CN113795981A - 用于无线通信系统的天线元件和天线阵列 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的示例方面，提供一种用于天线阵列的天线元件，包括传输线和天线，其中，传输线的一端耦接到天线阵列的基板，以及传输线的另一端耦接到天线，以及传输线的第一部分相较于传输线的第二部分弯曲大约90度，以及传输线和天线位于单个柔性膜上或者位于单个柔性膜中。
Description
技术领域
一般而言，本发明的实施例涉及用于无线通信系统的天线元件以及天线阵列。
背景技术
通过利用天线阵列在无线信道上进行发射和/或接收，可以增强无线通信系统的性能。如果天线阵列被用于发射和接收两者，则系统可以被称为多输入多输出MIMO系统。随着对于无线通信的需求的增加，MIMO的使用甚至变得比以前更加重要。例如，第三代合作伙伴项目3GPP开发了5G技术(其也可以被称为新空口、NR、无线接入技术)，并且考虑对于该技术使用MIMO。也可以在其他蜂窝网络中以及也在诸如例如无线局域网WLAN的若干其他无线通信网络中采用类似的增强。因此，预期在将来MIMO的使用有所增加。然而，当前天线阵列较重并且制造昂贵。因此，需要提供制造低廉的轻量型天线阵列。
发明内容
根据某些方面，提供独立权利要求的主题。在从属权利要求中限定一些实施例。
根据本发明的第一方面，提供一种用于天线阵列的天线元件，包括传输线和天线，其中，传输线的一端耦接到天线阵列的基板，以及传输线的另一端耦接到天线，以及传输线的第一部分相较于传输线的第二部分弯曲大约90度，以及传输线和天线位于单个柔性膜上或者位于单个柔性膜中。
根据本发明的第一方面，天线元件还可包括在天线阵列的基板与天线之间的支撑元件的至少一部分，其中传输线可以沿着支撑元件的该部分的一侧弯曲。
根据本发明的第一方面，单个柔性膜可以由塑料制成。
根据本发明的第一方面，单个柔性膜可以包括开口，以及传输线被布置为穿过开口。
根据本发明的第一方面，单个柔性膜可以由聚对苯二甲酸乙二醇酯PET材料制成。
根据本发明的第一方面，单个柔性膜的厚度可约为50微米或更小，例如25微米。
根据本发明的第一方面，天线可以是偶极子天线。
根据本发明的第一方面，天线和基板可以彼此相距一距离，该距离优选地与波长的四分之一可比较。
根据本发明的第一方面，传输线可以包括铜或银浆。
根据本发明的第一方面，天线元件还可包括与天线并联的寄生元件。
根据本发明的第二方面，天线阵列可以包括根据第一方面的多个天线元件。
根据本发明的第三方面，无线网络节点可以包括根据第二方面的天线阵列。在一些实施例中，无线网络节点可以是被配置为根据第三代合作伙伴项目3GPP标准进行操作的基站。此外，3GPP标准可以是5G标准。
附图说明
图1示出根据本发明的至少一些实施例的示例性天线元件；
图2a示出根据本发明的至少一些实施例的两个天线元件的第一示例；
图2b示出根据本发明的至少一些实施例的两个天线元件的第二示例；
图3a示出根据本发明的至少一些实施例的两个天线元件的第三示例；
图3b示出根据本发明的至少一些实施例的两个天线元件的第四示例；
图4a示出根据本发明的至少一些实施例的、包括8*8天线元件的天线阵列的第一示例；
图4b示出根据本发明的至少一些实施例的、包括8*8天线元件的天线阵列的第二示例。
具体实施方式
本发明的一些实施例涉及天线阵列的天线元件。更具体地，天线元件的传输线和天线可以位于单个柔性膜(诸如50或25微米厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯PET材料)上或位于该单个柔性膜中。传输线以及可能天线的一部分可以朝向天线阵列的基板向下弯曲90度，并且耦接到基板。因此，传输线的一端可以耦接到诸如偶极子天线或者交叉偶极子之类的天线，而传输线的另一端可以耦接到天线阵列的基板，从而实现天线元件的操作。同时，由于单个柔性膜的使用，天线元件和天线阵列可以是轻量型且制造低廉的。
根据本发明的一些实施例，所述传输线的一端可以使用实体连接(例如电流连接)耦接到天线。类似地，所述传输线的另一端可以使用实体连接耦接到天线阵列的基板。例如，所述传输线的另一端可以耦接到基板上的馈线。因此，根据本发明的至少一些实施例，耦接可以不是电容性的或电感性的。
