设备100的其他部件的属性用于最大化所述第二天线150的性能，这些部件包括前介电质盖131、后介电质盖132、所述后介电质盖132下面的介电质充填物140以及屏幕180。
在图2所示的实施例中，所述第二天线150基本上垂直于所述金属框架110且基本上平行于所述屏幕180放置。所述孔径120位于所述金属框架110内且基本上位于所述第二天线150的前方。由此，所述孔径120将所述第二天线150与所述外壳102外部的自由空间相耦合，从而在电磁能量从所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340向所述通信设备100的表面传播时提供电磁能量的阻抗匹配。为了在所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340与所述孔径120之间提供良好的电磁耦合，所述第二天线150和所述孔径120应水平对齐。但是，由于所述通信设备100的设计考虑，这并不总是可行的。
在一些实施例中，所述孔径120填充有第二介电质122(如图4所示)。所述第二介电质122可以由与所述第一介电质160的材料相同的介电材料构成，也可以由不同的介电材料构成。例如，可以使用的介电材料包括聚酰胺–玻璃纤维(glass fiber，简称GF)、聚碳酸酯(polycarbonate，简称PC)-GF、聚碳酸酯(polycarbonate，简称PC)-ABS树脂(acrylonitrile butadiene styrene，简称ABS)、聚对苯二甲酸丁二酯(polybutyleneterephthalate，简称PBT)-GF或类似材料的组合物。可以采用通常基于GF增强组合物的纳米成型技术来形成所述第二介电质122。这意味着所述第二介电质122对所述金属框架具有高粘附性、高刚度机械性能以及低耗散能量损失。所述第二介电质122也可以是基于树脂材料的注塑件，所述树脂材料可以是聚苯醚(Polyphenylene ether，简称PPE)、PC、聚丙烯(Polypropylene，简称PP)、聚乙烯(Polyethylene，简称PE)和聚苯硫醚(Polyphenylenesulphide，简称PPS)。
图3示出了所述第二天线150的一实施例。在此实施例中，所述第二天线150基于单片集成的模块310，所述模块310包含多个导电层320。导电层320上和导电层之间的导电图形构成辐射单元330和340的子阵列、这些辐射单元的馈线以及信号电路与相关组件的组装连接焊片。为了清楚起见，馈线和信号电路组件没有在图3中显示。如图3所示，所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340可以包括第一辐射单元阵列330和第二辐射单元阵列340。所述第一辐射单元阵列330可以用于基本上在所述第一方向D1上进行辐射，如图1a和1b所示。所述第一方向D1至少与所述前介电质盖131的表面和所述后介电质盖132的表面中的其中一个表面平行。此外，所述第二辐射单元阵列340可以用于基本上在所述第二方向D2上进行辐射，如图1a和1b所示，所述第二方向D2垂直于所述第一方向D1。因此，所述第二方向D2至少与所述前介电质盖131的表面和所述后介电质盖132的表面中的其中一个表面垂直。
在一些实施例中，所述第一辐射单元阵列330是端射辐射单元330，例如波导天线、缝隙天线、单极天线、倒F天线以及其各种衍生物。使用信号馈线通孔331提供端射辐射单元330的馈电，使用多条接地线332配置接地。所述第二辐射单元阵列340是边射辐射单元340，例如单极化或双极化偶极天线单元、层叠片天线或其各种衍生物。使用信号馈线通孔341提供边射辐射单元340的馈电。馈线通孔是到天线单元的连接点，其中馈线通孔用于匹配天线阻抗。
所述辐射单元330和340可以单片集成在所述第二天线150内，且所述第二天线150内的辐射单元330和340的数量取决于具体实施。任何特定数量的端射辐射单元330或边射辐射单元340以及其各自的配置拓扑都在本发明的范围内。可以使用印制板电路(PrintedCircuit Board，简称PCB)、低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramics，简称LTCC)或利用任何介电材料的任何其他单片多层技术来制造所述第二天线150。另外，也可以使用PCB、LTCC或利用适当材料的任何其他单片多层技术来制造所述电路170。
