CN116565546A - 天线设备、rf收发器和rf前端电路 - Google Patents

天线设备、rf收发器和rf前端电路 Download PDF

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CN116565546A CN202310071296.5A CN202310071296A CN116565546A CN 116565546 A CN116565546 A CN 116565546A CN 202310071296 A CN202310071296 A CN 202310071296A CN 116565546 A CN116565546 A CN 116565546A
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Abstract

本发明涉及一种天线设备、RF收发器和RF前端电路。该天线设备包括基板、基板上的天线元件和基板上的表面波滤波结构。各个表面波滤波结构可操作以解耦天线元件中的相邻天线元件之间的表面波耦合。

Description

天线设备、RF收发器和RF前端电路
技术领域
本发明的实施例大体上涉及无线通信装置。更具体地，本发明的实施例涉及用于天线阵列中的耦合减少的超宽频带隔离。
背景技术
近年来，无线通信已经经历由来自无线技术(诸如移动通信(例如，5G及以上)、卫星通信、或物联网(IoT)等)的每个前端的较新应用的需求驱动的快速进步。不同的技术具有相应的特定要求，并且基于特定应用，该需求可以是针对高速和低延迟、增加的容量、低功耗和大量装置连接等。
在不久的将来，将存在许多这些技术可以在单个终端中聚集在一起以在不同技术间提供普遍存在的服务的应用。此外，在其他应用场景中，该需求可以用于跨不同地理区域全球地支持技术。例如，mmWave 5G通信中的显著频带全局范围从24GHz一直到43.5GHz，但各个区域可能仅在该频谱的有限部分中操作。因此，为了满足这种应用的需要，将期望终端的前端支持宽频率带宽。
此外，来自底层应用的这些需求对装置前端和天线设计提出了严格要求。可能是无线通信系统的单个最重要组件的天线充当终端装置与如通常所说的无线通信介质或无线信道之间的接口。除了更宽的频率带宽之外，趋势还朝向天线在波束形成中灵活，从而提供电子扫描阵列或相控阵列的方式。
对天线设计的技术人员而言，已知的是，对于能够覆盖宽操作带宽的天线(不论是迎合多个技术、覆盖多个地区区域、还是这两者)，天线需要具有更大的电体积。对于使用常规印刷电路板(PCB)技术制造的平面天线，天线需要支撑在较厚的电介质材料(也称为基板)上。然而，同时，较厚的基板支持不利于天线性能的表面波。电介质材料中的表面波增加了天线阵列的天线元件之间的耦合，从而在附近的天线元件中出现功率损失，而不是有助于直接辐射。这导致更低的天线效率和甚至扫描盲点(意指天线不能在(一个或多于一个)特定方向上辐射，并且在相邻天线元件中损失所有功率)。
此外，宽波束扫描对电子可控天线(ESA)的天线元件间隔施加进一步的约束。避免扫描图案中的栅瓣(与主瓣相反的方向上的强辐射，通常是不期望的)所需的更近的元件间隔意指相邻元件之间通过表面波的更强耦合。
发明内容
本发明提供一种天线设备，其包括：基板；所述基板上的多个天线元件；以及所述基板上的多个表面波滤波结构，各个表面波滤波结构能够操作以解耦所述多个天线元件中的相邻天线元件之间的表面波耦合。
本发明提供一种射频收发器即RF收发器，其包括：天线，其包括基板、所述基板上的多个天线元件以及所述基板上的多个表面波滤波结构，其中，各个表面波滤波结构能够操作以解耦所述多个天线元件中的相邻天线元件之间的表面波耦合。
本发明提供一种射频前端电路即RF前端电路，其包括：数字信号处理单元；以及收发器，其耦合至所述数字信号处理单元以将信号发送至所述数字信号处理单元和从所述数字信号处理单元接收信号，所述收发器包括：天线，其包括基板、所述基板上的多个天线元件以及所述基板上的多个表面波滤波结构，其中，各个表面波滤波结构能够操作以解耦所述多个天线元件中的相邻天线元件之间的表面波耦合。
附图说明
在附图中通过示例而非限制的方式例示了本发明的实施例，在附图中相似的附图标记指示类似的元件。
图1是例示了根据一个实施例的无线通信装置的示例的框图。
图2是例示了根据一个实施例的RF前端集成电路的示例的框图。
