多频段双极化天线阵列的制作方法

本公开涉及用于通信和/或成像应用的天线阵列。

背景技术：

该部分介绍了可能有助于促进对本公开的更好理解的各个方面。相应地，该部分的陈述将从这个角度来阅读，并且不应被理解为关于什么是现有技术或者什么不是现有技术的承认。

已知将天线元件的阵列用于通信和成像应用。在通信应用中，新一代移动技术大体上涉及更高的数据速率，该数据速率必须由用于该移动技术的硬件来支持，包括被用于传输和接收相关联的无线通信信号的天线。

技术实现要素：

在一个实施例中，本公开是一种天线块，该天线块包括基板、在基板上形成的第一类型的双频段双极化贴片天线的一个或多个实例，在基板上形成的第二类型的双频段双极化贴片天线的一个或多个实例，在基板上形成的第一馈线以及在基板上形成的不同的第二馈线。第一类型的贴片天线被配置为支持第一极化方向上的第一频段和第二极化方向上的第一频段，其中第一极化方向上的第一频段不同于第二极化方向上的第一频段。第二类型的贴片天线被配置为支持第一极化方向上的第二频段和第二极化方向上的第二频段，其中，(i)第二极化方向上的第二频段不同于第一极化方向上的第二频段，以及(ii)第一极化方向上的第二频段不同于第一极化方向上的第一频段。第一馈线被连接以支持第一极化方向上的第一频段，并且第二馈线被连接以支持第一极化方向上的第二频段。

附图说明

通过以下详细描述、所附权利要求和附图，本公开的实施例将变得更加明显，其中相同的附图标记标识类似或相同的元件。

图1是根据一个实施例的以(4x4)图案布置的十六个贴片天线的天线块的示意性平面图；

图2是图1的天线块的x射线平面图，其示出了被安装到天线块的底部的十六个贴片天线和三个ic芯片；

图3是通过将图1的(4x4)天线块的四个实例配置为(2x2)布置的图块而形成的(8x8)天线阵列的x射线平面图；

图4a是贴片天线的x射线平面图，其通用架构可以被采用来构造图1的贴片天线中的每个贴片天线，并且图4b是在第二极化方向上的图4a的贴片天线x射线侧视图；

图5a-图5f示出了平面图，图示了图4a-图4b的贴片天线的不同金属层；以及

图6a-图6d示出了x射线平面图，图示了图4a-图4b的贴片天线的不同金属层。

如本文所使用的，术语“x射线”意味着对应的附图示出了从外部视图或单个横截面视图来看并非全部可见的特征。

具体实施方式

本文公开了本公开的详细说明性实施例。然而，为了描述本公开的示例实施例，本文公开的特定结构和功能细节仅是代表性的。本公开可以以许多替代形式体现，并且不应该被解释为仅限于本文陈述的实施例。进一步地，本文使用的术语仅用于描述特定实施例并且不旨在限制本公开的示例实施例。

如本文所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“这个”也旨在包括复数形式。将进一步理解的是，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”和/或“包括(including)”指定存在所阐明的特征、步骤或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤或组件。还应该注意的是，在一些替代实施方式中，所提到的功能/动作可以不按照附图中提到的顺序发生。例如，实际上，连续示出的两个附图可以大体上同时执行，或者有时可以按照相反顺序执行，取决于所涉及的功能/动作。

图1是根据一个实施例的以(4x4)图案布置的十六个贴片天线102的天线块100的平面图。如图1所示，天线块100具有：

·第一类型的贴片天线102(1)的八个实例，其被设计为支持第一极化(p1)方向上以约95ghz为中心的第一频段中的无线信号和正交于第一极化方向的第二极化(p2)方向上以约60ghz为中心的公共频段中的无线信号，其中第一极化方向和第二极化方向不同于无线信号的传播方向；

