CN214254748U - 5g毫米波超表面天线模组及移动设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种5G毫米波超表面天线模组及移动设备，模组包括介质层以及设置于所述介质层上的至少两个的超表面天线单元；所述超表面天线单元包括超表面辐射层和馈电结构，所述超表面辐射层设置于所述介质层的顶面上，所述馈电结构设置于所述介质层中，所述馈电结构与所述超表面辐射层电耦合。本实用新型能够有效地覆盖n257、n258、n260及n261频段，覆盖频段广。

Description

5G毫米波超表面天线模组及移动设备

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种5G毫米波超表面天线模组及移动设备。

背景技术

5G作为全球业界的研发焦点，发展5G技术制定5G标准已经成为业界共识。国际电信联盟ITU在2015年6月召开的ITU-RWP5D第22次会议上明确了5G 的三个主要应用场景：增强型移动宽带、大规模机器通信和高可靠低延时通信。这3个应用场景分别对应着不同的关键指标，其中增强型移动带宽场景下用户峰值速度为20Gbps，最低用户体验速率为100Mbps。毫米波独有的高载频、大带宽特性是实现5G超高数据传输速率的主要手段。并且，由于未来的手机中预留给5G天线的空间小，可选位置不多，所以要设计小型化的天线模组。

根据3GPP TS38.101-2 5G终端射频技术规范和TR38.817终端射频技术报告可知，5GmmWave天线需要覆盖n257(26.5-29.5GHz)、n258(24.25-27.25GHz) n260(37-40GHz)、n261(27.5-28.35GHz)，而目前市面上的高通天线模组仅覆盖了n257频段(26.5-29.5GHz)。并且，常规毫米波天线模组尺寸较大，不适合集成至移动终端中。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种5G毫米波超表面天线模组及移动设备，覆盖频段广，且占用空间小。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种5G毫米波超表面天线模组，包括介质层以及设置于所述介质层上的至少两个的超表面天线单元；所述超表面天线单元包括超表面辐射层和馈电结构，所述超表面辐射层设置于所述介质层的顶面上，所述馈电结构设置于所述介质层中，所述馈电结构与所述超表面辐射层电耦合。

进一步地，所述超表面辐射层包括多个辐射单元，所述多个辐射单元呈阵列分布，且所述多个辐射单元之间设有缝隙，所述缝隙包括至少一条的第一缝隙和至少一条的第二缝隙，所述第一缝隙与第二缝隙垂直相交。

进一步地，所述第一缝隙和/或第二缝隙的宽度不均匀。

进一步地，所述馈电结构包括馈线和金属分支，所述金属分支设置于所述馈线靠近所述超表面辐射层的一端；所述馈线的一端与所述第一缝隙平行，所述金属分支与所述馈线的一端垂直，且与所述第二缝隙对应。

进一步地，所述金属分支的数量与所述第二缝隙的数量相同；所述金属分支在所述介质层顶面的投影与所述第二缝隙在所述介质层顶面的投影重叠，且分别与各第一缝隙在所述介质层顶面的投影垂直相交。

进一步地，所述辐射单元为方形。

进一步地，所述介质层的底面设有电路层；还包括射频芯片、数字电路集成芯片和电源芯片，所述射频芯片、数字电路集成芯片和电源芯片设置于所述电路层上；所述数字电路集成芯片和电源芯片分别与所述射频芯片电连接，所述射频芯片分别与所述至少两个的超表面天线单元连接。

本实用新型还提出一种移动设备，包括如上所述的5G毫米波超表面天线模组。

本实用新型的有益效果在于：通过采用超表面天线，并将馈电结构设置在介质层中，有效减小模组整体尺寸，将毫米波阵列在通讯设备中占有的空间变窄，简化了设计难度、测试难度以及波束管理的复杂度。本实用新型能够有效地覆盖n257、n258、n260及n261频段，覆盖频段广。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的5G毫米波超表面天线模组的结构示意图；

图2为本实用新型实施例一的5G毫米波超表面天线模组的侧面示意图；

图3为本实用新型实施例一的5G毫米波超表面天线模组的底面示意图；

图4为本实用新型实施例一的超表面辐射层的结构示意图；

图5为本实用新型实施例一的超表面辐射层和馈电结构的一端在介质层顶面的投影图；

图6为本实用新型实施例一的5G毫米波超表面天线模组的S参数示意图。

标号说明：

1、介质层；2、超表面天线单元；3、电路层；4、射频芯片；5、数字电路集成芯片；6、电源芯片；

21、超表面辐射层；22、馈电结构；

211、辐射单元；212、第一缝隙；213、第二缝隙；

221、馈线；222、金属分支。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，一种5G毫米波超表面天线模组，包括介质层以及设置于所述介质层上的至少两个的超表面天线单元；所述超表面天线单元包括超表面辐射层和馈电结构，所述超表面辐射层设置于所述介质层的顶面上，所述馈电结构设置于所述介质层中，所述馈电结构与所述超表面辐射层电耦合。

