一种毫米波射频模组加载超材料结构的组合天线及终端的制作方法

1.本技术涉及通信技术领域，尤其涉及一种毫米波射频模组加载超材料结构的组合天线及终端。


背景技术：

2.5g通信技术是一种具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。在一些领域，一旦应用5g通信技术，将发生翻天覆地的变化，例如：在交通方面，通过高效率的信息传输，路上的无人汽车会越来越多，而且交通事故的发生率会直线下降；在人工智能方面，可实现对海量数据的超高速处理，大大促进人工智能技术的深度应用；由此可见5g通信至关重要。
3.而为了优化5g通信技术，需提升信号传输速率，无线传输提升传输速率大体上有两种方法，一是提升频谱利用率，二是提升频谱带宽。相对于提高频谱利用率，提升频谱带宽的方法显得更简单直接。于是毫米波被应用到5g技术当中，毫米波频率范围为26.5～100ghz，带宽高达271.5ghz，相较于传统的微波，毫米波带宽更宽，相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。
4.但是，由于毫米波的高频段会产生更高的路径损耗且绕射能力较弱，非常容易被阻挡。所以毫米波在应用时必须有非常高的天线增益来弥补这一损耗。随着电子产品的集成度的提升，应用于终端电子设备的毫米波模组尺寸越来越小，这使得毫米波模组上的天线的尺寸也越来越小，天线尺寸越小，导致天线的辐射口径就越小，从而天线的增益越低。


技术实现要素：

5.随着电子产品的集成度的提升，应用于终端电子设备的毫米波模组尺寸越来越小，这使得毫米波模组上的天线的尺寸也越来越小，天线尺寸越小，导致天线的辐射口径就越小，从而天线的增益越低。本技术旨在提供一种毫米波射频模组加载超材料结构的组合天线及终端，以提升毫米波射频模组天线的增益。
6.本技术第一方面，提供一种毫米波射频模组加载超材料结构的组合天线，包括：毫米波射频模组和超材料结构。
7.所述毫米波射频模组设置在终端外壳的内部，所述超材料结构设置在终端外壳的表面，所述毫米波射频模组正对于所述超材料结构，且所述超材料结构的面积大于或等于所述毫米波射频模组，所述毫米波射频模组与所述终端外壳之间的距离为1/8-1/2辐射波波长。
8.所述超材料结构的折射率小于零，所述超材料结构将所述毫米波射频模组射出的辐射波，汇聚形成平面波束，以提升毫米波射频模组天线的增益。
9.可选的，所述毫米波射频模组为5g毫米波相控阵射频模组、60ghz wigig射频模组或雷达探测介质谐振天线射频模组。
10.可选的，所述毫米波射频模组与所述外壳之间的距离为1/4辐射波波长。
11.可选的，超材料结构金属图形可以为矩形、环形、圆形、双环形、u形、l形或之字形。
12.可选的，所述超材料结构的数量为4
×
4-14
×
14。
13.可选的，所述毫米波射频模组与超材料结构之间的介质为空气。
14.可选的，所述超材料结构采用激光直接成型技术成型于所述终端外壳表面。
15.可选的，所述超材料结构材质为软性基板材料。
16.可选的，所述软性基板材料为改性聚酰亚胺、液晶聚合物或柔性电路板配线。
17.可选的，所述超材料结构材质为透明的薄膜材料。
18.可选的，所述毫米波射频模组还包括传送射频信号的天线，所述天线可传输信号的频段为10ghz-100ghz。
19.本技术第二方面，提供一种终端，所述终端的辐射单元为所述的一种毫米波射频模组加载超材料结构的组合天线。
20.可选的，所述终端的外壳的材料为塑料、陶瓷、玻璃或非金属材料与金属材料的混合体。
21.可选的，所述终端的外壳的厚度小于或等于1/4辐射波波长。
22.可选的，所述终端的外壳的厚度为1/10辐射波波长。
23.由以上技术方案可知，本技术提供一种毫米波射频模组加载超材料结构的组合天线，包括：毫米波射频模组和超材料结构。所述毫米波射频模组设置在终端外壳的内部，所述超材料结构设置在终端外壳的表面，所述毫米波射频模组正对于所述超材料结构，且所述超材料结构的面积大于或等于所述毫米波射频模组，所述毫米波射频模组与所述终端外壳之间的距离为1/8-1/2辐射波波长。所述超材料结构的折射率小于零，所述超材料结构将所述毫米波射频模组射出的辐射波，汇聚形成平面波束，以提升毫米波射频模组天线的增益。本技术另外还提供一种终端，所述终端的辐射单元为所述的一种毫米波射频模组加载超材料结构的组合天线。
