双极化天线阵列的制作方法

本公开涉及一种双极化天线阵列，包括具有开孔图案的导电结构，所述开孔图案包括至少一个具有第一配置的第一开孔和至少一个具有第二配置的第二开孔。

背景技术：

未来的移动电子设备需要支持毫米波频段，例如28ghz和42ghz，以及sub-6ghz频段，以适应增高的数据速率。然而，在移动电子设备中为所有天线预留的体积非常有限，理想情况下，所添加的毫米波天线应容纳到与sub-6ghz天线相同的体积中。增加为天线预留的体积将使电子设备更大、更笨重且对用户的吸引力变小。当前毫米波天线需要这种额外的体积，或者若放置在相同的体积中，就会显著降低sub-6ghz天线的效率。

此外，趋向使用尽可能多地覆盖电子设备的超大显示屏使得天线阵列的可用空间非常有限，迫使天线阵列的尺寸显著减小并且性能受损，或者显示屏的很大部分处于非活动状态。

此外，手机和平板电脑等移动电子设备可以朝向任意方向。因此，这些电子设备需要表现出尽可能接近完整的球形波束覆盖。这种覆盖是很难实现的，除了其它原因外，还因为辐射束会被导电壳、大显示屏和/或用户握持该设备的手所阻挡。

技术实现要素：

目的在于提供一种改进的双极化天线阵列。上述及其它目的通过独立权利要求的特征来实现。进一步的实施形式在从属权利要求、具体说明和附图中显而易见。

第一方面，提供了一种双极化天线阵列，包括具有开孔图案的导电结构，所述开孔图案包括至少一个具有第一配置的第一开孔和至少一个具有第二配置的第二开孔，所述第一开孔与至少一个第二开孔直接互连，至少一个第一耦合元件与第一天线馈线连接，至少一个第二耦合元件与第二天线馈线连接，所述第一耦合元件用于激励具有第一极化的电场，所述第二耦合元件用于激励具有第二极化的电场，每个第一耦合元件至少部分地与一个第一开孔并置，从而通过所述第一开孔发射和/或接收所述具有第一极化的电场，每个第二耦合元件至少部分地与一个第二开孔并置，从而通过所述第二开孔发射和/或接收所述具有第二极化的电场。

这种解决方案包括不同形状的开孔的周期性序列，从而便于在与导电结构相同的空间内设置双极化天线阵列，进而减少提供具有全覆盖或近全覆盖的高效天线阵列所需的体积。由于两个极化均采用相同导电结构的一部分，可以减少所述双极化天线阵列的总长度。此外，这种解决方案相对容易制造并且美观，因为它可以设计成与当前的麦克风和扬声器格栅槽类似。通过其对应的直接互连，每个第一开孔和每个第二开孔的体积都有效增大，从而有效地提高了具有所述第一极化的天线振子和具有所述第二极化的天线振子的效率和带宽。

在所述双极化天线阵列的一个实施例中，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件用于进行极化mimo和/或分集无线通信。

在所述第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一开孔的面积大于所述第二开孔，所述第一耦合元件用于激励具有水平极化的电场，所述第二耦合元件用于激励具有垂直极化的电场，使得双极化的电场能够通过尽可能小的总开孔窗口辐射，使所述导电结构具有机械鲁棒性。此时，所述第一耦合元件与所述第二耦合元件之间的隔离通过所述水平和垂直极化的正交配置电场得到改善，从而进一步提高了所述双极化天线阵列的效率。本实施例还单独实现了水平极化电磁辐射的波束成形和波束整形，与垂直极化辐射的波束成形无关。

在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第二耦合元件的第一端在所述第二开孔的一侧连接到所述第二天线馈线，所述第二耦合元件的第二端在所述第二开孔的相对侧耦合到所述导电结构，从而允许通过产生穿过所述第二开孔的电压来激励垂直极化。因此，所述第二耦合元件通过抑制寄生电磁模式和提供阻抗控制来实现宽带高效的天线运行。

在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第二耦合元件的所述第二端以电耦合、电感耦合、电容耦合中至少一个的方式耦合到所述导电结构，从而允许在所述导电结构的更安全耦合和更简化制造之间进行选择。

在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一耦合元件的第一端在所述第二开孔的一侧连接到所述第一天线馈线，所述第一耦合元件的第二端至少部分地与所述第一开孔并置，所述第一开孔与所述第二开孔相邻，进一步有利于稳健的导电结构具有尽可能小的开孔面积。因此，该结构通过抑制寄生电磁模式和提供阻抗控制来实现宽带高效的天线运行。

