波导天线磁电匹配转变的制作方法

本发明涉及天线和配备有这种天线的通信设备。

背景技术：

在无线通信技术中，多种频带被用于传送通信信号。为了满足增加的带宽需求，还考虑了在毫米波长范围中的频带，其对应于在大约10ghz至大约100ghz范围中的频率。例如，在毫米波长范围中的频带被认为是5g(第五代)蜂窝无线技术的候选者。然而，在利用这种高频率的情况下出现的问题是天线尺寸需要足够小以匹配波长。此外，为了实现足够的性能，会需要支持无线信号的多种极化和/或在诸如移动电话、智能电话或类似通信设备的小型通信设备中会需要多个天线(例如，以天线阵列的形式)。

可以以紧凑的尺寸实现并且允许以垂直极化发射无线信号的一种类型的天线是siw(表面集成波导)天线。在siw天线的情况下，使用印刷在电路板上的导电结构来形成尺寸紧凑的波导，该波导能够与其它电路有效地集成。例如，在“aprintedtransitionformatchingimprovementofsiwhornantennas”m.esquius-moroteetal.,ieeetransactionsonantennasandpropagation,vol.61,no.4,april2013中描述了siw天线。然而，对于需要利用高频率的应用(诸如5g蜂窝无线技术)，这些siw天线会缺少足够的带宽。

因此，需要提供良好带宽的尺寸紧凑的天线。

技术实现要素：

根据实施方式，提供了一种天线。该天线包括由多层电路板的水平的第一导电层、多层电路板的水平的第二导电层以及由在第一导电层与第二导电层之间延伸的导电过孔形成的垂直侧壁形成的波导。此外，该天线包括位于波导的一端处的平行板谐振器。该平行板谐振器形成在多层电路板中。特别是，该平行板谐振器由与第一导电层相邻的水平的第一导电板以及与第二导电层相邻的水平第二的导电板形成。此外，该天线包括从第一导电板和第二导电板中的一者朝向第一导电板和第二导电板中的另一者延伸的至少一个导电过孔。该平行板谐振器可以用于将天线的谐振频率与天线的期望的工作频率范围匹配。提供从第一导电板和/或第二导电板延伸的导电过孔允许实现增强天线的带宽，例如，至少8ghz的带宽，通常为10ghz或更高。

根据实施方式，该天线包括从第一导电板和第二导电板中的一者朝向第一导电板和第二导电板中的另一者延伸的多个导电过孔。特别是，天线可以包括从第一导电板朝向第二导电板延伸的至少一个第一导电过孔，以及从第二导电板朝向第一导电板延伸的至少一个第二导电过孔。通过使用从平行板谐振器的第一导电板和/或第二导电板延伸的多个导电，可以将天线的辐射模式调谐到期望的几何形状。例如，通过使用从第一导电板和/或第二导电板延伸的、相对于波导的中心轴线对称的导电过孔的设置，可以实现天线的基本对称的辐射模式。

根据实施方式，从平行板谐振器的第一导电板和/或第二导电板延伸的至少一个导电过孔的垂直高度小于第一导电板与第二导电板之间的垂直距离。因此，该至少一个导电过孔在第一导电板与第二导电板之间不形成导电路径。这样，可以有效地增加天线的带宽，同时保持平行板谐振器的期望的谐振行为。

根据实施方式，天线包括附加平行板谐振器。该附加平行板谐振器由与平行板谐振器的第一导电板相邻的第一附加水平导电板以及与平行板谐振器的第二导电板相邻的第二附加水平导电板形成在多层电路板中。因此，可以在波导的一端处形成级联的平行板谐振器。通过将多个平行板谐振器级联，可以进一步增加天线的带宽。

根据实施方式，天线还包括从附加平行板谐振器的第一附加导电板和第二附加导电板中的一者朝向附加平行板谐振器的第一附加导电板和第二附加导电板中的另一者延伸的至少一个导电过孔。提供从第一附加导电板和/或第二附加导电板延伸的导电过孔允许实现还进一步增加天线的带宽和/或允许将带宽调谐到期望的范围中。