本发明的实施例可以使用在诸如在5G的情境(即，5G新空口NR，5G网络)中的各种无线通信网络中，也可以用于未来的蜂窝网络。尽管如此，本发明的实施例不限于蜂窝网络，并且可在任何无线系统中使用本发明的实施例。
例如，无线通信网络可以包括一个或多个无线终端、基站、中继节点和/或核心网元。无线终端可以经由空口连接到基站和/或中继节点。然后，天线元件和/或天线阵列可以用于使用无线接入技术RAT通过空口来执行无线通信。在蜂窝网络的情况下，RAT可以例如是长期演进LTE、新空口NR或者MulteFire。在非蜂窝网络的情况下，RAT可以是例如无线无线域网WLAN。
使用NR作为蜂窝RAT的示例，基站可以被称为gNB，而无线终端可以被称为用户设备UE。在WLAN的情况下，基站可以被称为接入点。一般来说，基站、中继节点和接入点可以被称为无线网络节点。在任何情况下，本发明的实施例不限于任何特定无线技术。相反，可以在任何无线通信网络中使用本发明的实施例，其中，天线元件和/或天线阵列用于无线通信。
预期天线阵列的使用在各种无线通信系统中有所增加。例如，可以在5G/NR BS中使用大规模多输入多输出MIMO系统。因此，天线阵列的天线元件应当是制造低廉的并且优选地也是轻量型的。因此，本发明的实施例提供了一种用于天线阵列的天线元件，其中天线和天线元件的传输线可以被制造在单个柔性膜上。单个柔性膜可以较薄。例如，单个柔性膜可以由PET材料制成。在本发明的实施例中，单个柔性膜的厚度不是关键的，但是为了保证柔性，单个柔性膜的厚度可以是50微米或更小。例如，可以使用25微米的厚度或者有利于将传输线弯曲90度的任何其他厚度。尽管PET膜成本较低廉，但单个柔性膜的材料可以是任何低损耗RF材料(例如聚酰亚胺)。支撑材料可能略微地影响天线特性，因此在天线设计中应予以考虑。
天线元件可以包括用于将天线(例如偶极子天线)连接到天线阵列的基板的传输线。在一些实施例中，传输线可使用铜蚀刻或银浆辊对辊印刷来制作。也就是说，传输线可以由铜或银制成。
在本发明的一些实施例中，传输线可以例如通过使用冲压工具而部分地与单个柔性膜分开，然后向下弯曲90度。因而，传输线可以从一端耦接或连接到天线，并且可以从另一端耦接或连接到天线阵列的基板。
在本发明的一些实施例中，线对(pair line)阻抗可约为150欧姆，天线阵列的基板与天线之间具有0.2mm间隙。在一些实施例中，可以使用曲流线来调整传输线的长度。当传输线的长度是180度时，天线输入阻抗恢复到原始值。传输线的长度是设计问题，可以选择传输线的长度以便在天线阵列的基板上易于进行阻抗匹配。
在本发明的一些实施例中，天线元件或天线阵列可需要天线阵列的基板与一个或多个天线之间的支撑元件。可以使用3D打印机来制造支撑元件或其一部分。可替换地，支撑元件或其一部分可以由诸如
的轻型散装材料(相对介电常数接近于1)来成型。
关于天线元件，图1示出根据本发明的至少一些实施例的示例性天线元件。天线元件100可以用于天线阵列(在图1中未示出)。在一些实施例中，示例性单个天线元件100是线极化的。图1的示例性天线元件100可以在单个柔性膜120上包括诸如偶极子天线之类的天线110。天线110可以在地面上方并且在天线阵列的基板上方。
单个柔性膜120可以是塑料膜，诸如PET膜。在一些实施例中，单个柔性膜120的厚度典型地可以是50微米或更小，诸如25微米。图1的示例性天线元件100还可以包括位于单个柔性膜120上或位于单个柔性膜120中的传输线130(例如曲流线)。传输线130可以包括第一部分132和第二部分134。因此，在一些实施例中，第一部分132可以位于单个柔性膜上或位于单个柔性膜中，第二部分134可以位于单个柔性膜上或位于单个柔性膜中。
此外，在一些实施例中，在有或没有匹配元件(多个)140和/或支撑元件或支撑元件150的至少一部分的情况下，图1的示例性天线元件100都可以包括馈线。在一些实施例中，例如在双频带天线或增强的单频带带宽的情况下，图1的示例性天线100元件还可以包括寄生元件160。另一方面，当能够在没有寄生元件160的情况下获取单频带天线的目标带宽时，该元件可能不是有利的，即，在单频带天线天线的情况下，示例性天线元件100可以包括寄生元件160，或可以不包括寄生元件160。例如，寄生元件160可以在更高频段上添加谐振。因此，寄生元件160是可选的。
