CN113659311A - 天线装置和电子设备 - Google Patents

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CN113659311A CN202010399378.9A CN202010399378A CN113659311A CN 113659311 A CN113659311 A CN 113659311A CN 202010399378 A CN202010399378 A CN 202010399378A CN 113659311 A CN113659311 A CN 113659311A
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Abstract

本申请提供了一种天线装置和电子设备，包括多个间隔设置的天线单元、多个去耦网络、第一去耦传输线、第二去耦传输线和第三去耦传输线。多个去耦网络与所述多个天线单元一一对应，其中，每个所述去耦网络均具有输入端口、输出端口、第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口；所述输出端口与对应的天线单元之间连接，所述输入端口用于与射频芯片连接。第一去耦传输线连接在相邻的所述去耦网络的第一连接端口之间；第二去耦传输线连接在相邻的所述去耦网络的第二连接端口之间；第三去耦传输线，连接在相邻的所述去耦网络的第三连接端口之间。电子设备包括该天线装置。

Description

天线装置和电子设备
技术领域
本申请涉及天线去耦技术领域，具体涉及一种天线装置和电子设备天线装置。
背景技术
天线可以高效地发射与接收电磁波，是无线通信系统中不可或缺的重要组成部分。然而，随着科学技术的进步，单个天线难以满足日益增高的性能需求。为了解决单个天线的方向性较差和辐射增益较低等问题，可将若干个辐射特性相同的天线单元按照一定的几何结构排列起来组成阵列天线，从而增强阵列天线的辐射性能，产生较为灵活的方向图，以满足不同场景的需求。
发明内容
本申请的一方面提供一种天线装置，包括多个间隔设置的天线单元、多个去耦网络、第一去耦传输线、第二去耦传输线和第三去耦传输线。多个去耦网络与所述多个天线单元一一对应，其中，每个所述去耦网络均具有输入端口、输出端口、第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口；所述输出端口与对应的天线单元之间连接，所述输入端口用于与射频芯片连接。第一去耦传输线连接在相邻的所述去耦网络的第一连接端口之间；第二去耦传输线连接在相邻的所述去耦网络的第二连接端口之间；第三去耦传输线，连接在相邻的所述去耦网络的第三连接端口之间。
本申请的另一方面提供一种电子设备，该电子设备包括壳体、显示屏组件、射频芯片和天线装置。其中，显示屏组件与所述壳体连接，并与所述壳体形成容置空间。射频芯片设置在所述容置空间内。天线装置包括多个间隔设置的天线单元、多个去耦网络、第一去耦传输线、第二去耦传输线和第三去耦传输线。多个去耦网络与所述多个天线单元一一对应，其中，每个所述去耦网络均具有输入端口、输出端口、第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口；所述输出端口与对应的天线单元之间连接，所述输入端口用于与射频芯片连接。第一去耦传输线连接在相邻的所述去耦网络的第一连接端口之间；第二去耦传输线连接在相邻的所述去耦网络的第二连接端口之间；第三去耦传输线，连接在相邻的所述去耦网络的第三连接端口之间。
本申请的天线装置，在天线单元与馈源之间引入去耦网络(五端口网络)的概念，五端口网络则包括逐级设计和逐级连接的三端口网络和四端口网络，三端口网络和四端口网络级联实现去耦和带宽展宽。本申请无需改变阵列天线单元的结构，只需对第一去耦传输线、第二去耦传输线和第三去耦传输线的长度d3、d4和d5以及三端口网络的S参数和四端口网络的S参数进行配置，即可调节天线单元之间在第一频段和第二频段的耦合度，即能降低天线单元间的互耦，拓展扫描角，提升扫描增益。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1是本申请实施例的电子设备的结构示意图；
图2是本申请实施例的阵列天线的去耦原理示意图；
图3是本申请实施例的阵列天线的去耦原理示意图，其中显示了去耦网络中的三端口网络和四端口网络的连接关系；
图4是本申请实施例的阵列天线的结构示意图；
图5是本申请实施例的第一去耦网络中四端口网络的结构示意图；
图6是本申请实施例的第二去耦网络中四端口网络的结构示意图；
图7是本申请实施例的电子设备的立体结构示意图；
图8是本申请一些实施例的天线装置的立体视图；
图9是图8的天线装置的仰视图；
图10是本申请另一些实施例的天线装置的仰视图；
图11是本申请又一些实施例的天线装置的仰视图；
图12是本申请实施例的天线装置的层状结构示意图，其中显示了两个天线单元；
图13是本申请另一实施例的天线装置的示意图；
图14示出了连接去耦网络前，本申请实施例的天线装置中两个天线单元件的反射系数曲线；
图15示出了连接去耦网络前后，本申请实施例的天线装置中的天线单元的反射系数的比对曲线；
图16示出了连接去耦网络前后，本申请实施例的天线装置中的两个天线单元间的耦合强度的比对曲线；
图17示出了连接去耦网络前后，波束扫描至0°时，本申请实施例的天线装置的增益扫频比对曲线；
图18示出了连接去耦网络前后，波束扫描至45°时，本申请实施例的天线装置的增益扫频比对曲线；和
图19示出了连接去耦网络前后，波束扫描至50°时，本申请实施例的天线装置的增益扫频比对曲线。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。
阵列天线，尤其是小间距阵列天线，存在着互耦较强的问题。天线单元间的互耦在很大程度上影响天线单元及其阵列的匹配特性和空间辐射特性，具体表现为以下几点。
(1)方向图：天线单元上的电流在互耦作用下其分布发生了改变，导致部分辐射能量进一步耦合到其他天线单元，其中一部分耦合能量被端接负载吸收而消耗，而另一部分能量又会再次辐射。所以，天线单元的方向图会发生畸变。此处所述的端接负载是天线馈源后端等效出来的一个参数；在画等效电路时，可将天线馈源的整个后端用一个电阻来代替，并可称为端接负载。
(2)输入阻抗：受到互耦影响，阵列中天线单元的输入阻抗会发生改变，并与孤立环境中天线单元的输入阻抗不同，因此各阵列中天线单元的匹配情况不同并且匹配特性会受到影响。
(3)增益：在天线单元中存在热损耗以及阻抗不匹配引起的反射损耗等，从而使得天线单元的辐射功率比发射功率要小，反射系数在互耦的作用下会发生变化，故天线单元的增益受到影响。
在相关技术中，解决互耦效应对天线单元的方向图、输入阻抗、增益等特性的影响方面，通常采用以下五种方法：缺陷地结构(DGS-Defected Ground Structure)去耦法、中和线法(NLT-Neutralization Line Technique)去耦法、带阻滤波去耦法、电磁带隙结构(EBG,Electromagnetic Band Gap)去耦法、超材料去耦法(MDT,Metamaterial DecouplingTechnique)。
然而，上述方法都是针对天线单元间耦合消除方法的研究，未能对天线单元间耦合效应进行精确定义与控制。
本申请提供了一种电子设备，该电子设备的阵列天线可以对天线单元间的耦合效应进行自定义，并通过耦合效应的设计实现对天线单元的辐射方向图的控制，例如拓宽扫描角、提升扫描增益、消除扫描盲区等。
该电子设备可以是手机、平板电脑、PDA(Personal Digital Assistant，个人数字助理)、POS(Point of Sales，销售终端)、车载电脑、CPE(Customer Premise Equipment，客户前置设备)等终端设备。以下以手机作为示例对本申请进行介绍。
如图1所示，手机100可以包括：RF(Radio Frequency，射频)电路101、存储器102、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)103、外设接口104、音频电路105、扬声器106、电源管理芯片107、输入/输出(I/O)子系统108、触摸屏109、其他输入/控制设备110以及外部端口111，这些部件通过一个或多个通信总线或信号线112来通信。
应该理解的是，图示手机仅仅是电子设备的一个范例，并且手机100可以具有比图中所示出的更多的或者更少的部件，可以组合两个或更多的部件，或者可以具有不同的部件配置。图中所示出的各种部件可以在包括一个或多个信号处理和/或专用集成电路在内的硬件、软件、或硬件和软件的组合中实现。
下面结合图1对手机100的各个构成部件进行具体的介绍。
射频(RF)电路101主要用于建立手机与无线网络(即网络侧)的通信，实现手机与无线网络的数据接收和发送。例如收发短信息、电子邮件等。具体地，RF电路101接收并发送RF信号，RF信号也称为电磁信号，RF电路101将电信号转换为电磁信号或将电磁信号转换为电信号，并且通过该电磁信号与通信网络以及其他设备进行通信。RF电路101可以包括用于执行这些功能的已知电路，其包括但不限于具有天线阵列的天线系统、RF收发机、一个或多个放大器、调谐器、一个或多个振荡器、数字信号处理器、CODEC(COder-DECoder，编译码器)芯片组、用户标识模块(Subscriber Identity Module，SIM)等等。