根据实施方式，天线包括从附加平行板谐振器的第一附加导电板和第二附加导电板中的一者朝向附加平行板谐振器的第一附加导电板和第二附加导电板中的另一者延伸的多个导电过孔。特别是，天线可以包括从第一附加导电板朝向第二附加导电板延伸的至少一个第一导电过孔，以及从第二附加导电板朝向第一附加导电板延伸的至少一个第二导电过孔。通过使用从附加平行板谐振器的第一附加导电板和/或第二附加导电板延伸的多个导电过孔，可以将天线的辐射模式调谐到期望的几何形状。例如，通过使用从第一附加导电板和/或第二附加导电板延伸的、相对于波导的中心轴线对称的导电过孔的设置，可以实现天线的基本对称的辐射模式。

根据实施方式，从附加平行板谐振器的第一附加导电板和/或第二附加导电板延伸的至少一个导电过孔的垂直高度小于第一附加导电板与第二附加导电板之间的垂直距离。因此，该至少一个导电过孔在第一导电板与第二导电板之间不形成导电路径。这样，可以有效地增加天线的带宽，同时保持附加平行板谐振器的期望的谐振行为。

根据实施方式，天线被配置成用于发射波长大于1mm且小于3cm的无线信号，其对应于在10ghz至300ghz范围中的无线信号的频率。

根据另一实施方式，提供了一种通信设备，例如，以移动电话、智能电话或类似的用户设备的形式。该通信设备包括根据以上实施方式中的任一个的至少一个天线。此外，该通信设备包括至少一个处理器，该至少一个处理器被配置成处理经由至少一个天线发射的通信信号。该通信设备还可以包括设置在天线的多层电路板上的无线前端电路。

现在将参照附图更详细地描述本发明的以上和进一步的实施方式。

附图说明

图1a示出了示意性例示根据本发明实施方式的天线的立体图。

图1b示出了天线的示意性截面图。

图2a示出了用于例示天线的平行板谐振器中的单极结构的效果的立体图。

图2b示意性例示了具有单极结构的平行板谐振器的等效电路。

图3示出了用于例示天线的频率特性的图。

图4示出了用于例示天线的辐射模式的图。

图5示出了示意性地例示天线的变型的立体图，其中，平行板谐振器包括多个单极结构。

图6示出了用于例示图5的天线变型的辐射模式的图。

图7示出了例示具有级联的平行板谐振器的天线的变型的示意性截面图。

图8示出了用于例示图7的天线变型的频率特征的图。

图9示出了示意性例示具有级联的平行板谐振器的天线的变型的立体图，平行板谐振器各自包括多个单极结构。

图10示出了示意性例示具有从天线的平行板谐振器的一个板延伸的多个单极结构的天线的变体的立体图。

图11示出了用于示意性例示根据本发明的实施方式的通信设备的框图。

具体实施方式

在以下，将更详细地描述本发明的示例实施方式。需要理解的是，以下描述仅出于例示本发明的原理的目的而给出，而不是被理解成限制意义的。而是，本发明的范围仅由所附权利要求书限定，并且不旨在由下文描述的示例实施方式限制。

所例示的实施方式涉及用于发射无线信号的天线，尤其是在cm/mm波长范围中的短波长无线信号的天线。所例示的天线和天线设备可以例如用于通信设备中，诸如移动电话、智能电话、平板计算机等。

在所例示的概念中，利用多层电路板形成贴片天线。多层电路板具有在垂直方向上叠置的多个层。多层电路板的层可以单独地构造有导电带的图案。尤其是，形成在多层电路板的不同层上的导电带可以通过在不同层的导电带之间延伸的导电过孔彼此连接，以形成波导以及在该波导的出口端处的至少一个平行板谐振器。

此外，可以以有效的方式利用多层电路板的一个或更多个层来将贴片天线连接到无线前端电路。特别是，可以实现较小尺寸的贴片天线和到贴片天线的较短长度的连接。在下面进一步详细描述的实施方式中，将假设多层电路板是基于印刷在树脂和纤维基衬底层上的结构化金属层的印刷电路板(pcb)。然而，应注意的是，诸如ltcc(低温共烧陶瓷)的其它多层电路封装技术也可以用于形成多层电路板。