在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一耦合元件的所述第二端在朝向相邻的另一第二开孔的方向上偏离所述第一耦合元件的所述第一端，从而允许与较宽开孔并置的第一探针激励水平极化。该拓扑支持双谐振或多谐振频率响应，进一步提高了天线运行的带宽和效率。

在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件连接到平衡天线馈线和非平衡天线馈线中的一个，从而允许所述耦合元件与导电结构断开或连接。所述耦合元件与所述导电结构断开连接，能够实现低成本、机械稳定的装配工艺，而所述耦合元件与所述导电结构连接，能够降低天线厚度，提高效率。

在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述双极化天线阵列包括至少两个第一开孔和至少一个第二开孔，所述第一开孔和所述第二开孔按照周期性顺序设置，使得每个第一开孔通过第二开孔与相邻的第一开孔隔开，每个第二开孔与相邻的两个第一开孔直接互连，从而允许所述两个极化在导电结构的同一部分形成。该配置实现了双极化波束成形。每个双极化天线振子通过所述导电结构与相邻的双极化天线振子隔离，从而进一步提高效率和波束成形性能。

在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件设置成使得第二开孔每隔一个就至少部分地与第二耦合元件并置且第二开孔每隔一个就至少部分地与第一耦合元件并置，并且每个第一耦合元件还至少部分地与邻近所述第二开孔的一个第一开孔并置，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件设置成彼此偏移，从而允许使用不平衡馈源。通过将所述第一耦合元件和所述第二耦合元件交织，能够利用微带线或共面馈线进一步减小所述天线的厚度。相邻耦合元件之间的隔离通过它们的空间隔离得到进一步改善。

在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，一个第一耦合元件和一个第二耦合元件至少部分地与一个第二开孔并置，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件的重叠有利于形成更紧凑的解决方案。通过并列所述第一耦合元件和所述第二耦合元件，减少了所述双极化天线阵列的长度。并列的耦合元件之间的隔离由所述耦合元件产生的电磁场的正交模式来配置。

在所述第一方面的另一种可能的实现方式中，所述开孔图案包括至少一个h型图案，每个h型图案包括两个第一开孔和一个第二开孔，所述第二开孔与所述第一开孔直接互连，由于所述导电结构可能有连续部分在每个h型图案之间延伸，使得所述导电结构更加稳健。每个h型图案开孔配置的双极化天线振子实现了双极化波束成形。每个双极化天线振子通过所述导电结构与相邻的双极化天线振子隔离，从而进一步提高效率和波束成形性能。

第二方面，提供了一种电子设备，包括显示屏、设备中框和如上所述的双极化天线阵列，所述双极化天线阵列的导电结构包括金属框架，所述设备中框至少部分地由所述显示屏和所述金属框架包围，所述双极化天线阵列的第一耦合元件和第二耦合元件耦合到所述金属框架。这样的解决方案有利于形成双极化天线阵列，电磁场可从所述双极化天线阵列自所述电子设备的边缘辐射出去，从而改善所述天线阵列的波束成形和波束控制覆盖。通过沿着所述电子设备的边缘进行波束成形，所述电子设备的通信性能得到进一步提高，这是因为在典型的用户场景中所述边缘保持暴露于自由空间中。

在所述第二方面的一种可能的实现方式中，所述导电结构还包括印刷电路板，所述印刷电路板在所述金属框架和所述设备中框之间至少部分地平行于所述金属框架延伸，所述设备中框至少部分地由所述显示屏和所述金属框架包围，所述双极化天线阵列的所述第一耦合元件和所述第二耦合元件设置在所述印刷电路板上。所述金属框架和所述印刷电路板(printedcircuitboard，简称pcb)中提供的开孔图案不仅允许双极化，而且有利于使总开孔窗口尽可能小，使得金属框架机械稳健。由于两个极化均采用相同导电结构的一部分，可以减少所述双极化天线阵列的总长度。此外，由于开孔图案不会降低低频带天线的性能，因此实现了与sub-6ghz天线的共存。

在所述第二方面的一种可能的实现方式中，所述电子设备还包括反射结构，其平行于所述导电结构的至少一个第一开孔和至少一个第二开孔延伸，从而提高了与所述金属框架的耦合。进一步地，通过引导来自所述电子设备的边缘的电磁辐射，改善了所述双极化天线阵列的波束整形。

