天线元件的制作方法

本发明涉及天线元件和由天线元件布置形成的天线元件阵列。更具体地，但非排他地，它涉及适合于使用表面安装焊接工艺技术制造的天线元件。

背景技术：

使用无线电波的无线通信以及使用无线电波的遥感使用专用频谱的电磁波。对于诸如高数据速率通信或高分辨率遥感的应用，可以有利地使用所谓的毫米波频谱的电磁波。其中术语“毫米波”通常指的是30ghz至300ghz范围内的频率，在本文的上下文中，该术语用于6ghz以上的频率，因为它有时在5g的背景下进行，即第五代移动通信，其与微波范围在0.4和6ghz之间的传统移动通信频率有所不同。

根据监管机构的指定和技术限制，所谓的60ghz频段(涵盖约57ghz至64ghz)的频率被广泛用于所谓的“wigig”标准内的高数据速率的无线通信(也被称作“802.11ad”标准)。存在其他频段和标准，并且预计将来会有更多频段和标准。

无线通信系统以及许多遥感系统需要用于电磁波的发射器和接收器。发射器和接收器都包含在电子电路和自由空间之间的接口处的天线，以便将来自自由空间的传播电磁波转换成电子电路中的导波(或电压和电流)，反之亦然。因此，天线的特征在于朝向自由空间的接口和用于传输线的接口。

作为自由空间的传播电磁波和导波之间的无源转换器，天线的电特性在于其耗散特性(如在任何无源器件中，一些电磁能通过导电损耗和介电损耗转换为热量)和它在电网中的行为。耗散特性由术语“效率”描述，将损失成为热量的功率与通过天线的功率相关联。其频率相关的复阻抗最佳地描述了天线在电网中的行为。通常将该阻抗与典型的馈电传输线特性阻抗(例如，50欧姆)相关联，可以定义电压波反射系数。小的反射系数意味着大部分功率通过天线。因此，在实际应用中，在所有操作频率下，天线需要为馈电功率提供小的反射系数。这定义了天线阻抗带宽。

可以限定天线的其他要求并且取决于相应的应用。例如，用于无线通信的移动用户设备需要物理上小、紧凑且重量轻的天线。这些天线需要平滑地集成到无线设备中。天线频率带宽必须与应用相匹配，效率必须很高。与往常一样，需要具有成本效益的制造和有效的系统集成的可能性。

在先前公开的文献中，提出了几种电路板集成天线。具体地，s.brebels、k.khalaf、g.mangraviti、k.vaesen、m.lubois、b.parvais、v.vidojkovic、v.szortyka，a.bourdoux、p.wambacq，c.soens、w.vanthillo于2016年4月瑞士达沃斯的欧洲天线和传播会议(eucap)上在“带有集成相控阵天线的有机封装上的60ghzcmostx/rx芯片组”中提出了堆叠贴片天线；w.hong、k.baek、y.g.kim、y.lee、b.kim于2014年4月荷兰海牙的欧洲天线和传播会议(eucap)上在“具有半球覆盖范围的第五代蜂窝手机的mm波形相控阵”中提出了一种网格贴片天线；以及w.hong、s.-t.ko、y.lee、k.-h.baek于2015年4月葡萄牙里斯本的欧洲天线和传播会议(eucap)上在“在偏航、俯仰、滚动运动下具有全极化灵活性的紧凑型28ghz天线阵列”中提出了yagi-uda天线的变体。

所有这些天线都具有低效率(通常，大约50％的通过天线的功率转换成了热量)和高成本(堆叠贴片所需的相对厚的电路板材料是昂贵的，因为它基于ptfe基塑料，多层电路板制造昂贵，通过电路板的复杂金属连接制造昂贵)。

本发明解决的问题是提供一种天线元件，其结合了诸如大频率带宽、高效率、紧凑性、易于与传统电子电路和封装技术集成的特性，以及可能的低成本，以用于毫米波频率的应用。

技术实现要素：

根据本发明的天线元件包括具有传输线的电路板，所述传输线至少包括第一导体和第二导体。在一个实施例中，传输线可以是电路板上的平面传输线，包括金属信号迹线和金属接地迹线，并且可以将天线连接到发射器或接收器的电子电路。平面传输线可以是众所周知的类型，例如微带线或共面波导。平面传输线的特征阻抗可以是例如50欧姆。