图3是例示了根据一个实施例的天线设备的示例的框图。
图4是例示了根据一个实施例的天线设备的另一示例的框图。
图5是例示了印刷电路板的电介质基板上的宽频带天线元件的参考平面和其中的表面波激励的框图。
图6是例示了通过天线元件之间的表面波的强电耦合的图。
图7例示了两个天线元件之间的隔离。
图8A是例示了根据一个实施例的在两个天线元件之间具有表面波滤波结构的天线设备的示例的图。
图8B是例示了根据一个实施例的图8A的两个天线元件之间的减少的表面波耦合的图。
图9例示了图8A的天线设备的天线元件之间的改进的隔离。
图10A-10B例示了图8A的天线设备的天线元件嵌入式图案的改进。
图11A-11B例示了图8A的天线设备的通过表面电流大小的隔离的改进。
图12例示了图4的天线设备的天线元件之间的改进的隔离。
图13A-13B是例示了根据一个实施例的天线设备以及表面波滤波器结构的又一示例的框图。
图14是例示了根据一个实施例的扩展的或可缩放的天线设备的示例的框图。
具体实施方式
将参考以下讨论的细节来描述本发明的各种实施例和方面，并且附图将例示各种实施例。以下描述和附图是对本发明的说明并且不应被解释为限制本发明。描述了许多具体细节以提供对本发明的各种实施例的透彻理解。然而，在某些实例中，未描述公知或常规的细节以提供对本发明的实施例的简要讨论。
说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例所描述的特定特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在本说明书的各种地方的出现不一定都指同一实施例。
注意，在实施例的相应附图中，用线表示信号。一些线可以更粗或者这些线是斜线以指示更多的组成信号路径(诸如差分信号等)，以及/或者在一个或多于一个端部具有箭头以指示主要信息流方向。这样的指示不旨在是限制性的。相反，线与一个或多于一个示例性实施例结合使用以促进对电路或逻辑单元的更容易理解。如设计需求或偏好所支配的任何表示的信号实际上可以包括可在任一方向上行进并且可用任何适当类型的信号方案来实现的一个或多于一个信号。
贯穿本说明书并且在权利要求书中，术语“连接”意指连接的事物之间的直接电连接，而无需任何中间装置。术语“耦合”意指连接的事物之间的直接电连接或通过一个或多于一个无源或有源中间装置的间接连接。术语“电路”意指被布置成彼此协作以提供所希望的功能的一个或多于一个无源和/或有源组件。术语“信号”意指至少一个电流信号、电压信号或数据/时钟信号。“a”、“an”和“the”的含义包括复数引用。“在…中”的含义包括“在…中”和“在…上”。
如在此使用的，除非另外说明，否则使用序数形容词“第一”、“第二”和“第三”等来描述共同对象仅指示提及类似对象的不同实例，并且不旨在暗示如此描述的对象必须在时间上、空间上、排序上或以任何其他方式处于给定序列中。术语“大致”在此是指在目标的10％内。
本发明的实施例涉及一种天线或天线设备，该天线或天线设备被设计成用于减少天线阵列中的紧密封装的天线元件之间的表面波耦合。如下文更详细地描述的，这可以通过使用天线元件周围的表面波滤波结构(例如，频率选择结构)来实现，该表面波滤波结构充当表面波模式滤波器以减少相邻天线元件之间的表面波相互作用并且改进宽频带频谱上的元件到元件隔离。表面波耦合的减少还可以改进天线阵列中的元件图案。因此，本文中描述的本发明的实施例可以在促进和提升需要这种天线阵列的新一代无线通信天线系统的开发中起积极且至关重要的作用。
根据第一方面，天线设备包括基板、该基板上的天线元件、以及该基板上的表面波滤波结构。各个表面波滤波结构可操作以解耦天线元件中的相邻天线元件之间的表面波耦合。
在一个实施例中，各个表面波滤波结构被设置在天线元件的一侧上或者设置天线元件中的一对天线元件之间。
在一个实施例中，天线设备还包括印刷电路板(PCB)，该印刷电路板包括形成基板的电介质材料的涂层。
在一个实施例中，相邻天线元件之间的隔离在低带频谱和宽频带频谱中是至少10分贝(dB)。
在一个实施例中，各个天线元件基于自由空间波长的一部分(例如，范围从约0.3至0.6自由空间波长)与另一天线元件间隔开。
在一个实施例中，天线元件包括宽频带天线元件。
