CN114097140A - 连续波束控制天线结构 - Google Patents

Abstract

一种用于电子设备的波束控制天线结构(1)，所述波束控制天线结构(1)包括第一导电元件(2)和第一天线阵列(3)。所述第一天线阵列(3)用于进行以下操作中的至少一个：向所述电子设备的外部发射第一射频辐射波束(R1)和接收第一射频辐射波束(R1)。所述第一天线阵列(3)包括：第二导电元件(4)，所述第二导电元件(4)包括所述第一天线阵列(3)的主辐射体(4a)；以及多条第一传输线(5)，所述多条第一传输线(5)用于同时激励待在所述第一导电元件(2)与所述第二导电元件(4)之间传输的射频范围信号。所述传输线(5)在公共平面中延伸穿过位于所述第一导电元件(2)与所述第二导电元件(4)之间的非导电空间(6)。所述主辐射体(4a)布置为与外部直接接触。所述第二导电元件(4)不阻挡发射到所述电子设备的外部的射频辐射波束和从所述电子设备的外部接收的射频辐射波束，允许将所述辐射波束至少部分地控制任何期望的方向，使得可以在从波束控制天线结构的任何方向上获得足够的增益覆盖。

Description

连续波束控制天线结构

技术领域

本发明涉及一种用于电子设备的波束控制天线结构，所述波束控制天线结构包括第一导电元件和第一天线阵列，所述第一天线阵列用于进行以下操作中的至少一个：发射第一射频辐射波束和接收第一射频辐射波束。

背景技术

电子设备需要支持越来越多的无线信号技术，如2G/3G/4G无线。对于即将到来的5G无线技术，频率范围将从sub-6Ghz扩展到毫米波频率(例如20GHz以上)。对于毫米波频率，需要天线阵列，以形成具有较高增益的辐射波束，该辐射波束能克服传播介质中的较高路径损耗。但是，具有较高增益的辐射波束图案导致窄波束宽度，因此，使用例如相控天线阵列的波束控制技术来将波束控制特定的、期望的方向。

移动电子设备，例如移动电话和平板电脑，可以朝任意方向。因此，这样的电子设备需要表现出尽可能接近全球形波束覆盖。由于辐射波束被导电壳体、大显示器和/或被握持该设备的用户的手阻挡等，这种覆盖很难实现。

通常，毫米波天线阵列布置在显示器旁边，使得显示器不会干扰波束覆盖。但是，朝向覆盖尽可能多的电子设备的非常大的显示器移动会使得天线阵列可用空间非常有限，迫使天线阵列的大小显著减小，并且其性能受损，或者显示器的大部分不活动。

毫米波天线阵列的主辐射波束通常指向宽边方向，即垂直于电子设备的显示器，但是也可以指向端射方向，即平行于显示器。如果毫米波天线阵列放置在电子设备的后部，则宽边天线阵列可以形成垂直于显示器并朝向设备后部辐射的波束。但是，电子设备可以具有阻挡宽边辐射的金属后盖。类似地，端射天线阵列可以形成与显示器平行辐射的波束，从而提高波束方向覆盖。但是，电子设备可以具有围绕电子设备的边缘的金属框架，这将使端射辐射变形。

发明内容

目的是提供一种改进的电子设备。上述和其它目的通过独立权利要求请求保护的特征实现。其它实现方式从从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。

第一方面，提供了一种用于电子设备的波束控制天线结构。所述波束控制天线结构包括第一导电元件和第一天线阵列。所述第一天线阵列用于进行以下操作中的至少一个：向所述电子设备的外部发射第一射频辐射波束和接收第一射频辐射波束。所述第一天线阵列包括：第二导电元件，所述第二导电元件包括所述第一天线阵列的主辐射体；以及多个第一传输线，所述多条第一传输线用于同时激励待在所述第一导电元件与所述第二导电元件之间传输的射频范围信号。所述传输线在公共平面中延伸穿过位于所述第一导电元件与所述第二导电元件之间的非导电空间。所述主辐射体布置为与外部直接接触。