根据本发明的天线元件还包括安装在电路板的表面上的独立的三维(与贴片天线相反，贴片天线中附加结构是所述电路板的集成部分并且被认为基本上是二维的)金属或金属化环形结构。与电路板平行的金属环形结构的截面设计成使得具有天线元件设计给定频率的电磁波可以通过它。可以将这种结构视为金属波导。充气金属波导的特征在于截止频率，低于该截止频率，通过具有这种截面的结构的波传播被抑制。

应当理解，在本发明的上下文中，如果空气填充区域中的电磁波被(就结构的截面而言)任意筒形形状的金属导体环绕/包围，则认为结构是环形的，筒形形状包括例如(但不限于)正方形、矩形、圆形或椭圆形(即内部和/或外部截面)，无论是否具有称为脊的一个或多个突起。

本发明的天线元件还包括位于所述第一导体和所述独立的三围金属环形结构的第一部分之间的第一电流接触部(即直接的、电流的、金属对金属的接触部，其显示出比诸如串联电容耦合或者并联电感耦合等其它常见的耦合方法更低的串联阻抗，因此具有更小的信号干扰和更小的容差灵敏度，并且优选地由经触电连接的每个结构的平面表面区域形成，其中所述平面表面区域之间的空间(薄层)填充有导电材料，例如焊料或导电粘合剂)以及位于所述第二导体与所述独立的三维金属环形结构的第二部分之间的第二电流接触部，其中所述第一电流接触部和所述第二电流接触部中的至少一个包括至少两个基本上l形的部分。

优选地，在这种配置中，两个电流接触部通过环形结构连接，但是另外被彼此rf去耦，即仅通过诸如长度为η*λ/4(其中n是奇数)的短路的rf去耦结构电流分离或连接。

具体地，如果第一或第二电流接触部的至少两个基本上l形的部分与另一个电流接触部位于同一平面中，则这种布置可以用单层技术实现，特别是如果第一或第二电流接触部通过穿过基板的通孔电连接到位于基板背面的接地平面，即与独立的三维金属环形结构所在的一侧相对的一侧，或者如果第一或第二电流接触部电连接到位于与相应的另一电流接触部相同的平面中的至少一个接地迹线。

以这种方式，可以实现电路板的接地平面分离并垂直连接(通孔)的导体(第一导体、第二导体)位于单个平面中。

根据本说明书中使用的术语，如果接触部在上述环形结构的角部分上延伸，则其包括基本为l形的部分，该角部分包括环形结构的360°角度延伸的至少20°且小于170°。

更具体地，可以可选地/优选地是存在l的第一部分和l的第二部分正交合并的区域。因此，这种l形部分可以例如由圆的一部分及其半径形成。

应理解，这些l形部分不必彼此分开，而是可以彼此连接。具体地，存在类似于字母u或c的形状，其可以使用两个或更多个l形部分(以及最终的其他部分)形成。同样，应该理解的是，t形部分包括如上所述的l形部分。

传输线和环形部分之间的接触部分需要实现/提供平滑过渡以引导电磁波和电流传导，并且还需要防止电磁波泄漏，这将导致在不需要的方向的辐射、不希望的耦合和功率损耗。如上所述的具有角度延伸的l形允许这种平滑过渡。

由于上述充气环形结构通过电流接触部与所述/要求保护的方式中的至少一个传输线的至少两个导体接触，所以沿着传输线行进到天线元件的电磁波将基本上(即，其能量的主要部分)承载在环形结构中，以最终到达孔径并辐射。能量流的相反方向可以以类似的方式实现，因为天线是往复装置。