存储器102可以被CPU103、外设接口104等访问，所述存储器102可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如一个或多个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
中央处理器103通过运行存储在存储器102的软件程序以及模块，从而执行电子设备的各种功能应用以及数据处理。
外设接口104可以将设备的输入和输出外设连接到CPU103和存储器102。
I/O子系统108可以将设备上的输入输出外设，例如触摸屏109和其他输入/控制设备110，连接到外设接口104。I/O子系统108可以包括显示控制器1081和用于控制其他输入/控制设备110的一个或多个输入控制器1082。其中，一个或多个输入控制器1082从其他输入/控制设备110接收电信号或者向其他输入/控制设备110发送电信号，其他输入/控制设备110可以包括物理按钮(按压按钮、摇臂按钮等)、拨号盘、滑动开关、操纵杆、点击滚轮。值得说明的是，输入控制器1082可以与以下任一个连接：键盘、红外端口、USB接口以及诸如鼠标的指示设备。
触摸屏109是用户终端与用户之间的输入接口和输出接口，将可视输出显示给用户，可视输出可以包括图形、文本、图标、视频等。
I/O子系统108中的显示控制器1081从触摸屏109接收电信号或者向触摸屏109发送电信号。触摸屏109检测触摸屏上的接触，显示控制器1081将检测到的接触转换为与显示在触摸屏109上的用户界面对象的交互，即实现人机交互，显示在触摸屏109上的用户界面对象可以是运行游戏的图标、联网到相应网络的图标等。值得说明的是，设备还可以包括光鼠，光鼠是不显示可视输出的触摸敏感表面，或者是由触摸屏形成的触摸敏感表面的延伸。
音频电路105主要用于从外设接口104接收音频数据，将该音频数据转换为电信号，并且将该电信号发送给扬声器106。
扬声器106用于将手机100通过RF电路101从无线网络接收的语音信号，还原为声音并向用户播放该声音。
电源管理芯片107用于为CPU103、I/O子系统108及外设接口104所连接的硬件进行供电及电源管理。
以下针对该电子设备的RF电路101的天线系统中的天线装置进行介绍。该天线装置通常包括多个紧密布置且间隔设置的天线单元、多个去耦网络以及第一去耦传输线、第二去耦传输线和第三去耦传输线。在至少两个相邻的天线单元中，每个天线单元与馈源之间均通过匹配网络连接。例如，本实施中，多个去耦网络与多个天线单元一一对应，每一去耦网络连接在馈源和对应天线单元之间。第一去耦传输线、第二去耦传输线和第三去耦传输线则连接在相邻的去耦网络之间。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本实施例以天线装置为包括两个相邻的天线单元10和20的阵列天线作为示例来对本申请进行介绍，其中，天线单元10可称为第一天线单元10，天线单元20可称为第二天线单元20。如图2所示，天线单元10和天线单元20相邻。天线单元10和天线单元20的辐射特性可以相同也可以不同。天线单元10可以从电子设备的馈源(射频收发器)接收激励电流，经放大、滤波、匹配调谐后激励天线单元10谐振于对应频率，从而产生对应频率的电磁波信号，与自由空间相同频率的电磁波信号耦合实现信号发射；天线单元10还可以在激励信号的激励下谐振于对应频率的天线单元耦合来自自由空间相同频率的电磁波信号，从而在天线单元10上形成感应电流，该感应电流经滤波、放大后进入射频收发器。
相邻的两个天线单元10和20所对应的去耦网络之间相互连接，其中天线单元10对应的是第一去耦网络30，天线单元20对应的是第二去耦网络30’。
第一去耦网络30和第二去耦网络30’均为五端口网络。第一去耦网络30具有连接馈源的输入端口(a1,b1)、连接天线单元10的输出端口(a2,b2)以及用于连接第二去耦网络30’的第一连接端口(a3,b3)、第二连接端口(a4,b4)和第三连接端口(a5,b5)。第二去耦网络30’具有连接馈源的输入端口(a’1,b’1)、连接天线单元20的输出端口(a’2,b’2)以及用于连接第一去耦网络30的第一连接端口(a’3,b’3)、第二连接端口(a’4,b’4)和第三连接端口(a’5,b’5)。长度为d1的传输线可形成输出端口(a2,b2)，并且具有特性阻抗Z0；长度为d2的传输线可形成输出端口(a’2,b’2)，并且具有特性阻抗Z0。长度为d3的第一去耦传输线连接第一去耦网络30的第一连接端口(a3,b3)与第二去耦网络30’的第一连接端口(a’3,b’3)，并且具有特性阻抗Z3；长度为d4的第二去耦传输线连接第一去耦网络30的第二连接端口(a4,b4)与第二去耦网络30’的第二连接端口(a’4,b’4)，并且具有特性阻抗Z4；长度为d5的第三去耦传输线连接第一去耦网络30的第三连接端口(a5,b5)与第二去耦网络30’的第三连接端口(a’5,b’5)，并且具有特性阻抗Z5。另外，a1、a’1、a2、a’2、a3、a’3、a4、a’4、a5、a’5是入射电压波振幅，b1、b’1、b2、b’2、b3、b’3、b4、b’4、b5、b’5是反射电压波振幅。值得一提的是，本申请实施例中的“输入端口”和“输出端口”均只是从天线单元10发射信号的角度进行命名。可以理解地，天线单元10还可以接收信号，此时，上述“输出端口”可以作为输入端口，上述“输入端口”则可以作为输出端口，即，本申请的“输入端口”和“输出端口”的命名并不对端口的属性构成限定。还需要指出的是，图2中长度为d1的传输线一侧还显示了具有特性阻抗Z0的传输线，但这两条传输线在实物上对应的是同一条导线；同样地，长度为d2的传输线、长度为d3的第一去耦传输线、长度为d4的第二去耦传输线和长度为d5的第三去耦传输线也应如此理解。特性阻抗Z3、特性阻抗Z4可设置成与特性阻抗Z0相等。
下文对图3和图4中天线单元10对应的第一去耦网络30的示例进行具体介绍。可以理解的是，天线单元20对应的第二去耦网络30’可以与天线单元10对应的第一去耦网络30相同。
具体地，如图3和图4所示，第一去耦网络30可以包括相互连接的三端口网络31和四端口网络32，通过三端口网络31和四端口网络32级联实现去耦以及带宽展宽。值得一提的是，三端口网络31与四端口网络32分别通过一个端口进行连接，因而，三端口网络31和四端口网络32整体形成一个五端口网络。在一实施例中，三端口网络31与第三去耦传输线形成功分器，四端口网络32为定向耦合器。第二去耦网络30’也包括三端口网络31’和四端口网络32’。
第一去耦网络30中的三端口网络31具有连接馈源的输入端口(a1,b1)、连接四端口网络32的输出端口(a6,b6)以及用于连接第二去耦网络30’中的三端口网络31’的去耦合端口(a5,b5)(即，第三连接端口)。第二去耦网络30’的三端口网络31’具有连接馈源的输入端口(a’1,b’1)、连接四端口网络32的输出端口(a’6,b’6)以及用于连接第一去耦网络30的去耦合端口(a’5,b’5)(即，上述第三连接端口)。其中，a6、a’6是入射电压波振幅，b6、b’6是反射电压波振幅。图3中长度为d’1的传输线一侧还显示了具有特性阻抗Z’0的传输线，但这两条传输线在实物上对应的是同一条传输线。类似地，长度为d’2的传输线与一侧显示的具有特性阻抗Z’0的传输线在实物上对应的也是同一条传输线。图4所示的三端口网络31具有第一传输线311和第二传输线312。其中，第一传输线311、第二传输线312的一端相互连接，并在连接处形成第一去耦网络30的第三连接端口，第一传输线311的另一端形成与第一馈源40连接的输入端口，第二传输线312的另一端形成与四端口网络32连接的输出端口。在此指出，文中所述的某一传输线的一端和另一端指的是该传输线的两个相对末端。
三端口网络31’与上述三端口网络31相同。具体而言，三端口网络31’可以具有第一传输线311’和第二传输线312’。其中，第一传输线311’、第二传输线312’的一端相互连接，并在连接处形成第二去耦网络30’的去耦连接端口(即，第三连接端口)。第一传输线311’的另一端形成与第二馈源40’连接的输入端口，第二传输线312’的另一端形成与四端口网络32’连接的输出端口。其中，第一馈源40和第二馈源40’可以是同一个馈源。
第三去耦传输线313的两端分别连接在三端口网络31和三端口网络31’的第三连接端口上。
本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
其中，两个天线单元10、20之间在第一频段的耦合度可以通过三端口网络31的散射参数(即，S参数)和第三去耦传输线313的长度来进行确定。例如，要求两个天线单元10、20之间在第一频段的耦合度达到预设耦合度D0，则，可以将三端口网络31的S参数和第三去耦传输线313的长度配置为使天线单元10、20之间在第一频段的耦合度满足预设耦合度D0。
容易明白的是，当第一去耦网络30和第二去耦网络30’采用相同的结构时，他们当中的三端口网络31和31’的S参数也是相同的。从而，在第一去耦网络30和第二去耦网络30’相同的情况下，两个天线单元10、20之间在第一频段的耦合度与三端口网络31的S参数以及第三去耦传输线313的长度之间的关系可以通过以下方式获得：
三端口网络31或31’的[S]矩阵为：
Figure BDA0002488823930000041
