CN110495050A

CN110495050A - 毫米波天线

Info

Publication number: CN110495050A
Application number: CN201780089518.9A
Authority: CN
Inventors: 应志农; 赵坤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2019-11-22
Anticipated expiration: 2037-04-26
Also published as: JP6949992B2; WO2018199944A1; JP2020519082A; CN110495050B; US10965034B2; US20200052406A1; EP3616258A1; EP3616258B1

Abstract

一种具有至少一个毫米波谐振频率的平衡平面天线包括：接地平面；第一和第二天线元件；臂，该臂将第二天线元件连接到接地平面；馈线，该馈线连接到第一天线元件，并且用于将射频信号馈送到第一天线元件；以及平衡不平衡转换器，该平衡不平衡转换器将第一天线元件连接到接地平面。接地平面、第一天线元件、第二天线元件、臂、馈线以及平衡不平衡转换器均布置在基板上且是共面的。

Description

毫米波天线

技术领域

本公开的技术总体涉及用于电子装置的天线，并且更具体地，涉及一种支持毫米波频率的天线。

背景技术

诸如3G和4G的通信标准当前广泛使用。预期很快将部署支持5G通信的基础设施。为了利用5G，诸如移动电话的便携式电子装置将需要配置有适当通信组件。这些组件包括天线，天线具有在毫米(mm)波范围内的一个或多个谐振频率，毫米波范围从10GHz延伸到100GHz。在许多国家，认为可用5G毫米波频率为28GHz和39GHz。该频谱在频率上不连续。因此，如果移动装置将支持在多于一个毫米波频率下的操作，则天线将需要支持感兴趣的频率。这种天线有时被称为多模天线，并且可以是多频带(多带)天线。

而且，因为波长非常小，所以可以通过使用为阵列的多个天线来提高性能。阵列天线在正确定相下提供潜在天线增益，但还增加挑战。定相使天线辐射变窄为可以指向基站的波束。阵列的天线元件应具有宽模式、良好的极化、低耦合以及低接地电流。对于所提出的28GHz和39GHz频率下的双频带天线，实现这些特性具有挑战性。

在毫米波频率下，传统天线可能引起移动装置的机架(外壳)中的强表面波，该表面波使由天线元件发射的辐射模式失真。该失真可能导致差操作性能，并且可能阻止天线阵列应用。该现象由于机架在波长方面的电气尺寸远大于发射信号的波长而发生。

图1示出了经受该现象的传统毫米波天线10的一部分。天线10是平面天线，该平面天线包括设置在诸如印刷电路板(PCB)的基板14上的接地平面12。天线包括与接地平面12的边缘相邻地设置在基板14上的单个天线元件16。天线元件16由也设置在基板18上的馈线18来馈送。馈线18和天线元件16可以是微带线。馈线18的一部分如图所示位于在接地平面12中形成的凹槽20中。馈线18在由图1中的三角形状物品示意性表示的连接点22处连接到供应RF信号的组件。供应RF信号的组件可以是功率放大器的输出或调谐或阻抗匹配电路的输出。供应RF信号的组件可以位于基板14的另一层上或单独基板上。

为了接地平面12相对于天线元件16的尺寸感，图2示出了整个接地平面12、馈线18以及天线元件16。图2还示出了在28GHz下的操作期间引起的表面电流。表面电流沿着接地平面12的天线元件16存在的边缘传播。图3示出了对应辐射模式，该辐射模式呈现在阵列应用中不期望的较强旁瓣。

发明内容

本公开描述了一种具有支持一个或多个5G毫米波操作频率的平衡不平衡转换器结构的平衡平面天线。对于双频带操作，可以添加寄生元件。元件可以形成在PCB上的一个金属层中，并且可以布置为覆盖例如28GHz频带和多谐振35-42GHz频带。发射模式可以具有宽覆盖角度和良好的平衡。