在本发明的一些实施例中，传输线130的一端(诸如与传输线130的第二部分134相关联的一端)可以耦接或连接到天线阵列的基板(在图1中未示出)。传输线的另一端(诸如与传输线130的第一部分132相关联的一端)可以耦接或连接到天线110。如图1中所示，传输线130的第一部分132与传输线的第二部分134相比较可以弯曲大约90度。
在一些实施例中，支撑元件150或支撑元件150的至少一部分可以位于天线阵列的基板与天线110之间。在这样的情况下，传输线130可以沿着支撑元件150或者支撑元件150的一部分的一侧弯曲。也就是说，传输线130可以在支撑元件150或者支撑元件150的一部分的边缘之上弯曲。
在图1中，H表示示例性天线元件100的高度，L表示示例性天线元件100的长度，W表示示例性天线元件100的宽度。由于天线的尺寸取决于操作频率，所以可以使用电子尺寸(即，相对于波长)来定义天线尺寸。例如，对于反射基上的偶极子天线元件，为了最优带宽和辐射效率，在中心频率，L可以接近波长的一半，H可以接近该波长的四分之一(例如，在3.5GHz，L～40mm并且H～20mm)。通过天线(偶极子)宽度和可能的寄生元件来确定最小W。所述距离也可以被称为间隙。在一些实施例中，可以利用支撑元件150来填充该间隙。
图2a和2b分别示出根据本发明的至少一些实施例的两个天线元件的第一和第二示例。在图2a和2b中，通过210a来表示第一天线，通过210b来表示第二天线，而通过230a来表示连接或耦接到第一天线210a的第一传输线，通过230b来表示连接或耦接到第二天线210b的第二传输线。第一天线210a和第二天线210b可以对应于图3的天线210，第一传输线230a和第二传输线230b可以对应于图1的传输线130。此外，在图2b中，示出了第一馈线240a和第二馈线240b。第一馈线240a和第二馈线240b可以对应于图1的馈线140。
在图2a和2b中，通过260a来表示第一寄生元件，通过260b来表示第二寄生元件。第一寄生元件260a和第二寄生元件260b可以对应于图1的寄生元件160。类似于在图1的示例性天线元件的情况中，第一寄生元件260a和第二寄生元件260b是可选的，例如可以用于带宽增强或双频带天线的情况中。
如图2a中所示，第一天线210a、第二天线210b、第一传输线230a和第二传输线230b可以位于单个柔性膜220上。单个柔性膜220可以对应于图1的单个柔性膜120。图2a描绘了传输线230a和230b不可弯曲的示例。
图2b描绘了示例，其中第一传输线230a的第一部分相较于第一传输线230a的第二部分可以弯曲大约90度。类似地，第二传输线230a的第一部分相较于第二传输线230a的第二部分可以弯曲大约90度。因此，第一传输线230a和第二传输线230b可以在弯曲之后连接或耦接到天线阵列的基板270。
最终匹配可以在天线阵列的基板270完成，或在某些情况下直接地附接于柔性膜上的传输线。可以使用分立组件(诸如电感器和电容器)或者分布式组件(诸如传输线)或两者的组合来完成匹配。例如，在本发明的一些实施例中，可以使用垂直于馈线140、240和240b的印刷的(刻蚀的)的单个微带线轴端来完成匹配。馈线本身也可以是匹配电路的一部分。因此，本发明的实施例实现简单且成本经济的制造。
图3a和3b分别示出根据本发明的至少一些实施例的两个天线元件的第三示例和第四示例。图3a的示例可以被称为冲压的天线膜或片的示例，而图3b的示例可以被称为弯曲的天线膜或片的示例。
类似于在图2a和2b中，在图3a和3b中，通过310a来表示第一天线，通过310b来表示第二天线，而通过330a来表示连接或耦接到第一天线310a的第一传输线，通过330b来表示连接或耦接到第二天线310b的第二传输线。第一天线310a和第二天线310b可以对应于图1的天线110，而第一传输线330a和第二传输线330b可以对应于图1的传输线130。在图3a中，也示出单个柔性膜320，并且该单个柔性膜可以对应于图1的单个柔性膜120。此外，在图3b中，示出了单个柔性片上的第一开口380a和第二开口380b。