·第二类型的贴片天线102(2)的四个实例，其被设计为支持第一极化方向上以约39ghz为中心的第二频段中的无线信号和第二极化方向上的公共频段中的无线信号；以及

·第三类型的贴片天线102(3)的四个实例，其被设计为支持第一极化方向上以约28ghz为中心的第三频段中的无线信号和第二极化方向上的公共频段中的无线信号。

因此，在天线块100中：

·每根贴片天线102是双频段双极化元件，该元件支持两个不同的频段：一个在第一极化方向上，并且另一个在第二极化方向上；

·天线块100具有三个不同类型的贴片天线102，每个都支持第一极化方向上的不同频段(即，第一极化方向上的第一、第二和第三频段中的一个)和第二极化方向上的相同频段(即，第二极化方向上的公共频段)；以及

·天线块100是支持四个不同频段的四频段结构。

如通过本领域技术人员所理解的，被用于形成每个贴片天线102的结构的长度和宽度尺寸确定双频段双极化贴片天线102被涉及来操作的两个频段，其中较大的尺寸意味着较低的频率。在图1的上下文中，“长度”是指第一极化方向上的尺寸，并且“宽度”是指第二极化方向上的尺寸。因此，在图1的天线块100中，以第一极化方向上的最高频段进行操作的第一类型的贴片天线102(1)具有最小的长度，并且以第一极化方向上的最低频段操作的第三类型的贴片天线102(3)具有最大的长度，而以第二极化方向上的公共频段操作的所有三种类型的贴片天线102(1)-102(3)具有相同的宽度。

如通过本领域技术人员所理解的，天线块100具有馈线(未在图1中示出)，该馈线在不同的贴片天线102中的每个贴片天线与电子电路系统(未在图1中示出)之间承载电子(即，有线)信号，该电子电路系统支持天线块100的操作，其中天线块100中的每个馈线被配置为仅承载一个频段。因此，每个贴片天线102被连接到两个不同的馈线，一个馈线用于第一极化方向上的贴片频段，并且不同的馈线用于第二极化方向上的公共频段。

在一些实现中，天线块100被实现为pcb基板上的印刷电路板(pcb)设备，其中提供电子电路系统以支持天线块的操作的一个或多个集成电路(ic)芯片被安装到pcb的底部。在其他实现中，天线块100可以使用任何其他合适的基板来实现，包括(但不限于)玻璃或半导体。要注意的是，当天线块100在半导体基板上被实现为集成设备时，支持该天线块的操作的电子电路系统可以在相同半导体基板上被实现，从而形成单个片上系统(soc)设备。

当图1的天线块100被实现为pcb设备时，天线块100的每个不同频段的所有馈线可以连接到被设计为支持该频段的一个或多个ic芯片。例如：

·被连接到用于第一极化方向的八个贴片天线102(1)的所有馈线被连接到一个或多个ic芯片，这些芯片被设计为支持第一极化方向上的第一频段；

·被连接到用于第一极化方向的四个贴片天线102(2)的所有馈线被连接到一个或多个ic芯片，这些芯片被设计为支持第一极化方向上的第二频段；

·被连接到用于第一极化方向的四个贴片天线102(3)的所有馈线被连接到一个或多个ic芯片，这些芯片被设计为支持第一极化方向上的第三频段；以及

·被连接到用于第二极化方向的十六个贴片天线102的所有馈线被连接到一个或多个ic芯片，这些芯片被设计为支持第二极化方向上的公共频段。

要注意的是，在一些实现中，给定的ic芯片可以支持两个或多个不同的频段。

图2是图1的天线块100的x射线平面图，示出了十六个贴片天线102和三个ic芯片200(1)-200(3)，其被安装到天线块100的底部以支持天线块100的操作，其中：

·ic芯片200(1)是第一类型的ic芯片，该第一类型的ic芯片支持天线块100在第一极化方向上的第二(39ghz)和第三(28ghz)频段中的操作，其中ic芯片200(1)经由馈线(未示出)被连接到所有四个贴片天线102(2)和所有四个贴片天线102(3)；以及

·ic芯片200(2)和200(3)是第二类型的ic芯片的两个实例，该第二类型的ic芯片支持天线块100在第一极化方向上的第一(95ghz)频段和第二极化方向上的公共(60ghz)频段的操作，其中ic芯片200(2)经由馈线(未示出)被连接到用于第一极化方向上的第一频段的八个贴片天线102(1)中的四个贴片天线以及用于第二极化方向上的公共频段的十六个贴片天线102中的八个天线，并且ic芯片200(3)经由馈线(未示出)被连接到用于第一极化方向上的第一频段的其他四个贴片天线102(1)以及用于第二极化方向上的公共频段的其他八个贴片天线102。