在所述第二方面的另一种可能的实现方式中，所述双极化天线阵列用于产生毫米波频率，以便引入毫米波天线，而不影响所述电子设备的外观、鲁棒性或可制造性。毫米波天线实现5g及以上的电子设备的无线通信。

在所述第二方面的另一种可能的实现方式中，所述双极化天线阵列包括至少一个端射天线振子，以促进实现全覆盖所必需的端射阵列图案。通过沿着所述电子设备的边缘进行波束成形，所述电子设备的通信性能得到进一步提高，这是因为在典型的用户场景中所述边缘保持暴露于自由空间中。

在所述第二方面的另一种可能的实现方式中，所述电子设备包括至少一个另外的天线阵列，所述另外的天线阵列由所述设备中框和所述金属框架配置，并具有馈线，馈线部分地邻近所述双极化天线阵列延伸，并且部分地穿过所述设备中框和所述金属框架之间的间隙，所述另外的天线阵列产生非毫米波频率，从而允许在不显著降低任一天线性能的情况下将两种天线设置在同一空间中。毫米波双极化天线阵列与另外的天线阵列并存于所述设备中框与所述金属框架之间的间隙的相同体积内，进一步减小了所述电子设备中所需的天线总体积，并使得显示屏表面进一步增大。因为所述金属框架的开孔图案不会降低所述另外的天线阵列的性能，所以实现了所述双极化天线阵列与所述另外的天线阵列的共存。

通过以下描述的实施例，本方面和其它方面将显而易见。

附图说明

在本公开内容的以下详述部分中，将参看附图中所展示的示例性实施例来更详细地解释这些方面、实施例和实现方式，其中：

图1a至1c示出了本发明实施例提供的双极化天线阵列中使用的开孔图案的示意图；

图2a示出了本发明一个实施例提供的双极化天线阵列的示意透视图；

图2b示出了本发明另一实施例提供的双极化天线阵列的示意透视图；

图3a是图1a实施例的另一示意图；

图3b示出了本发明另一实施例提供的双极化天线阵列中使用的开孔图案的示意图；

图4是图3b实施例的另一示意图，指示不同维度之间可能的关系；

图5a示出了本发明一个实施例提供的双极化天线阵列的局部透视图；

图5b示出了本发明一个实施例提供的双极化天线阵列的示意顶视图；

图5c更详细地示出了图5a和5b的实施例的局部透视图；

图6a示出了本发明另一实施例提供的双极化天线阵列的局部透视图；

图6b示出了图6a实施例的局部分解图；

图7示出了本发明实施例提供的电子设备的截面示意图；

图8a示出了本发明另一实施例提供的具有导电结构的电子设备的局部透视图；

图8b示出了图8a实施例的前视图；以及

图9示出了本发明另一实施例提供的电子设备的截面示意图以及所述电子设备产生的电磁场的辐射。

具体实施方式

图8a和8b示出了电子设备9的实施例，例如手机或平板电脑，包括显示屏10、设备中框11和双极化天线阵列1。双极化天线阵列1包括导电结构2，导电结构2包括金属框架14和pcb12并具有开孔图案。

图1a至1c示意性示出的所述开孔图案包括至少一个具有第一配置的第一开孔3和至少一个具有第二配置的第二开孔4。每个第一开孔3与至少一个第二开孔4直接互连。所述开孔图案可以包括基本上为矩形的形状，如图2a所示，基本上为椭圆的具有圆角的形状，如图2b所示，两者的组合或任何其它合适的形状。

图3a示出了双极化天线阵列1，其包括更多数量的第一开孔3，每对第一开孔3通过一个第二开孔4互连，从而形成链状结构。

在一个实施例中，双极化天线阵列1包括至少两个第一开孔3和至少一个第二开孔4，第一开孔3和第二开孔4按照周期性顺序设置，使得每个第一开孔3通过第二开孔4与相邻的第一开孔3隔开，每个第二开孔4与相邻的两个第一开孔3直接互连。图3b示出了双极化天线阵列1，其包括两个第一开孔3和一个直接互连所述两个第一开孔3的一个第二开孔4，即图3b的所述开孔图案包括两个h型图案。双极化天线阵列1可以仅包括一个这样的h型图案，或者几个后面的如图4所示的h型图案。

双极化天线阵列1还包括至少一个第一耦合元件(即，导体)5，其连接到第一天线馈线6和至少一个第二耦合元件(即，导体)7，其连接到第二天线馈线8，如图5a至5c和8a至8b所示。

