天线系统以及相关联的辐射模块的制作方法

本发明有关于用户设备(userequipment，ue)的天线系统(antennasystem)以及相关联的辐射模块(radiatedmodule)，且尤其有关于被布置(arrange)为激励(excite)ue的壳体(housing)以进行无线发信(signal)的天线系统以及相关联的辐射模块，以便由辐射模块和壳体共同形成的天线系统的性能优于没有壳体的单独的辐射模块的性能。

背景技术：

图1示出ue110的传统的天线模块100。天线模块100将一个或多个天线101集成(integrate)为模块以放置(dispose)在ue110的壳体120中。然而，天线模块100独自在没有壳体120的自由空间中作为独立的天线系统进行设计和优化。因此，当天线模块100被放置在壳体120中用于实际应用时，壳体120变成降低天线模块100性能的影响因素，其中上述性能比如辐射功率(radiatedpower)、灵敏度(sensitivity)、天线增益(antennagain)、效率(efficiency)、方向性(directivity)、覆盖性(coverage)、回波损耗(returnloss)、电压驻波比(voltagestandingwaveratio，vswr)等。换句话说，在传统的设计方法下，天线模块100实际上放置于壳体120中时的性能将会比天线模块100单独位于自由空间中时的性能差。

技术实现要素：

一种用户设备的天线系统，包括：所述用户设备的壳体；以及辐射模块，所述辐射模块包括第一数量的辐射器，其中：所述壳体包括第二数量的开口；所述辐射模块被布置为激励所述壳体以在目标频带上进行无线发信；以及在所述目标频带上，所述天线系统的性能优于没有所述壳体的单独的辐射模块的性能。

一种用户设备的天线系统，包括：所述用户设备的壳体；以及辐射模块，所述辐射模块包括第一数量的辐射器，所述辐射器平行于一个平面，其中：所述壳体包括第二数量的开口；所述辐射模块被布置为激励所述壳体以在目标频带上进行无线发信；以及在所述平面上，所述第二数量的开口的投影的总面积小于所述辐射模块的投影的面积。

一种用户设备的辐射模块，包括：基底；以及第一数量的辐射器，在平行于一个平面的所述基底上，所述第一数量的辐射器被布置为激励所述用户设备的壳体来共同用作天线系统以在目标频带上进行无线发信，其中：所述壳体包括第二数量的开口；以及在所述平面上，所述第二数量的开口的投影的总面积小于所述辐射模块的投影的面积。

通过利用本发明，可以获得更好的天线性能。

附图说明

在阅读下文的具体实施方式和附图之后，本发明的上述目标和优势对于本领域技术人员来说将变得更为明显，其中：

图1(现有技术)示出传统的天线模块。

图2a和图2b示出根据本发明实施例的天线系统和相关联的辐射模块的概念性视图。

图3示出根据本发明实施例的天线系统和相关联的辐射模块的概念性视图。

图4为根据本发明实施例的辐射模块和天线系统的性能对比。

具体实施方式

图2a-图2b示出根据本发明实施例的ue210的天线系统230和相关联的辐射模块200的概念性视图。ue210可以是手机、可穿戴设备(wearablegadget)、数码相机、摄像机(camcorder)、游戏机(gameconsole)、无人机(drone)、传感网络的传感元件、移动wi-fi设备、客户终端设备(customerpremiseequipment，cpe)、通用串行总线(universalserialbus，usb)软件狗(usbdongle)、固定无线接入(fixed-wirelessaccess，fwa)、平板电脑、笔记本电脑或者任何需要天线系统230在目标频带(targetband)上传送和/或接收电磁波以无线发信(比如通信)的终端设备。