图4示出了根据一实施例的所述通信设备100的所述第二天线150的设计。在图4中，所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340设置在所述电路170的旁边。在一些实施例中，所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340设置在所述电路170和所述第二天线150共用的单板上，例如PCB板。在其他实施例中，所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340可以设置在单片集成的基板上，或者使用蚀刻有导电部件的模制塑料制造。图4还示出了根据一实施例的所述第二天线150相对于所述金属框架110的所述孔径120和所述第一介电质160的位置。所述第一介电质160位于所述金属框架110和所述电路170之间，提供了有效操作所述第一天线所需的间隙。在一些实施例中，所述第一介电质160的宽度可以在1–5mm的范围内变化。
所述通信设备100包括介电部件和导电部件，用于形成所述第二天线150到所述金属框架110的所述孔径120的电磁耦合。所述通信设备100的介电部件包括所述前介电质盖131(例如前玻璃)、所述后介电质盖132(例如后玻璃)、所述第一介电质160(例如嵌入成型部件)、介电质充填物140(例如塑料隔板)以及陶瓷夹杂物与相关介电部件等。所述通信设备100的导电部件包括所述电路170、所述屏幕180、金属框架110以及PCB、屏蔽结构和机械金属结构及相关导电部件等。所述通信设备100的介电部件及所述通信设备100的导电部件用于支持从天线单元向自由空间的行波传播。由此，可以最小化结构不连续处的电磁波反射，从而提供更佳的辐射特性。能量流的方向通常沿着所述通信设备100的表面，也就是通常沿着所述前介电质盖131的表面和/或所述后介电质盖132的表面。因此，所述第二天线150的辐射图走向通常沿着所述通信设备100的表面。
在一些实施例中，所述第二天线150的辐射单元330和340配置为具有行波v1相速的行波天线。
所述行波天线可以是慢波结构，也可以是快波结构。
当使用行波天线的慢波结构时，第二天线150的波束成形用于沿着所述通信设备100进行辐射，有时称作端射方向。由此，所述金属框架结构110、所述通信设备100的介电部件及所述通信设备100的导电部件构成了慢波结构，此结构具有等于或小于自由空间中光速的行波相速，即：
Figure BDA0003138489040000081
c＝300,000km/sec.在所述通信设备100的介电部件及所述通信设备100的导电部件的外表面执行向自由空间的辐射，也就是在所述部件的不连续处、弯曲处和不均匀处。因此，图4中所示结构的几何参数界定了频带和波束成形特性。
当使用行波天线的快波结构时，第二天线150的波束成形用于与所述前介电质盖131的表面和/或所述后介电质盖132的表面成一定角度，或者大体上垂直于所述前介电质盖131的表面和/或所述后介电质盖132的表面进行辐射，有时称作边射方向。由此，所述金属框架结构110、所述通信设备100的介电部件及所述通信设备100的导电部件构成了快波结构，此结构具有大于自由空间中光速的行波相速，即：
Figure BDA0003138489040000082
所述金属框架结构110、所述通信设备100的介电部件及所述通信设备100的导电部件按如下方式配置：所述第二天线150可沿着所述金属框架110中所述孔径120的表面、所述前介电质盖131的表面或所述后介电质盖132的表面，以每单位长度的小增量向自由空间中辐射电磁波。当电磁波沿着所述通信设备100结构从基于PCB的耦合元件向自由空间传播时，会在整个介电质填充的孔径120内泄漏电磁能量。与法线方向所成的波束辐射角度θ1定义为
Figure BDA0003138489040000091
指示出现主瓣最大值的角度。因此，所述金属框架结构110、所述通信设备100的介电部件及所述通信设备100的导电部件的介电特性界定了频带和波束成形特性。
图5示出了所述通信设备100的一实施例，其中，导电结构用于实现所述第二天线150与所述金属框架110的电磁耦合。在图5中，所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340与所述金属框架110在所述孔径120处电流接触。如图5所示，所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340可以至少部分集成在所述金属框架110内，以形成所述第一天线的辐射结构的一部分。图5还示出了PCB板230。所述PCB板230和所述金属框架110之间的间隙用于在所述第一组频带FB1上进行辐射。第二馈线241、242和243将所述PCB板230上的所述电路170与所述金属框架110相连接。