其中，S11、S66、S55是三端口网络单独存在时的三个端口的反射系数；S16是输入端口直馈到输出端口的功率；S15是从输入端口馈到第三连接端口的功率；S65是从去耦合端口馈到输出端口的功率。
可将S11、S66、S55和S65设计为0，使该S参数矩阵为：
Figure BDA0002488823930000042
在图3中的参考面Ⅲ处，三端口网络31的第三连接端口连接了长度为d5的第三去耦传输线，第一去耦网络30中的三端口网络31和第二去耦网络30’中的三端口网络31’组成的六端口网络的S参数关系式为：
Figure BDA0002488823930000051
Figure BDA0002488823930000052
其中，k为波数，e为自然常数，j为虚数的表示符号。
将式(3)中的矩阵写成分块矩阵形式：
Figure BDA0002488823930000053
将式(5)改写成方程组形式：
Figure BDA0002488823930000054
将式(4)简写为：
[a6]＝[Γ]·[b6] (7)
将式(7)代入式(6)可得：
Figure BDA0002488823930000055
由式(8)中第②式可得：
[b6]＝{E-[S66][Γ]}-1[S61][a1] (9)
其中，E代表单位矩阵。
将式(9)代入式(8)中第①式可得：
[b1]＝[S11][a1]+[S16][Γ]{E-[S66][Γ]}-1[S61][a1] (10)
由式(10)可知，两个三端口网络31和31’之间通过第三去耦传输线313连接后形成的四端口网络(1、6、1’、6’)的S参数矩阵为：
SFour-port＝[S11]+[S16][Γ]{E-[S66][Γ]}-1[S61] (11)
在此指出，这里的四端口网络的四个端口是指三端口网络31和三端口网络31’连接后，组成的整体对外的四个端口(a1,b1)、(a6,b6)、(a’1,b’1)和(a’6,b’6)。
将式(3)和式(5)所规划的分块矩阵代入式(11),即可得到该四端口网络的新的S参数矩阵为：
Figure BDA0002488823930000056
将该四端口网络的端口顺序调整为1→1′→6→6′，则式(12)变为：
Figure BDA0002488823930000057
将式(13)改写成分块矩阵的形式：
Figure BDA0002488823930000058
设该两个天线单元形成的二元天线阵的S参数矩阵为：
Figure BDA0002488823930000061
其中，S’12为二元天线在第一频段初始隔离度的强度，即，两个相邻的天线单元10和20之间未连接去耦网络时在第一频段的隔离度的强度；S’11、S’21和S’22分别为两个相邻的天线单元10和20之间未连接去耦网络时的输入反射系数、正向传输系数(增益)和输出反射系数。
两个三端口网络31和31’之间通过第三去耦传输线连接在一起后，形成的四端口网络再分别与两个四端口网络32和32’连接后，组建成一个二端口(1、1’)网络。该二端口网络的S参数矩阵为:
[S]＝[S11]+[S16]Sarray]{E-[S66]Sarray]}-1[S61] (16)
在此指出，这里的二端口网络的两个端口是指三端口网络31和三端口网络31’之间连接后、且输出端口(a6,b6)和(a’6,b’6)分别连接四端口网络32和32’之后，剩下的两个用于与馈源连接的端口(a1,b1)和(a’1,b’1)。
将式(13)与式(14)所定义的分块矩阵代入式(16)，可得：
Figure BDA0002488823930000062
由式(17)可知，
Figure BDA0002488823930000063
其中，该耦合度是指在第一频段的耦合度。S′12为初始隔离度的强度，即，两个相邻的天线单元10和20之间未连接去耦网络时的隔离度的强度。
由此可知，通过设计第三去耦传输线313的长度d5，以及三端口网络的S参数，即可精确定义天线单元10和20之间在第一频段的耦合度。也即，当预设好所需的耦合度后，上式可表示为：
Figure BDA0002488823930000064
Figure BDA0002488823930000065
因此，可以将第三去耦传输线313的长度d5和三端口网络31的S参数配置为使天线单元10、20之间在第一频段的耦合度满足预设耦合度。
在一些实施例中，三端口网络31与第三去耦传输线形成功分器，因而，可以通过配置第三去耦传输线313的长度和功分器的功分比来使两个天线单元10和20之间在第一频段的耦合度置零。
第三去耦传输线313的长度和功分器的功分比可以由两个天线单元10、20之间的初始隔离度来确定，其中，初始隔离度为两个天线单元10、20之间未连接去耦网络时的隔离度。即，一些实施例中，两个天线单元10、20之间的初始隔离度可以配置为使两个天线单元10、20之间在第一频段的耦合度置零。
具体地，功分器的功分比的可以通过两个天线单元10、20之间的初始隔离度的强度(即S12’)来确定。第三去耦传输线313的长度则可以通过两个天线单元10、20之间的初始隔离度的相位(φ′12)来确定。
举例而言，当需要去耦网络将两个天线单元10、20之间在第一频段的互耦完全抵消时，令预设耦合度为0，则
Figure BDA0002488823930000066
由式(18)可知：
Figure BDA0002488823930000067
由式(19)可知，若令
Figure BDA0002488823930000068
则
Figure BDA0002488823930000069
Figure BDA00024888239300000610
其中，
Figure BDA00024888239300000611
为功分器的功分比，因此，三端口网络的S参数可以根据功分比确定。
由此可知，将功分器的功分比配置为与两个天线单元10、20的初始隔离度的强度之间满足式(21)的关系，并将三端口网络31的第三去耦传输线313的长度配置为与两个天线单元10、20的初始隔离度的相位之间满足式(21)的关系，则可实现两个天线单元10、20之间的耦合度置零。
具体地，初始隔离度的强度|S′12|和相位φ′12是已知的，波数k与波长λ的关系也是已知的，因此，用波长λ表示波数k，并代入式(21)，可得出d的计算公式：
Figure BDA0002488823930000071
因此，计算出功分器的功分比以及第三去耦传输线313的长度d5之后，从而设计出具有该功分比的三端口网络31和具有该长度的第三去耦传输线313，以实现在第一频段的耦合度置零。
在一些实施例中，功分器的功分比与第一传输线311、第二传输线312和第三去耦传输线313的特性阻抗相关。由上述实施例可知，功分器的功分比可以根据初始隔离度的强度获知，因而，可以由此获知的功分比以及第一传输线311的特性阻抗来确定第二传输线312和第三去耦传输线313的特性阻抗。因此，第二传输线312和第三去耦传输线313的特性阻抗均可根据第一传输线31的特性阻抗和初始隔离度的强度来确定。
以功分器为图4所示的T形结功分器作为示例，第二传输线312的特性阻抗Z’0与第一传输线311的特性阻抗Z6以及功分比(初始隔离度的强度S’12)满足以下关系：
Z’0＝(1+|S’12|)xZ6 (23)
第三去耦传输线313的特性阻抗Z5与第一传输线311的特性阻抗Z6以及功分比(即初始隔离度的强度S’12)满足以下关系：
Figure BDA0002488823930000072
因此，由上述可知，通过预设耦合度可以获知所要求的功分器的功分比，然后可以根据该功分比可以获知所需要的第二传输线312的特性阻抗Z’0和第三去耦传输线313的特性阻抗Z5，从而配置三端口网络31的第二传输线312和第三去耦传输线313，使得第二传输线312的特性阻抗满足所需要的特性阻抗Z’0，并使第三去耦传输线313的特性阻抗满足所需要的特性阻抗Z5。
一些实施例中，可以通过配置传输线的线宽来使传输线的特性阻抗满足要求，即，第二传输线312的线宽根据第二传输线312的特性阻抗来确定。第三去耦合传输线313的线宽根据第三去耦传输线313的特性阻抗来确定。例如，按照上述关系式获得第二传输线312的特性阻抗Z’0之后，可以将第二传输线312的线宽配置为使其特性阻抗满足上述特性阻抗Z’0。举例而言，确定所需的第二传输线312的厚度、PCB板材的相对介电常数以及介质层厚度等因素后，根据特性阻抗和线宽之间的关系以及所需的特性阻抗Z’0，即可计算出第二传输线312的线宽。因此，根据该计算结果来配置第二传输线312的线宽，从而获得具有上述特性阻抗Z’0的第二传输线312。
类似地，可以通过配置第三去耦传输线313的线宽来使第三去耦传输线313满足上述所需的特性阻抗Z5。第三去耦传输线313的线宽则可以根据特性阻抗和线宽之间的关系以及所需的特性阻抗Z5来计算。因此，根据该计算结果来配置第三去耦传输线313的线宽，从而获得具有上述特性阻抗Z5的第三去耦传输线313。
可以理解地，上述功分器还可以是其他功分器，例如，wilkinson功分器。此时，第二传输线312的特性阻抗Z’0和第一去耦传输线313的特性阻抗Z5则可以根据wilkinson功分器所对应的关系式来进行计算。
第一去耦网络30的四端口网络32与第二去耦网络30’的四端口网络32’之间通过第一去耦传输线33和第二去耦传输线34连接。
