阅读说明：本技术 用于毫米波通信的贴片天线 (Patch antenna for millimeter wave communication ) 是由 应志农 徐博 于 2017-05-15 设计创作，主要内容包括：天线具有在毫米波频率范围内的至少一个谐振频率。天线包括接地平面,其被设置在第一平面中,该接地平面具有第一孔径,在该第一孔径处通过馈线向天线馈送RF信号；以及主贴片,其被设置在平行于第一平面的第二平面中,第一平面和第二平面被间隔开以在接地平面与主贴片之间形成第一腔体,该主贴片具有第二孔径。(The antenna has at least one resonant frequency in the millimeter wave frequency range. The antenna comprises a ground plane arranged in a first plane, the ground plane having a first aperture at which an RF signal is fed to the antenna by a feed line; and a primary patch disposed in a second plane parallel to the first plane, the first and second planes being spaced apart to form a first cavity between the ground plane and the primary patch, the primary patch having a second aperture.)

用于毫米波通信的贴片天线

技术领域

本公开的技术总体上涉及电子设备的天线，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的通信标准目前被广泛使用。预期不久将部署支持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设备将需要配置有适当的通信组件。这些组件包括具有从10GHz延伸到100GHz的毫米(mm)波范围内的一个或更多个谐振频率的天线。在许多国家，认为可用的5G毫米波频率在28GHz和39GHz。该频谱在频率上不连续。因此，如果移动设备要支持在多于一个毫米波频率下的操作，则天线将必须是多频带天线(有时称为多频带天线或多模天线)。

另外，由于波长非常小，可以通过使用呈阵列的多个天线来增强性能。在正确定相(phasing)下，阵列天线提供了潜在的天线增益，但也增加了挑战。定相使天线辐射变窄成可以指向基站的波束。阵列的天线元件应当具有宽的图形、良好的极化、低耦合和低接地电流。对于提出的28GHz和39GHz频率的双频带天线，实现这些特性是一个挑战。其原因之一是窄频带馈线(feedline)通常在谐振毫米波频率下具有不期望的辐射。

发明内容

本公开描述了一种槽耦合贴片天线(slot-coupled patch antenna)，其具有带宽特性以支持在一个或更多个5G毫米波操作频率上的无线通信。当在阵列中实施时，天线基本上去除馈线发射并抑制相互耦合。该天线具有带有贴片和槽布置的多层结构。天线可以在第一谐振频率(诸如，大约28GHz)下具有紧凑的大小和良好的带宽。可以通过添加寄生贴片来建立另一个谐振频率(诸如，大约39GHz)。多个天线可以被布置成阵列。天线(或天线阵列)可以用在例如移动终端(例如，移动电话)、小型基站或物联网(IoT)设备中。

根据本公开的各方面，贴片天线具有在毫米波频率范围内的至少一个谐振频率，并且包括：接地平面，其被设置在第一平面中，该接地平面具有第一孔径，在该第一孔径处通过馈线向天线馈送RF信号；以及主贴片，其被设置在平行于第一平面的第二平面中，第一平面和第二平面间隔开以在接地平面与主贴片之间形成第一天线腔体，主贴片具有第二孔径。

根据天线的一个实施方式，第一天线腔体是气隙。

根据天线的一个实施方式，孔径的几何中心被同轴地对准。

根据天线的一个实施方式，接地平面被设置在第一基板上，并且主贴片被设置在第二基板上。

根据天线的一个实施方式，第一基板和第二基板是多层印刷电路板的层。

根据天线的一个实施方式，通过去除多层印刷电路板的一部分来形成腔体。

根据天线的一个实施方式，该天线还包括寄生贴片，该寄生贴片被设置在第三平面中，该第三平面平行于第一平面和第二平面，该第三平面与第二平面间隔开，以在主贴片的与第一天线腔体相反的一侧上、在主贴片与寄生贴片之间形成第二天线腔体，该寄生贴片将毫米波频率范围内的第二谐振频率添加到天线。

根据天线的一个实施方式，天线的第一谐振频率约为28GHz，而第二谐振频率约为39GHz。

根据天线的一个实施方式，主贴片和寄生贴片的几何中心被同轴地对准。

根据天线的一个实施方式，主贴片、寄生贴片和孔径的几何中心被同轴地对准。

根据天线的一个实施方式，这些孔径具有约2.7mm的长度；第一天线腔体的高度约为0.3mm；第二天线腔体的高度约为0.1mm；主贴片的长度为约3.4mm至约3.6mm；主贴片的宽度为约3.4mm至约3.6mm；寄生贴片的长度为约0.6mm至约0.9mm；并且主贴片的宽度为约0.7mm至约1.0mm。