在这种方案中，所述第二导电元件不会阻挡发射到所述电子设备的外部的射频辐射波束和从所述电子设备的外部接收的射频辐射波束。这允许辐射波束至少部分地控制任何期望的方向，使得可以在从波束控制天线结构的任何方向上获得足够的增益覆盖，而不对波束控制天线结构的机械强度等产生负面影响。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二导电元件包括非穿孔的实心空间。这种解决方案允许第二导电元件中没有槽或切口。辐射直接从第二导电元件发射，能够实现端射波束成形，以及不受电子设备的框架等阻挡的全球面全覆盖。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二导电元件包括整体金属件，有助于形成连续且耐用的外部部件，例如金属框架。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述主辐射体不通过所述第二导电元件中的电介质填充的开口与所述外部分离。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述波束控制天线结构还包括多个第一接地连接件，所述多个第一接地连接件在所述第一导电元件与所述第二导电元件之间延伸穿过所述非导电空间，所述第一接地连接件以与工作射频范围相对应的距离平行于所述第一传输线的平面延伸，这有利于在不布置所述传输线之间的接地连接件的情况下尽可能地提高波束控制天线结构的空间效率。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述波束控制天线结构还包括在所述第一导电元件与所述第二导电元件之间延伸的第二接地连接件，便于在所述波束控制天线结构内提供另外的天线。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一传输线之间以与所述工作射频范围相对应的距离间隔。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，通过向每个同时激励的射频范围信号施加不同的相位来控制所述第一射频辐射波束的主方向。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一天线阵列是具有垂直极化或水平极化的端射天线阵列，这允许根据其它要求选择所述极化，同时仍然能实现改进的波束覆盖。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一天线阵列为毫米波天线。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述波束控制天线结构还包括发射和接收第二射频辐射波束的第二天线阵列或第二天线中的一种，所述第二导电元件包括所述第二天线阵列或第二天线的主辐射体，有利于不同天线共存，实现全覆盖。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第二天线阵列或第二天线的主辐射体包括所述第一天线阵列的主辐射体，这减少了所述波束控制天线结构在所述电子设备内所占的空间。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第二天线为sub6-GHz天线。sub-6GHz天线与毫米波天线等共存，使得能够在5G和超过5G的蜂窝网络以及无线区域网络中进行通信。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述波束控制天线结构还包括第三导电元件和第二传输线，所述第二传输线用于激励待在所述第三导电元件与所述第二导电元件之间传输的射频范围信号，所述第二传输线延伸穿过所述非导电空间。通过允许第二传输线跨越非导电空间延伸(该非导电空间也包括第一传输线)，两个不同的天线阵列至少部分地在同一空间内延伸，这显著减少了电子设备内天线所需的空间。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一导电元件是印刷电路板和射频集成电路中的一个，现有部件用于提供具有改进的波束覆盖的电子设备。

在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一传输线和所述第二传输线通过电流耦合和电容耦合中的至少一种与所述第二导电元件耦合。

根据第二方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括显示器、壳体、至少部分地由所述显示器和所述壳体包围的设备中框，以及如上所述的波束控制天线结构，其中，所述壳体至少包括侧框架和后盖，所述侧框架在所述显示器与所述后盖之间延伸，所述波束控制天线结构的所述第二导电元件为所述侧框架的至少一部分，由所述波束控制天线结构产生的所述第一射频辐射波束和/或所述第二射频辐射波束经过所述壳体被发射和接收。

在这种方案中，所述电子设备的侧框架不会阻挡从电子设备的外部发射和接收的射频辐射波束。这允许辐射波束至少部分地控制任何期望的方向，使得可以在从波束控制天线结构的任何方向上获得足够的增益覆盖，而不对电子设备和/或壳体的机械强度或设计等产生负面影响。

在第二方面的一种可能的实现方式中，所述波束控制天线结构的第一导电元件和所述第三导电元件中的至少一个是印刷电路板或射频集成电路，所述接地连接件在所述设备中框与所述第一导电元件或所述第三导电元件之间延伸。这有利于使用现有部件来提高波束覆盖，而不影响电子设备的组装可靠性或尺寸。