图1示出了例示基于所例示的概念的天线100的立体图。在所示的示例中，天线100包括多层pcb110和形成在多层pcb110中的波导120。该多层pcb110包括在垂直方向上叠置的多个pcb层。pcb层可以例如各自对应于在隔离衬底上的结构化金属化层。波导120由多个pcb层中的一个pcb层中的第一导电层121和多个pcb层中的另一pcb层中的第二导电层122形成。波导120的侧壁由在第一导电层121和第二导电层122之间延伸的导电过孔123、124形成。尤其是，波导120的第一侧壁由导电过孔123形成，并且波导的相反的第二侧壁由导电过孔124形成。尽管图1将第一导电层121示出成pcb110的最底层，并且将第二导电层122示出成pcb110的最顶层，但是应当理解，第一导电层121和第二导电层122中的至少一个可以形成在某些中间pcb层中。类似地，注意的是，导电过孔123、124不需要与pcb110的外部相邻地被形成，而是也可以形成在pcb110的较中心的区域中。

如进一步例示的，天线100包括设置在波导120的一端处的馈电点130。馈电点130允许生成在波导120中传播的无线电波。馈电点130可以由一个或更多个pcb层上的一个或更多个导电带和/或一个或更多个导电过孔形成。

更进一步，天线100包括形成在波导120的出口侧处的平行板谐振器150，即，具有波导120的与馈电点130相反的一侧。通过图1b所示的截面图进一步例示了平行板谐振器150的结构。

如图1b所示，平行板谐振器150由与波导120的第一导电层121相邻的第一导电板151以及与波导120的第二导电层122相邻的第二导电板152形成。在所示的示例中，平行板谐振器150的第一导电板151形成在与波导120的第一导电层121相同的pcb层上，并且平行板谐振器150的第二导电板152形成在与波导120的第二导电层122相同的pcb层上。平行板谐振器150的第一导电板151和第二导电板152彼此电容地且电感地耦合并且电容地且电感地耦合到波导120。

如进一步例示的，导电过孔155从平行板谐振器150的第一导电板151朝向平行板谐振器150的第二导电板152延伸。在所示的示例中，导电过孔155没有延伸到第二导电板152的整个距离。在图1b中，第一导电板151与第二导电板152之间的距离由h表示。该距离h可以基本上对应于pcb110的厚度，并且可以在2mm至4mm的范围中。导电过孔155的垂直长度由hm表示，并且小于距离h，例如1mm至3mm。因此，导电过孔155在平行板谐振器150的第一导电板151与平行板谐振器150的第二导电板152之间不形成导电路径。然而，导电过孔155改变了第一导电板151和第二导电板152的电感和电容耦合。这将参照图2a和图2b进一步解释。

图2a示出了具有从第一导电板151朝向第二导电板152延伸的导电过孔155的平行板谐振器150的立体图。点划线例示了波导120的中心轴线。在天线100的工作期间，无线电波沿着波导120的中心轴线ca朝向波导120的出口侧传播，在出口侧，无线电波耦合到平行板谐振器150。如圆形虚线所示，在天线100的工作期间，在平行板谐振器150中生成磁电流m。如虚线箭头进一步所示，电流j可以在导电过孔155中流出，例如，通过波导120中的电场。因此，在天线100的工作期间，导电过孔155可以类似于无源馈送的单极天线那样起作用。因此，以下将导电过孔155和类似结构也称为“单极结构”。电流j的贡献抵制了磁电流m的贡献，这导致平行板谐振器150的谐振频率范围变宽。由于具有由导电过孔155形成的单极结构的平行板谐振器150将磁效应和电效应组合，以实现天线100与期望的工作频率范围的匹配，所以具有单极结构的平行板谐振器也可以称为磁电匹配转变。

图2b例示了平行板谐振器的等效电路。如所例示的，平行板谐振器150的谐振行为可以由描述第一导电板151与第二导电板152之间的耦合的电容cp、电阻rp和电感lp以及描述第一导电板151与第二导电板152通过单极结构的耦合的电容cm、电阻rm和电感lm来建模。如可以看出的，平行板谐振器150的总体特性由电容cp、电阻rp和电感lp的并联rlc电路以及电容cm、电阻rm和电感lm的串联rlc电路来确定。