ue210可以包括主板(mainboard)(比如印刷电路板(printedcircuitboard))240和包围(enclose)主板240的壳体(盒子(case))220。辐射模块200可以包括基底(base)202、半导体芯片(裸片(die))204和数量m(一个或多个)的导电性的辐射器(radiator)r[1]至r[m]，其中上述辐射器可以形成在基底202上。根据本发明，辐射模块200和辐射器r[1]至r[m]可以被布置(设计、优化和配置)为激励壳体220来共同作为天线系统230以在目标频带上进行无线发信，使得在目标频带上，天线系统230的性能可以优于没有壳体220的单独的辐射模块200的性能。换句话说，根据本发明，在设计(和优化)天线系统230时，壳体220可以视为天线系统230的一部分来与辐射模块200共同作用，比如辐射模块200可以作为天线系统230的激励器(excitor)，而壳体220可以用作天线系统230的谐振部分(resonatingpart)。因此，辐射模块200可以如在实际应用中那样与壳体220一起进行设计和优化，而不是在没有壳体220的自由空间中单独地进行设计和优化。由于辐射模块200并非被设计为单独工作而没有壳体220，而是被设计为与壳体220作为一个整体来工作，因此，与辐射模块200单独在自由空间中所实现的性能相比，当辐射模块200实际上放置在壳体220中时所实现的性能将会更好。

壳体220可以包括一个或多个部分(portion)，诸如图2a和图2b中的概念性示例中的220a至220c。举例来讲，在一实施例中，部分220a和220c分别可以是ue210的后盖(rearcover)和前盖(frontcover)(比如显示面板)，220b可以是部分220a和220c之间的框架(frame)。在一实施例中，部分220a可以是导电性的(比如由金属形成)，辐射模块200可以放置在主板240上靠近导电部分220a的位置。壳体220的其他部分(比如220b和/或220c)可以是导电性的或者是电介质(dielectric)。壳体220还可以包括数量n(一个或多个)的开口(opening)o[1]至o[n]，各开口o[n](其中n＝1至n)的边缘(edge)的一段(segment)或整个边缘可以在导电部分220a中。举例来讲，在一实施例中，各开口o[1]至o[n]可以在导电部分220a中；在另一实施例中，开口o[1]至o[n]的子集(subset)(一个、一些或者全部)中的各开口的边缘可能有一段在壳体220的导电部分220a中，而且可能有另一段在壳体220的电介质部分中。各开口o[1]至o[n]可以由电介质材料(比如空气、塑料和/或丙烯酸塑料(acrylic)等)填充。在一实施例中，数量n可以不小于数量m；举例来讲，在一实施例中，数量m和数量n可以相等，各开口o[1]至o[n]可以与辐射器r[1]至r[m]中的一个相对应。在一实施例中，各辐射器r[1]至r[m]可以包括由一个或多个相互绝缘(insulate)的导电层形成的一个或多个微带(microstrip)和/或一个或多个导电贴片(patch)。

如图2b所示，各辐射器r[1]至r[m]可以与x-y平面平行；在x-y平面上，辐射器r[1]至r[m]分别可以投射(project)到投影(projection)pr[1]至pr[m]，开口o[1]至o[n]分别可以投射到投影po[1]至po[n]。在一实施例中，投影pr[1]至pr[m]的其中一个和投影po[1]至po[n]的其中一个至少可以部分重叠。举例来讲，在一实施例中，投影pr[1]至pr[m]中的投影pr[m1]可以仅有一部分处于投影po[1]至po[n]中的投影po[n1]内，而其余部分则留在外面；在一实施例中，投影po[1]至po[n]中的投影po[n2]可以仅有一部分在投影pr[1]至pr[m]中的投影pr[m2]内，而其余部分则留在外面；在一实施例中，投影pr[1]至pr[m]中的投影pr[m3]可以完全处于投影po[1]至po[n]中的投影po[n3]内；和/或在一实施例中，投影po[1]至po[n]中的投影po[n4]可以完全处于投影pr[1]至pr[m]中的投影pr[m4]内。

由于辐射模块200和壳体220可以共同工作以在目标频带上进行无线发信，因此在一实施例中，投影po[1]至po[n]的其中一个的几何中心和投影pr[1]至pr[m]的其中一个的几何中心之间在x-y平面上的最近距离可以小于目标频带的波长的一半；举例来讲，如果投影pr[m](其中m＝1至m)距离投影po[1]至po[n]中的投影po[n]最近，则投影pr[m]和po[n]的几何中心之间的距离d[m,n]可以小于目标频带的波长的一半。举例来讲，在一实施例中，目标频带可以覆盖为第5代(5^thgeneration，5g)移动电信分配(allocate)的频带，目标频带的波长可以是毫米量级，其范围可从几毫米到几分之一毫米。