如图3所示，第一去耦网络30的四端口网络32具有连接三端口网络31的输入端口(a7,b7)、连接天线单元10的输出端口(a2,b2)以及用于连接第二去耦网络30’的第一连接端口(a3,b3)和第二连接端口(a4,b4)。第二去耦网络30’的四端口网络32’具有连接三端口网络31’的输入端口(a’7,b’7)、连接天线单元20的输出端口(a’2,b’2)以及用于连接第一去耦网络31的第一连接端口(a’3,b’3)和第二连接端口(a’4,b’4)。其中，a7、a’7是入射电压波振幅，b7、b’7是反射电压波振幅。
结合图3、图4和图5，四端口网络32可包括定向耦合器主体320和连接在该定向耦合器主体320上的四条传输线。这四条传输线包括第二传输线322(其与三端口网络31的第二传输线312为同一根传输线)、第三传输线323、第四传输线324和第五传输线325。值得一提的是，第二传输线322远离定向耦合器主体320的一端形成四端口网络32的输入端口(a7,b7)，远离三端口网络31的一端形成三端口网络31的输出端口(a6,b6)。第三传输线323的一端连接定向耦合器主体320，另一端形成输出端口(a2,b2)。第四传输线324的一端连接所述定向耦合器主体320，另一端形成所述第一连接端口(a3,b3)；所述第五传输线325的一端连接所述定向耦合器主体320，另一端形成所述第二连接端口(a4,b4)。第二去耦网络30’中的四端口网络32’与四端口网络32具有相同的结构。
定向耦合器主体320可包括第六传输线326、第七传输线327、第八传输线328和第九传输线329。该第六传输线326、第七传输线327、第八传输线328和第九传输线329首尾顺次连接，以形成一回路，围成一方形。
其中，第二传输线322的第一端与第六传输线326的第一端连接，第二传输线322的第二端形成与三端口网络31连接的输入端口。第三传输线323的第一端与第六传输线326的第二端连接，第三传输线323的第二端形成与天线单元10连接的输出端口。第四传输线324的第一端与第八传输线328的第一端连接，第四传输线324的第二端形成与第一去耦传输线33的第一端连接的第一连接端口。第五传输线325的第一端与第八传输线328的第二端连接，第五传输线325的第二端形成与第二去耦传输线34的第一端连接的第二连接端口。
第四传输线324和第五传输线325可设计成具有较短长度，例如，第四传输线324和第五传输线325的长度仅能与第一去耦传输线33和第二去耦传输线34连接即可，而不再具有冗余长度。这可降低对第一去耦传输线33和第二去耦传输线34的长度设计的影响。
第六传输线326和第八传输线328的特性阻抗可设计为Z1，第七传输线327和第九传输线329的特性阻抗可设计为Z2。另外，第六传输线326、第七传输线327、第八传输线328和第九传输线329的长度均可设置为(1/4)λ，其中λ为波长。
如图6所示，天线单元20对应的第二去耦网络30’中的四端口网络32’可以与上述的第一去耦网络30中的四端口网络32相同。在一实施例中，该四端口网络为定向耦合器，其可包括定向耦合器主体320’和从该定向耦合器主体320’伸出的四条传输线。这四条传输线包括第二传输线322’(其与三端口网络31的第二传输线312’为同一根传输线)、第三传输线323’、第四传输线324’和第五传输线325’。
该定向耦合器主体310’可包括第六传输线326’、第七传输线327’、第八传输线328’和第九传输线329’。该第六传输线326’、第七传输线327’、第八传输线328’和第九传输线329’首尾顺次连接，以形成一回路，围成一方形。
其中，第二传输线322’的第一端与第六传输线326’的第一端连接，第二传输线322’的第二端形成与三端口网络31’连接的输入端口。第三传输线323’的第一端与第六传输线326’的第二端连接，第三传输线323’的第二端形成与天线单元20连接的输出端口。第四传输线324’的第一端与第八传输线328’的第一端连接，第四传输线324’的第二端形成与第一去耦传输线33的第二端连接的第一连接端口。第五传输线325’的第一端与第八传输线328’的第二端连接，第五传输线325’的第二端形成与第二去耦传输线34的第二端连接的第二连接端口。
第四传输线324’和第五传输线325’可设计成具有较短长度，例如，第四传输线324’和第五传输线325’的长度仅能与第一去耦传输线33和第二去耦传输线34连接即可，而不再具有冗余长度。这可降低对第一去耦传输线33和第二去耦传输线34的长度设计的影响。
第六传输线326’和第八传输线328’的特性阻抗可设计为Z1，第七传输线327’和第九传输线329’的特性阻抗可设计为Z2。另外，第六传输线326’、第七传输线327’、第八传输线328’和第九传输线329’的长度均可设置为(1/4)λ。
再结合图4所示，第一去耦传输线33的第一端连接第一去耦网络30的第一连接端口，也就是连接第四传输线324的第二端；第一去耦传输线33的第二端连接第二去耦网络30’的第一连接端口，也就是连接第四传输线324’的第二端。类似地，第二去耦传输线34的第一端连接第一去耦网络30的第二连接端口，也就是连接第五传输线325的第二端；第二去耦传输线34的第二端连接第二去耦网络30’的第二连接端口，也就是连接第五传输线325’的第二端。
在图4至图6中，第二传输线322、第三传输线323、第四传输线324、第五传输线325、第二传输线322’、第三传输线323’、第四传输线324’、第五传输线325’、第一去耦传输线33和第二去耦传输线34的特性阻抗可设计为Z0。其中，在将上述三端口网络Z’0计算出来之后，可以将Z0配置为与Z’0相等。另外，第一去耦传输线33的长度可设为d3，第二去耦传输线34的长度可设为d4。
第一去耦传输线33和第二去耦传输线34用于传输信号以抵消两个天线单元10、20之间的在第二频段的互耦。其中，第一频段和第二频段不同，且相互邻近。两个天线单元10、20之间在第二频段的的耦合度D1可以通过第一去耦网络30的四端口网络32和第二去耦网络30’的四端口网络32’的散射参数(即，S参数)以及第一去耦传输线33与第二去耦传输线34的长度d3和d4来进行定义。例如，如果要求两个天线单元10、20之间的耦合度D1达到预设耦合度，则可以将四端口网络32的S参数和第一去耦传输线33与第二去耦传输线34的长度d3，d4配置为使天线单元10、20之间在第二频段的的耦合度D1满足预设的耦合度。在此指出，两个天线单元10、20之间在第二频段的的耦合度D1与两个天线单元10、20之间在第二频段的的隔离度成反比关系；也就是说，两个天线单元10、20之间在第二频段的的隔离度越高，则两个天线单元10、20之间在第二频段的的耦合度D1越低。
容易明白的是，当四端口网络32和四端口网络32’采用相同的结构时，他们的S参数也是相同的。从而，在四端口网络32和四端口网络32’相同的情况下，两个天线单元10、20之间在第二频段的的耦合度D1与四端口网络32的S参数以及第一去耦传输线33与第二去耦传输线34的长度d3，d4之间的关系可以通过以下方式获得。
四端口网络32的S参数的矩阵S0为：
Figure BDA0002488823930000091
其中，S72、S73、S37是四端口网络32的其中三个S参数。
在图3中参考面Ⅲ处，四端口网络32的第一连接端口和第二连接端口分别连接了长度为d3和d4的第一去耦传输线33和第二去耦传输线34，故四端口网络32的S参数的矩阵S可由式(25)中的S参数演算得到：
Figure BDA0002488823930000092
其中，e为自然常数，j为虚数的表示符号，k为波数，且式(25)中的S37等于式(26)中的S73。
四端口网络32与四端口网络32’未连接前组成一个八端口网络，其S参数的关系式为：
Figure BDA0002488823930000093
其中：
Figure BDA0002488823930000094
表示将式(27)中的矩阵写为分块矩阵形式：
Figure BDA0002488823930000101
其中，S77、S22、S27是四端口网络32的其中三个S参数，且S27是互耦系数。
写成方程组形式：
Figure BDA0002488823930000102
由式(30)可将式(28)简写为：
[a2]＝[Γ]·[b2] (31)
将式(31)代入式(30)可知：
Figure BDA0002488823930000103
由式(32)中第②式可得：
[b2]＝{E-[S22][Γ]}-1[S27][a7] (33)
式(33)中，E代表单位矩阵。
将式(33)代入式(32)中第①式可得：
[b7]＝[S77][a7]+[S72][Γ]{E-[S22][Γ]}-1[S27][a7] (34)
由式(34)可得到，四端口网络32和四端口网络32’之间通过第一去耦传输线33和第二去耦传输线34连接后形成的新的四端口网络(7、2、7’、2’)的S参数的矩阵SFour-port为：
SFour-port＝[S77]+[S72][Γ]{E-[S22][Γ]}-1[S27] (35)
在此指出，这里的新的四端口网络的四个端口是指四端口网络32和四端口网络32’连接后，组成的整体对外的四个端口(a7，b7)、(a2，b2)、(a’7，b’7)和(a’2，b’2)。
将式(27)和式(29)所规划的分块矩阵代入式(35)，即可得到该新的四端口网络的新的S参数的矩阵SFour-port为：
Figure BDA0002488823930000104
Figure BDA0002488823930000111