图6示出了根据一实施例的所述第二天线150在所述金属框架110内的位置，其中，所述第二天线150与所述金属框架110电流接触。所述金属框架110的所述孔径120可以填充有第二介电质122。所述第二介电质122可以由与所述第一介电质160的材料相同的介电材料构成，也可以由前文所述的不同介电材料构成。所述第二介电质122可以采用嵌入成型或任何适当的其他技术制成。
所述第二天线150可以固定在所述孔径120附近。在图6所示的实施例中，所述第二天线150基本上平行于所述金属框架110的表面，且基本上垂直于所述屏幕180。无线射频集成电路(radio frequency integrated circuit，简称RFIC)240固定到所述第二天线150上，与所述孔径120的相对。在一些实施例中，所述第二天线150利用所述RFIC 240的覆晶接合、打线接合、球栅阵列(ball grid array，简称BGA)封装或相关技术。
根据实施例，所述电路170可以包括第二馈线241。所述第二馈线241可以连接至所述第二天线150的所述RFIC 240，用于为所述RFIC 240提供数据、电量和控制信号。此外，所述第二馈线241还可以包括连接至所述金属框架110的屏蔽套，其中所述屏蔽套用于将所述第一天线接地到所述电路170的接地线。因此，所述第二馈线241用作所述第一天线的接地，以及所述第二天线150的信号源。此实施例提供了所述第一天线和所述第二天线150所需的最小体积。在所有频带上可有效地重用天线体积进行辐射，包括所述第二组频带FB2。
在一些实施例中，所述金属框架110加所述第二天线150的厚度低于1.5mm，所述第二天线150的厚度低于1mm。
根据图6所示实施例的所述通信设备100包括第一介电质160，所述第一介电质160设置在所述外壳102内并且在所述外壳102内相对于所述第二天线150的位置向内延伸。所述第一介电质160用于将所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340分别电磁耦合至所述前介电质盖131和所述后介电质盖132。在实施例中，所述第一介电质160分别设置在所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340与所述前介电质盖131和所述后介电质盖132之间。所述第一介电质160可以完全或部分填充所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340与所述前介电质盖131和所述后介电质盖132之间的空间(由于组装时的考虑)。
图7示出了所述第二天线150的一实施例。在此实施例中，所述第二天线150基于单片集成的模块310，所述模块310包含多个导电层320。所述导电层320上和导电层之间的导电图形用于构成辐射单元330和340的子阵列、这些辐射单元的馈线以及信号电路与相关组件的组装连接焊片。为了清楚起见，馈线和信号电路组件没有在图7中显示。所述第二天线150的所述RFIC 240向所述第二天线150的辐射单元330和340子阵列进行馈电，这些辐射单元用于通过所述孔径120激发电磁场。因此，通过所述金属框架110的所述孔径120执行向自由空间的电磁辐射。在所述金属框架110和所述第二天线150之间于表面311处提供电流接触，这确保了所述第二组频带FB2上操作的电磁耦合。如图7所示，所述第二天线150的一个或多个辐射单元330和340可以包括第一辐射单元阵列330和第二辐射单元阵列340。所述第一辐射单元阵列330可以用于基本上在所述第一方向D1上进行辐射，如图1a和1b所示。所述第一方向D1至少与所述前介电质盖131的表面和所述后介电质盖132的表面中的其中一个表面平行。此外，所述第二辐射单元阵列340可以用于基本上在所述第二方向D2上进行辐射，如图1a和1b所示，所述第二方向D2垂直于所述第一方向D1。因此，所述第二方向D2至少与所述前介电质盖131的表面和所述后介电质盖132的表面中的其中一个表面垂直。