图3示出了用于例示包括由导电过孔155形成的单极结构的磁电匹配转变的效果的示例频率特性。在图3中，由a表示包括具有单极结构的平行板谐振器150的天线100的频率特性。由b表示与天线100类似但不包括单极结构的比较天线的频率特性。由c表示不包括平行板谐振器的另一比较天线的频率特性。如可以看出的，包括单极结构的天线100的谐振频率范围显着宽于没有单极结构的比较天线的情况。当测量在-10db处的带宽时，天线100提供大约10ghz的带宽，然而对于比较天线，带宽为大约4ghz。在没有任何平行板谐振器的比较天线的情况下，在观察到的频率范围中没有谐振行为。

图4例示了天线100的随着从垂直方向测量的方位角θ变化的辐射模式。在图4的图中，垂直方向对应于θ＝0°。如可以看出的，天线100具有相对于天线100的水平面不对称的辐射模式。这可以归因于单极结构仅在平行板谐振器150的第一导电板151上以对称方式形成。为了避免辐射模式的这种不对称性，可以将平行板谐振器150改变成包括以对称方式设置的多个单极结构。图5示出了天线100的对应变型的示例。

在图5的示例中，平行板谐振器150包括从平行板谐振器150的第一导电板151朝向平行板谐振器150的第二导电板152延伸的第一导电过孔155，以及从平行板谐振器150的第二导电板152朝向平行板谐振器150的第一导电板151延伸的第二导电过孔156。如所例示的，根据相对于波导120的中心轴线ca旋转对称的设置来形成第一导电过孔155和第二导电过孔156。特别是，当将第一导电过孔155和第二导电过孔156绕波导120的中心轴线ca旋转180°时，第一导电过孔155将占据第二导电过孔156的先前位置，并且第二导电过孔156将占据第一导电过孔155的先前位置。图6例示了当使用如图5所示的改变的平行板谐振器150时天线100的辐射模式。如可以看出的，第一导电过孔155和第二导电过孔156的对称设置允许避免天线100的辐射模式不对称。

根据如图7的示意性截面图所示的另一变型，天线100的磁电匹配转变可以进一步包括附加的平行板谐振器160。如图7所示，附加的平行板谐振器160由与波导150的第一导电层151相邻的第一导电板161以及与波导150的第二导电层152相邻的第二导电板162形成。在所示的示例中，附加的平行板谐振器160的第一导电板161形成在与平行板谐振器150的第一导电板151以及波导120的第一导电层121的pcb层上。类似地，附加的平行板谐振器160的第二导电板162形成在与平行板谐振器150的第二导电板152以及波导120的第二导电层122相同的pcb层上。附加的平行板谐振器160的第一导电板161和第二导电板162彼此电容地且电感地耦合并且电容地且电感地耦合到平行板谐振器150的导电板151、152。因此，平行板谐振器150和附加的平行板谐振器160在波导120的出口端处形成多个级联的平行板谐振器150、160的结构。级联的平行板谐振器150、160进一步增强了天线100的带宽。

图8示出了用于例示级联的平行板谐振器150、160的效果的示例频率特性。在图8中，由d表示包括级联的平行板谐振器150、160的天线100的频率特性。为了比较，图8还示出了在包括仅平行板谐振器150但不包括附加的平行板谐振器160时的天线100的频率特性，类似在图3中由a表示。如可以看出的，包括级联的平行板谐振器150、160的天线100的谐振频率范围显着宽于仅具有平行板谐振器150的情况。当测量在-10db处的带宽时，具有级联的平行板谐振器150、160的天线100提供大约16ghz的带宽，覆盖了旨在用于5g蜂窝无线技术的许多频带。

注意的是，虽然在图7的示例中仅在平行板谐振器150中提供单极结构，但是也可以为在波导120的出口端处的多个级联的平行板谐振器中的各个平行板谐振器提供一个或更多个单极结构。这种另外的单极结构允许还进一步增强天线的带宽和/或将带宽调谐到期望的频率范围。在图9中例示了天线100的对应变型的示例。

在图9的示例中，级联的平行板谐振器150、160具有与图7的示例类似的配置。然而，在这种情况下，附加的平行板谐振器160也设置有单极结构，该单极结构由从附加的平行板谐振器160的第一导电板161朝向附加的平行板谐振器160的第二导电板162延伸的第一导电过孔165以及从附加的平行板谐振器160的第二导电板162朝向附加的平行板谐振器160的第一导电板161延伸的第二导电过孔166形成。类似于第一导电过孔155和第二导电过孔156，附加的平行板谐振器160的第一导电过孔165和第二导电过孔166是根据相对于波导120的中心轴线ca旋转对称的设置来形成的。特别是，当将第一导电过孔165和第二导电过孔166绕波导120的中心轴线ca旋转180°时，第一导电过孔165将占据第二导电过孔166的先前位置，并且第二导电过孔166将占据第一导电过孔165的先前位置。第一导电过孔165和第二导电过孔166的该对称设置允许避免天线100的辐射模式不对称。