事实证明，在这样的设计中，即使天线的整体尺寸很小(即，不大于一个波长很多)，也可以完成从平面传输线到环形结构的过渡以使得馈电线处的反射系数在很宽的频带上非常小。

在优选实施例中，如果至少在由独立的金属或金属化环形结构覆盖和/或包围的区域处，与独立的金属或金属化环形结构所安装的侧面相对的电路板的一侧由金属接地平面覆盖，则可以增强该效果，其中金属接地平面可以通过电路板与地线导体和独立的金属或金属化环形结构之间的电流接触部接触。

根据本发明的优选实施例，天线元件设计用于波长λ，而所述独立的金属或金属化环形结构的高度>λ/3。在电路板上方的短距离处，金属或金属化环形结构终止，从而形成辐射孔。孔径的形状和环形结构的形状允许在一定程度上影响由辐射图案所描述的辐射方向。如果在电路板上方的环形结构总高度相当小(小于约操作频率下的波长的一半)，则辐射强度的最大值将相对于电路板垂直或接近垂直定向，且包括相当强的辐射(称为波束宽度)的立体角的大小将是大的。如果总高度较大，则可以设计其他辐射图案。

根据本发明的优选实施例，第一电流接触部和第二电流接触部布置在(即，形成为使得形成的电流接触部至少接触)独立的三维金属或金属化环形结构的相对侧上。

优选地，第一或第二电流接触部将环形结构的一侧接触到传输线的信号迹线，并且第二或第一电流接触部将环形结构的相对侧接触到传输线的接地迹线。

已经发现，如果传输线和环形结构之间的耦合通过这些部件之间的电流接触而发生，则天线元件的性能获益。

具体地，这可以以这样的方式实现：至少与环形结构通过相应的电流接触部连接的形成信号迹线的导体(其本质上与电磁场相互作用)指向远离环形结构。

在结构上，这意味着馈电线的信号迹线应该优选地既不交叉也不延伸到由环形结构的内部空间形成的体积加上其在与独立的金属或金属化环形结构所安装的一侧相对的电路板的侧面上的垂直投影，或者如果设计考虑不允许这样，它应该交叉或到达所述体积，优选地离其上有环形结构的电路板的表面越远越好，例如在电路板的相对表面上，但至少超过所述表面下方的电路板高度的1/3。

实现这一点的一种可能性包括直接引导所述传输线的信号迹线，特别是不穿过所述体积，到相应的电流接触部但不超出，并引导电路板的金属化后侧上的接地迹线(具体地，使用所述金属化后侧作为接地迹线)。

金属或金属化环形结构可以包括支持成本有效的组装技术的机械特征，例如安装销、用于改善焊料流动的斜面边缘、用于拾取和放置的平坦区域、用于视觉检查的开口。金属或金属化环形结构还可以包括用于实现所需阻抗带宽和所需辐射图案的机械特征，例如影响场的衍射(斜面边缘、窄缝和皱褶表面)的阻抗台阶和特征。

对于这种相当复杂的环形部件的成本有效的制造，特别合适的技术是注塑成型。使用塑料注射成型和随后的模塑部件的金属电镀，然后在电路板上进行表面贴装焊接，已经很成熟并且非常经济，同时保持高精度，从而形成金属化结构。通过应用mim(金属注射成型)或pim(粉末注射成型)技术可以产生金属结构。

形成本发明的实际天线元件的环形结构可以作为单个部件模制和从模具中取出，也就是说，它没有任何凹痕，这使得制造特别有效。

具体地，根据本发明的优选实施例，独立的三维金属或金属化环形结构被成形为使得其桥接所述第一导体和所述第二导体之间的间隙。以这种方式，尽管提供闭合的环形结构，也可以避免产生电短路。

为了创造以方便和简单的方式执行质量控制的可能性，独立的三维金属或金属化环形结构可以以这样的方式成形，使其包括用于光学检查所述电流接触部之一的开口。

根据本发明的另一个优选实施例，独立的三维金属或金属化环形结构包括至少一个脊或一对具有相同或不同突起深度的脊，它们在所述独立的三维金属或金属化环形结构的相对侧上彼此相对定位。通过可选地引入一个或两个脊可以减小波导横截面的截止频率。