从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：覆盖频段广，且占用空间小。

进一步地，所述超表面辐射层包括多个辐射单元，所述多个辐射单元呈阵列分布，且所述多个辐射单元之间设有缝隙，所述缝隙包括至少一条的第一缝隙和至少一条的第二缝隙，所述第一缝隙与第二缝隙垂直相交。

进一步地，所述第一缝隙和/或第二缝隙的宽度不均匀。

由上述描述可知，可以激发出多种辐射模式，从而实现超宽带。

进一步地，所述馈电结构包括馈线和金属分支，所述金属分支设置于所述馈线靠近所述超表面辐射层的一端；所述馈线的一端与所述第一缝隙平行，所述金属分支与所述馈线的一端垂直，且与所述第二缝隙对应。

进一步地，所述金属分支的数量与所述第二缝隙的数量相同；所述金属分支在所述介质层顶面的投影与所述第二缝隙在所述介质层顶面的投影重叠，且分别与各第一缝隙在所述介质层顶面的投影垂直相交。

由上述描述可知，通过设置金属分支，保证可对所有的辐射单元进行耦合馈电，提高天线性能，同时，金属分支还具有调节阻抗的作用。

进一步地，所述辐射单元为方形。

进一步地，所述介质层的底面设有电路层；还包括射频芯片、数字电路集成芯片和电源芯片，所述射频芯片、数字电路集成芯片和电源芯片设置于所述电路层上；所述数字电路集成芯片和电源芯片分别与所述射频芯片电连接，所述射频芯片分别与所述至少两个的超表面天线单元连接。

由上述描述可知，射频芯片可为天线提供信号；数字集成电路芯片可控制射频芯片的信号的幅值和相位；电源芯片可为射频芯片提供电源。

本实用新型还提出一种移动设备，包括如上所述的5G毫米波超表面天线模组。

实施例一

请参照图1-6，本实用新型的实施例一为：一种5G毫米波超表面天线模组，适用于5G毫米波通信系统的手持设备中。

如图1所示，包括介质层1以及设置于所述介质层1上的至少两个的超表面天线单元2。本实施例以包括4个超表面天线单元为例。进一步地，在超表面天线单元的周围还设有一圈间隔设置的金属柱，金属柱之间的间隙可以根据需要进行设置。金属柱可通过在介质层上形成金属化过孔来实现。

结合图2所示，所述超表面天线单元2包括超表面辐射层21和馈电结构22，所述超表面辐射层21设置于所述介质层1的顶面上，所述馈电结构22设置于所述介质层1中。所述介质层1的底面设有电路层3；所述模组还包括射频芯片 4、数字电路集成芯片5和电源芯片6，所述射频芯片4、数字电路集成芯片5 和电源芯片6设置于所述电路层3上。在可选的实施例中，这三个芯片分别通过BGA焊球连接到电路层上。所述数字电路集成芯片5和电源芯片6分别与所述射频芯片4电连接，所述射频芯片4分别与各超表面天线单元2连接。具体地，射频芯片4分别与各超表面天线单元2的馈电结构22连接；即馈电结构22 的一端与超表面辐射层21电耦合，另一端与射频芯片4连接。优选地，馈电结构的另一端连接到电路层，再通过电路层上的线路连接到射频芯片。电路层上线路示意图如图3所示。

其中，射频芯片用于为天线提供信号；射频芯片中包含的移相器和放大器等原件，移相器用于为天线单元间提供相位差以实现波束扫描的能力，放大器用于补偿移相器的损耗。数字集成电路芯片，用于控制射频芯片的信号的幅值和相位，相当于射频芯片中如放大器，低噪放等电路的数字开关。电源芯片，用于为射频芯片提供电源。

如图4所示，所述超表面辐射层21包括多个辐射单元211，所述多个辐射单元211呈阵列分布，且所述多个辐射单元211之间设有缝隙，所述缝隙包括至少一条的第一缝隙212和至少一条的第二缝隙213，所述第一缝隙212与第二缝隙213垂直相交。