根据第二方面，射频(RF)收发器包括天线，该天线包括基板、该基板上的天线元件、以及该基板上的表面波滤波结构。各个表面波滤波结构可操作以解耦多个天线元件中的相邻天线元件之间的表面波耦合。
根据第三方面，射频(RF)前端电路包括数字信号处理单元和收发器，该收发器耦合到该数字信号处理单元以将信号发送至该数字信号处理单元以及从该数字信号处理单元接收信号。该收发器包括天线，该天线包括基板、该基板上的天线元件、以及该基板上的表面波滤波结构。各个表面波滤波结构可操作以解耦多个天线元件中的相邻天线元件之间的表面波耦合。
图1是例示了根据本发明的一个实施例的无线通信装置的示例的框图。参见图1，无线通信装置100(也简称为无线装置)包括RF前端模块101和基带处理器102等。无线装置100可以是任何种类的无线通信装置，例如移动电话、膝上型计算机、平板计算机、热点装置、用户驻地设备(CPE)、网络设备装置(例如，物联网或IOT设备装置)等。
在无线电接收器电路中，RF前端是天线直至并包括混频器级之间的所有电路的通用术语。RF前端由接收器中在信号被转换为低频(例如IF)之前在原始输入射频下对该信号进行处理的所有组件组成。基带处理器是管理所有无线电功能(需要天线的所有功能)的网络接口中的装置(芯片或芯片的一部分)。
在一个实施例中，RF前端模块101包括一个或多于一个RF收发器，其中，RF收发器中的各RF收发器经由多个RF天线之一在特定频带(例如，特定频率范围，诸如非重叠的频率范围等)内发送和接收RF信号。RF前端IC芯片还包括耦合到RF收发器的IQ生成器和/或频率合成器。IQ生成器或生成电路生成LO信号并向各个RF收发器提供LO信号，以使RF收发器能够在相应的频带内混合、调制和/或解调RF信号。(一个或多于一个)RF收发器和IQ生成电路可以作为单个RF前端IC芯片或封装件集成在单个IC芯片内。
图2是例示了根据本发明的一个实施例的RF前端集成电路(IC)的示例的框图。参见图2，RF前端IC 101包括耦合到RF收发器211的IQ生成器和/或频率合成器200。收发器211被配置为经由RF天线221发送和接收一个或多于一个频带或者宽范围的RF频率内的RF信号。尽管仅示出了一个收发器和天线，但是可以实现多对收发器和天线，针对每个频带一对。
图3是例示了根据一个实施例的天线(或辐射)设备的示例的框图。在一些实施例中，天线设备300可以是图2的RF收发器211的一部分。参见图3，天线设备300包括但不限于：基板301(例如，电介质材料层)、表面波滤波结构302A-302C(例如，频率选择表面波滤波结构)和天线元件303A-303B(例如，宽频带天线元件)。
在实施例中，基板301可以是印刷电路板(PCB)(未示出)的一部分，或者基板301可以是PCB的层或涂层。表面波滤波结构302A-302C和天线元件303A-303B(其可以共同形成天线元件阵列)可以被支持在基板301上。在实施例中，各个表面波滤波结构可以设置在天线元件周围(例如，在天线元件的一侧上)，或者设置在两个天线元件之间，而不与天线元件直接接触。可以使天线元件303A-303B的间隔紧密(在自由空间中的波长方面，例如由5G频率划分的光速)以避免例如针对广角扫描能力的栅瓣。天线元件间隔可以例如从所支持的频带的较低频率的约0.3波长到所支持的频带的较高范围的约0.5至0.6波长变化。
在实施例中，表面波滤波结构302A-302C被配置为减少基板301中的表面波，由此改进天线元件303A-303B之间的隔离，尤其是在紧密封装配置中。表面波滤波结构302A-302C的布置还改进了天线元件303A-303B的天线辐射图案性质。
图4是例示了根据一个实施例的天线设备的另一示例的框图。在一些实施例中，天线设备400可以是图2的RF收发器211的一部分。在图4中，天线设备400包括但不限于PCB401，该PCB 401具有布置在接地平面404上的表面波滤波结构402和天线元件403。PCB 401可以包括形成基板的厚的电介质涂层。如前所述，各个表面波滤波结构可以设置在天线元件周围(例如，在天线元件的一侧上)，或者设置在两个天线元件之间，以减少PCB 401的基板中的表面波，从而改进天线元件403之间的隔离。
图5是例示了电介质基板上的宽频带天线元件的参考平面的框图。参见图5，电介质基板510上的宽频带天线403可以导致强表面波530(例如，横向磁(TM)表面波)沿着天线元件阵列的方向(例如，E平面)在基板510中传播。如图6中所示，陷在基板510内的表面波530将增加相邻天线元件之间的表面波或E场耦合。