本领域技术人员将理解(i)部署第二类型的ic芯片的两个实例，其中在它们之间安装第一类型的ic芯片，以及(ii)所有三个ic芯片200(1)-(3)相对于第一极化方向和第二极化方向以45度角被安装，以减小总长度并简化将电子信号往返于十六个不同的贴片天线102路由所需的馈线的拓扑。本领域技术人员将理解，ic芯片200(1)-(3)可以以除45度以外的角度(包括0度)被安装。

除了个体贴片天线102的长度和宽度尺寸之外，图1的天线块100的另一重要特征是贴片天线102之间的距离。如通过本领域技术人员所理解的，为了最佳波束形成，在天线阵列中以相同频段操作的相邻贴片天线之间的距离应该为该频段的中心频率的一半波长。因此：

·理想的是，第一类型的相邻贴片天线102(1)之间在第一极化方向上的距离(在图1中标记为a)应该是第一极化方向上的第一频段的中心频率的一半波长；

·理想的是，第二类型的相邻贴片天线102(2)之间在第一极化方向上的距离(在图1中标记为b)应该是第一极化方向上的第二频段的中心频率的一半波长；

·理想的是，第三类型的相邻贴片天线102(3)之间在第一极化方向上的距离(在图1中标记为c)应该是第一极化方向上的第三频段的中心频率的一半波长；以及

·理想的是，所有相邻的贴片天线102之间在第二极化方向上的距离(在图1中标记为d)应该是第二极化方向上的公共频段的中心频率的一半波长。

针对图1的天线块100所支持的四个特定频率，天线块100可以被设计为使得：

·距离d等于60ghz的一半波长；

·距离b基本上等于28ghz的一半波长；以及

·距离c近似等于39ghz的一半波长。

要注意的是，尽管在天线块100的这种实现中，第一类型的贴片天线102(1)的贴片间距离a将离理想相对较远，但是由次优的贴片间距离产生的第一极化方向上的第一频段中的一些次优波束形成将通过以下事实而被补偿：第一类型的贴片天线102(1)的数目是其他两种类型中的每种类型的两倍。如本文所使用的，术语“贴片间距离”是指两个不同贴片的中心之间的距离。

基于促进抑制带间干扰的上述特征，图1的天线块100可以被用作(4x4)天线阵列以支持通信和/或成像应用，这取决于支持天线块100的操作所提供的电子设备的类型，其中在理论上，可以以传输和接收模式的任何组合以及顺序或同时操作的任何组合在第一极化方向上的三个不同频段和第二极化方向上的公共频段中操作天线阵列。例如，当配置有支持双向通信的电子设备时，天线块100可以被操作为天线阵列，该天线阵列同时在零个、一个、两个、三个或所有四个支持频段中传输传出无线信号，并且在零个、一个、两个、三个或所有四个支持频段中接收传入无线信号，只要没有频段同时被用于传输和接收。同样地，当被配置有支持成像的电子设备时，天线块100可以被操作为天线阵列，该天线阵列同时在一个、两个、三个或所有四个支持频段中接收传入无线信号。天线块100还可以以时分方式以四个频段的任何顺序组合进行操作，以用于通信或成像应用。

图1的天线块100具有矩形(在这种情况下为正方形)的外围边缘，并且天线块100中的贴片天线102的中心点形成具有中心点的外接矩形的二维网格。如本文所使用的，术语“二维”是指以下布置：该布置在两个正交方向上的尺寸(例如，长度和宽度)显著大于该布置在第三正交方向上的尺寸(例如，厚度)。在一些实现中，从外接矩形中的每个中心点到天线块100的外围边缘的最短距离是二维网格中的相邻中心点之间的距离的一半。这意味着，当天线块100的两个实例并排布置时，相邻贴片天线102之间的贴片间距离在每个天线块100内以及在天线块100的两个实例之间基本上相同。