在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述第二导电元件的主辐射体从所述电子设备的外部可见。

从下面描述的实施例中，这一方面和其它方面会是显而易见的。

附图说明

在本发明的以下详细部分中，将参考附图中所示的示例实施例详细解释各个方面、实施例和实现方式。

图1a和图1b示出了根据现有技术的电子设备和波束控制天线结构的示意性透视图。

图2示出了根据本发明实施例的电子设备的示意性透视图。

图3示出了根据本发明实施例的波束控制天线结构的示意性透视图。

图4a和图4b示出了图3的实施例的示意性侧视图。

图5a和图5b示出了根据本发明另一实施例的波束控制天线结构的示意性侧视图。

图6示出了根据本发明实施例的电子设备的示意性横截面图。

图7至图9示出了根据本发明又一实施例的波束控制天线结构的示意性横截面图。

具体实施方式

图1a和图1b示出了根据现有技术的电子设备13和波束控制天线结构。电子设备的导电侧框架15a需要包括一个或几个填充有介电材料的开口。天线阵列3在第一射频范围内生成的射频辐射波束R1通过这些开口中的每一个发射和/或接收。天线阵列3包括多个单独的和分离的主辐射体4a，每个主辐射体4a由分离的和单独的传输线5激励。每个单独的主辐射体4a与侧框架中的开口对齐。

图2和图6示出了根据本发明的电子设备13，其包括显示器14、壳体15、至少部分地由显示器14和壳体15包围的设备中框16，以及下文详细讨论的波束控制天线结构1。壳体15至少包括侧框架15a和后盖15b。侧框架15a在显示器14与后盖15b之间延伸，优选地，侧框架15a在显示器14的周边或覆盖显示器的显示玻璃与后盖15b之间延伸，形成在两者之间延伸的边缘。侧框架15a和/或后盖15b可以包括导电材料，例如金属。后盖15b还可以包括非导电材料。设备中框16可以包括印刷电路板(printed circuit board，PCB)、射频集成电路(radio frequency integrated circuit，RFIC)或任何其它导电的内部部件。显示器14和壳体15可以至少部分地围绕设备中框16。由波束控制天线结构1产生的任何射频辐射波束经过壳体15发射和/或接收，更具体地，经过侧框架15a发射和/或接收。

如图3至图5和图7至图9所示，上述波束控制天线结构1包括第一导电元件2和第一天线阵列3。

第一导电元件2可以是印刷电路板17或射频集成电路18。如图5a和图5b所示，接地连接件7可以在设备中框16与第一导电元件2之间延伸。

第一天线阵列3用于进行以下操作中的至少一个：向电子设备13的外部发射第一射频辐射波束R1和从电子设备的外部接收第一射频辐射波束R1。外部是指周围环境，即电子设备13周围的空气。

第一天线阵列3包括第二导电元件4和多条第一传输线5，第二导电元件4包括第一天线阵列3的主辐射体4a。第一天线阵列3的主辐射体4a布置为与外部直接接触。

第一导电元件2和第二导电元件4之间形成空腔。空腔可以通过电流耦合或电容耦合桥接，并且可以至少部分地填充有介电材料。

第一导电元件2为接地平面，第二导电元件4为辐射体。导电元件2可以接地到电子设备的中框16。第二导电元件4/辐射体构成移动电话的可见外观，其为连续且不间断的金属框架。传输线5将射频信号从RFIC传导到辐射体。RFIC位于接地平面的某个位置。

第二导电元件4可以是侧框架15a的一部分，也可以是整个侧框架15a。第一天线阵列3的主辐射体4a是侧框架15a的一部分，优选地从电子设备13的外部可见，即，侧框架15a是第一天线阵列3的主辐射体4a。换句话说，第二导电元件4以及第一天线阵列3的主辐射体4a都是从电子设备(金属框架)的外部可见的，通过调整每条传输线5的信号的相位和幅度，形成作为相控阵列的波束和控制波束。

第二导电元件4包括非穿孔的实心空间，其可以是整体金属件。特别地，第一天线阵列3的主辐射体4a是这样的非穿孔的实心空间，即，第一天线阵列3的主辐射体4a没有通过第二导电元件4/侧框架15a中的电介质填充的开口与外部分离。

多条第一传输线5同时激励射频范围信号R1，以便在第一导电元件2与第二导电元件4之间传输。如图4a和图4b所示，传输线5在公共平面中成排延伸穿过位于第一导电元件2与第二导电元件4之间的非导电空间6。

第一传输线5可以间隔与工作射频范围相对应的距离。工作射频由三维辐射体的大小以及第一传输线5的数量确定。通过向每个同时激励的射频范围信号(即每条单独的传输线5)施加不同的相位来控制第一射频辐射波束R1的主方向。

多条第一传输线5可以连接到垂直互连接入(vertical interconnect access，VIAS)，VIAS又连接到或耦合到第一天线阵列3的主辐射体4a。