图6是例示了天线元件之间的表面波耦合的图。在E平面中的天线阵列的天线元件403之间的表面波耦合主要是由于基板510中的表面波激励(如图5所示)。在图6中，一个天线元件403被激励，而另一天线元件403被终止至系统阻抗。如在区域602中可见，激励的大部分耦合到相邻天线元件。如果在这两个天线元件403之间检查到传输系数(也称为隔离)，则这种互耦合将变得更清楚。
现在参见例示了两个天线元件之间的隔离的图7，如图线703所示，这两个天线元件403之间的隔离在低频带频谱中是约5dB。为了获得天线元件的足够的辐射效率，期望在天线阵列的工作频带上在相邻天线元件之间，隔离为约10dB或更多。此外，众所周知，这种互耦合随着天线阵列远离视轴方向而被扫描将导致该阵列中的有源阻抗变化，并且通常是相控阵列中扫描盲点的原因。
图8A是例示了根据一个实施例的在两个天线元件之间具有表面波滤波结构的天线设备的示例的图。在图8A中，在两个相邻天线元件403之间实现表面波滤波结构402(其还可以被称为隔离条(isolation bar))。现在参见图8B，如区域802中所示，结构402的应用减少了天线元件403之间的表面波耦合。在该示例中，一个天线元件403(标记为Port1)被激励，而另一天线元件403(标记为Port2)被终止至系统阻抗。如图8B中可以看到的，与图6相比，在相邻天线元件403之间存在显著更少的场相互作用(在天线元件403之间没有表面波滤波结构402)。当在图9中检查到传输系数时，这种互耦合减少将变得更清楚。
现在参见例示了图8A的天线设备的天线元件之间的改进的隔离的图9，通过应用表面波滤波结构402，天线元件403之间的隔离(通过从图线901中减去图7的图线703以获得隔离差903)改进了若干分贝。在图9中，所得到的隔离(图线901)在整个关注频带(例如，期望的低频带和宽频带频谱)上低于10dB标记。此外，可以观察到，表面波滤波结构402的应用有助于频带的低端的阻抗匹配，这有利于天线设备的整体更高效率。
图10A-10B例示了图8A的天线设备的天线元件嵌入式图案的改进。如图10A中可以看出，在应用表面波滤波结构402之前，由于相邻天线元件403之间的耦合，在E平面中的天线元件403的元件波束宽度较窄(如元件图案1001所指示的)。然而，在图10B中，通过应用表面波滤波结构402，耦合已被减少，从而恢复宽元件波束宽度，这是宽扫描天线阵列所期望的(如元件图案1003所指示的)。
图11A-11B例示了图8A的天线设备的表面电流大小的改进。首先参见图11A(其例示了不具有表面波滤波结构402的天线设备的表面电流大小)，所示的较暗区域(例如，区域1101和1103)指示当一个天线端口被激励时，由于没有表面波滤波结构时的强表面波耦合，另一/相邻端口得到几乎相等的信号能量。另一方面，参见图11B(其例示了具有表面波滤波结构402的天线设备的表面电流大小)，如由亮区域1102和暗区域1104所示，当一个端口被激励(亮区域1102)时，由于结构中的改进的隔离，另一端口接收到与其耦合的弱得多的信号能量(由端口2周围的较暗区域1104强调)。因此，如在图11A-11B可以看出的，表面波滤波结构402的应用将减少相邻天线元件之间的表面波耦合。此外，当一个元件端口被激励时，(一个或多于一个)其他端口将具有相对弱的耦合。因此，通过利用天线阵列实现表面波滤波结构402，天线元件之间的表面波将被解耦，从而减少附近天线元件中的浪费的能量。
图12例示了图4的天线设备的天线元件之间的改进的隔离。在图12中(并且如之前所描述的)，两个表面波滤波结构分别被添加到天线元件的侧面(除了布置在元件之间的第三表面波滤波结构之外)。这将进一步改进(如隔离差1205所指示的)低频带隔离，同时在宽频带频谱中保持(如图线1201和1203所示的)合适的隔离。因此，(如图12中所示的)表面波滤波结构的使用可以扩展为在表面波滤波结构设置在各对天线元件之间的更大的天线阵列中无缝地操作。