24.在实际应用中，本技术提供的毫米波射频模组与超材料的组合天线，所述毫米波射频模组射出辐射波，所述辐射波辐射至所述超材料结构，所述超材料结构会将入射的辐射波的球面波在反射或透射方向汇聚形成平面波束，提高远场区增益，降低波束宽度，增强所述辐射波的强度，并将所述辐射波辐射出去。本技术另外提供一种终端，所述终端的辐射单元为所述的毫米波射频模组与超材料的组合天线，可以提升毫米波射频模组天线的增益。
附图说明
25.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行完整、清楚的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.图1为本技术实施例提供的毫米波射频模组与超材料的组合天线的结构图；
27.图2为本技术实施例提供的毫米波射频模组与超材料的组合天线的侧视图；
28.图3a为本技术实施例提供的超材料结构支持单个频段时，毫米波射频模组天线阵列数目为1
×
4，超材料结构数目为8
×
32，且分布均匀的示意图；
29.图3b为本技术实施例提供的超材料结构支持单个频段时，毫米波射频模组天线阵列数目为1
×
4，超材料结构单元数目为14
×
25且非均匀分布的示意图；
30.图4为本技术实施例提供的超材料结构支持单个频段时，超材料结构数目为8
×
8的示意图；
31.图5a为本技术实施例提供的超材料结构支持双频段时，超材料结构单元数目为8
×
8，且均匀分布的示意图；
32.图5b为本技术实施例提供的超材料结构支持双频段时，超材料结构单元数目为14
×
8的示意图，且单圆环与双圆环交叉均匀分布；
33.图5c为本技术实施例提供的超材料结构支持双频段时，超材料结构单元数目为10
×
8，且非均匀分布的示意图；
34.图6为本技术实施例提供的超材料结构的示意图；
35.图7a为毫米波射频模组单元天线加载超材料结构的低频天线增益方向图；
36.图7b为毫米波射频模组单元天线加载超材料结构的高频天线增益方向图；
37.图8a为毫米波射频模组1
×
4天线阵列加载超材料结构的低频天线增益方向图；
38.图8b为毫米波射频模组1
×
4天线阵列加载超材料结构的高频天线增益方向图。
具体实施方式
39.以下对本技术的具体实施方式进行详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
40.参见图1，为本技术实施例提供的毫米波射频模组与超材料的组合天线的结构图。
41.参见图2，为本技术实施例提供的毫米波射频模组与超材料的组合天线的侧视图。
42.参见图6，为本技术实施例提供的超材料结构的示意图。
43.本技术实施例第一方面提供一种毫米波射频模组加载超材料结构的组合天线，包括：毫米波射频模组2和超材料结构1。
44.所述毫米波射频模组2设置在终端外壳的内部，所述超材料结构1设置在终端外壳的表面，所述毫米波射频模组2正对于所述超材料结构1，且所述超材料结构1的面积大于或等于所述毫米波射频模组2，所述毫米波射频模组2与所述终端外壳之间的距离为1/8-1/2辐射波波长。
45.所述超材料结构1的折射率小于零，所述超材料结构1将所述毫米波射频模组2射出的辐射波，汇聚形成平面波束，以提升毫米波射频模组2天线的增益。
46.进一步的，所述毫米波射频模组2为5g毫米波相控阵射频模组、60ghz wigig射频模组或雷达探测介质谐振天线射频模组。所述毫米波射频模组2还包括传送射频信号的天线，所述天线可传输频段在10ghz-100ghz的信号。
47.其中，所述毫米波射频模组2包括毫米波天线单元或者天线阵列、射频芯片、射频信号线、各控制数字信号线和电源信号线。
48.其中，所述毫米波射频模组2上的天线还会组成天线阵列，其通信容量，会随着天线数量的增加而增加；而在所述5g毫米波相控阵射频模组中，多个天线形成相控天线阵列，天线之间的信号经过互相干涉效应，能把信号能量集中在一个方向发射出去；并且所述5g