图3a示出位于单个柔性膜320(即，片)上的第一偶极子天线310a、第二偶极子天线310b、第一传输线330a和第二传输线330b。单个柔性膜320可以被称为冲压的天线片。
然后，图3b示出当第一传输线330a的第一部分332a相较于第一传输线330b的第二部分334a弯曲90度时，位于单个柔性膜320(即，片)上的第一天线310a、第二天线310b、第一传输线330a和第二传输线330b。第二传输线330b的第一部分332b相较于第二传输线330b的第二部分334b也弯曲90度。如在图3b的示例中所示，单个柔性膜310b可以弯曲，并且第一传输线330a被布置为穿过过第一开口380a，而第二传输线330b被布置为穿过第二开口380b。
也就是说，例如，在弯曲之前，第一传输线330a的第一部分332a可以与第一传输线330a的第二部分334a位于同一水平，即，如在图3a的示例中所示的。同样，第一传输线330a可以在弯曲之前与天线310a位于同一水平。然而，如图3b中所示，在第一传输线330a的第一部分弯曲之后，其可以垂直于第一传输线330a的第二部分并且垂直于天线310a。
图4a和4b分别示出根据本发明的至少一些实施例的、包括8*8天线元件的天线阵列的第一和第二示例。尽管如此，但本发明的实施例通常可以用于包括任何数量的天线元件的天线阵列。例如，本发明的实施例可以用于包括128个天线元件的天线阵列(例如对于6GHz子频带，诸如对于单频带3.2–3.8GHz和双频带3.3–5.0GHz)。
在图4a和4b中，通过400来表示天线阵列、通过410来表示天线、通过420来表示单个柔性膜，通过430来表示传输线。天线410、单个柔性膜420和传输线430可以对应于图1的天线110、单个柔性膜120和传输线130。在图4b中，示出了基板470，并且基板470可以对应于图2的基板270。在图4b中，也示出了间隔物490。在一些实施例中，间隔物490可以被称为支撑元件。此外，间隔物490可以位于基板470与一个或多个天线410之间。在一些实施例中，间隔物490可能需要来保持单个膜420(即，天线膜的形式)。可以利用3D打印机来打印间隔物490。
因此，本发明的实施例提供了用于天线阵列的天线元件，其中，天线元件可以由低廉且轻量的材料制成。此外，本发明的实施例提供了适于大规模生产的天线元件和天线阵列。例如，如果单个柔性膜是镀铜的，则可以在该单个柔性膜上采用常规刻蚀工艺。另一方面，如果可以容忍一些金属损失，也可以采用辊对辊银版印刷。
尽管本发明的本质在于结构轻、生产成本低并且适合于大规模生产，但另一方面是连接天线元件和基板的传输线可以作为一对线印刷/蚀刻在作为天线的柔性片(即薄膜)的同一侧。此外，由于天线传输线图案可以仅仅在柔性片的一侧上，所以不需要像在两层或多层结构中那样进行打印的对准。这样的传输线的阻抗水平可以较高(～150欧姆)，而不是更方便的～50欧姆，但是当传输线是半波长长度时，天线输入阻抗接近原始阻抗。由于距离L约为波长的四分之一，所以可以通过线曲流来实现缺失的四分之一。另外，可以调谐线长度以使天线的其余部分在基板上(例如利用传输线轴端)调谐。在某些情况下，可以在天线片上进行匹配。
应当理解，公开的本发明的实施例不限于在本文公开的特定结构、处理步骤，或材料，而是如本领域技术人员所认识到的那样扩展到其等同物。还应当理解，在本文所采用的术语仅仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在进行限制。
在整个说明书中，提及一个实施例或实施例意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的不同地方出现的词语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必要地全部都指相同的实施例。在使用诸如像大约或基本上的术语来提及数值的情况下，也公开了精确的数值。
