双极化天线阵、电子设备及毫米波天线系统的制作方法

1.本技术涉及天线技术领域，尤其涉及一种双极化天线阵、电子设备及毫米波天线系统。


背景技术：

2.相关技术中设计应用于电子设备的毫米波阵列天线，多为微带天线，该微带天线的工作带宽往往较窄。因此，如何有效提升毫米波阵列天线的工作带宽已成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供一种双极化天线阵、电子设备及毫米波天线系统，能够有效提升双极化天线阵的工作带宽。
4.第一方面，本技术实施例提供了一种双极化天线阵；该双极化天线阵包括基体、多个天线单元及耦合单元，多个天线单元设置于基体，多个天线单元呈行列排布，相邻两个天线单元之间设有耦合单元，每个耦合单元均包括第一电容和第二电容，第一电容在第一极化方向上耦合相邻的两个天线单元，第二电容在第二极化方向上耦合相邻的两个天线单元，且第一极化方向与第二极化方向垂直。
5.基于本技术实施例的双极化天线阵，通过第一电容在第一极化方向上实现相邻两个天线单元之间的耦合，第二电容在第二极化方向上实现相邻两个天线单元之间的耦合，与相关技术中避免天线单元之间耦合不同，本技术则充分利用相邻两个天线单元之间的第一电容在第一极化方向上耦合、及第二电容在第二极化方向上耦合，能够有效提升毫米波阵列天线的工作带宽。
6.第二方面，本技术实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括馈电结构及上述的双极化天线阵，馈电结构包括馈电板和用于产生激励信号的射频芯片，射频芯片经由馈电板的馈线与双极化天线阵电连接，以将激励信号经由馈线传输至天线单元。
7.基于本技术实施例中的电子设备，具有上述双极化天线阵的电子设备，能够实现超宽的工作频段和小型化设计。
8.第三方面，本技术实施例提供了一种毫米波天线系统，该毫米波天线系统包括毫米波收发机、传输线及上述电子设备，电子设备的双极化天线阵通过传输线与毫米波收发机电连接。
9.基于本技术实施例中的毫米波天线系统，具有上述电子设备的毫米波天线系统，能够实现超宽的工作频段。
附图说明
10.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
11.图1为本技术一种实施例中的双极化天线阵的结构示意图；
12.图2为本技术一种实施例中的双极化天线阵的结构框图；
13.图3为图1中天线单元的数量为两个时的双极化天线阵的透视示意图；
14.图4为本技术一种实施例中的双极化天线阵的s参数，其中，s55表示的是非周期性结构时的频率响应，s66表示的是周期性结构时的频率响应；
15.图5为本技术一种实施例中的双极化天线阵的方向图；
16.图6为本技术一种实施例中的双极化天线阵的带宽在28.00ghz、39.00ghz和60.00ghz的方向图；
17.图7为为图1所示的双极化天线阵的爆炸示意图；
18.图8为图3所示的双极化天线阵的爆炸示意图；
19.图9为图1所示的双极化天线阵的天线单元的爆炸示意图；
20.图10为本技术一种实施例中的双极化天线阵的剖面示意图；
21.图11为本技术另一种实施例中的天线单元实现90
°
极化的结构示意图；
22.图12为图11的爆炸示意图。
23.附图标记：1、双极化天线阵；10、基体；11、介质层；12、接地层；131、第一馈点；132、第二馈点；20、天线单元；21、辐射体；221、第一耦合体；222、第二耦合体；231、第一导电体；232、第二导电体；241、第一连接体；242、第二连接体；30、耦合单元；31、第一电容；32、第二电容；40、馈电结构；50、射频芯片。
具体实施方式
24.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
25.相关技术中设计应用于电子设备的毫米波阵列天线，多为微带天线，该微带天线的工作带宽往往较窄。因此，如何在有效提升毫米波阵列天线的工作带宽已成为亟待解决的问题。
26.为了解决上述技术问题，请参照图1-图2所示，本技术的第一方面提出了一种双极化天线阵1，能够有效提升双极化天线阵1的工作带宽。