图3是通过将图1的(4x4)天线块的四个实例配置为(2x2)布置的图块而形成的(8x8)天线阵列300的x射线平面图。要注意的是，天线块100被设计使得图1的距离a、b和c跨天线阵列300中的相邻天线块100而被保持。因此，可以将天线块100的多个实例配置为具有正方形、矩形或可以使用这种图块形成的任何不规则形状的布置的图块。

尽管图1的(4x4)天线块100具有十六个贴片天线102的特定布置，但是本领域技术人员将理解，那十六个贴片天线102的其他合适的布置可以被用于形成(4×4)天线块。

尽管图1的(4x4)天线块100已被描述为可以用于形成较大天线阵列的图块，诸如图3的(8×8)天线阵列300，但是仅图1的贴片天线102中的四个贴片天线可以在可以被用作图块以形成更大的天线阵列的(2×2)天线块中配置，其中(2×2)天线块对应于图1的天线块100中的四个象限的每一个，使得每个(2×2)天线块将包括：

·第一类型的贴片天线102(1)的两个实例；

·第二类型的贴片天线102(2)的一个实例；以及

·第三类型的贴片天线102(3)的一个实例。

要注意的是，然后可以通过将这种(2x2)天线块的四个实例配置为(2x2)布置中的图块来提供与天线块100等效的(4x4)天线阵列，并且与图3的天线阵列300等效的(8x8)天线阵列可以通过将这种(2×2)天线块的十六个实例配置为(4×4)布置中的图块来提供。

图4a是贴片天线400的x射线平面图，其通用架构可以被采用来构造图1的每个贴片天线102，并且图4b是图4a的贴片天线400在第二极化方向上的x射线侧视图。如图4a所示，贴片天线400从下到上包括以下金属层：

·贴片层410；

·第二馈送层420；

·孔径层430；

·第一馈送层440；

·反射层450；以及

·顶层460，

其中金属贴片层410被嵌入到具有介电常数dk约为6的第一介电材料402内，并且四个金属层420-450被嵌入到具有介电常数dk约为3的第二介电材料404内。另外，贴片天线400具有七个垂直金属通孔结构462(1)-462(7)，其中通孔结构462(1)、462(3)、462(4)、462(6)和462(7)从贴片天线400的暴露的顶层460向下延伸到具有双向孔径432的孔径层430，而通孔结构462(2)和462(5)从暴露的顶层460向下延伸到第二馈送层420。

图5a-图5f示出了平面图，图示了图4a-4b的贴片天线400的不同金属层410-460。具体地：

·图5a示出了图4a-图4b的贴片层410的平面图；

·图5b示出了图4a-图4b的第二馈送层420中的馈送元件422的平面图；

·图5c示出了图4a-图4b的孔径层430的平面图；

·图5d示出了图4a-图4b的第一馈送层440中的馈送元件422的平面图；

·图5e示出了图4a-图4b的反射层450的平面图；以及

·图5f示出了图4a-图4b的顶层460上的通孔结构462(1)-462(7)的金属部分的平面图。

图6a-6d示出了以下x射线平面图：

·图6a示出了在图4a-图4b的贴片层410上叠放的图4a-图4b的第二馈送层420的x射线平面图；

·图6b示出了在图6a的视图上叠放的图4a-图4b的孔径层430的x射线平面图；

·图6c示出了在图6b的视图上叠放的图4a-图4b的第一馈送层440的x射线平面图；以及

·图6d示出了在图6c的视图上叠放的图4a-图4b的反射层450的x射线平面图。

要注意的是，图4a是在图6d的视图上叠放的图4a-图4b的顶层460的x射线平面图。

尽管在具有四个特定中心频率的四个不同频段的上下文中描述了图1的三个不同类型的贴片天线102，但是本领域技术人员将理解，可以为与贴片天线102的频率不同的一个、两个、三个或四个中心频率提供备选实现。

尽管图1的天线块100支持的四个不同频率包括第一极化方向上的三个频段和第二极化方向上的一个频段，但是其他实现可以被设计为在两个不同极化方向中的每个极化方向上具有两个不同频段。