传输线5的数量可以与RFIC接口相关，例如，RFIC接口是8馈电接口或16馈电接口。例如，由16条传输线馈送的40mm部分侧框架15a可以比由4条传输线馈送的相应10mm部分高6dB阵列增益。由于馈源数量增加，它提供6dB以上的总辐射功率。RFIC可能不支持如此多的射频通道，在这种情况下，传输线可以通过功分器组合以匹配射频路径的数量。

如图5a和图5b所示，波束控制天线还可以包括多个第一接地连接件7，多个第一接地连接件7在第一导电元件2与第二导电元件4之间在公共平面中成排延伸通过非导电空间6。第一接地连接件7以距第一传输线5的平面与工作射频范围相对应的距离、平行于第一传输线5的平面延伸，即，图4b、5a和5b示出了波束控制天线的相同视图，而图4a示出了旋转90度的视图。第一传输线5的平面(即，信号平面)平行于包括第一接地连接件7的平面(即，接地平面)延伸。因此，在非导电空间6内，第一接地连接件7不与第一传输线5成排放置，既不与两条端部传输线中的一条相邻，也不插入两条相邻传输线5之间。

另一第二接地连接件7可以在第一导电元件2与第二导电元件4之间延伸。另一第二接地连接件7可以平行于第一传输线5的平面延伸。另一第二接地连接件7也可以与第一传输线5成排放置，与两条端部传输线中的一条相邻，但是当在非导电空间6内延伸时，它既不能插入相邻的两条传输线5之间，也不能与第一传输线5中的任何一条相交。

波束控制天线结构还可以包括在第二射频范围内发射和接收第二射频辐射波束R2的第二天线阵列或第二天线8。第一射频范围可以等于第二射频范围，但优选地，第一射频范围与第二射频范围不同。第二导电元件4优选地包括第二天线阵列或第二天线8的主辐射体8a。更优选地，第二天线阵列或第二天线8的主辐射体8a包括第一天线阵列3的主辐射体4a。第二天线阵列或第二天线8的主辐射体8a可以为侧框架15a的较大的部分或整个侧框架15a，而第一天线阵列3的主辐射体4a为同一侧框架15a的较小部分。在第二射频范围内，第二天线阵列或第二天线8的主辐射体8a的大小与第二射频辐射波束R2的波长相对应，在第一射频范围内，第一天线阵列3的主辐射体4a的大小与第一射频辐射波束R1的波长相对应。例如，当第一射频范围在毫米波范围内且第二射频范围在sub-6GHz范围内时，第二射频范围的明显更高的频率要求第二天线阵列或第二天线8的主辐射体8a大于第一天线阵列3的主辐射体4a。

如图9所示，波束控制天线结构1还可以包括第三导电元件9，例如设备中框16、PCB17或RFIC 18。例如，第二导电元件2可以为射频集成电路18，第三导电元件9可以为PCB 17。用于激励待在第三导电元件9与第二导电元件4之间传输的射频范围信号的第二传输线10延伸穿过非导电空间6。

接地连接件7可以在第三导电元件9与设备中框16之间延伸。

第一传输线5和第二传输线10可以通过如图5a所示的电流耦合11和如图5b所示的电容耦合12中的至少一种与第二导电元件3耦合。

在一个实施例中，第一天线阵列3是具有垂直极化或水平极化的端射天线阵列。

名称“水平”和“垂直”表示电场相对于地球表面的方向。由于包括波束控制天线结构1的电子设备(例如移动电话)可以相对于地球表面的任何方向保持和使用，所以水平和垂直表示电子设备放置在与地球表面基本平行的表面上时的极化方向。在这种情况下，垂直极化的信号从上到下振荡，使得电场垂直于地球表面。相应地，水平极化信号从左到右振荡，使得电场平行于地球表面。

如上所述，第一天线阵列3可以是毫米波天线，第二天线8可以是sub6-GHz天线。在这种情况下，第一天线阵列3的主辐射体4a与第二天线8的主辐射体8a相同。sub6-GHz天线包括侧框架15a的较大部分或整个侧框架15a。第二传输线10为sub6-GHz馈源。

当第一天线阵列3为毫米波天线时，RFIC 18可以直接放置在侧框架15a上。

本文结合各种实施例描述了各种方面和实现方式。但是，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，能够理解和实现所公开实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

权利要求中使用的附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (18)