在一个实施例中，如图5a至5c所示，第一耦合元件5和第二耦合元件7设置成使得第二开孔4每隔一个就至少部分地与第二耦合元件7并置且第二开孔4每隔一个就至少部分地与第一耦合元件5并置。每个第一耦合元件5还至少部分地与邻近第二开孔4的一个第一开孔3并置。

第一耦合元件5用于激励具有第一极化的电场，第二耦合元件7用于激励具有第二极化的电场。每个第一耦合元件5至少部分地与一个第一开孔3并置，从而通过第一开孔3发射和/或接收所述具有第一极化的电场。相应地，每个第二耦合元件7至少部分地与一个第二开孔4并置，从而通过第二开孔4发射和/或接收所述具有第二极化的电场。

在一个实施例中，第一开孔3的面积大于第二开孔4，第一耦合元件5用于激励具有水平极化的电场，而第二耦合元件7用于激励具有垂直极化的电场，如图5c所示。

第二耦合元件7的第一端7a可以在第二开孔4的一侧连接到第二天线馈线8，而第二耦合元件7的第二端7b在第二开孔4的相对侧耦合到导电结构2，如图5c所示。第二耦合元件7的第二端7b以电耦合、电感耦合、电容耦合中至少一个的方式耦合到导电结构2。

相应地，第一耦合元件5的第一端5a可以在第二开孔4的一侧连接到第一天线馈线6，而第一耦合元件5的第二端5b至少部分地与一个第一开孔3并置，这个第一开孔3与第二开孔4相邻。第一耦合元件5的第二端5b在朝向相邻的另一第二开孔4的方向上偏离第一耦合元件5的第一端5a，如图5c所示。

图5c示出了第一耦合元件5，其中第二端5b仅向一个方向延伸。

不平衡馈线6a、8a连接到不同类型的导体，即耦合元件5、7，以实现不同的极化电流。例如，回流可以流经公共地或其它导电部件。不平衡馈线6a、8a本身耦合到所述公共地，这通常导致位置靠近的不平衡馈线之间存在显著的相互耦合。为了降低馈线6a、8a之间的相互耦合，它们通常是物理偏移的，如图5a至5c所示。例如，如果需要在双极化阵列中实现λ/2的振子间隔，则不同极化馈线6a、8a之间的距离可以是λ/4。以下λ为双极化天线阵列1的中心频率的波长。

双极化天线阵列1的优选尺寸如图5b所示。l1(为λ/4至λ/2)限定了影响该阵列方向性的振子间间隔，并限定了最大无栅瓣转向范围。l2(为λ/4至λ/2)限定了水平极化的最低工作频率。l3(大约为λ/4)限定了探针长度，所述探针长度限定了水平极化的谐振频率。l4(为λ/8至λ/4)限定了导体长度，所述导体长度限定了垂直极化的谐振频率，即穿过第二开孔4延伸的第二耦合元件7的长度。l5(为λ/15至λ/4)限定了双极化天线阵列1的两个相对的“齿”之间的间隙，该间隙经过修改会反过来修改所述谐振频率。

在另一实施例中，如图6a、6b所示，第一耦合元件5和第二耦合元件7设置成使得一个第一耦合元件5和一个第二耦合元件7都至少部分地与一个第二开孔4并置，第一耦合元件5和第二耦合元件7位置相同。

第一耦合元件5和第二耦合元件7也可以与平衡馈线6b、8b连接。如图6a、6b所示，第一耦合元件5可包括两个导体，即沿两个相反方向延伸的两个第二端5b，提供了两个相邻的第一开孔3的平衡激励。在几何上，平衡馈线6b、8b是对称的，因此正、负电流的导体是相同的，从图6a、6b可以清楚地看出。此外，两个导体与导电结构2和其它部件都平等耦合。理想情况下，平衡馈线的差模不与导电结构2或附近的其它金属物体耦合。因此，两条正交极化的平衡馈线6b、8b可以处于同一位置，两条馈线相互解耦，如图6b所示。该实现方式提高了各馈线的隔离度和交叉极化度。平衡的解决方案可以依赖于第二耦合元件7的第二端7b到导电结构2的电容耦合。

第一耦合元件5和第二耦合元件7中的一个可以连接到平衡馈线6a、8a，而另一个耦合元件连接到不平衡馈线6a、8a，无论第一耦合元件5和第二耦合元件7是否处于同一位置。