根据本公开的其它方面，电子设备包括天线和可操作地联接到天线的通信电路，其中，通信电路被配置为产生射频信号，所述射频信号被馈送到天线以作为与另一设备的无线通信的一部分而发射。

所提出的多层配置抑制了当以毫米波频带操作时在用户设备的机壳(外壳)中已经观察到的表面波，还提供了用于无线通信的足够带宽。所提出的天线配置是紧凑的，并且可以容易地集成到在毫米波频带中操作的用户装备中。在存在寄生贴片并通过主贴片上的孔径馈送的实施方式中，激励较高的谐振频率，使得贴片天线在不增大天线的覆盖区(footprint)的情况下提供双频带辐射。

附图说明

图1是包括根据本公开的包括天线的电子设备的示意图。

图2是根据本公开的天线的表示。

图3是沿图2的线3-3截取的天线的横截面。

图4A是用于天线的第一基板的俯视图。

图4B是用于天线的第二基板的俯视图。

图5是天线的操作特性的曲线图。

图6A和图6B是图2的天线的侧视图，其分别示出了天线在第一谐振模式和第二谐振模式下谐振时的电场。

图7A和图7B是图2的天线分别在第一谐振频率下和第二谐振频率下发射的辐射图。

图8是根据本公开的天线的另一实施方式的表示。

图9是图8的天线的操作特性的曲线图。

图10是图8的天线的操作特性的曲线图，但是在天线的主贴片元件中没有孔径。

图11A和图11B是图2的天线的操作特性的曲线图，其示出了天线的主贴片元件的变化特性的影响。

图12A和图12B是图2的天线的操作特性的曲线图，其示出了天线的寄生贴片元件的变化特性的影响。

图13例示了具有根据图2的天线的多个天线的天线阵列。

具体实施方式

现在将参照附图描述实施方式，其中，使用相同的附图标记自始至终指代相同的元件。应当理解，附图不必按比例绘制。关于一个实施方式描述和/或示出的特征可以以相同方式或类似方式用于一个或更多个其他实施方式中和/或与其他实施方式的特征组合或代替其他实施方式的特征。

下面结合附图描述可以在毫米波频率下使用的天线结构的各种实施方式。尽管附图示出了一个天线，但是应当理解，天线阵列可以用于波束成形或扫掠(sweeping)应用。

多模天线结构

参考图1示出了所公开的天线的示例性环境。示例性环境是被配置为移动无线电话(更通常地称为移动电话或智能电话)的电子设备10。电子设备10可以被称为用户装备或UE。电子设备10可以是但不限于移动无线电话、平板计算设备、计算机、游戏设备、物联网(IoT)设备、媒体播放器、基站或接入点等。下面描述示例性电子设备10的附加细节。

如图所示，电子设备10包括支持无线通信的天线12。另外参考图2，以某种示意性的形式示出天线12的一个实施方式。图3例示了沿着图2的线3-3的天线12的横截面，并且示出了天线12的指示部分的所有操作结构特征。图2包括用于参考的坐标系。本公开中的方向描述是相对于坐标系进行的，并且不涉及天线12在空间中的任何取向。图4A和图4B分别是天线12的第一基板14和天线的第二基板16的俯视图。在图4A和图4B中，基板14、16顶部上的导电层以实线示出，基板14、16底部上的导电层以虚线示出。基板14、16可以是例如单独的印刷电路板(PCB)或者可以是多层PCB的层。

参考图2至图4B，天线12被孔径馈送(例如，将RF能量馈送到天线的线通过具有将能量传输到天线的辐射部分的孔径的导电平面与天线的其余部分屏蔽)。为此，天线12包括设置在第一基板14的上表面20上的接地平面18。第一孔径22(也称为槽)形成在接地平面18中，并具有在x轴方向的纵向轴线。馈线24被设置在第一基板14的下表面26上。馈线24可以是例如50欧姆(Ω)开口的微带线，其具有在y轴方向的纵向轴线。馈线24从连接点28(在图2中示意性地由三角形物体表示)延伸到短截线(stub)30的末端。短截线30(或馈线24的在y轴方向上延伸经过孔径22的一部分)具有四分之一波长的电长度。馈线24连接到在连接点28处提供RF信号的组件。提供RF信号的组件可以是功率放大器的输出端或者调谐或阻抗匹配电路的输出端。提供RF信号的组件可以位于PCB的包括第一基板14的另一层上或者位于单独的基板上。