通过数字运算，可得该新的四端口网络的S参数的矩阵SFour-port为：
Figure BDA0002488823930000112
将该新的四端口网络的端口顺序调整为7→7’→2→2’，则式(37)变为：
Figure BDA0002488823930000113
将式(38)改写成分块矩阵的形式：
Figure BDA0002488823930000114
设该两个天线单元10和20形成的二元天线的S参数的矩阵Sarray为：
Figure BDA0002488823930000115
式(16)中，S’12为二元天线在第二频段初始隔离度的强度，即，两个相邻的天线单元10和20之间未连接去耦网络时在第二频段的隔离度的强度；S’11、S’21和S’22分别为两个相邻的天线单元10和20之间未连接去耦网络时的输入反射系数、正向传输系数(增益)和输出反射系数。
四端口网络32和四端口网络32’之间通过第一去耦传输线33和第二去耦传输线34连接在一起后，形成的新的四端口网络再与两个天线单元10和20连接后，组建成一个二端口网络。该二端口网络的S参数的矩阵[S]为：
[S]＝[S77]+[S72][Sarray]{E-[S22][Sarray]}-1[S27] (41)
在此指出，这里的二端口网络的二端口是指该新的四端口网络连接了天线单元10和20之后，只剩下的两个与三端口网络连接的端口(a7,b7)和(a’7,b’7)。
将式(38)与式(39)所定义的分块矩阵代入式(41)，可得：
Figure BDA0002488823930000121
由式(42)可知，通过设计第一去耦传输线33和第二去耦传输线34的长度d3与d4，以及四端口网络的S参数，即可精确定义天线单元间在第二频段的耦合度D1。也即，当预设好所需的耦合度后，上式可表示为：
Figure BDA0002488823930000122
因此，可以将第一去耦传输线33和第二去耦传输线34的长度d3与d4和四端口网络的S参数配置为使天线单元10、20之间在第二频段的耦合度D1满足预设耦合度。
举例而言，当需要去耦网络将两个天线单元10、20之间在第二频段的互耦完全抵消时，令预设耦合度为0，则：
Figure BDA0002488823930000123
进一步地，在令预设耦合度为0的情况下，可将S’12用四端口网络的S参数表示：
Figure BDA0002488823930000124
令四端口网络(例如，前述的定向耦合器)的耦合系数S73＝D，则
Figure BDA0002488823930000125
代入上式可得：
Figure BDA0002488823930000126
令k(d3+d4)＝2π，φs72＝π，
其中，φs72代表四端口网络的参数S72的相位，φs73代表四端口网络的参数S73的相位。
进而，可算得耦合器的耦合度D，如下：
Figure BDA0002488823930000127
并且，第一去耦传输线33和第二去耦传输线34的长度d3与d4分别为：
Figure BDA0002488823930000131
其中，φ21为去耦前隔离度的相位，Pi对应的数值为3.14，S’12为去耦前隔离度的强度。
由此可知，能够根据S’12计算出所需定向耦合器的耦合度D；还能够根据φ21计算出第一去耦传输线33和第二去耦传输线34的长度d3与d4。
另外，在令预设耦合度为0的情况下，所需定向耦合器还可满足以下结构参数：
Figure BDA0002488823930000132
Figure BDA0002488823930000133
其中，第二传输线322、第三传输线323、第四传输线324、第五传输线325、第一去耦传输线33和第二去耦传输线34的特性阻抗Z0通常是预先设定的，例如设定成50Ω；h可为阻抗变换因子。因此，依据由式(46)计算出的定向耦合器的耦合度D，再根据上述三端口网络31的计算得出的d’1的特性阻抗Z’0，Z0＝Z’0，以及式(48)和式(49)，就能够确定如图5所示的定向耦合器各枝节的特性阻抗，也就是：第六传输线326和第八传输线328的特性阻抗Z1，以及第七传输线327和第九传输线329的特性阻抗Z2。进而，能够计算出对应特性阻抗的传输线的线宽，以便制作出定向耦合器。基于此方法，可以提高多天线系统的隔离度。
一些实施例中，可以通过配置传输线的线宽来使传输线的特性阻抗满足要求。例如，按照上述关系式获得第二传输线322、第三传输线323、第四传输线324、第五传输线325、第一去耦传输线33和第二去耦传输线34的特性阻抗Z0之后，可以将这些传输线的线宽配置为使其特性阻抗满足上述特性阻抗Z0。举例而言，确定所需的第二传输线322、第三传输线323、第四传输线324、第五传输线325、第一去耦传输线33和第二去耦传输线34的厚度、PCB板材的相对介电常数以及介质层厚度等因素后，根据特性阻抗和线宽之间的关系以及所需的特性阻抗Z0，即可计算出这些传输线的线宽。因此，根据该计算结果来配置第二传输线322、第三传输线323、第四传输线324、第五传输线325、第一去耦传输线33和第二去耦传输线34的线宽，从而获得具有上述特性阻抗Z0的多个传输线。
类似地，可以通过配置第六传输线326和第八传输线328的线宽来使他们满足上述所需的特性阻抗Z1。第七传输线327和第九传输线329的线宽则可以根据特性阻抗和线宽之间的关系以及所需的特性阻抗Z2来计算。因此，根据该计算结果来配置第六传输线326和第八传输线328以及第七传输线327和第九传输线329的线宽，从而获得具有上述特性阻抗Z1和Z2的多个传输线。
可以理解地，上述四端口网络还可以是其他形式的定向耦合器，例如耦合线定向耦合器、小型化定向耦合器，宽带化定向耦合器。
在一些实施例中，本申请的电子设备可以是如图7所示的手机100a，该手机100a包括但不限于以下结构：壳体41以及与壳体50连接的显示屏组件50。其中，壳体41和显示屏组件50之间形成容置空间。手机的其他电子元器件，例如，主板、电池和天线装置60等均设置在容置空间内。
具体而言，壳体41可以由塑料、玻璃、陶瓷、纤维复合材料、金属(例如，不锈钢，铝等)或者其他合适的材料制成。图6所示的壳体41大体为具有圆角的矩形。当然，壳体41也可以具有其他形状，例如圆形，长圆形和椭圆形等。
显示屏组件50包括显示屏盖板51以及显示模组52。显示模组52贴设于显示屏盖板51的内表面。壳体41与显示屏组件50的显示屏盖板51连接。其中，显示屏盖板51可以为玻璃材质；显示模组52可以为OLED柔性显示屏结构，具体可以包括基板、显示面板(Panel)以及辅料层等，另外，显示模组52与显示屏盖板51之间还可以夹设偏光膜片等结构，关于显示模组52的详细层叠结构此处不做限定。34
天线装置60可以完全收容在壳体41内部，或者，也可以嵌设在壳体41上，并且，天线装置60的一部分可暴露在壳体41外表面上。
一些实施例中，天线装置60可以包括多个间隔设置的天线单元、多个去耦网络以及第一、第二和第三去耦传输线。多个去耦网络与多个天线单元一一对应，第一、第二和第三去耦传输线则连接在相邻的去耦网络之间。其中，去耦网络则可以是上述任一实施例的去耦网络。
一些实施例中，天线装置60的多个天线单元可以是图8至图11所示的四元直线阵，即，具有四个沿直线排列的天线单元10a、20a、10b和20b。
具体地，结合图12，该天线装置60包括依次叠层设置的第一基板61、第二基板62、第三基板63和射频芯片64，以及形成在第一基板61上的多个天线单元(图11仅示出两个天线单元10a、20a)，形成在第一基板61和第三基板63上的多个金属层661-668(其中，金属层665为接地层665)、穿设在第三基板63和第二基板62内的多根馈线以及设置在第三基板63内的多个去耦网络(例如，第一去耦网络30和第二去耦网络30’)以及连接在他们之间的第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦传输线313a。其中，多根馈线、多个去耦网络以及多个天线单元一一对应。馈线用于将对应的天线单元10a、20a、去耦网络与射频芯片64连接。第一去耦网络30和第二去耦网络30’以及连接在他们之间的第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦传输线313a则用于将相邻的天线单元10a、20a对应的第一去耦网络30和第二去耦网络30’连接在一起，用以抵消天线单元10a、20a之间的耦合。可以理解地，天线装置60还可以包括其他信号传输线。
天线单元10a、20a用于收发射频信号。如图12所示，两个天线单元10a、20a相互间隔设置。天线单元10a、20a为双层贴片天线，包括相互隔离且一一对应的表层辐射片11a、21a和内层辐射片12a、22a。
第一基板61包括相对设置的第一外表面611和第一内表面612。表层辐射片11a、21a设置在第一外表面611，内层辐射片12a、22a设置在第一内表面612。通过第一基板61将内层辐射片12a、22a和表层辐射片11a、21a隔离，使得表层辐射片11a、21a和内层辐射片12a、22a之间间隔一定的距离，从而满足天线频段的性能要求。表层辐射片11a、21a和内层辐射片12a、22a在第一基板61的垂直投影至少部分重合。
第一基板61可以由诸如环氧树脂的热固性树脂、诸如聚酰亚胺树脂的热塑性树脂、包括诸如玻璃纤维(或玻璃布，或玻璃织物)和/或无机填料的增强材料以及热固性树脂和热塑性树脂的绝缘材料(例如，半固化片、ABF(Ajinomoto Build-up Film)、感光电介质(PID)等)制成。然而，第一基板61的材料不限于此。也就是说，玻璃板或陶瓷板也可用作第一基板61的材料。可选地，具有低的介电损耗的液晶聚合物(LCP)也可用作第一基板61的材料，以减小信号损耗。