如果独立的三维金属或金属化环形结构包括两对脊或单个脊，其中所述两对脊或单个脊在与电路板平行的平面中彼此垂直定向，则该实施例可以进一步改进。

在一个优选实施例中，天线包括两条传输线，并且传输线和金属或金属化环形结构之间的相应电流接触部位于形成信号迹线的相应导体的端子部分上，此处导体的端子部分优选地在电路板的平面中彼此垂直地行进。以这种方式，可以以简单方便的方式形成双极化天线元件。

为了便于在电路板上容易且精确地安装独立的三维金属或金属化环形结构，独立的三维金属或金属化环形结构优选地包括销或优选地连接到销。如果所述环形结构已通过注塑技术形成，则注塑成型的注入点优选地位于所述销上。

根据本发明的另一个优选实施例，限定了独立的三维金属或金属化环形结构的开口的独立的三维金属或金属化环形结构的侧壁的至少部分是锥形的或阶梯状的，以改善辐射过程。

而且，已经证明，如果限定了天线元件的辐射孔径的所述独立的三维金属或金属化环形结构的侧壁的至少部分具有比独立的三维金属或金属化环形结构的其余部分更高的厚度，则去除辐射图案中不需要的旁瓣是有利的。

实现减少辐射图案中不需要的旁瓣的另一个可选但有利的可能性是在限定天线元件的辐射孔径的所述独立的三维金属或金属化环形结构的侧壁的至少部分上提供波纹表面(皱褶表面)。

如果在所述独立的三维金属或金属化环形结构的表面上设置至少一个抽吸区域，则可以应用基于抽吸的拾取和放置技术来放置和安装天线元件。

根据本发明的另一个优选实施例，介电聚焦元件位于天线元件的辐射孔径的顶部。该介电聚焦元件可以是例如由介电材料制成的球形、锥形、棒形或喇叭形。而且，为了增加天线结构的辐射的聚焦(或方向性)，或者为了减少与附加的、靠近的天线元件的耦合，可以在金属环形结构的顶部开口处添加小的介电透镜元件。

有利地，传输线是微带平面传输线或共面波导平面传输线。

根据本发明的几个天线结构可以在同一电路板上彼此靠近放置，从而形成天线阵列。天线阵列适用于无线通信以创建波束成形和波束控制功能或支持所谓的mimo传输方案。天线结构可以放置成使它们的所有轴彼此平行，或者可选地，它们的轴在不同的方向上。在后一种情况下，可以设计偏振通用或双极化天线阵列。

工作在60ghz频段的原型天线显示测得的阻抗带宽(定义为反射系数小于-10db)为14％(55.5ghz至64ghz)，且模拟辐射效率超过96％(57ghz至64ghz)，从而突出了所提出的天线元件的有利特性。

附图说明

接下来，使用示出本发明具体实施例的附图更详细地解释本发明。附图如下：

图1：天线元件的第一实施例，

图2a：天线元件上的第二实施例，

图2b：图2a的天线元件的横截面，

图3：天线元件的第三实施例，

图4a：天线元件的第四实施例，

图4b：图4a的天线元件，沿平行于电路板延伸的第一平面切割，

图4c：图4a的天线元件，沿平行于电路板延伸且位于第一平面上方的第二平面切割，

图5：天线阵列的第一实施例，

图6：天线阵列的第二实施例。

图1示出了天线元件100的第一实施例。天线元件100包括具有传输线的电路板101，传输线包括位于电路板101的表面102上的第一导体110和第二导体120。在该示例中，图1中第二导体120的可见部分穿过电路板101延伸到电路板101不可见的后侧，并且在电路板101的所述后侧上继续延伸或者与所述后侧上的金属化平面合并。

在电路板的顶部，独立的三维金属或金属化环形结构130位于电路板101的表面102上。环形结构130具有基本上矩形的形状，但桥接设置在第一导体10和第二导体120之间的间隙111,112。此外，环形结构130具有两个脊131,132，每个脊131,132从环形结构130的矩形形状的一个长边的中心朝向相应的对侧长边延伸。通过可选地引入一个或两个金属脊，可以减小波导横截面的截止频率，从而形成双脊横截面。