尽管图1的天线块100支持四个不同的频段，但是本公开的天线块可以支持三个或多个不同的频段。至少，本公开的天线块具有两种不同类型的双频段双极化贴片天线，双极化天线支持一个极化方向上的公共频段和另一极化方向上的两个不同频段。至少，理论上，具有n个不同类型的双频段双极化贴片天线的本公开的天线块可以支持多达2n个不同的频段，其中天线块中的每个类型的贴片天线都支持两个极化方向上的两个不同频段。本领域技术人员将理解，图1的天线块100落在那些最小与最大实施例之间，其中天线块100具有支持四个不同频段的三个不同类型的双频段双极化贴片天线。

尽管已经描述了具有贴片天线的正方形布置的天线块，但是在备选实施例中，天线块可以具有贴片天线的非正方形矩形布置。例如，图1中的贴片天线102中的任何两个相邻行都可以用于形成本公开的(2×4)天线块。同样地，图1中的贴片天线中的任何两个相邻列都可以用于形成本公开的(4x2)天线块。

根据某些实施例，一种制造物品，包括天线块的制，该天线块包括：基板；在基板上形成的第一类型的双频段双极化贴片天线的一个或多个实例，其中第一类型的贴片天线被配置为支持第一极化方向上的第一频段和第二极化方向上的第一频段，其中第一极化方向上的第一频段不同于第二极化方向上的第一频段；在基板上形成的第二类型的双频段双极化贴片天线的一个或多个实例，其中第二类型的贴片天线被配置为支持第一极化方向上的第二频段和第二极化方向上的第二频段，其中(i)第二极化方向上的第二频段不同于第一极化方向上的第二频段，以及(ii)第一极化方向上的第二频段不同于第一极化方向上的第一频段；第一馈线，该第一馈线被形成在基板上并且被连接以支持第一极化方向上的第一频段；以及不同的第二馈线，该第二馈线被形成在基板上并且被连接以支持第一极化方向上的第二频段。

根据前述的某些实施例，第二极化方向上的第一频段和第二频段等于第二极化方向上的公共频段；并且天线块还包括不同的第三馈线，该第三馈线被形成在基板上并且被连接以支持第二极化方向上的公共频段。

根据前述的某些实施例，天线块还包括：在基板上形成的第三类型的双频段双极化贴片天线的一个或多个实例，其中第三类型的贴片天线被配置为支持第一极化方向上的第三频段和第二极化方向上的第三频段，其中(i)第二极化方向上的第三频段不同于第一极化方向上的第三频段，以及(ii)第一极化方向上的第三频段不同于第一极化方向上的第一和第二频段；以及不同的第三馈线，该第三馈线被形成在基板上并且被连接以支持第一极化方向上的第三频段。

根据前述的某些实施例，第二极化方向上的第一频段、第二频段和第三频段等于第二极化方向上的公共频段；并且天线块还包括不同的第四馈线，该第四馈线被形成在基板上并且被连接以支持第二极化方向上的公共频段。

根据前述的某些实施例，天线块包括贴片天线的(2x2)布置，该(2x2)布置包括：位于(2x2)布置的相对角处的第一类型的贴片天线的两个实例；第二类型的贴片天线的一个实例；以及第三类型的贴片天线的一个实例。

根据前述的某些实施例，天线块包括贴片天线的(4x4)布置，该(4x4)布置包括：第一类型的贴片天线的八个实例；第二类型的贴片天线的四个实例；以及第三类型的贴片天线的四个实例。

根据前述的某些实施例，该制品还包括：第一类型的集成电路(ic)芯片的一个实例，该实例被配置为支持天线块在第一极化方向上的第二和第三频段中的操作；以及第二类型的ic芯片的两个实例，该实例被配置为支持天线块在第一极化方向上的第一频段和第二极化方向上的公共频段中的操作。

根据前述的某些实施例，三个ic芯片中的每个ic芯片相对于天线块中的贴片天线的行和列以非零度角被安装在天线块上。

根据前述的某些实施例，该制品包括多频段天线阵列，该多频段天线阵列包括以二维图案被布置的天线块的多个实例。

根据前述的某些实施例，多频段天线阵列包括并排布置的第一天线块和第二天线块，其中贴片间距离(1)在每个天线块内的相邻贴片天线之间以及(ii)在第一天线块与第二天线块之间的相邻贴片天线之间基本上相同。