在一些实施例中，第一基板61可以是半固化片，如图12所示，第一基板61包括叠设的三层半固化片。第一基板61的三层半固化片中，相邻的半固化片之间分别设有金属层662和663。第一基板61的第一外表面还设有金属层661，该金属层661与表层辐射片11a、21a位于同一层，且相互绝缘。第一基板61的第一内表面612设有金属层664，该金属层664与内层辐射片12a、22a位于同一层，且相互绝缘。金属层661、662、663和664可以由金属铜、铝、银、锡、金、镍、铅、钛或他们的合金等导电材料制成。本实施例中，金属层661、662、663和664均为铜层。
金属层661的设置使得第一基板61的第一外表面611的铺铜率与第一基板61的其他半固化片的表面的铺铜率差异减少，在第一基板61制造的过程中，铺铜率差异减少能够减少气泡的产生，从而提升第一基板61的制造良率。同理，金属层664的设置也使得第一基板61的第一内表面612的铺铜率与第一基板61的其他半固化片的表面的铺铜率差异减少，以减少第一基板61制造过程中气泡的产生，从而提升第一基板61的制造良率。
第一基板61上还设有贯穿第一内表面612和第一外表面611接地过孔613，以使不同的金属层661、662、663和664彼此连接，并进一步连接到接地层665。具体地，可以将导电材料完全填充接地过孔613，或者可以将导电材料沿着接地过孔613的孔壁形成导电层。其中，导电材料可以是铜、铝、银、锡、金、镍、铅、钛或他们的合金等。接地过孔613可以具有圆柱状、沙漏状或者锥体状等。
第二基板62包括第一侧表面621和第二侧表面622，其中，第一侧表面621叠设在第一基板61的第一内表面612上。第二基板62可以为PCB板的核层，由聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯等材料制成。第二基板62上设有贯穿第一侧表面621和第二侧表面622的接地过孔623和馈线过孔624。
接地层665夹设在第二基板62和第三基板63之间。接地层665上开设有馈线过孔665a。
第三基板63包括相对设置的第二外表面631和第二内表面632。第三基板63的第二内表面632叠设于第二基板62的第二侧表面622，接地层665夹设在第二侧表面622和第二内表面632之间。
第三基板63的形成材料可以与第一基板61的材料相同。在一些实施例中，第三基板63可以是半固化片，并为多层解耦股。如图11所示，第三基板63包括三层半固化片。第三基板63的三层半固化片中，相邻的半固化片之间设有金属层666和667，分别作为馈电网络和控制线布线层。第三基板63的第二外表面631上设有金属层668，金属层668与射频芯片64焊接在一起。其中，金属层666、667和668可以由金属铜、铝、银、锡、金、镍、铅、钛或他们的合金等导电材料制成。本实施例中，金属层666、667和668均为铜层。
第三基板63上开设有布线过孔。布线过孔包括接地过孔633，以使不同的金属层666、667和668彼此连接，并进一步连接到接地层665。布线过孔还包括供馈线穿过的馈线过孔634和供控制线穿过的信号过孔635等。与第一基板61上的接地过孔613类似，第三基板63上的布线过孔内可以完全填充导电材料，也可以在孔壁上形成导电层。各种布线过孔的形状可以是圆柱状、沙漏状或者锥体状。
射频芯片64设置在第三基板63远离接地层665的一侧，相当于前述实施例的馈源，例如第一馈源40和第二馈源40’。当有多个馈源时，多个馈源可以相同或不同。
馈线包括第一馈线65和第二馈线67。去耦网络30、30’分别连接在对应的第一馈线65和第二馈线67之间。第一馈线65的一端设置在第三基板63远离第二基板62的一侧以连接射频芯片64，另一端延伸至第三基板63内，即，穿过第三基板63的馈线过孔634以连接至去耦网络30。第二馈线67的一部分设置在第三基板67内以连接去耦网络30，另一部分贯穿第二基板，即，穿过第二基板62的馈线过孔624以将连接对应的天线单元10a。因此，射频芯片64、第一馈线65、去耦网络30、第二馈线67和天线单元10依次连接，实现了天线单元10和射频芯片64之间的信号传输。。馈线与各金属层，例如本实施例的金属层666、667、668以及接地层相互绝缘。
此外，第三基板63上还设有其他信号传输线，例如控制线68和电源线69等。如图12所示，电源线69设置在第三基板63的第二外表面631上，并焊接在射频芯片64上。控制线68设置在第三基板63靠近射频芯片64的半固化片和与其相邻的半固化片之间，并穿过半固化片上的信号过孔635而与射频芯片64连接。
此外，第三基板63还用于承载多个去耦网络以及连接在他们之间的第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦传输线313a。去耦网络可以是前述实任一实施例的去耦网络。第一去耦网络30的三端口网络31中的第一传输线311通过第一馈线连接至射频芯片64，四端口网络32的第三传输线323通过第二馈线67连接至对应的天线单元10a。
由于在天线装置的两个相邻天线单元10a和20a之间设置了第一去耦网络30和第二去耦网络30’，并且第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦传输线313a在第一去耦网络30和第二去耦网络30’之间连接，因此从射频芯片64发出的信号输入三端口网络31之后，一部分输入至四端口网络32，另一部分经第三去耦传输线传输至第二去耦网络30’以到达相邻的天线单元20a。输入至四端口网络32的信号的一部分经第三传输线323a传输至天线单元的内层辐射片12a，另一部分经第一去耦传输线33a和第二去耦传输线34a传输至第二去耦网络30’以到达相邻的天线单元20a，从而抵消两个天线单元10a、20a之间的耦合。
两个天线单元10a、20a之间的耦合度可以通过三端口网络和四端口网络的散射参数和第一、第二及第三去耦传输线313a、33a、34a的长度来进行定义。
具体地，如上述阵列天线的实施例，本实施例的天线装置60的去耦网络中，三端口网络的第三去耦传输线313a的长度d5以及三端口网络的S参数以及预设耦合度满足以下关系：
Figure BDA0002488823930000151
Figure BDA0002488823930000152
其中，改预设耦合度是在第一频段内的预设耦合度。
天线装置60去耦网络中，四端口网络32的第一去耦传输线33a和第二去耦传输线34a的长度d3与d4，四端口网络32的S参数，以及预设耦合度满足以下关系：
Figure BDA0002488823930000153
其中，该预设耦合度是在第二频段内的预设耦合度。
一些实施例中，三端口网络中的去耦传输线313a的长度和功分器的功分比配置为使两个天线单元10a、20a之间在第一频段的耦合度置零。进一步地，可以将四端口网络32中的第一去耦传输线33a和第二去耦传输线34a的长度d3与d4和四端口网络32的S参数配置为使两个天线单元10a、20a之间在第二频段的耦合度D1置零。
一些实施例中，第三去耦传输线313a的长度和功分器的功分比根据两个天线单元10a、20a之间的初始隔离度来进行配置。具体地，三端口网络的功分比根据初始隔离度的强度来进行配置，第三去耦传输线313a的长度则根据初始隔离度的相位来进行配置，具体参见前述关系式(21)和(22)。
进一步地，在一些实施例中，在将两个天线单元10a、20a之间在第二频段的耦合度D1置零的情况下，再根据两个天线单元10a、20a之间的初始隔离度S’12计算出所需定向耦合器的耦合度D，具体参见前述的公式(46)。
一些实施例中，还能够根据去耦前隔离度的相位φ21计算出第一去耦传输线33a和第二去耦传输线34a的长度d3与d4，具体参见前述的公式(47)。
可以理解地，由于第二去耦网络30’可以与第一去耦网络30相同，因此第二去耦网络30’的传输线的长度可与第一去耦网络30中的传输线的长度相同。
一些实施例中，功分器的功分比具体可以通过配置第二传输线312a和第三去耦传输线313a的特性阻抗来实现。例如，第二传输线312a的特性阻抗Z’0与第一传输线311a的特性阻抗Z6以及功分比(初始隔离度的强度S’12)满足上述关系式(23)。第三去耦传输线313a的特性阻抗Z5与第一传输线311a的特性阻抗Z6以及功分比(即初始隔离度的强度S’12)满足上述关系式(24)。
一些实施例中，由于四端口网络的第二传输线322a与三端口网络的第二传输线312a同为一根传输线，通过三端口网络31可以计算出第二传输线312a(322a)的特性阻抗Z’0之后，四端口网络的第二传输线322a的特性阻抗Z0即可根据Z0＝Z’0得知。四端口网络的第三、第四、第五传输线的特性阻抗均配置为Z’0。根据所计算出的定向耦合器的耦合度D，就能够确定定向耦合器各枝节的特性阻抗，也就是：第六传输线326和第八传输线328的特性阻抗Z1，以及第七传输线327和第九传输线329的特性阻抗Z2，具体参见前述的公式(24)和(25)。