在图1的表示中不可见的第一rf接触部通过焊接在第一导体110的端部区域和脊131的下表面之间形成为第一电流接触部。

在图1的表示中不可见的第二rf接触部以相同的方式在第二导体120的部分和位于其上方的环形结构130的下表面之间的部位形成。应该理解的是，该第二电流接触部包括总共四个l形部分，在基本上为矩形的环形结构130的每个角上均有一个。

图2a和图2b中所示的天线元件200的实施例包括：具有表面202、包括第一导体210和第二导体220的传输线的电路板201；独立的三维金属或金属化环形结构230，其被定位成具有基本上矩形的几何形状并且桥接第一导体210和第二导体220与脊231,232之间的间隙211,212，与根据图1的实施例的环形结构130相比不同之处在于，环形结构230更复杂并且具有下面将更详细描述的附加特征。

然而，应该强调的是，环形结构230、第一导体210和第二导体220之间的电流接触部250,260以与上述环形结构130、第一导体110和第二导体120相同的方式形成。现在参考图2b解释关于这些rf连接的更多细节。

图2b示出了通过沿着与电路板201的表面202正交并且与环形金属或金属化结构230的侧部237平行的平面切割而获得的天线元件240的横截面。从图2b中可以看出，第一电流接触部250形成在脊231的底表面和被该底表面覆盖的第一导体210的端部区域之间，例如，在这个示例中，优选地通过将所述底表面焊接到第一导体210上来形成。然而，应该记住，即使不存在直接的电流接触部，一般来说也可以形成的电流接触部。

第二电流接触部260也形成在位于电路板201的表面202侧的第二导体220的表面和环形结构230的底表面的一部分之间。从图2b中可以看出，第二导体的该表面通过连接部分221经由电路板201连接到电路板的后侧，例如，到金属化背板。

作为图2b的一部分的第二导体220的表面的一部分位于电路板201的表面202的侧面上，其具有位于环形结构230的侧部237的下侧并且平行于环形结构230的侧部237布置的但是比所述侧部237宽并且因此部分可见的第一部分、位于侧部241下方并且平行于侧部241布置的第二部分以及位于脊232下方并且平行于脊部232布置的第三部分。

应当理解，形成图2b的表示的切割平面相对于第一和第二导体形成镜面，使得位于电路板201的表面202的一侧的第二导体220的表面的总形状基本上可以描述为倒u形，其中u的对称轴上的突起延伸到u的内部空间中。

通过分析环形结构230和第二导体220之间的接触区域的一部分，其通过例如焊接彼此面对的相应表面形成图2b中所示的第二电流接触部260的部分，可以理解到的是，第二电流接触部260的该部分包括三个l形部分：

第一l形部分位于环形结构230的侧部240和237的底角与具有由第二导体220的所述表面形成的突起的u形的平行侧部之一之间(因为u形的该侧部比环形结构230的侧部237宽)。

第二l形部分位于环形结构230的侧部237和241的底角与具有由第二导体220的所述表面形成的突起的u形的相同平行侧之间(同样是因为u形的该侧部比环形结构230的侧部237宽)。

第三l形部分位于环形结构230的侧部241和突起323的底角以及u的连接侧和从第二导体220的所述表面延伸的突起之间。

现在回到图2a，实际上，环形结构230包括环形结构130，因为位于电路板附近的环形结构230的下部与图1的环形结构130二者之间的唯一区别在于存在销236,238和在图2a和图2b的表示中不可见的附加销。如图2b中的销238所见，这些销236,238在该示例中插入电路板201中的相应孔中，以便于精确定位和更好地将环形结构230固定在电路板201上。

然而，环形结构230另外包括相对于电路板201的表面202延伸到比环形结构130相对于电路板101的表面102更大的高度的部分。在该部分中，环形结构中集成了多个特征，以优化其作为天线的性能并调整其辐射特性。