图8示出了所述第二天线150的横截面。在图8所示的实施例中，所述第一辐射单元阵列330是端射辐射单元330，例如波导天线、缝隙天线、单极天线、倒F天线以及其各种衍生物。端射辐射单元330利用接触表面311实现与所述金属框架110的所述孔径120的电磁耦合。在这种情况下，波束成形沿着所述通信设备100基本上在端射方向上。所述第二辐射单元阵列340是边射辐射单元340，例如单极化或双极化偶极天线单元、缝隙天线、波导天线以及其各种衍生物。边射辐射单元340在所述金属框架110和相邻金属部件上激发电流，相邻金属部件包括屏幕、内部导电结构和相关组件的表面等。在这种情况下，所述电路170的PCB与所述金属框架110之间的空气间隙构成所述通信设备100的波束成形结构的一部分。
所述辐射单元330和340可以单片集成在所述第二天线150内，且所述第二天线150内的辐射单元330和340的数量取决于具体实施。任何特定数量的端射辐射单元330或边射辐射单元340以及其各自的配置拓扑都在本发明的范围内。
图9示出了所述通信设备100的一实施例，其中至少一个孔径120包括多个排列成行的槽。在图9所示的实施例中，所述多个槽包括交替排成行的第一类型槽和第二类型槽。所述第一类型槽用于第一极化，所述第二类型槽用于与所述第一极化正交的第二极化。这意味着所述第一极化的信号只能通过第一类型的槽辐射。同样，所述第二极化的信号只能通过第二类型的槽辐射。
当所述第二天线150的所述端射辐射单元330设置为使用两种不同的极化进行辐射时，可以使用图9所示的实施例，其中两种不同的极化分别是垂直(vertical，简称V)极化和水平(horizontal，简称H)极化。用于在垂直极化上进行辐射的所述第二天线150的端射辐射单元330与用于在水平极化上进行辐射的所述第二天线150的端射辐射单元330交替排列。因此，所述孔径120应包括不同形状的槽，用于垂直极化和第二极化。此外，所述槽应交替排列以对应于所述第二天线150的端射辐射单元330的极化，例如采用VHVHVHVH模式。
针对使用介电质结构实现所述第二天线150与所述至少一个孔径120的电磁耦合的实施例，本文解释了所述第二天线150的波束成形特性。端射辐射单元330向所述金属框架110发射电磁能量，所述孔径120用于有效地将所述电磁能量耦合进自由空间，这导致水平方向上的波束成形。边射辐射单元340向所述后介电质盖132下面的介电质充填物140发射电磁能量，这导致基本上垂直方向上的波束成形。馈送到端射辐射单元330的信号相对于馈送到边射辐射单元340的信号的相位调整导致任何任意角度垂直平面中的波束倾斜所述第一端射辐射单元阵列330内的相邻单元和所述第二边射辐射单元阵列340内的相邻单元的相位控制使得能够在水平平面中(即沿着所述金属框架110线)进行波束倾斜。
针对使用导电结构实现所述第二天线150与所述至少一个孔径120的电磁耦合的实施例，本文解释了所述第二天线150的波束成形特性。通过不同天线单元的相位控制和切换执行所述第二天线150的波束成形。端射辐射单元330利用接触表面411实现与所述金属框架110的所述孔径120的电磁耦合。在这种情况下，波束成形沿着所述通信设备100大体上指向端射方向。边射辐射单元340，例如单极化或双极化偶极天线单元、缝隙天线、波导天线以及其各种衍生物。边射辐射单元340在所述金属框架110和相邻金属部件上激发电流，相邻金属部件包括屏幕、内部导电结构和相关组件的表面等。在这种情况下，所述电路170的PCB与所述金属框架110之间的空气间隙构成所述通信设备100的波束成形结构的一部分。在实施例中，所述第二边射辐射单元阵列340位于所述第二天线150的每一侧，如图8所示。在这种情况下，mmWave波束成形覆盖所述通信设备100的前侧(屏幕侧)和所述通信设备100的背侧。馈送到所述第二边射辐射单元阵列340的信号与馈送到所述第一端射辐射单元阵列330的信号的相位控制使得波束能够朝向不同波束之间的任何中间方向聚焦。子阵列340内的相邻单元和子阵列330内的相邻单元的相位控制使得能够在水平平面中(即沿着所述金属框架110线)进行波束倾斜。
本文中的所述通信设备100可以意指用户装置、用户设备(User Equipment，简称UE)、移动台、物联网(internet of things，简称IoT)设备、传感器设备、无线终端和/或移动终端，能够在无线通信系统中进行无线通信，无线通信系统有时也称为蜂窝无线系统。UE还可以指具备无线能力的移动电话、蜂窝电话、平板电脑或笔记本电脑。本文中的UE，例如可以是便携式、袖珍式、手持式、计算机内置的或车载的移动设备，能够通过无线接入网与其他实体，例如其他接收器或服务器，进行语音和/或数据通信。所述UE可以是站(Station，简称STA)，其是包含与无线介电质(wireless medium，简称WM)连接的符合IEEE 802.11的媒体接入控制(Media Access Control，简称MAC)和物理层(Physical Layer，简称PHY)接口的任何设备。所述通信设备100还可以用于在3GPP相关的LTE和LTE-Advanced中、在WiMAX及其演进中以及在新无线等第五代无线技术中通信。