在可选的实施例中，所述多个辐射单元呈n×n的阵列分布，所述缝隙包括 n-1条相互平行的第一缝隙和n-1条相互平行的第二缝隙，n为大于1的整数。

本实施例中，超表面辐射层包括9个方形的辐射单元，且呈3×3的阵列分布，其中设有4条呈井字形的缝隙(即两条第一缝隙和两条第二缝隙)，且缝隙的宽度不均匀。

在具体实现时，可以将一块3cm×3cm的金属片通过4条不均匀的缝隙分割成9个小金属片，以得到本实施例的超表面辐射层，其可以激发出多种辐射模式，从而实现超宽带(也叫超表面天线)。其中，分割成9个是考虑到工艺实现难度，此时缝隙的宽度在0.8-1mm之间，理论上也可以分成16个或25个小金属片，通过不同缝隙，此时带宽性能会更好，但是缝隙的尺寸难以加工。

进一步地，所述馈电结构包括馈线和金属分支；所述馈线的一端与所述超表面辐射层电耦合，另一端与所述射频芯片连接；所述金属分支设置于所述馈线靠近所述超表面辐射层的一端。所述金属分支与所述馈线的一端垂直，且与第一缝隙或第二缝隙对应。即当馈线的一端与第一缝隙平行时，则金属分支与第二缝隙对应；当馈线的一端与第二缝隙平行时，则金属分支与第一缝隙对应。本实施例以前者为例进行说明。

本实施例中，所述馈线的一端设置于所述介质层的顶面的内表面。如图5 所示，所述馈线221靠近所述超表面辐射层的一端上设有两个平行的金属分支 222，金属分支222的中心点与馈线221相连；所述馈线221的一端在介质层顶面的投影与超表面辐射层在介质层顶面的投影的中心线重叠，且与第一缝隙212 在介质层顶面的投影平行；两个金属分支222在介质层顶面的投影与分别与两条第二缝隙213在介质层顶面的投影重叠，且分别与两条第一缝隙212在介质层顶面的投影垂直相交。

优选地，两个金属分支的长度可相同。

图6为本实施例的5G毫米波超表面天线模组的S参数示意图，其中，S44 与S11重合，S33与S22重合，工作频率为22.5-32GHz，并且可以看出，37-40GHz 频段的损耗小于-10dB，即其覆盖n257(26.5-29.5GHz)、n258(24.25-27.25GHz)、 n260(37-40GHz)和n261(27.5-28.35GHz)这4个频段，满足5GmmWave天线的要求。

综上所述，本实用新型提供的一种5G毫米波超表面天线模组及移动设备，能够有效地覆盖n257(26.5-29.5GHz)、n258(24.25-27.25GHz)、n260(37-40GHz) 及n261(27.5-28.35GHz)，覆盖频段广；整体尺寸小且可基于PCB，更便于后续与芯片的集成；另外，将毫米波阵列在通讯设备中占有的空间变窄，简化了设计难度、测试难度以及波束管理的复杂度。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种5G毫米波超表面天线模组，其特征在于，包括介质层以及设置于所述介质层上的至少两个的超表面天线单元；所述超表面天线单元包括超表面辐射层和馈电结构，所述超表面辐射层设置于所述介质层的顶面上，所述馈电结构设置于所述介质层中，所述馈电结构与所述超表面辐射层电耦合。

2.根据权利要求1所述的5G毫米波超表面天线模组，其特征在于，所述超表面辐射层包括多个辐射单元，所述多个辐射单元呈阵列分布，且所述多个辐射单元之间设有缝隙，所述缝隙包括至少一条的第一缝隙和至少一条的第二缝隙，所述第一缝隙与第二缝隙垂直相交。

3.根据权利要求2所述的5G毫米波超表面天线模组，其特征在于，所述第一缝隙和/或第二缝隙的宽度不均匀。

4.根据权利要求2所述的5G毫米波超表面天线模组，其特征在于，所述馈电结构包括馈线和金属分支，所述金属分支设置于所述馈线靠近所述超表面辐射层的一端；所述馈线的一端与所述第一缝隙平行，所述金属分支与所述馈线的一端垂直，且与所述第二缝隙对应。

5.根据权利要求4所述的5G毫米波超表面天线模组，其特征在于，所述金属分支的数量与所述第二缝隙的数量相同；所述金属分支在所述介质层顶面的投影与所述第二缝隙在所述介质层顶面的投影重叠，且分别与各第一缝隙在所述介质层顶面的投影垂直相交。

6.根据权利要求2所述的5G毫米波超表面天线模组，其特征在于，所述辐射单元为方形。

7.根据权利要求1所述的5G毫米波超表面天线模组，其特征在于，所述介质层的底面设有电路层；还包括射频芯片、数字电路集成芯片和电源芯片，所述射频芯片、数字电路集成芯片和电源芯片设置于所述电路层上；所述数字电路集成芯片和电源芯片分别与所述射频芯片电连接，所述射频芯片分别与所述至少两个的超表面天线单元连接。

8.一种移动设备，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的5G毫米波超表面天线模组。

Images