主贴片32被设置在第二基板16的下表面34上。第二基板16相对于第一基板14定位，使得接地平面18和主贴片32在z轴方向上彼此间隔开。在下面的部分中提供了接地平面18和主贴片32之间的示例性间隔以及其它天线参数。因此，天线腔体36存在于主贴片32和接地平面18之间。在优选实施方式中，天线腔体36填充有空气并且可以被称为气隙。在另一实施方式中，天线腔体36填充有不同于空气的电介质材料。

在第一基板14和第二基板16是多层PCB的一部分的一个实施方式中，天线腔体36也是通过去除多层PCB的一部分而形成的多层PCB中的物理腔体。例如，***第一基板14和第二基板16之间的第三基板(未示出)的一部分可以通过诸如钻孔、机械加工或蚀刻的工艺去除。在这种情况下，第三基板的其余部分为第二基板16提供机械支撑。在第二基板16是与第一基板14间隔的组件的另一实施方式中，可以使用间隔物或其它保持构件将第二基板16维持在相对于第一基板的位置。

第二孔径38(也称为槽)被形成在主贴片32中并具有在x轴方向的纵向轴线。因此，第一孔径22和第二孔径38彼此平行。在一个实施方式中，第一孔径22的几何中心在第二孔径38的几何中心上方(在z轴的方向)对准。因此，孔径22、38具有共同的中心轴并且可以被认为在z轴的方向上同轴地对准(例如，孔径22、38的几何中心具有相同的x轴值和y轴值，但是具有不同的z轴值)。这种关系提供了天线12的较高辐射效率。第一孔径22和馈线24在z轴方向上的交点也可以与孔径22、28的几何中心同轴地对准。

第二孔径38使主贴片32的表面电流的电长度(electrical length)相对于没有孔径38的类似主贴片的表面电流的电长度放大。主贴片32的表面电流的电长度随着第二孔径38的物理长度(在x轴方向上测量长度)的增加而增加。因此，天线12的谐振频率和带宽随着第二孔径38的物理长度的增加而减小。每个孔径22、38的宽度与其各自的长度相比较小，因为孔径22、38的宽度对谐振频率影响很小(在y轴方向上测量宽度)。在一个实施方式中，第二孔径38的宽度约为其长度的十分之一，但是宽度可以达到其长度的一半。

为了添加用于实现双频带辐射的第二谐振模式，可以将寄生贴片40添加到第二基板16的上表面42。可以理解，寄生贴片是不被RF信号驱动的元件。在一个实施方式中，寄生贴片不电连接到天线12的任何其它元件，而是用作无源谐振器以建立第二谐振模式。在电气上，第二天线腔体43存在于主贴片32与寄生贴片40之间。第二腔体可以填充有第二基板16的材料、不同的电介质材料或空气。可以在寄生贴片的上方竖直地添加一个或更多个附加寄生贴片，以添加附加的对应谐振模式。

馈线24、接地平面18、主贴片32和寄生贴片40可以由适当的一种导电材料或多种导电材料(诸如，铜)制成。在一个实施方式中，馈线24、接地平面18、主贴片32和寄生贴片40各自处于彼此平行的相应平面中。在一个实施方式中，主贴片32的几何中心和寄生贴片40的几何中心彼此上下对准(在z轴的方向上)，使得贴片32、40具有共同的中心轴。贴片32的同轴对准可以是与孔径22、38的几何中心共同的同轴对准。

示例

在一个示例性实施方式中，天线12可以被配置为具有28GHz和39GHz的谐振频率。这反映在图5所示的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图中。

为了实现这些特性，孔径22、38的长度可以约为2.7毫米(mm)，孔径22、38的宽度可以在大约0.1mm到大约0.3mm的范围内，天线腔体36的高度(例如，主贴片32与接地平面18之间的间隔)可以约为0.3mm(在z轴方向上测量的高度)，基板14、16的高度可以约为0.1mm，基板14、16可以具有3.38的介电常数，主贴片32的长度可以在大约3.4mm到大约3.6mm的范围内，主贴片32的宽度可以在大约3.4mm到大约3.6mm的范围内，寄生贴片40的长度可以在大约0.6mm到大约0.9mm的范围内，并且主贴片32的宽度可以在大约0.7mm到大约1.0mm的范围内。由于第二基板16将主贴片32和寄生贴片40间隔开，所以第二腔体43的高度可以与第二基板16的高度相同。在一个实施方式中，基板14、16由可从美国亚利桑那州钱德勒的罗杰斯公司(Rogers Corporation of Chandler,Arizona,United States)获得的电介质材料RO4003制成。