1.一种用于电子设备的波束控制天线结构(1)，其特征在于，所述波束控制天线结构(1)包括第一导电元件(2)和第一天线阵列(3)，所述第一天线阵列(3)用于进行以下操作中的至少一个：向所述电子设备的外部发射第一射频辐射波束(R1)和从所述电子设备的外部接收第一射频辐射波束(R1)，

所述第一天线阵列(3)包括：

-第二导电元件(4)，包括所述第一天线阵列(3)的主辐射体(4a)；

-多条第一传输线(5)，用于同时激励待在所述第一导电元件(2)与所述第二导电元件(4)之间传输的射频范围信号，所述传输线(5)在公共平面中延伸穿过位于所述第一导电元件(2)与所述第二导电元件(4)之间的非导电空间(6)，

所述主辐射体(4a)布置为与所述外部直接接触。

2.根据权利要求1所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，所述第二导电元件(4)包括非穿孔的实心空间。

3.根据权利要求2所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，所述第二导电元件(4)包括整体金属件。

4.根据前述权利要求中任一项所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，还包括多条第一接地连接件(7)，所述多条第一接地连接件(7)在所述第一导电元件(2)与所述第二导电元件(4)之间延伸穿过所述非导电空间(6)，所述第一接地连接件(7)以与工作射频范围相对应的距离平行于所述第一传输线(5)的所述平面延伸。

5.根据前述权利要求中任一项所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，还包括第二接地连接件(7)，所述第二接地连接件(7)在所述第一导电元件(2)与所述第二导电元件(4)之间延伸。

6.根据前述权利要求中任一项所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，所述第一传输线(5)之间以与所述工作射频范围相对应的距离间隔。

7.根据前述权利要求中任一项所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，通过向每个同时激励的射频范围信号施加不同的相位，来控制所述第一射频辐射波束(R1)的主方向。

8.根据前述权利要求中任一项所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，所述第一天线阵列(3)为具有垂直极化或水平极化的端射天线阵列。

9.根据前述权利要求中任一项所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，所述第一天线阵列(3)为毫米波天线。

10.根据前述权利要求中任一项所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，还包括发射和接收第二射频辐射波束(R2)的第二天线阵列或第二天线(8)中的一个，所述第二导电元件(4)包括所述第二天线阵列或第二天线(8)的主辐射体(8a)。

11.根据权利要求10所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，所述第二天线阵列或第二天线(8)的所述主辐射体(8a)包括所述第一天线阵列(3)的所述主辐射体(4a)。

12.根据权利要求10或11所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，所述第二天线(8)为sub6-GHz天线。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，还包括：

-第三导电元件(9)；

-第二传输线(10)，用于激励待在所述第三导电元件(9)与所述第二导电元件(4)之间传输的射频范围信号，所述第二传输线(10)延伸穿过所述非导电空间(6)。

14.根据前述权利要求中任一项所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，所述第一导电元件(2)为印刷电路板(17)和射频集成电路(18)中的一个。

15.根据前述权利要求中任一项所述的波束控制天线结构(1)，其特征在于，所述第一传输线(5)和所述第二传输线(10)通过电流耦合(11)和电容耦合(12)中的至少一种与所述第二导电元件(3)耦合。

16.一种电子设备(13)，其特征在于，包括显示器(14)、壳体(15)、至少部分地由所述显示器(14)和所述壳体(15)包围的设备中框(16)，以及根据权利要求1至15中任一项所述的波束控制天线结构(1)，

其中，所述壳体(15)至少包括一个侧框架(15a)和后盖(15b)，所述侧框架(15a)在所述显示器(14)与所述后盖(15b)之间延伸，

所述波束控制天线结构(1)的第二导电元件(4)是所述侧框架(15a)的至少一部分，

由所述波束控制天线结构(1)产生的所述第一射频辐射波束(R1)和/或第二射频辐射波束(R2)经过所述壳体(15)被发射和接收。

17.根据权利要求16所述的电子设备(13)，其特征在于，所述波束控制天线结构的所述第一导电元件(2)和所述第三导电元件(9)中的至少一个为印刷电路板(17)或射频集成电路(18)，接地连接件(7)在所述设备中框(16)与所述第一导电元件(2)或所述第三导电元件(9)之间延伸。

18.根据权利要求16或17所述的电子设备(13)，其特征在于，所述第二导电元件(4)的所述主辐射体(4a)从所述电子设备(13)的外部可见。

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