在一实施例中，在x-y平面，各投影po[n](其中n＝1到n)可以与辐射模块220的投影p220部分或者完全重叠；举例来讲，投影po[1]至po[n]的第一子集(无、一个、一些或者全部)可以与投影p220部分重叠(即第一子集中的各投影的边界可以与投影p220的边界交叉(intersect))，和/或投影po[1]至po[n]的不同的第二子集(全部、一些、一个或者无)可以完全落入投影p220的边界，因此与投影p220完全重叠。在一实施例中，各投影po[n]的面积(area)可以小于投影p220的面积。在一实施例中，投影po[1]至po[n]的总面积(即投影po[1]至po[n]的面积之和)可以小于投影p220的面积。请注意，图2b中所示的投影pr[1]至pr[m]以及po[1]至po[n]的形状仅仅是概念性的，以便于理解；实际上，各投影pr[m](其中m＝1至m)的形状可以不限于矩形，各投影po[n](其中n＝1至n)的形状可以不限于椭圆形或者圆形。各投影pr[1]至pr[m]以及po[1]至po[n]可以是任何形状，诸如通过原始形状(比如直线、曲线、三角形、矩形、椭圆和/或多边形)的组合、相交和/或减去而形成的形状。投影po[1]至po[n]中不同的两个投影的形状可以是相同的或者是不同的，投影pr[1]至pr[m]中不同的两个投影的形状可以是相同的或者是不同的，和/或两个投影pr[m]和po[n](其中m＝1至m，n＝1至n)的形状可以是相同的或者是不同的。

在一实施例中，除了辐射器r[1]至r[m]之外，辐射模块220还可以包括其他的导电元件(未示出)来促进辐射器r[1]至r[m]的无线发信。举例来讲，辐射模块220还可以包括一个或多个寄生元件(parasiticelement)(未示出)来增强辐射器r[1]至r[m]以及天线系统230的性能(比如带宽等)；各寄生元件可以是导电性的，可以放置在一个或多个辐射器r[1]至r[m]附近，并且可以与各辐射器r[1]至r[m]绝缘。

如图2b所示，在一实施例中，导电部分220a的表面(surface)s2(比如底面)和辐射模块200的表面s1(比如辐射器r[1]至r[m]的上表面)之间的最近的间隙(gap)g1可以小于目标频带的波长的四分之一。举例来讲，在一实施例中，表面s1和s2之间的间隙g1可以由非零厚度的电介质材料填充，因此各辐射器r[1]至r[m]可以与导电部分220a绝缘；辐射器r[1]至r[m]可以通过非接触性的电磁耦合(感应(induction))激励导电部分220a的开口o[1]至o[n]来用作天线。在另一实施例中，间隙g1可以减小到0，因此辐射器r[1]至r[m]的子集(一个、一些或者全部)可以与导电部分220a物理接触。

如图2b所示，在一实施例中，导电部分220a的表面s2的法线(normal)v2(即垂直于表面s2的向量(vector))和辐射模块200的表面s1的法线v1之间的角度a1可以小于90度；举例来讲，在一实施例中，法线v1和法线v2可以基本平行，其中角度a1可等于或者近似为0。

如图2b所示，除了基底202、芯片204和辐射器r[1]至r[m]之外，辐射模块200还可以包括连接在芯片204和基底202之间的导电性的连接器(connector)(比如引脚(pin)或者焊球(solderball))246，以及连接在主板240和基底202之间的导电性的连接器(比如引脚或者焊球)242。电流可以经由连接器246的子集(比如一个或一些)和基底202内部的导电性通路(conductiverouting)248的子集(比如一个或一些)在芯片204和辐射器r[1]至r[m]之间流动；电流可以经由连接器246的子集(比如一个或一些)、导电性通路248的子集(比如一个或一些)和连接器242的子集在芯片204和主板240之间流动。芯片204可以是射频(radiofrequency，rf)集成电路(integratedcircuit，ic)，并且可以包括诸如功率放大器(poweramplifier)(未示出)之类的电路。在一实施例中，辐射模块200的辐射器r[1]至r[m]可以形成与x-y平面平行的辐射器阵列，导电部分220a的开口o[1]至o[n]可以形成开口阵列；在芯片204的控制下，由辐射模块200的辐射器r[1]至r[m]和导电部分220a的开口o[1]至o[n]共同形成的天线系统230可以用作天线阵列，比如波束形成(beam-forming)天线阵列。