可以调节前述参数以获得期望的谐振频率并改善阻抗匹配。将在下面的参数研究中描述可以进行的示例性调节。

在第一(较低)谐振模式下，在主贴片32与接地平面18之间的较低天线腔体中(例如，在天线腔体36中)的电场(E_z)是强的，并且主贴片32是在较低谐振频率下的主要辐射元件，在该示例中该较低谐振频率约为28GHz。在第二(较高)谐振模式下，在主贴片32与接地平面18之间的较低天线腔体中(例如，在天线腔体36中)的电场(E_z)弱于在较低谐振模式中的电场。然而，在主贴片32与寄生贴片40之间的较高天线腔体43中的电场(E_z)相对于较低谐振模式增加，导致混合模式，其中，主贴片32和寄生贴片40都以较高谐振频率辐射，在该示例中，该较高谐振频率约为39GHz。图6A和图6B是天线12的代表性侧视图，其分别包括当天线在较低和较高谐振模式下谐振时的电场。图7A是天线12在较低谐振模式下发射时的辐射图。图7B是天线12在较高谐振模式下发射时的辐射图。在图7A和图7B中，y轴在竖直方向上延伸，x轴和y轴形成所示平面，z轴从所示平面在法线方向上延伸。

另选单模实施方式

参考图8，示出了天线的另选实施方式。类似于图2的图示，图8的图示为某种示意性的形式。天线44具有与图2到图4B的天线12相同的配置，但是省略了第二基板16的上表面42上的寄生贴片40。第二基板16未在图8中示出，但也可存在以支撑主贴片32。天线44可以被配置为具有单个谐振模式(诸如，在大约28GHz)。这反映在图9所示的天线44的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图中。

图10是天线44的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图，但是其中，主贴片32是没有孔径38的连续导电层。可以看出，孔径38降低了天线44的谐振频率。如前所述，孔径38引起天线12中谐振频率的类似降低。

多模天线的参数研究

天线12、44的主贴片32的大小的变化可以改变天线12、44的电气特性。例如，图11A示出了在y轴方向上改变天线12的主贴片32的尺寸的影响。作为参考，该尺寸将被认为是主贴片32的宽度。沿着x轴延伸的尺寸将被认为是主贴片32的长度。对于结合图11A进行的分析，主贴片32的长度保持恒定。曲线46是主贴片32的宽度为3.6mm以及长度为3.5mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。曲线48是主贴片32的宽度为3.5mm以及长度为3.5mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。曲线50是主贴片32的宽度为3.4mm以及长度为3.5mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。如图所示，宽度变化改变了较低的谐振频率。

图11B示出了在保持3.7mm的恒定宽度的同时改变天线12的主贴片32在长度方向上的尺寸的影响。曲线52是主贴片32的长度为3.6mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。曲线54是主贴片32的长度为3.5mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。曲线56是主贴片32的长度为3.4mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。如图所示，改变长度对较低谐振频率仅具有很小的影响。这些改变可用于微调较低谐振频率。另外，主贴片32的长度的改变可以帮助天线12的阻抗匹配。

天线12的其它尺寸变化可导致电气特性的附加改变。例如，孔径38的长度、寄生贴片40的长度和寄生贴片40的宽度是对较高谐振频率影响最大的三个尺寸。例如，图12A示出了在保持0.9mm的寄生贴片40的恒定长度和2.1mm的孔径38的恒定长度的同时改变寄生贴片宽度的影响。曲线58是寄生贴片40的宽度为1.0mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。曲线60是寄生贴片40的宽度为0.9mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。曲线62是寄生贴片40的宽度为0.8mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。曲线64是寄生贴片40的宽度为0.7mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。

图12B示出了在保持2.5mm的寄生贴片40的恒定宽度和2.1mm的孔径38的恒定长度的同时改变寄生贴片的长度的影响。曲线66是寄生贴片40的长度为0.9mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。曲线68是寄生贴片40的长度为0.8mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。曲线62是寄生贴片40的长度为0.7mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。曲线64是寄生贴片40的长度为0.6mm的天线12的S(1，1)-参数随频率变化的曲线图。

可以理解，可以协同地改变主贴片32、孔径38和寄生贴片40的尺寸，以实现期望的较高谐振频率和较低谐振频率。

多模天线阵列

图13例示了天线阵列74，所述天线阵列74包括各根据图2至图4B所示的天线12制成的多个天线。在另一个实施方式中，天线阵列74可以具有各根据图8所示的天线44制成的多个天线，。在所示实施方式中，存在四个天线12a至12d。天线阵列74的天线12可以共享公共第一基板14、公共第二基板16、公共接地平面18或公共物理腔体中的一个或更多个，该公共物理腔体在相应主贴片32与接地平面18之间形成天线腔体36。阵列74的每个天线12被馈送相应的RF信号。RF信号具有相对定相，以指导或操纵用于波束扫描或扫掠应用的合成发射图案(resultant emission pattern)。