图13A-13B是例示了根据一个实施例的天线设备的又一示例的框图。在一些实施例中，天线设备1300可以是图2的RF收发器211的一部分。在图13A(具有可适用于移动平台的2×4元件阵列的天线设备的透视图)和图13B(天线设备的侧视图)中，天线设备1300包括但不限于具有设置在接地平面1304上的表面波滤波结构1302和天线元件1303的PCB 1301。PCB 1301可以包括形成基板的厚的电介质涂层。继续参见图13A-13B，各个表面波滤波结构1302可以设置在天线元件1303周围(例如，在天线元件的一侧)，或者设置在一对天线元件之间，以减少PCB 1301的基板中的表面波。在实施例中，表面波滤波结构1302不与天线元件1303接触。由此，在图13A-13B所示的示例中，在8元件天线阵列中利用了总共十二个表面波滤波结构1302，其中四个表面波滤波结构1302分别被设置在四对天线元件1303之间。表面波滤波结构1302可以在其精确形式/尺寸或几何形状中针对中心和侧面而变化，以适应天线元件1303和表面波滤波结构1302在彼此的频率响应上的电负载效应。
以类似的方式，图13A-13B中所示的示例可以扩展到甚至更大的天线阵列，诸如(图14中所示的)M×N天线阵列等，其中M和N是正整数。
在上述说明书中，已经参考本发明的具体示例性实施例描述了本发明的实施例。显而易见的是，在不背离所附权利要求中阐述的本发明的更宽泛的精神和范围的情况下，可以对实施例做出各种修改。因此，说明书和附图被视为具有说明性意义而非限制性意义。

Claims (18)

1.一种天线设备，包括：
基板；
所述基板上的多个天线元件；以及
所述基板上的多个表面波滤波结构，各个表面波滤波结构能够操作以解耦所述多个天线元件中的相邻天线元件之间的表面波耦合。
2.根据权利要求1所述的天线设备，其中，各个表面波滤波结构设置在天线元件的一侧上或者设置在所述多个天线元件中的一对天线元件之间。
3.根据权利要求1所述的天线设备，还包括印刷电路板即PCB，所述印刷电路板包括形成所述基板的电介质材料的涂层。
4.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述相邻天线元件之间的隔离在低频带频谱和宽频带频谱中至少为10分贝即10dB。
5.根据权利要求1所述的天线设备，其中，各个天线元件基于自由空间波长的一部分与另一天线元件间隔开。
6.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述多个天线元件包括宽频带天线元件。
7.一种射频收发器即RF收发器，包括：
天线，其包括基板、所述基板上的多个天线元件以及所述基板上的多个表面波滤波结构，
其中，各个表面波滤波结构能够操作以解耦所述多个天线元件中的相邻天线元件之间的表面波耦合。
8.根据权利要求7所述的RF收发器，其中，各个表面波滤波结构设置在天线元件的一侧上或者设置在所述多个天线元件中的一对天线元件之间。
9.根据权利要求7所述的RF收发器，其中，所述天线还包括印刷电路板即PCB，所述印刷电路板包括形成所述基板的电介质材料的涂层。
10.根据权利要求7所述的RF收发器，其中，所述相邻天线元件之间的隔离在低频带频谱和宽频带频谱中至少为10分贝即10dB。
11.根据权利要求7所述的RF收发器，其中，各个天线元件基于自由空间波长与另一天线元件间隔开。
12.根据权利要求7所述的RF收发器，其中，所述多个天线元件包括宽频带天线元件。
13.一种射频前端电路即RF前端电路，包括：
数字信号处理单元；以及
收发器，其耦合至所述数字信号处理单元以将信号发送至所述数字信号处理单元和从所述数字信号处理单元接收信号，所述收发器包括：
天线，其包括基板、所述基板上的多个天线元件以及所述基板上的多个表面波滤波结构，
其中，各个表面波滤波结构能够操作以解耦所述多个天线元件中的相邻天线元件之间的表面波耦合。
14.根据权利要求13所述的RF前端电路，其中，各个表面波滤波结构设置在天线元件的一侧上或者设置在所述多个天线元件中的一对天线元件之间。
15.根据权利要求13所述的RF前端电路，其中，所述天线还包括印刷电路板即PCB，所述印刷电路板包括形成所述基板的电介质材料的涂层。
16.根据权利要求13所述的RF前端电路，其中，所述相邻天线元件之间的隔离在低频带频谱和宽频带频谱中至少为10分贝即10dB。
17.根据权利要求13所述的RF前端电路，其中，各个天线元件基于自由空间波长与另一天线元件间隔开。
18.根据权利要求13所述的RF前端电路，其中，所述多个天线元件包括宽频带天线元件。
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