根据本公开的各方面，平面天线具有至少一个毫米波谐振频率并且包括：接地平面，该接地平面设置在基板上；第一天线元件，该第一天线元件布置在基板上；第二天线元件，该第二天线元件设置在基板上；臂，该臂设置在基板上，臂将第二天线元件连接到接地平面；馈线，该馈线设置在基板上并且连接到第一天线元件，馈线用于将射频信号馈送到第一天线元件；以及平衡不平衡转换器，该平衡不平衡转换器设置在基板上，并且将第一天线元件连接到接地平面，并且平衡不平衡转换器使天线电气平衡；并且其中，接地平面、第一天线元件、第二天线元件、臂、馈线以及平衡不平衡转换器是共面的。

根据天线的一个实施方式，馈线是不平衡共面波导。

根据天线的一个实施方式，馈线的一部分设置在形成在接地平面中的凹槽中。

根据天线的一个实施方式，平衡不平衡转换器与馈线相邻的边缘与凹槽的对应第一边缘共线。

根据天线的一个实施方式，臂与馈线相邻的边缘与凹槽的对应第二边缘共线。

根据天线的一个实施方式，天线元件的纵轴共线。

根据天线的一个实施方式，第一天线元件的第一端连接到馈线。

根据天线的一个实施方式，平衡不平衡转换器在馈线与第一天线元件的自由远端之间连接到第一天线元件。

根据天线的一个实施方式，第二天线元件的第一端连接到臂。

根据天线的一个实施方式，第一天线元件的第一端与第二天线元件的第一端相邻。

根据天线的一个实施方式，天线还包括与第一天线元件和第二天线元件相邻且平行地设置在基板上的寄生元件，寄生元件向天线添加在毫米波频率范围内的第二谐振频率。

根据天线的一个实施方式，寄生元件增大至少一个毫米波谐振频率的带宽。

根据天线的一个实施方式，至少一个毫米波谐振频率为大约28GHz，并且第二谐振频率为大约39GHz。

根据天线的一个实施方式，臂为线性的，并且没有其它元件将第二天线元件互连到接地平面。

根据天线的一个实施方式，平衡不平衡转换器为线性的，并且没有其它元件将第一天线元件互连到接地平面。

根据本公开的一个方面，一种电子装置包括：平衡平面天线；和通信电路，该通信电路操作地耦合到天线，其中，通信电路被配置为生成射频信号，该射频信号馈送到天线，以便作为与另一个装置的无线通信的一部分发射。

在结构布置上平衡且是平面的所公开天线容易制造，消耗移动装置中的低体积，可以以阵列来实现，并且引起移动装置的机架中的低表面电流。因此，由天线发射的辐射模式具有期望特性，并且可以支持毫米波操作。

附图说明

图1是根据现有技术的天线布置的表示。

图2是图1的天线布置的另一个表示并且示出了在天线中引起的表面电流。

图3是图1至图2的天线的辐射模式。

图4是包括根据本公开的天线的电子装置的示意图。

图5是根据本公开的天线布置的表示。

图6是图5的天线布置的另一个表示并且示出了在天线中引起的表面电流。

图7是图5至图6的天线的辐射模式。

图8是图5至图6的天线的操作特性的标绘图。

图9是根据本公开的另一个天线布置的表示。

图10是图9的天线的操作特性的标绘图。

图11至图12是图9的天线在各谐振频率下的表面电流的表示。

图13至图15是图9的天线在各谐振频率下的辐射模式。

具体实施方式

现在将参照附图描述实施方式，在附图中，同样的附图标记自始至终用于提及同样的元件。将理解，附图不是必须为等比例的。关于一个实施方式描述和/或例示的特征可以以相同方式或类似方式用于一个或多个其它实施方式中和/或与其它实施方式的特征组合或代替这些特征。

下面结合附图描述的是可以与诸如移动电话的移动终端一起使用的天线结构的各种实施方式。虽然附图例示了一个天线，但将理解，移动终端为了波束成形或扫描应用可以包括天线的阵列。