如上述天线阵列的实施例所述，可以通过配置传输线的线宽来使传输线的特性阻抗满足要求。例如，例如，第二传输线312a(322a)的线宽配置为使第二传输线312a(322a)满足上述所需的特性阻抗Z’0。第三去耦传输线313a的线宽配置为使第三去耦传输线313a满足上述所需的特性阻抗Z5。第二传输线322、第三传输线323、第四传输线324、第五传输线325、第一去耦传输线33a和第二去耦传输线34a的线宽配置为使其特性阻抗满足上述特性阻抗Z0。第六传输线326和第八传输线328的线宽配置为使其特性阻抗满足上述特性阻抗Z1。第七传输线327和第九传输线329的线宽配置为使其特性阻抗满足上述特性阻抗Z2。
第一去耦网络30、第二去耦网络30’、第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦传输线313a均可以设置在第三基板63的同一层上，例如，第三基板63靠近射频芯片64的半固化片上或者位于中间的半固化片上。图12所示的第一去耦网络30与去耦传输线33a设置在第三基板63位于中间的半固化片上，即，与金属层666同层。第一去耦网络30的传输线和第一、第二、第三去耦传输线33a、34a、313a均在该层上延伸并形成图案。
因此，可以在金属层666所在层上形成长度满足上述所需长度的第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦传输线313a。其中，图12的截面中仅展示了第三去耦传输线313a，而第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a以及四端口网络32因与第三去耦传输线313a同层而未在该截面图中展示。可以理解地，相邻的天线单元10a、20a所对应的馈线之间的直线距离较小时，第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦传输线313a可以形成弯折的图案，以满足长度的要求，如图8-图11所示的第一去耦传输线33a和第二去耦传输线34a均形成弯折的图案。在其他一些实施例中，第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦传输线313a也可以呈弯曲的图案。
一些实施例中，第一去耦传输线33a朝远离所述第二去耦传输线34a的方向弯曲或弯折。第二去耦传输线34a朝远离第一去耦传输线33a的方向弯曲或弯折(如图9所示)。另一些实施例中，第一去耦传输线33a朝远离所述第二去耦传输线34a的方向弯曲或弯折。第二去耦传输线34a的两端部朝所述第三去耦传输线313a的方向延伸，中部朝远离所述第三去耦传输线313a的方向弯曲或弯折(如图10所示)。
第一去耦网络30和第二去耦网络30’以及连接在他们之间的第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦传输线313a与表层辐射片11a、21a和内层辐射片12a、22a位于不同的层。如图12所示，三端口网络31和四端口网络32以及连接在他们之间的第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦传输线313a设置在天线单元10a、20a的下方，例如第三基板63内。图12所示的第一去耦网络31和第二去耦网络31’以及连接在他们之间的第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a、第三去耦连接线313a与金属层666位于同一层，即，设置在第三基板63的最靠近接地层665的半固化片及其相邻的半固化片之间。可以理解地，在其他一些实施例中，第一去耦网络30和第二去耦网络30’以及连接在他们之间的第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a、第三去耦连接线313a也可以与金属层667或者668同层。第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦连接线313a各自均可以分布在不同的层，例如，第一去耦传输线33a与去耦网络连接的一部分分布与去耦网络相同的层(例如金属层666)，另一部分通过过孔而分布在金属层667所在层；或者，另一部分通过过孔分布在金属层667所在层，或者进一步穿过过孔而分布在金属层668所在层。
在一些实施例中，去耦传输线上还可以设置枝节。举例而言，如图9所示的第三去耦传输线313a上设置有朝第二去耦传输线34a凸出的第一枝节351，第一枝节351包括相互连接的第一部和第二部以使其呈L形，其中，第一部垂直第三去耦传输线313,第二部平行所述第三去耦传输线313；第二去耦传输线34a上设置有朝第三去耦传输线313a凸出的第二枝节352,第二枝节352垂直于第二去耦传输线34a。其中，第一枝节351和第二枝节352分别设置在高频和低频的传输零点电流反向的位置，可以将高低频传输零点间的距离拉大，因而可以展宽网络的传输带宽。可以理解地，当采用不同去耦网络时，第一枝节351和第二枝节352的形状、位置和尺寸均可不同，具体根据实际采用的网络的特性进行设置。
如图10所示的第三去耦传输线313a上设置背向第二去耦传输线34a的第三枝节353，即，第三枝节353朝远离第二去耦传输线34a的方向延伸。第三枝节353垂直于第三去耦传输线313a，使得第三去耦传输线313a整体呈T型结构。该第三枝节353可以调节阻抗匹配。在其它一些实施例中，枝节可以具有不同的形状和朝向，如图11所示，第三去耦传输线313a上设置有朝第二去耦传输线34a凸出的L型枝节354。枝节的形状和朝向可以根据枝节的作用和网络的特性进行设置。
此外四端口网络32中还包括开路枝节354,图9所示的实施例中，开路枝节354形成在第二传输线322、第三传输线323、第四传输线324和第五传输线325围成的方形的四个角内。开路枝节354是具有自由端的枝节，该自由端在实际应用中不与其他传输线连接，从而不将电流/信号进行传输；而所述的定向耦合器各枝节的两端则在实际应用中会与其他传输线连接，以进行电流/信号的传输。在一些实施例中，开路枝节354可以包括连接线3541和连接在连接线3541末端的方形块3542(如图10所示)。在其他实施例中，所述开路枝节354形状、位置和尺寸均可不同，具体可根据实际采用的网络的特性进行设置。
以上针对两个天线单元10a和20a、第一去耦网络30和第二去耦网络30’以及第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦传输线313a进行了介绍。然而，容易理解的是，还可以为天线单元20a和10b以及天线单元10b和20b同样地设置本申请的去耦结构。可为天线单元20a和10b设置第三去耦网络35和第四去耦网络35’以及连接在第三去耦网络35和第四去耦网络35’之间的第一去耦传输线33’、第二去耦传输线34’和第三去耦传输线313’；该第三去耦网络35可与上述的第一去耦网络31相同或相类似，该第四去耦网络35’可与上述的第二去耦网络31’相同或相类似；第一去耦传输线33a’、第二去耦传输线34a’和第三去耦传输线313a’也可以与上述第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦传输线313a相同或相类似。另外，所述第二去耦网络31’和所述第三去耦网络35可共用部分传输线，例如共用第二去耦网络31’的第一传输线311’、第二传输线312’和第五传输线315’(参见图10)。
当采用如图8至图11所示的三个以上的天线单元时，这些去耦网络和去耦传输线也可以分布在不同的层。例如，第一去耦网络30和第二去耦网络30’以及连接在他们之间的去耦传输线33a可分布在图12所示的金属层666所在层，而第三去耦网络35和第四去耦网络35’以及连接在第三去耦网络35和第四去耦网络35’之间的去耦传输线33a’可分布在图8所示的金属层667所在层。
参见图13，其是本申请另一实施例的天线装置的示意图。在此实施例的天线装置60中，可将例如手机的中框42的顶端部分通过缝隙44分割为两段，这两段可分别作为第一天线10a和第二天线20a。该中框42中可设置一电路板43，本申请上述的第一去耦网络30和第二去耦网络30’以及第一去耦传输线33a、第二去耦传输线34a和第三去耦传输线313a(参见图4)可布置在该电路板43上。第一馈源40和第二馈源40’可与该电路板43连接，该电路板43又与该第一天线10a和第二天线20a连接。缝隙44通常可非居中设置，例如靠近中框42的左侧或右侧设置。
本实施例以如图8和图9所示的四元直线阵进行去耦设计作为示例，该四元直线阵的中心工作频率为28GHz。在此指出，根据3GPP TS 38.101协议的规定，处在24.25GHz至52.6GHz之间的频率通常称为毫米波(mm Wave)；因此，本申请提出的去耦结构可为一种毫米波阵列天线去耦结构。在进行去耦设计前，该四元直线阵的反射系数如图14所示。
图15为连接去耦网络前后，本申请实施例的天线装置中的天线单元的反射系数的比对曲线。由图15可见：受耦合效应影响，去耦前阵中单元的-10dB工作带宽为26.68GHz～29.78GHz，-6dB工作带宽为25.57GHz～29.94GHz；去耦后-6dB工作带宽为22.74GHz～30.38GHz，工作带宽展宽，显著改善了天线的匹配特性。
图16为连接去耦网络前后，本申请实施例的天线装置中的两个天线单元间的耦合强度的比对曲线。由图16可见：在25.3GHz～29.1GHz频段内，耦合系数较之前均有所降低，实现了宽带互耦抑制；在频率25.9GHz处，受耦合效应影响，去耦前天线单元间的耦合系数为-11.5dB，去耦后天线的耦合系数降低了7dB，有效抑制了单元间的耦合效应。