此外，技术人员将意识到，本通信设备的实施例包括例如功能、装置、单元、元件等形式的必需的通信能力以用于执行本发明的方案。其他类似装置、单元、元件、功能的举例有：处理器、存储器、缓存器、逻辑控制、编码器、解码器、速率匹配器、去速率匹配器、映射单元、乘法器、判决单元、选择单元、交换器、交织器、去交织器、调制器、解调器、输入、输出、天线、放大器、接收器单元、发送器单元、DSP、MSD、TCM编码器、TCM解码器、电源单元、电源馈线、通信接口和通信协议等，其被合理地设置在一起，用来执行本发明的方案。
尤其地，所述通信设备100的所述处理器可包括例如一个或多个中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、处理单元、处理电路、处理器、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、微处理器或其他可解释或执行指令的处理逻辑的实例。术语“处理器”因此可表示包括多个处理电路的处理电路，所述多个处理电路实例为以上列举项中的任何、一些或所有项。所述处理电路可进一步执行数据处理功能，输入、输出以及处理数据，所述功能包括数据缓冲和装置控制功能，例如，呼叫处理控制、用户界面控制等。
最后，应理解，本发明并不局限于上述实施例，而是同时涉及且并入所附独立权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (31)

1.一种通信设备，其特征在于，所述通信设备包括：
外壳，包括前介电质盖、后介电质盖和金属框架，所述金属框架周向地设置在所述前介电质盖和所述后介电质盖之间，其中，所述金属框架上设置孔径且所述金属框架的第一段包括第一天线的至少一部分，所述第一天线用于在400MHz至10GHz的区间范围内的第一频带辐射；
第二天线，设置于所述外壳内，所述第二天线包括一个或多个辐射单元，所述一个或多个辐射单元通过所述孔径辐射，所述第二天线用于在10GHz至100GHz的区间范围内的第二频带辐射；以及
电路，设置于所述外壳内，所述电路包括：
第一馈线，所述第一馈线耦合至所述金属框架，并用于为所述第一天线馈电；以及
第二馈线，所述第二馈线耦合至所述第二天线，并用于为所述第二天线馈电。
2.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述金属框架的所述第一段包括在所述外壳内部延伸的部分，且所述孔径设置于所述金属框架的所述第一段。
3.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述第二天线在距离所述第一天线1–5mm的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的通信设备，其特征在于，所述第二天线在距离所述金属框架1–5mm的范围内。
5.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备还包括：
第一介电质，所述第一介电质设置在所述外壳内并且位于所述金属框架和所述第二天线之间。
6.根据权利要求5所述的通信设备，其特征在于，所述第一介电质在所述金属框架和所述第二天线之间的宽度在1–5mm的范围内。
7.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备还包括：
第一介电质，设置在所述第二天线的一个或多个辐射单元与所述前介电质盖和/或所述后介电质盖之间。
8.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备还包括：
所述第二天线的射频集成电路(radio frequency integrated circuit，简称RFIC)，所述第二馈线连接至所述第二天线的RFIC，以为所述第二天线馈电。
9.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备还包括印刷电路板PCB，所述第二天线的所述一个或多个辐射单元邻近所述PCB设置，其中，所述电路设置于所述PCB上。