参照图4，例示了用于所公开天线的示例性环境。示例性环境是被构造为移动无线电话(更常称为移动电话或智能电话)的电子装置24。电子装置24可以被称为用户设备或UE。电子装置可以是但不限于移动无线电话、平板计算装置、计算机、游戏装置、物联网(IoT)装置、媒体播放器等。下面描述示例性电子装置24的另外详情。

如所指示的，电子装置24包括支持无线通信的天线26。通过另外参照图5，例示了天线26的一部分。天线26是平面平衡双极天线。与之相比，图1的天线是不平衡天线。

天线26包括设置在诸如印刷电路板(PCB)的基板30上的接地平面28。天线包括设置在基板30上的第一天线元件32和第二天线元件34。所例示实施方式中的天线元件32、34的总电气长度是天线26的谐振频率的半波长。天线元件32、34可以是具有纵轴的微带线，这些纵轴共线且与接地平面28的相邻边缘36平行。在所例示的实施方式中，天线元件32、34与接地平面28的边缘36隔开四分之一波长的电气距离。物理距离将根据期望的谐振频率变化。

第一天线元件32具有与第二天线元件34的第一端40(还被称为近端)相邻的第一端38(还被称为近端)。第一天线元件32具有与第一端38相反的自由第二端42(还被称为远端)。类似地，第二天线元件34具有与第一端40相反的自由第二端44(还被称为远端)。

第一天线元件32的第一端38连接到也设置在基板30上的馈线30并由该馈线来馈送。馈线46可以是微带线，并且可以是不平衡共面波导(CPW)。如将理解的，因为CPW是与一对伪接地平面分开的导体，所以形成CPW。馈线46可以为一个波长那么长。馈线46的一部分(例如，大约四分之三波长那么长的部分)位于在接地平面28中形成的凹槽48中。馈线46在连接点50处连接到供应RF信号的组件。连接点50由图4中的三角形状物品示意性表示。供应RF信号的组件可以是功率放大器的输出或调谐或阻抗匹配电路的输出。供应RF信号的组件可以位于基板30的另一层上或单独基板上。

平衡不平衡转换器52互连接地平面28和第一天线元件32。平衡不平衡转换器52由于其几何结构和相对于第一天线元件32的位置可以被认为是宽频带平衡不平衡转换器。在示例性实施方式中，平衡不平衡转换器可以为1.3mm*0.75，用于中心频率为大约30GHz的天线操作。另外，在相同中心频率下，平衡不平衡转换器可以与馈线46相隔0.15mm，以获得高度阻抗匹配。平衡不平衡转换器52设置在基板30上。平衡不平衡转换器52在第一端38与第二端42之间(优选地与馈线46相邻)连接到第一天线元件。

平衡不平衡转换器将来自馈线46的不平衡信号(例如，针对接地工作的信号)转换成在天线26的极中的平衡信号(例如，在接地不相关的情况下针对彼此工作的两个信号)。由此，平衡不平衡转换器52可以被认为配置为将不平衡CPW转移至平衡双极天线。平衡不平衡转换器使得馈线46导体中的电流在天线元件32、34中大小相等且相位相反，这导致零阻抗电流。所例示实施方式中的平衡不平衡转换器52为四分之一波长那么长，但可以为四分之一波长的奇数倍。

导体(这里还被称为臂54)互连接地平面28和第二天线元件34。臂54连接到第二天线元件34的第一端40。臂54充当第二天线元件34与接地平面28之间的导电路径。但是臂54不需要充当平衡不平衡转换器52，因为第二天线元件34不由馈线46直接馈送，而是借助第一天线元件34来馈送。

在一个实施方式中，平衡不平衡转换器52的最靠近第一天线元件32的第一端38的边缘与狭槽48的、馈线46所在的对应边缘共线。类似地，臂54的最靠近第二天线元件34的第一端40的边缘与狭槽48的、馈线46所在的对应边缘共线。其它结构是可能的，但是馈线46到平衡不平衡转换器52的间隔可能影响阻抗匹配。