如在本文使用的，为了方便起见，多个项、结构元件、合成元件，和/或材料可以存在于常用列表中。然而，这些列表应当解释为列表的每个成员都被独立地识别为单独的且唯一的成员。因此，在没有相反指示的情况下，这样的列表上的任何单独成员都不应仅仅根据其在一个共同组中的呈现而被解释为事实上等同于同一列表上的任何其他成员。此外，本发明的各种实施例和示例连同其各种组件的替换方式可在本文中提及。应当理解，这样的实施例、示例和替换方式将不被解释为彼此的事实等同物，而应被视为本发明的独立和自主表示。
此外，可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式组合所描述的特征、结构或特性。在先前的说明中，提供许多具体细节，例如作为电尺寸(即，作为所使用的波长的函数)的长度和宽度、形状等的示例，以提供对本发明的实施例的彻底的理解。然而，本领域技术人员将认识到，本发明可以在没有一个或多个特定细节的情况下实施，或者使用其他方法、组件、材料等来实施。在其他的实例中，未详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作，以避免混淆本发明的各个方面。
尽管上文示例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但对于本领域普通技术人员来说，显而易见的是，在不使用创造性能力的情况下，可以对形式、用法和实现细节进行大量修改而不偏离本发明的原理和概念。因此，除了由以下所阐述的权利要求限制外，并不旨在对本发明进行限制。
在本文档中使用动词“包括”和“包含”作为开放性限制，其既不排除也不要求未叙述的特征的存在。除非另外有明确说明，否则在从属权利要求中叙述的特征可互相自由组合。此外，应当理解，在整个本文档中，“一”(即，单数形式)的使用不排除多个。
工业适用性
本发明的至少一些实施例在工业上应用于无线通信网络。无线通信网络的示例包括5G/NR和WLAN网络。例如，根据本发明的至少一些实施例的天线元件或天线阵列尤其适用于其中使用大规模MIMO的无线通信网络，例如尤其适用于5G BS中。
缩略语列表
3GPP 第三代合作伙伴项目
5G 第5代
LTE 长期演进
MIMO 多输入多输出
NR 新空口
PET 聚对苯二甲酸乙二醇酯
RAT 无线接入技术
RF 射频
UE 用户设备
WLAN 无线局域网
附图标记列表
Claims (14)
1.一种用于天线阵列的天线元件，包括：
—传输线和天线，其中，所述传输线的一端耦接到所述天线阵列的基板，所述传输线的另一端耦接到所述天线，以及所述传输线的第一部分相较于所述传输线的第二部分弯曲大约90度，以及所述传输线和所述天线位于单个柔性膜上或者位于所述单个柔性膜中。
2.根据权利要求1所述的天线元件，还包括在所述天线阵列的基板与所述天线之间的支撑元件的至少一部分，其中所述传输线沿着所述支撑元件的所述部分的一侧弯曲。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的天线元件，其中，所述单个柔性膜由塑料制成。
4.根据任何前述权利要求所述的天线元件，其中，所述单个柔性膜包括开口，以及所述传输线被布置为穿过所述开口。
5.根据任何前述权利要求所述的天线元件，其中，所述单个柔性膜由聚对苯二甲酸乙二醇酯PET材料制成。
6.根据任何前述权利要求所述的天线元件，其中，所述单个柔性膜的厚度约为50微米或更小，例如25微米。
7.根据任何前述权利要求所述的天线元件，其中，所述天线是偶极子天线。
8.根据任何前述权利要求所述的天线元件，其中，所述天线和所述基板彼此相距一距离，所述距离优选地与波长的四分之一可比较。
9.根据任何前述权利要求所述的天线元件，其中，所述传输线包括铜或银浆。
10.根据任何前述权利要求所述的天线元件，其中，所述天线元件还包括与所述天线并联的寄生元件。
11.一种天线阵列，包括多个根据任何前述权利要求所述的天线元件。
12.一种无线网络节点，包括根据权利要求11所述的天线阵列。
13.根据权利要求12所述的无线网络节点，其中，所述无线网络节点是基站，其被配置为根据第三代合作伙伴项目3GPP标准进行操作。
14.根据权利要求13所述的无线网络节点，其中，所述3GPP标准是5G标准。
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