10.根据权利要求9所述的通信设备，其特征在于，所述第二天线的所述一个或多个辐射单元设置于所述金属框架与所述PCB之间。
11.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述第二天线的所述一个或多个辐射单元设置在独立的单片集成模块上，所述单片集成模块与所述电路连接。
12.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述孔径邻近所述第二天线并位于所述第二天线的一侧。
13.根据权利要求12所述的通信设备，其特征在于，所述第二天线的所述一个或多个辐射单元和所述孔径对齐。
14.根据权利要求12或13所述的通信设备，其特征在于，所述孔径包括排列成一行的多个槽。
15.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述第二频带为毫米波频带。
16.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述第一频带为698MHz至5800MHz区间范围内的蜂窝频带。
17.一种通信设备，其特征在于，所述通信设备包括：
外壳，包括前介电质盖、后介电质盖和金属框架，所述金属框架周向地设置在所述前介电质盖和所述后介电质盖之间，其中，所述金属框架上设置孔径且所述金属框架的第一段包括第一天线的至少一部分，且所述第一天线用于在400MHz至10GHz的区间范围内的第一频带辐射；以及
第二天线，设置于所述外壳内，所述第二天线包括一个或多个辐射单元，所述一个或多个辐射单元与所述孔径邻近设置，所述第二天线用于在10GHz至100GHz的区间范围内的第二频带辐射；以及
电路，设置于所述外壳内，所述电路包括：
第一馈线，所述第一馈线耦合至所述金属框架，并用于为所述第一天线馈电；以及
第二馈线，所述第二馈线耦合至所述第二天线，并用于为所述第二天线馈电。
18.根据权利要求17所述的通信设备，其特征在于，所述金属框架的所述第一段包括在所述外壳内部延伸的部分，且所述孔径设置在所述金属框架的所述第一段。
19.根据权利要求17所述的通信设备，其特征在于，所述第二天线的所述一个或多个辐射单元通过所述孔径辐射。
20.根据权利要求17所述的通信设备，其特征在于，所述第二天线在距离所述第一天线1–5mm的范围内。
21.根据权利要求17所述的通信设备，其特征在于，所述第二天线在距离所述金属框架1–5mm的范围内。
22.根据权利要求17所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备还包括：
所述第二天线的射频集成电路(radio frequency integrated circuit，简称RFIC)，所述第二馈线连接至所述第二天线的RFIC，以为所述第二天线馈电。
23.根据权利要求17所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备还包括印刷电路板PCB，所述第二天线的所述一个或多个辐射单元邻近所述PCB设置，且设置于所述金属框架与所述PCB之间，其中，所述电路设置于所述PCB上。
24.根据权利要求17所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备还包括第一介电质，所述第一介电质设置在所述外壳内并且位于所述金属框架和所述第二天线之间。
25.根据权利要求17所述的通信设备，其特征在于，所述通信设备还包括：
第一介电质，设置在所述第二天线的一个或多个辐射单元与所述前介电质盖和/或所述后介电质盖之间。
26.根据权利要求24或25所述的通信设备，其特征在于，所述第一介电质在所述金属框架和所述第二天线之间的宽度在1–5mm的范围内，或者所述第一介电质在所述第二天线和所述前介电质盖和/或所述后介电质盖之间的宽度在1–5mm的范围内。
27.根据权利要求17所述的通信设备，其特征在于，所述孔径邻近所述第二天线并位于所述第二天线的一侧。
28.根据权利要求27所述的通信设备，其特征在于，所述孔径包括排列成一行的多个槽。
29.根据权利要求28所述的通信设备，其特征在于，所述第二天线的所述一个或多个辐射单元和所述多个槽对齐。
30.根据权利要求17所述的通信设备，其特征在于，所述第二频带为毫米波频带。
31.根据权利要求17所述的通信设备，其特征在于，所述第一频带为698MHz至5800MHz区间范围内的蜂窝频带。
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