天线26的构造导致第二天线元件34通过臂54连接到接地平面28，并且第一天线元件32通过平衡不平衡转换器52连接到接地平面28。因此，在天线元件32、34与接地平面28之间通常没有势差，并且在接地平面28上不引起电流。

接地平面28、天线元件32、34、馈线46、平衡不平衡转换器52以及臂54可以由设置在基板30上的导电材料(例如，铜、其它导电金属、或其它导电材料)的共面整体层制成。在另一个实施方式中，各种天线26部件可以由单独但互连的金属元件来制成，这些金属元件以共面布置设置在基板30上。

虽然仅例示了一个天线26，但将理解，多个类似构造的天线26可以存在，以形成天线阵列。阵列的天线可以彼此共面，和/或与同一接地平面28或相应接地平面连接。

为了接地平面28相对于天线元件32、34的尺寸感，图6示出了整个接地平面28、天线元件32、34、馈线46(在图6中未编号)、平衡不平衡转换器52(在图6中未编号)以及臂54(在图6中未编号)。图6还例示了在28GHz下操作期间引起的表面电流。图7示出了对应辐射模式。图8是天线26的S(1,1)参数跨频率的标绘图。谐振频率出现在28GHz附近，如由折线框高亮显示的。

另外参照图9，例示了天线的另一个实施方式。在该实施方式中，天线(现在由附图标记56来指代)具有与图5的天线26相同的结构布置，但添加寄生元件58。如将理解的，寄生元件58是不用RF信号驱动的元件。在一个实施方式中，寄生元件58不电连接到天线26的任何其它元件，但起建立第二谐振模式的无源谐振器的作用。添加寄生元件58来引入另外谐振频率，由此使得天线56变成多频带天线。在所例示的实施方式中，寄生元件58是设置在基板30上的微带线。寄生元件58与包括接地平面28、天线元件32、34、馈线46、平衡不平衡转换器52以及臂54的其它天线56组件共面。寄生元件58的纵轴与天线元件32、34的纵轴平行。在一个实施方式中，寄生元件58与天线元件32、34相隔四分之一波长，但可以进行对电气距离的调节，以优化阻抗匹配。所例示的实施方式的寄生元件58在长度上为半波长，并且可以相对于第一天线元件32与第二天线元件34之间的间隙定中心。

谐振频率可以通过调节寄生元件58的长度或寄生元件58与天线元件32、34的距离中的一者或两者来控制。为了增加支撑另外操作频带的谐振频率的数量，可以与寄生元件58平行且相对于接地平面28从寄生元件58径向向外地在基板30上添加另外寄生元件。

在曲线60处，图10示出了天线56的S(1,1)参数跨频率的标绘图。为了比较，图10还在曲线62处示出了天线26的S(1,1)参数跨频率的标绘图。类似于天线26，谐振频率出现在针对天线56的28GHz附近，如由折线框64高亮显示的。还如由折线框66高亮显示的，建立高谐振模式。高谐振模式在36GHz附近和39GHz附近具有峰值。与天线26的性能(如由曲线62表示的)相比，天线56在28GHz处的带宽变宽(例如，如由曲线60和62在折线框64内的部分指示的)，并且实现多频带谐振。其它频率可通过缩放天线26的组件的维数来支持。

图11例示了天线56在28GHz处的表面电流，并且图12例示了天线56在39GHz处的表面电流。在图11至图12中，电流分布描绘了天线26如何在多个频率下操作。图13示出了28GHz处的对应辐射模式。图14示出了36GHz处的对应辐射模式。图15示出了39GHz处的对应辐射模式。从图13至图15可以注意，因为表面波被平衡不平衡转换器抑制，所以天线26的辐射模式不具有强旁瓣。这对于阵列实现是期望特性。

如将理解的，前述公开描述了可配置为以可期望辐射模式支持毫米波频带中的5G通信的多频带平衡天线结构。平衡天线模式使用支持多频带谐振模式的宽带平衡不平衡转换器来实现。而且，天线结构以平面结构来具体实施，该平面结构较容易制造并且不消耗移动电子装置(其中，空间约束通常是问题)中的额外空间。