示例性操作环境

如将了解，前述公开内容描述了被配置为支持毫米波频带中的5G通信的多频带天线结构。返回图1，例示了作为移动电话的一个示例性实施方式中的电子设备10的示意性框图，该移动电话将天线12(或天线44)用于无线电(无线)通信。在一个实施方式中，天线12支持与蜂窝式电话网络的基站的通信，但可用于支持其它无线通信(诸如，WiFi通信)。可以存在附加天线以支持其它类型的通信，例如但不限于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。

电子设备10包括负责电子设备10的整体操作的控制电路76。控制电路76包括执行操作系统80和各种应用82的处理器78。操作系统80、应用程序82和所存储数据84(例如，与操作系统80、应用程序82和用户文件相关联的数据)被存储在存储器86上。操作系统80和应用82以存储在电子设备10的非暂时性计算机可读介质(例如，存储器86)上并由控制电路76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76的处理器78可以是中央处理单元(CPU)、微控制器或微处理器。处理器78执行存储在控制电路76内的存储器(未示出)和/或诸如存储器86的单独存储器中的代码，以便执行电子设备10的操作。存储器86可以是例如缓冲器、闪速存储器、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)或其它合适的设备中的一个或更多个。在典型布置中，存储器86包括用于长期数据存储的非易失性存储器和用作控制电路76的系统存储器的易失性存储器。存储器86可以通过数据总线与控制电路76交换数据。还可以存在伴随的控制线和存储器86与控制电路76之间的地址总线。存储器86被认为是非暂时性计算机可读介质。

如图所示，电子设备10包括使电子设备10能够建立各种无线通信连接的通信电路。在示例性实施方式中，通信电路包括无线电电路88。无线电电路88包括一个或更多个射频收发器，并且可操作地连接到天线12和电子设备10的任何其他天线。在电子设备10是能够使用多于一种标准或协议，通过多于一种无线接入技术(RAT)和/或通过多于一个射频频带进行通信的多模设备的情况下，无线电电路88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的频带和无线接入技术所需的任何其他组件。无线电电路88所支持的示例性网络接入技术包括蜂窝式电路交换网络技术和分组交换网络技术。无线电电路88还表示用于诸如通过蓝牙接口和/或通过体域网(BAN)接口直接与另一电子设备进行本地无线通信的任何无线电收发器和天线。

电子设备10还包括用于向用户显示信息的显示器90。显示器90可以通过视频电路92联接到控制电路76，视频电路92将视频数据转换为用于驱动显示器90的视频信号。视频电路92可以包括任何适当的缓冲器、解码器、视频数据处理器等。

电子设备10可以包括一个或更多个用户输入94，所述个或更多个用户输入94用于接收用于控制电子设备10的操作的用户输入。示例性用户输入94包括但不限于覆盖显示器90或作为用于触摸屏功能的显示器90的一部分的触摸感应输入96，以及一个或更多个按钮98。可以存在其它类型的数据输入(诸如，一个或更多个运动传感器100(例如，陀螺仪传感器、加速度计等))。

电子设备10还可以包括用于处理音频信号的声音电路102。联接到声音电路102的是扬声器104和麦克风106，使得能够利用电子设备10执行音频操作(例如，进行电话呼叫、输出声音、捕获音频等)。声音电路102可以包括任何适当的缓冲器、编码器、解码器、放大器等。

电子设备10还可以包括电源单元108，电源单元108包括可充电电池110。在没有从电子设备10到外部电源的连接的情况下电源单元108从电池110向电子设备10的各种组件提供操作电力。

电子设备10还可以包括各种其他组件。例如，电子设备10可以包括电连接器形式的一个或更多个输入/输出(I/O)连接器(未示出)，用于经由电缆可操作地连接到另一设备(例如，计算机)或附件，或者用于从外部电源接收电力。

另一示例性组件是被配置为使电子设备10振动的振动器112。另一示例性组件可以是用于拍摄照片或视频或用于视频电话的一个或更多个摄像头114。作为另一示例，可以存在位置数据接收器116(诸如，全球定位系统(GPS)接收器)，以帮助确定电子设备10的位置。电子设备10还可以包括接纳订户识别模块(SIM)卡120的SIM卡槽118。槽118包括任何适当的连接器和接口硬件，以在电子设备10与SIM卡120之间建立操作连接。

尽管已经示出并描述了某些实施方式，但是应当理解，在阅读和理解本说明书之后，本领域技术人员可以想到落入所附权利要求范围内的等同物和修改。