图17-图19分别为连接去耦网络前后波束扫描至0°、45°与50°时，本申请实施例的天线装置的增益扫频比对曲线。根据图17，波束指向0°时，在24.4GHz～30GHz频率范围内，去耦前后增益基本一致。根据图18，波束指向45°时，在24.4GHz～29.4GHz频率范围内，去耦后增益较去耦前均有所提升，在25.7GHz增益提升最大值为1.24dB。根据图19，波束指向50°时，在24.4GHz～29.4GHz频率范围内,去耦后增益较去耦前均有所提升，在25.8GHz增益提升最大值为1.44dB，显著提升了阵列天线的辐射能力。
综上所述，本申请的天线装置，在天线单元下方引入去耦网络(五端口网络)的概念，五端口网络则包括逐级设计和逐级连接的三端口网络和四端口网络，三端口网络和四端口网络级联实现去耦和带宽展宽。本申请无需改变阵列天线单元的结构，只需对第一去耦传输线33、第二去耦传输线34和第三去耦传输线313的长度d3、d4和d5以及三端口网络31的S参数和四端口网络32的S参数进行配置，即可调节天线单元10、20之间在第一频段和第二频段的耦合度，即能降低天线单元间的互耦，拓展扫描角，提升扫描增益。另外，还能依据去耦前隔离度的幅度计算出功分器的功分比和定向耦合器的耦合度，再依据公式确定功分器各枝节的特性阻抗，进而确定定向耦合器各枝节的特性阻抗，从而能够计算出对应特性阻抗的传输线的线宽，以便制作出对应的功分器和定向耦合器。基于此方法，可以提高多天线系统的隔离度。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (20)

1.一种天线装置，其特征在于，包括：
多个间隔设置的天线单元；
多个去耦网络，与所述多个天线单元一一对应，其中，每个所述去耦网络均具有输入端口、输出端口、第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口；所述输出端口与对应的天线单元之间连接，所述输入端口用于与射频芯片连接；
第一去耦传输线，连接在相邻的所述去耦网络的第一连接端口之间；
第二去耦传输线，连接在相邻的所述去耦网络的第二连接端口之间；以及
第三去耦传输线，连接在相邻的所述去耦网络的第三连接端口之间。
2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，每个所述去耦网络均包括相互连接的三端口网络和四端口网络；
所述三端口网络包括第一传输线和第二传输线；所述第一传输线的一端形成所述输入端口，所述第一传输线的另一端与所述第二传输线的一端连接，并在连接处形成所述第三连接端口，所述第二传输线的另一端与所述四端口网络连接。
3.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，相邻的所述天线单元之间在第一频段的耦合度根据所述第三去耦传输线的长度和所述天线单元对应的去耦网络中的三端口网络的散射参数来确定。
4.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，相邻的所述天线单元之间在第一频段的耦合度与所述第三去耦传输线的长度和所述天线单元对应的所述去耦网络中的三端口网络的散射参数之间满足以下关系：
Figure FDA0002488823920000011
其中，S’12为相邻的所述天线单元之间的初始隔离度的强度，所述初始隔离度为相邻的所述天线单元未连接所述去耦网络时的隔离度；所述S16和S15为所述三端口网络的散射参数；d5为所述第三去耦传输线的长度，k为波数，e为自然常数，j为虚数的表示符号。
5.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，定义相邻的所述天线单元未连接所述去耦网络时的隔离度为初始隔离度；
所述第一传输线、所述第二传输线和所述第三去耦传输线形成功分器；
所述功分器的功分比与所述初始隔离度的强度，以及所述第三去耦传输线的长度与所述初始隔离度的相位满足以下关系：
Figure FDA0002488823920000012
其中，S’12为所述初始隔离度的强度；S15和S16为所述天线单元对应的去耦网络中的三端口网络的散射参数；
Figure FDA0002488823920000013
为所述功分比；φ'12为所述初始隔离度的相位；d5为去耦传输线的长度，k为波数。
6.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，所述四端口网络为定向耦合器，所述定向耦合器包括：
定向耦合器主体，和
四条传输线，连接在所述定向耦合器主体上；其中，所述定向耦合器与所述三端口网络共用所述第二传输线；所述四条传输线包括所述第二传输线、第三传输线、第四传输线和第五传输线；所述第三传输线的一端连接所述定向耦合器主体，另一端形成所述输出端口；所述第四传输线的一端连接所述定向耦合器主体，另一端形成所述第一连接端口；所述第五传输线的一端连接所述定向耦合器主体，另一端形成所述第二连接端口。
7.根据权利要求6所述的天线装置，其特征在于，相邻的所述天线单元之间在第二频段的耦合度根据所述第一去耦传输线的第一长度、所述第二去耦传输线的第二长度以及所述第一去耦网络与第二去耦网络的散射参数来确定。
8.根据权利要求6所述的天线装置，其特征在于，所述定向耦合器主体包括首尾顺次连接的第六传输线、第七传输线、第八传输线和第九传输线以围成方形。
9.根据权利要求8所述的天线装置，其特征在于，定义所述四端口网络的耦合度为D，定义相邻的所述天线单元之间未连接所述去耦网络时的隔离度的强度为S’12，这些参数之间满足以下关系：
Figure FDA0002488823920000021
10.根据权利要求9所述的天线装置，其特征在于，所述第六传输线和所述第八传输线的特性阻抗为Z1，所述第七传输线和所述第九传输线的特性阻抗为Z2，所述第一去耦传输线和所述第二去耦传输线的特性阻抗均为Z0；其中，所述四端口网络的耦合度D与Z0、Z1和Z2满足以下关系：
Figure FDA0002488823920000022
Figure FDA0002488823920000023
其中，h为阻抗变换因子。
11.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，还包括依次叠层设置的第一基板、第二基板、接地层以及第三基板；所述多个天线单元设置在所述第一基板上；所述多个去耦网络设置在所述第三基板内。
12.根据权利要求11所述的天线装置，其特征在于，所述第三基板为多层结构，所述去耦网络设置在所述第三基板的一层上；所述第一去耦传输线、所述第二去耦传输线和所述第三去耦传输线均设置在该层上。
13.根据权利要求12所述的天线装置，其特征在于，所述第一去耦传输线朝远离所述第二去耦传输线的方向弯曲或弯折；所述第二去耦传输线朝远离所述第一去耦传输线的方向弯曲或弯折。
14.根据权利要求13所述的天线装置，其特征在于，所述第三去耦传输线上设置有朝向所述第二去耦传输线的第一枝节，所述第一枝节包括相互连接的第一部和第二部，所述第一部垂直于所述第三去耦传输线，所述第二部平行所述第三去耦传输线；
所述第二去耦传输线上设置有朝向所述第三去耦传输线的第二枝节，所述第二枝节垂直于所述第二去耦传输线。
15.根据权利要求12所述的天线装置，其特征在于，所述第一去耦传输线朝远离所述第二去耦传输线的方向弯曲或弯折；所述第二去耦传输线的两端部朝所述第三去耦传输线的方向延伸，中部朝远离所述第三去耦传输线的方向弯曲或弯折。
16.根据权利要求15所述的天线装置，其特征在于，所述第三去耦传输线上设置有背向所述第二去耦传输线的第三枝节，所述第三枝节垂直于所述第三去耦传输线。
17.根据权利要求11所述的天线装置，其特征在于，每个天线单元均包括相互隔离且对应设置的表层辐射片和内层辐射片，所述表层辐射片设置在所述第一基板远离所述第二基板的表面，所述内层辐射片设置在所述第一基板靠近所述第二基板的表面。
18.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述多个天线单元具有相同的辐射特性；所述多个去耦网络配置为具有相同的散射参数。
19.一种电子设备，其特征在于，包括：
壳体，
显示屏组件，与所述壳体连接，并与所述壳体形成容置空间；
射频芯片，设置在所述容置空间内；以及
天线装置，至少部分设置在所述容置空间内，所述天线装置包括：
多个间隔设置的天线单元；
多个去耦网络，与所述多个天线单元一一对应，其中，每个去耦网络均具有输入端口、输出端口、第一连接端口、第二连接端口和第三连接端口；所述输出端口与对应的天线单元连接，所述输入端口用于与所述射频芯片连接；
第一去耦传输线，连接在相邻的所述去耦网络的第一连接端口之间；
第二去耦传输线，连接在相邻的所述去耦网络的第二连接端口之间；以及
第三去耦传输线，连接在相邻的所述去耦网络的第三连接端口之间。
20.根据权利要求19所述的电子设备，其特征在于，所述天线装置还包括依次叠层设置的第一基板、第二基板、接地层以及第三基板；所述多个天线单元设置在所述第一基板上；所述多个去耦网络设置在所述第三基板内；所述射频芯片设置在所述第三基板远离所述接地层的一侧。
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