返回到图4，例示了作为将天线26用于无线电(无线)通信的移动电话的示例性实施方式中的电子装置24的示意框图。在一个实施方式中，天线26支持与蜂窝电话网络的基站通信，但是可以用于支持其它无线通信，诸如但不限于WiFi通信。另外天线可以存在以支持其它类型的通信，诸如但不限于WiFi通信、蓝牙通信、体域网(BAN)通信、近场通信(NFC)以及3G和/或4G通信。

电子装置24包括负责电子装置24的整体操作的控制电路68。控制电路68包括执行操作***62和各种应用74的处理器70。操作***72、应用74以及所存储数据76(例如，与操作***72、应用74以及用户文件关联的数据)存储在存储器78上。操作***72和应用74以存储在电子装置24的非暂时性计算机可读介质(例如，存储器78)上并由控制电路68执行的可执行逻辑例程(例如，代码行、软件程序等)的形式来具体实施。

控制电路68的处理器70可以是中央处理单元(CPU)、微控制器或微处理器。为了进行电子装置24的操作，处理器70执行在控制电路68内的存储器(未示出)和/或单独存储器(诸如存储器78)中存储的代码。存储器78例如可以为缓冲器、闪存、硬盘驱动器、可移动介质、易失性存储器、非易失性存储器、随机存取存储器(RAM)或其它合适装置中的一个或更多个。在典型布置中，存储器78包括用于长期数据存储的非易失性存储器和起用于控制电路68的***存储器功能的易失性存储器。存储器78可以通过数据总线与控制电路68交换数据。存储器78与控制电路68之间还可以存在伴随控制线和地址总线。存储器78被认为是非暂时性计算机可读介质。

如所指示的，电子装置24包括通信电路，该通信电路使得电子装置24能够建立各种无线通信连接。在示例性实施方式中，通信电路包括无线电电路80。无线电电路80包括一个或多个射频收发器，并且操作地连接到天线26和电子装置24的任意其它天线。在电子装置24是能够使用多于一个标准或协议、通过多于一个无线接入技术(RAT)和/或通过多于一个射频频带通信的多模式装置的情况下，无线电电路80表示一个或多于一个无线电收发器、调谐器、阻抗匹配电路、以及各种支持频段和无线接入技术所需的任意其它组件。无线电电路80支持的示例性网络接入技术包括蜂窝电路交换网络技术和分组交换网络技术。无线电电路80还表示用于诸如通过蓝牙接口和/或通过体域网(BAN)接口直接与另一个电子装置进行局部无线通信的任意无线电收发器和天线。

电子装置24还包括用于向用户显示信息的显示器82。显示器82可以由将视频数据转换成用于驱动显示器82的视频信号的视频电路84来耦合到控制电路68。视频电路84可以包括任何合适缓冲器、解码器、视频数据处理器等。

电子装置24可以包括用于接收用于控制电子装置24的操作的用户输入的一个或多个用户输入86。示例性用户输入86包括但不限于：与用于触摸屏功能的显示器82重叠或是其一部分的触敏输入88、以及一个或多个按钮90。其它类型的数据输入可以存在，诸如一个或多个运动传感器92(例如，陀螺仪传感器、加速度计等)。

电子装置24还可以包括用于处理音频信号的声音电路94。耦合到声音电路94的是启用通过电子装置24进行的音频操作(例如，进行电话呼叫、输出声音、捕捉音频等)的扬声器96和麦克风98。声音电路94可以包括任何合适缓冲器、编码器、解码器、放大器等。

电子装置24还可以包括供电单元100，该供电单元包括可充电电池102。供电单元100在没有从电子装置24到外部电源的连接时将操作电力从电池102供应到电子装置24的各种组件。