无论馈线6、8是平衡还是不平衡以及耦合元件5、7因此是平衡还是不平衡，耦合元件5、7可以与导电结构2进行电耦合、电容耦合或电感耦合。在电耦合中，平衡馈线6a、8a的两端或不平衡馈线6b、8b的信号和接地导体与导电结构2电连接。该选项对于不平衡的垂直极化馈线最为可行，但在其它情况下也可以使用。还可以通过电容耦合实现不平衡的垂直极化馈线8b。在这种情况下，信号会通过第二端7b处的大平行板电容器以及通过接地耦合垫耦合到导电结构2的某些区域。由于无需电流连接，这有利于促进制造工艺。

在另一实施例中，所述耦合也可以利用磁场来完成，使得馈线6、8中的电流在导电结构2上诱导电流。

如上所述，如图7所示，电子设备9包括显示屏10、设备中框11和双极化天线阵列1。双极化天线阵列1的导电结构2至少包括金属框架14，且设备中框11至少部分地由显示屏10和金属框架14包围。双极化天线阵列1的第一耦合元件5和第二耦合元件7与金属框架14耦合。

导电结构2还可以包括pcb12。双极化天线阵列1的第一耦合元件5和第二耦合元件7设置在pcb12上，pcb12在金属框架14和设备中框11之间至少部分地平行于金属框架14延伸。耦合元件5、7在pcb12上实现时，相对容易制造且成本低廉。

在一个实施例中，第一耦合元件5、第二耦合元件7和导电结构2使用模制互连器件技术、激光直接成型技术、柔性印刷电路、金属喷涂技术和相关技术中的至少一种来配置。

金属框架14中的所述开孔图案可填充有介电材料，例如用于稳健性和密封目的的塑料。

在一个实施例中，电子设备9包括反射结构13，其平行于导电结构2的至少一个第一开孔3和至少一个第二开孔4延伸，如图5a和7所示。反射结构13可以是电子设备9的现有组件，如设备中框11、电池、屏蔽结构或其它导电组件。反射结构13可以位于距导电结构2的开孔图案大约λ/4处，以便将辐射引导出所述电子设备。

双极化天线阵列1可以用于产生毫米波频率。此外，双极化天线阵列1可以包括至少一个端射天线振子。

电子设备9还可以包括至少一个另外的天线阵列16，用于产生非毫米波频率，例如，作为金属框架14一部分的sub-6ghz天线。所述另外的天线阵列16由设备中框11和金属框架14配置，并具有馈线17，馈线17部分地邻近双极化天线阵列1延伸，并且部分地穿过设备中框11和金属框架14之间的形成的间隙15。

通过沿着图7中箭头所示方向的所述电子设备的边缘引导的波束成形可进一步提高电子设备9的通信性能。在典型的用户场景下金属框架14的边缘暴露于自由空间中。在这些方向上引导双极化波束可以实现全覆盖。

本公开能够将金属框架14中开孔的大小以及如图7所示的天线厚度lt，从现有技术中常见的λ/2(4至5mm)和λ/4(2mm)减少到λ/20(0.5mm)，即分别减少约40％和80％。在一个实施例中，必需的开孔高度为3mm。在另一实施例中，在间隙15的方向上的天线厚度为lt＝0.3mm。

如上所述，双极化天线阵列1的导电结构2可以由金属框架14和pcb12配置，如图8a和8b所示，其中为了清楚起见，介质结构被隐藏。导电结构2的开孔图案配置如下：第二开孔4由pcb12的金属化层限定，第一开孔3由pcb12的金属化层和金属框架14的开孔限定。该方案实现了sub-6ghz天线与5g毫米波天线共存：在金属框架14和设备中框11之间，sub-6ghz天线16和毫米波双极化天线阵列1具有相同的金属框架14体积和间隙15体积。金属框架14的开孔图案不会降低sub-6ghz天线16的性能。

电子设备9产生的电磁场的辐射如图9所示。示出了由第一耦合元件5产生的水平极化辐射的等电位线。在设备中框11和金属框架14之间的间隙15内产生无功电场，显示了高效利用间隙15的体积以提高带宽和天线效率。同时，在间隙15内双极化阵列1无需任何导电结构，从而能够实现与产生非毫米波频率的上述另外的天线阵列16共存，如图7所示。

在此结合各种实施例描述了各个方面和实现方式。但本领域技术人员通过实践本主题，研究附图、本发明以及所附的权利要求，能够理解并获得公开实施例的其它变体。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，量词“一”或者“一个”不排除多个。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。

权利要求书中所用的参考标记不应解释为限制了范围。