虽然在以上示例中，在平行板谐振器150、160的各个导电板151、152、161、162上仅存在一个单极结构，但是磁电匹配转变也可能包括设置在平行板谐振器的同一导电板上的多个单极结构。也就是说，在天线100的变型中，平行板谐振器150可以包括由从第一导电板151朝向第二导电板152延伸的导电过孔形成的多个单极结构和/或由从第二导电板152朝向第一导电板151延伸的导电过孔形成的多个单极结构。类似地，附加的平行板谐振器160可以包括由从第一导电板161朝向第二导电板162延伸的导电过孔形成的多个单极结构和/或由从第二导电板162朝向第一导电板161延伸的导电过孔形成的多个单极结构。在图10中例示了天线100的对应变型的示例。

在图10的示例中，平行板谐振器150具有与图1a、图1b和图2a例示的示例类似的配置。然而，在这种情况下，平行板谐振器150设置有多个单极结构，该多个单极结构由从平行板谐振器160的第一导电板151朝向平行板谐振器160的第二导电板152延伸的多个导电过孔155形成。如所例示的，多个导电过孔155沿着平行板谐振器150的宽度方向w规则分布。此外，多个导电过孔155的设置相对于通过波导120的中心轴线ca的垂直平面镜面对称。第一导电过孔165和第二导电过孔166的这种对称设置允许获得天线100的沿着宽度方向w更加均匀并且在水平面中相对于波导120的中心轴线ca对称的辐射模式。

在以上示例中，制造天线100的方法可以包括提供由多层电路板的水平第一的导电层、多层电路板的水平的第二导电层以及由在第一导电层与第二导电层之间延伸的导电过孔形成的垂直侧壁形成的波导。此外，该方法可以包括位于波导的一端处提供平行板谐振器，该平行板谐振器由与第一导电层相邻的水平的第一导电板以及与第二导电层相邻的水平的第二导电板形成在多层电路板中。此外，该方法可以包括提供从第一导电板和第二导电板中的一者朝向第一导电板和第二导电板中的另一者延伸的至少一个导电过孔。因此，通过在多层电路板中提供图案化的导电结构可以有效地形成天线100。

图11示意性例示了通信设备200，其配备有如上所述的天线，例如，具有天线100。通信设备200可以对应于小型用户设备，例如，移动电话、智能电话、平板计算机等。然而，应当理解的是，也可以使用其它种类的通信设备，例如基于车辆的通信设备、无线调制解调器或自主传感器。

如所例示的，通信设备200包括一个或更多个天线210。这些天线210包括上述类型的至少一个天线，其具有波导以及包括位于平行板谐振器的至少一个导电板上具有至少单极结构的平行板谐振器的磁电匹配转变。例如，天线210可以包括与上述天线100对应的一个或更多个天线。此外，通信设备200还可以包括其它种类的天线。天线210可以与无线前端电路220一起集成在诸如上述的多层pcb110的多层电路板230上。如进一步例示的，通信设备200还包括一个或更多个通信处理器240。通信处理器240可以生成或者处理用于经由天线210发射的通信信号。为此，通信处理器240可以根据一个或更多个通信协议(例如根据5g蜂窝无线技术)来执行多种信号处理和数据处理。

应当理解的是，如上解释的概念易于进行多种修改。例如，该概念可以结合多种无线技术和通信设备来应用，而不限于5g技术。而是，该概念适用于多种频率范围并具有多种天线带宽。所示的天线可以用于从通信设备发射无线信号和/或在通信设备中接收无线信号。可以以有效方式来生产天线，例如通过使用多种pcb技术来提供导电层、板和过孔。此外，应当理解的是，所示的天线结构可以经受关于天线几何形状的多种修改。例如，波导的所示的基本矩形的几何形状可以被修改成更复杂的形状，例如，为喇叭形状。此外，该概念不限于单极结构的对称配置的所示示例。