毫米波相控阵射频模组采用定向发射的方式，从而使得能量能够传输得更远，以提高覆盖范围。
49.另外，wigig是一种短距离高速无线通信技术，使用60ghz的频段，理论速度可达7gbps，通信距离10m以内。介质谐振天线是一种谐振式天线，由低损耗的微波介质材料构成，它的谐振频率由谐振器尺寸、形状和相对介电常数所决定，具有宽带，小尺寸，高辐射效率的特点。
50.进一步的，超材料结构金属图形可以为矩形、环形、圆形、双环形、u形、l形或之字形，所述超材料结构的数量为4
×
4-14
×
14，所述毫米波射频模组与超材料结构之间的介质为空气。
51.其中，本技术提供的超材料结构金属图形形状并不仅限于图6所示的a-e五种形状，也可以是其它满足折射率为负的形状，所述超材料结构的数量在4
×
4-14
×
14范围内，数量越多增益越强。
52.进一步的，所述毫米波射频模组与所述外壳之间的距离为1/4辐射波波长。
53.其中，所述毫米波射频模组2与所述终端的外壳之间的距离可以影响天线增益，通常是1/8-1/2辐射波波长，更进一步的，所述毫米波射频模组2与所述终端的外壳之间的距离为1/4辐射波波长时，天线增益最高。
54.进一步的，所述超材料结构1采用激光直接成型技术成型于所述终端的外壳3表面，所述超材料结构1材质为软性基板材料，所述超材料结构1材质还可以为为透明的薄膜材料。
55.其中，超材料结构为介质材料加载金属图形结构，超材料结构可以通过软性材料蚀刻金属图形后共形到终端外壳表面，或者通过激光镭射金属图形后共形到终端外壳的表面。
56.其中，所述超材料使用激光直接成型技术，镀刻在所述终端的外壳3表面，激光直接成型技术主要有三个步骤，包括：第一步射出成型，此步骤在热塑性的终端外壳射出成型；第二步雷射活化，此步骤通过添加特殊化学剂，雷射活化超材料，使超材料产生物理化学反应，并形成金属核，从而让超材料在金属化过程中在终端的外壳3上扎根；第三步电镀，此步骤为清洁步骤，在仅用作电极的金属化塑胶表面，电镀5-8微米的电路，使塑料成为一个具备导电线路的芯片元件。
57.另外，所述软性基板材料可以是mpi(改性聚酰亚胺)、lcp(液晶聚合物)熔融态时一般呈现液晶性或者fpc(柔性电路板配线)，可实现轻量化、小型化、薄型化，从而达到所述超材料结构与所述终端的外壳连接一体化。所述透明的薄膜材料，可以先绘制成一定的图形，再贴在所述终端外壳的表面。
58.本技术实施例第二方面提供一种终端，所述终端的辐射单元为所述的毫米波射频模组与超材料的组合天线。
59.其中，所述终端可以接收和发射不同强度的4g信号、5g信号、wifi信号以及gps信号。
60.进一步的，所述终端的外壳3的材料为塑料、陶瓷、玻璃或非金属材料与金属材料的混合体。所述终端的外壳3的厚度小于或等于1/4辐射波波长，所述终端的外壳3的厚度为1/10辐射波波长。
61.其中所述终端的外壳3的厚度会影响所述的毫米波射频模组与超材料的组合天线的增益，终端的外壳3的厚度小于或等于1/4辐射波波长，对所述毫米波射频模组与超材料的组合天线有增益，而其中增益最强的为1/10辐射波波长。
62.另外，本技术实施例提供的终端可以是手机、电脑、打印机、传真机、atm机、自动缴费机、自助存折补登机、自助图书馆服务机、自助税务机、自动售货机、自助加油机、自助点菜机、自助挂号机或自助取单机。
63.为了更清楚的说明本技术实施例公开的毫米波射频模组与超材料的组合天线及终端，下面结合具体的应用实施例对本技术做进一步说明：
64.参见图3a，为本技术实施例提供的超材料结构支持单个频段时，毫米波射频模组天线阵列数目为1
×
4，超材料结构数目为8
×
32，且分布均匀的示意图；图3b为本技术实施例提供的超材料结构支持单个频段时，毫米波射频模组天线阵列数目为1
×
4，超材料结构单元数目为14
×
25且非均匀分布的示意图。
65.参见图5a，为本技术实施例提供的超材料结构支持双频段时，超材料结构单元数目为8
×
8，且均匀分布的示意图；图5b为本技术实施例提供的超材料结构支持双频段时，超材料结构单元数目为14
×