首先，侧壁237的部分237a的位置和侧壁239的相应部分(图2中不可见)相对于属于环形结构230的下部的侧壁237的相应部分237b和侧壁239的相应部分移位，其与图1的环形结构130类似，使得侧壁237和239之间的距离在该方向上增加，并且部分237a和237b以及侧壁239的相应部分形成阶梯状侧壁。

其次，应该理解的是，侧壁240,241的上部分具有比环形结构230的其余部分更大的厚度t。

最后，还有环形结构的部分240a,241a，其限定具有皱褶表面的天线元件200的辐射孔280。

图3的天线元件300包括具有表面302、包括第一导体310和第二导体320的传输线的电路板301以及具有基本上矩形的几何形状并桥接第一导体310和第二导体320之间的间隙311,312的独立的三维金属或金属化环形结构330，图2a,b的天线元件200与上述图3的天线元件300之间的主要区别在于在其环形结构330的顶部上设置有聚焦元件390。如图所示，该聚焦元件390可具有半球形形状。然而，其他形状也是可能的，例如，圆锥形或棒状结构或类似的形状。具有l形部分的电流接触部以与图1和图2a,b的实施例相同的方式形成。

图4a-c的实施例示出了具有两条馈电线410,460的天线元件400。根据馈送到这两条馈电线410,460的信号类型，可以通过天线发送双极化信号，其中两个信号可以不同或相同。在图4b的表示中，环形结构430的上部和中间部分已被移除，以便允许对实施例更好的理解。在图4c的表示中，仅移除了环形结构430的上部。

由于具有两条馈电线的双极化应用，电路板401不仅具有第一导体410和第二导体420，还具有第三导体460和第四导体470。第二导体420和第四导体470穿过电路板401延伸到电路板401的后侧，这在图4a,b中是不可见的。它可以在电路板101的所述后侧上继续延伸，但是第二导体420和第四导体470也可以与在电路板401的后表面的至少一部分上延伸的接合接地平面合并。

在电路板401的顶部上，独立的三维金属或金属化环形结构430位于电路板401的表面402上，其具有基本上圆形的几何形状和四个脊431,432,433,434，其朝向所述圆形几何形状的中心径向延伸，分别布置成两对相对的脊431,432和433,434。应当理解，在与电路板401的表面402平行的平面中，第一对相对的脊431,432与第二对相对的脊433,434垂直地定向。

在图4b中示出了所述环形结构430的下部，即与电路板相邻并且在其上形成导体410,420,460,470和环形结构430之间的电流接触部的部分。在该下部的顶部上同心地布置有基本上环形的上部430a，其具有更大的内径和更大的外径，使得环形结构430的至少部分内壁是阶梯状的。

从图4b中可以看出，在第一导体410和第二导体420之间存在间隙411，并且在第三导体460和第四导体470之间存在间隙412。如图4a和图4c所示，间隙411,412通过环形结构430的环形部分430a桥接。

回到图4b，脊432和434从对应于圆环的部分的部分430b,430c延伸。因此，在第二导体420和部分430b之间以及在第四导体470和部分430c之间形成(例如，通过焊接)的每个电流接触部都包括如上定义的l形部分。

如图4c中最佳所示，脊431,432,433和434连接到环形结构430的中间环形结构430d。

如图5和6所示，通过例如在公共电路板1001上布置成行的天线元件1100,1200,1300或在公共电路板2001上布置2×2阵列的天线元件2100,2200,2300,2400，可以形成天线阵列1000,2000。在该示例中，天线元件1100,1200,1300和2100,2200,2300,2400分别对应于上面在图2a,b的上下文中描述的天线元件200。

附图标记：

100,200,300,400,1100,1200,1300,2100,2200,2300,2400天线元件

101,201,301,401,1001,2001电路板

102,202,302,402表面

110,120,210,220,310,320,410,420,460,470导体

130,230,330,430环形结构

111,112,211,212,311,312,411,412间隙

131,132,232,431,432,433,434脊

221连接部分

236,238,336销

237,239,240,241侧壁

237a,237b,240a,241a侧壁部分

250,260电流接触部

390聚焦元件

430a,430b,430c,430d环形结构的一部分

t厚度