图3示出天线系统230和辐射模块200的概念性视图。在该概念性的示例中，壳体220的导电部分220a可以是框在壳体220周围的边框(或者边框的一部分)，部分220b和220c可以是壳体220的前盖和后盖，各开口o[1]至o[n]的形状可以类似于狭缝(slit)，其延伸(extend)跨越导电部分220a的两个对侧。

由于壳体220和导电部分220a对于不同的ue来说可以具有各种形成因素(formfactor)、形状和/或尺寸，所以辐射模块200可以连同各ue的壳体220一起定制(customize)来共同形成和优化整个天线系统230，并使得天线系统230能够比单独的辐射模块200有更好的性能。举例来讲，天线系统230的定制和优化可以包括调整(tune)以下几何参数中的一个或多个：各辐射器r[m]和/或各开口o[n]的位置、形状和/或尺寸(比如宽度和/或长度)，辐射器r[1]至r[m]中相邻的两个辐射器之间的距离，开口o[1]至o[n]中相邻的两个开口之间的距离，相邻的两个投影pr[m]和po[n]之间的距离(比如图2b中的d[m,n])，辐射器r[1]至r[m]和/或开口o[1]至o[n]的阵列形式(比如线性阵列(lineararray)、矩形阵列(rectangulararray)或者环形阵列(polararray)等)，数量m，数量n，间隙g1(图2b)的高度等。换句话说，辐射器r[1]至r[m]和/或开口o[1]至o[n]的几何可以被配置，以使得天线系统230的性能优于单独的辐射模块200的性能。

如上所述，基于本发明，由壳体220和辐射模块200共同形成的天线系统230的性能可以优于没有壳体220的单独的辐射模块200的性能。在一实施例中，上述性能可以由归一化的天线阵列增益的累积分布函数(cumulativedistributionfunction，cdf)反映；在图4中，曲线4a示出由壳体220和辐射模块200共同形成的天线系统230所实现的归一化的天线阵列增益(用dbi表示)的cdf(用百分位数(percentile)表示)，曲线4b示出由没有壳体220的单独的辐射模块200所实现的归一化的天线阵列增益的cdf。如图4所示，因为曲线4a在曲线4b的右侧，所以可以理解的是，由辐射模块200和壳体220共同形成的天线系统230的性能优于没有壳体220的单独的辐射模块200的性能。天线系统230和辐射模块200的性能还可以分别由曲线4a和4b的峰值p4a和p4b反映；再次，如图4所示，因为峰值p4a大于峰值p4b，所以天线系统230的性能优于辐射模块200的性能。总之，为了评估和比较天线系统230和辐射模块200的性能，上述性能可以与辐射性能、阻抗匹配(impedancematching)性能或者辐射性能和阻抗匹配性能的组合(比如加权和(weightedsum))有关。辐射性能可以与以下中的一个或多个有关(比如可以是以下之一或者可以从以下中的一个或多个中导出(derive)，诸如以下中的一个以上的加权和)：等效全向辐射功率(equivalentisotropicallyradiatedpower，eirp)、有效全向灵敏度(effectiveisotropicsensitivity，eis)、总辐射功率(totalradiatedpower，trp)、总全向灵敏度(totalisotropicsensitivity，tis)、实现的天线阵列增益、实现的天线增益、等效天线阵列效率、天线效率、天线阵列方向性、天线方向性、球形覆盖率(sphericalcoverage)、eirp的cdf和峰值eirp等。阻抗匹配性能可以与以下一个或多个有关：天线回波损耗和天线vswr等。

总之，与在没有壳体的自由空间中进行设计和优化的传统天线模块(并且因此当放置于壳体中以进行实际应用时将会遭受性能降低)相比，根据本发明的辐射模块可以如实际应用时那样与壳体一起进行设计和优化，因此由辐射模块和壳体共同形成的天线系统的性能可以优于没有壳体的单独的辐射模块的性能，因此可以更好地满足实际应用的要求。

虽然已经就目前被认为是最实际和优选的实施例描述了本发明，但是可以理解的是，本发明并不必限于所公开的实施例。相反，本发明旨在覆盖包含在权利要求的精神和范围内的各种修改和相似配置，权利要求与其最宽的解释相一致，因此可以涵盖所有这样的修改和相似的结构。