根据前述的某些实施例，天线块具有矩形的外围边缘；天线块中的贴片天线的中心点形成具有中心点的外接矩形的二维网格；以及从外接矩形中的每个中心点到天线块的外围边缘的最短距离是二维网格中的相邻中心点之间的距离的一半。

根据前述的某些实施例，基板是印刷电路板(pcb)基板；以及一个或多个集成电路(ic)芯片被安装到pcb基板上并且被配置为支持天线块的操作。

为了该描述的目的，术语“耦合(couple)”、“耦合(coupling)”、“耦合(coupled)”、“连接(connect)”、“连接(connecting)”或“连接(connected)”是指本领域中已知或者以后开发的允许在两个或多个元件之间转换能量的任何方式，并且可以设想插入一个或多个附加元件，尽管没有要求。相反，术语“直接耦合”、“直接连接”等意味着不存在这种附加元件。

信号和对应的终端、节点、端口或路径可以以相同的名称来指代，并且出于此处的目的是可互换的。

除非另有明确说明，否则每个数值和范围都应该被解释为近似，好像单词“大约”或“近似”出现在该值或范围之前。

将进一步理解的是，在不脱离以下权利要求包含的本公开的实施例的情况下，本领域技术人员可以对已经描述和图示以便解释本公开的实施例的部分的细节、材料和布置进行各种改变。

在包括任何权利要求的本说明书中，术语“每个”可以用于指代多个先前列举的元件或步骤的一个或多个指定特性。当与开放式术语“包括”一起使用时，对术语“每个”的引用不排除附加未列举的元件或步骤。因此，将理解的是，装置可以具有附加未列举的元件，并且方法可以具有附加未列举的步骤，其中，附加未列举的元件或步骤不具有一个或多个指定特性。

图号和/或附图标记在权利要求中的使用旨在标识所要求的主题的一个或多个可能实施例，以便促进权利要求的解释。这种使用不应被解释为必然将这些权利要求的范围限制于对应附图所示的实施例。

本文中对“一个实施例”或“实施例”的引用是指结合该实施例描述的特定特征、结构或者特性可以包括在本公开的至少一个实施例中。在说明书中的各处中出现短语“在一个实施例中”不一定指代相同实施例，也不一定是与其他实施例互斥的单独的或替代的实施例。这同样适用于术语“实现”。

本申请中的权利要求所覆盖的实施例限于(1)由本说明书实现的实施例，以及(2)对应于法定主题的实施例。即使它们落入权利要求的范围内，也明确放弃非启用实施例和对应于非法定主题的实施例。

如在本申请中所使用的，术语“电路系统”可以指代以下中的一项或多项或者所有项：(a)仅硬件电路实施方式，(诸如，仅模拟和/或数字电路系统中的实施方式)；(b)硬件电路和软件的组合，诸如(如果适用的话)：(i)(多个)模拟和/或数字硬件电路与软件/固件的组合，以及(ii)(多个)硬件处理器与软件(包括(多个)数字信号处理器、软件和(多个)存储器，其一起工作以使诸如移动电话或服务器等装置执行各种功能)的任何部分，以及(c)(多个)硬件电路和/或(多个)处理器，诸如，(多个)微处理器或(多个)微处理器的一部分，其要求软件(例如，固件)用于操作，但是当不需要用于操作时，可能不存在该软件。电路系统的这种定义适用于本申请中该术语的所有使用，包括在任何权利要求中。作为又一示例，如在本申请中所使用的，术语电路系统也将覆盖仅硬件电路或处理器(或多个处理器)或者硬件电路或处理器的一部分及其(或它们的)伴随的软件和/或固件的实施方式。例如并且如果适用于特定权利要求元件的话，则术语电路系统还将覆盖用于服务器、蜂窝网络设备或者其他计算或网络设备中的移动电话或类似的集成电路的基带集成电路或处理器集成电路。

除非本文另外指定，否则使用序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等来指代多个类似对象中的对象仅指示所引用的这种类似对象的不同实例，并且不旨在表示所引用的类似对象必须在时间、空间、排名或任何其他方式上均处于对应的顺序或序列。