8的示意图，且单圆环与双圆环交叉均匀分布；图5c为本技术实施例提供的超材料结构支持双频段时，超材料结构单元数目为10
×
8，且非均匀分布的示意图。
66.实施例1
67.参见图4，为本技术实施例提供的超材料结构支持单个频段时，超材料结构数目为8
×
8的示意图。其中超材料结构1的形状参考图6中的b图案，超材料结构1可增加毫米波射频模组2单频天线增益，毫米波射频模组2天线的增益可以提升2db以上。
68.参见图7a，为毫米波射频模组单元天线加载超材料结构的低频天线增益方向图。其中，虚线为不加超材料结构时，低频或高频天线单元h面辐射方向增益值，实线为加超材料结构时，低频天线单元h面辐射方向增益值，低频的增益提升2.7db左右。参见图7b，为毫米波射频模组单元天线加载超材料结构的高频天线增益方向图。其中，虚线为不加超材料结构时，高频天线单元h面辐射方向增益值，实线为加超材料结构时，高频天线单元h面辐射方向增益值。高频的增益提升3.7db左右。
69.实施例2
70.参见图5a，为本技术实施例提供的超材料结构支持双频段时，超材料结构数目为8
×
8的示意图。其中，所述超材料结构1的形状参考图6中的c图案，毫米波射频模组2支持双频段时，超材料结构1可增加毫米波射频模组2双频天线增益，毫米波射频模组2天线的增益可以提升3db以上。
71.实施例3
72.参见图3a，为本技术实施例提供的超材料结构支持单个频段时，毫米波射频模组天线阵列数目为1
×
4，超材料结构数目为8
×
32的示意图。其中，所述超材料结构1的形状参考图6中的b图案，毫米波射频模组2天线阵列数目为1
×
4，超材料结构1数目为8
×
32，毫米波射频模组2天线的增益可以提升2db以上。
73.另外，天线阵列规模数不限于1
×
4阵列规模，也可以是2
×
2，4
×
4，8
×
8等其他任意规模的阵列。超材料结构1的窄边尺寸比较小，可以用于终端电子设备的较窄的一面。在
一定程度内超材料结构1规模数目越大，增益越大。可以根据增益需求和终端的实际可用空间来进行调整。
74.参见图8a为毫米波射频模组1
×
4天线阵列加载超材料结构的低频天线增益方向图。其中，虚线为不加超材料结构时，低频天线阵列h面辐射方向增益值，实线为加超材料结构时，低频天线阵列h面辐射方向增益值，低频的增益提升2.3db左右。参见图8b为毫米波射频模组1
×
4天线阵列加载超材料结构的高频天线增益方向图。其中，虚线为不加超材料结构时，高频天线阵列h面辐射方向增益值，实线为加超材料结构时，高频天线阵列h面辐射方向增益值，高频的增益提升3.3db左右。
75.由以上技术方案可知，本技术实施例提供一种毫米波射频模组加载超材料结构的组合天线，包括：毫米波射频模组2和超材料结构1。包括：毫米波射频模组2和超材料结构1。所述毫米波射频模组2设置在终端外壳3的内部，所述超材料结构1设置在终端外壳3的表面，所述毫米波射频模组2正对于所述超材料结构1，且所述超材料结构1的面积大于或等于所述毫米波射频模组2，所述毫米波射频模组2与所述终端外壳3之间的距离为1/8-1/2辐射波波长。所述超材料结构1的折射率小于零，所述超材料结构1将所述毫米波射频模组2射出的辐射波，汇聚形成平面波束，以提升毫米波射频模组2天线的增益。本技术另外还提供一种终端，所述终端的辐射单元为所述的一种毫米波射频模组加载超材料结构的组合天线。
76.在实际应用中，所述毫米波射频模组会射出辐射波，辐射波入射进所述超材料结构1，所述超材料结构1将入射的辐射波的球面波在反射或透射方向汇聚形成平面波束，提高远场区增益，降低波束宽度，增强所述辐射波的强度，并将所述辐射波辐射出去，从而实现提升毫米波射频模组2天线的增益。
77.以上结合具体实施方式和范例性实例对本技术进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本技术的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本技术精神和范围的情况下，可以对本技术技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本技术的范围内。本技术的保护范围以所附权利要求为准。