电子装置24还可以包括各种其它组件。比如，电子装置24可以包括为电连接器形式的一个或多个输入/输出(I/O)连接器(未示出)，这些电连接器用于经由电缆操作地连接到另一个装置(例如，计算机)或附件，或者用于从外部电源接收电力。

另一个示例性组件是被构造为使电子装置24振动的振动器104。另一个示例性组件可以是用于拍摄照片或视频或用于视频电话中的一个或多个相机106。作为另一个示例，诸如全球定位***(GPS)接收器的位置数据接收器108可以存在，以辅助确定电子装置24的位置。电子装置24还可以包括接收用户身份模块(SIM)卡112的SIM卡槽110。狭槽110包括在电子装置24与SIM卡112之间建立操作连接的任何适当连接器和接口硬件。

虽然已经示出并描述了特定实施方式，但应理解，本领域技术人员在阅读并理解该说明书时想到落在所附权利要求范围内的等同物和修改例。

Claims

1.一种具有至少一个毫米波谐振频率的平面天线(26)，所述平面天线包括：

接地平面(28)，所述接地平面设置在基板(30)上；

第一天线元件(32)，所述第一天线元件设置在所述基板上；

第二天线元件(34)，所述第二天线元件设置在所述基板上；

臂(54)，所述臂设置在所述基板上，所述臂将所述第二天线元件连接到所述接地平面；

馈线(46)，所述馈线设置在所述基板上并且连接到所述第一天线元件，所述馈线用于将射频信号馈送到所述第一天线元件；以及

平衡不平衡转换器(52)，所述平衡不平衡转换器设置在所述基板上，并且将所述第一天线元件连接到所述接地平面，并且所述平衡不平衡转换器使所述天线电气平衡；并且

其中，所述接地平面、第一天线元件、第二天线元件、臂、馈线以及平衡不平衡转换器是共面的。

2.根据权利要求1所述的天线，其中，所述馈线是不平衡共面波导。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的天线，其中，所述馈线的一部分设置在所述接地平面中形成的凹槽(48)中。

4.根据权利要求3所述的天线，其中，所述平衡不平衡转换器的与所述馈线相邻的边缘与所述凹槽的对应第一边缘共线。

5.根据权利要求3至4中的任一项所述的天线，其中，所述臂的与所述馈线相邻的边缘与所述凹槽的对应第二边缘共线。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的天线，其中，所述天线元件的纵轴共线。

7.根据权利要求6所述的天线，其中，所述第一天线元件的第一端连接到所述馈线。

8.根据权利要求7所述的天线，其中，所述平衡不平衡转换器在所述馈线与所述第一天线元件的自由远端之间连接到所述第一天线元件。

9.根据权利要求6至8中的任一项所述的天线，其中，所述第二天线元件的第一端连接到所述臂。

10.根据权利要求9所述的天线，其中，所述第一天线元件的所述第一端与所述第二天线元件的所述第一端相邻。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的天线，所述天线还包括与所述第一天线元件和所述第二天线元件相邻且平行地设置在所述基板上的寄生元件(58)，所述寄生元件向所述天线添加在毫米波频率范围内的第二谐振频率。

12.根据权利要求11所述的天线，其中，所述寄生元件增大所述至少一个毫米波谐振频率的带宽。

13.根据权利要求11至12中的任一项所述的天线，其中，所述至少一个毫米波谐振频率为大约28GHz，并且所述第二谐振频率为大约39GHz。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的天线，其中，所述臂为线性的，并且没有其它元件将所述第二天线元件互连到所述接地平面。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的天线，其中，所述平衡不平衡转换器为线性的，并且没有其它元件将所述第一天线元件互连到所述接地平面。

16.一种电子装置(24)，所述电子装置包括：

根据前述权利要求中的任一项所述的平衡平面天线；以及

通信电路(80)，所述通信电路操作地耦合到所述天线，其中，所述通信电路被配置为生成所述射频信号，所述射频信号被馈送到所述天线，以便作为与另一个装置的无线通信的一部分发射。