27.双极化天线阵1包括基体10、多个天线单元20及耦合单元30，多个天线单元20设置于基体10上，多个天线单元20呈行列排布，相邻两个天线单元20之间设有耦合单元30，每个耦合单元30均包括第一电容31和第二电容32，第一电容31在第一极化方向上耦合相邻的两个天线单元20，第二电容32在第二极化方向上耦合相邻的两个天线单元20，且第一极化方向与第二极化方向垂直。
28.以下结合图1-图12对双极化天线阵1的具体结构进行展开介绍，双极化天线阵1包括基体10、天线单元20及耦合单元30。
29.如图1-2所示，基体10作为承载天线单元20和耦合单元30等部件的结构。基体10的材质为具有较低的损耗和较好的介电常数稳定性的材质，例如，基体10的材质包括但不仅
限于聚酰亚胺(ip)、改性聚酰亚胺(mip)或液晶聚合物(lcp)等。关于基体10的具体结构将在下文进行展开介绍。
30.天线单元20也可以称为阵元，关于天线单元20的具体结构将在下文进行展开介绍。
31.天线单元20的数量为多个(两个及以上)，且多个天线单元20设置于基体10，其中，天线单元20在基体10上的具体成型方式包括但不仅限于激光直接成型技术(laser-direct-structuring，lds)、激光重构印刷(laser-restructured-print，lrp)等。
32.多个天线单元20在基体10上呈行列排布，也即多个天线单元20在基体10上呈n列*q行排布，其中，n表示每一行中的天线单元20的数量，q表示每一列中的天线单元20的数量，n≥1，q≥1，n和q为整数且n和q不同时为1。
33.耦合单元30作为双极化天线阵1中用于耦合相邻的两个天线单元20之间的电场的部件，相邻两个天线单元20之间设有耦合单元30，也即沿天线单元20的行排布方向上，天线单元20和耦合单元30交错设置，且沿天线单元20的列排布方向上，天线单元20和耦合单元30交错设置。
34.每个耦合单元30均包括第一电容31和第二电容32，第一电容31在第一极化方向上耦合相邻的两个天线单元20，第二电容32在第二极化方向上耦合相邻的两个天线单元20，且第一极化方向与第二极化方向垂直。其中，相邻的两个天线单元20为双极化双馈入，满足电场矢量相互垂直的特性，例如，当第一极化方向为+45
°
时，第二极化方向对应的为-45
°
。具体地，如图2所示，图示中的v表示垂直极化，h表示水平极化，c
vn-1,n
表示设置在第n-1个天线单元20和第n个天线单元20之间，且在垂直极化方向上耦合第n-1个天线单元20和第n个天线单元20的第一电容31，c
hn-1,n
表示设置在第n-1个天线单元20和第n个天线单元20之间，且在水平极化方向上耦合第n-1个天线单元20和第n个天线单元20的第二电容32，n≥2，且n为整数。
35.基于本技术实施例中的双极化天线阵1，通过第一电容31在第一极化方向上实现相邻两个天线单元20之间的耦合，第二电容32在第二极化方向上实现相邻两个天线单元20之间的耦合，与相关技术中避免天线单元20之间耦合不同，本技术则充分利用相邻两个天线单元20之间的第一电容31在第一极化方向上耦合、及第二电容32在第二极化方向上耦合，能够有效提升毫米波阵列天线的工作带宽。
36.如图3所示，在一种实施方式中，沿天线单元20的行排布方向，相邻两个天线单元20之间的间距为第一间距d1，第一间距d1大于等于0.1毫米且小于等于0.3毫米。例如，第一间距d1的取值可以但不仅限于是0.1毫米、0.15毫米、0.2毫米、0.25毫米或0.3毫米等。该设计中，在相邻两个天线单元20通过第一电容31和第二电容32耦合的基础上，通过合理的设计第一间距d1的取值，使相邻两个天线单元20之间第一间距d1尽可能的缩小，不仅能够使双极化天线阵1拥有良好的阻抗带宽，而且能够使双极化天线阵1的尺寸缩小，即实现了双极化天线阵1超宽的工作频段和小型化设计。通过设计相邻两个天线单元20紧密排列，使第一间距d1小于或者等于最高操作频点所对应的波长的二分之一，实现紧耦合且宽频频率响应，能够涵盖5g(第五代移动通信技术)通讯与wigig(wireless gigabit，无线千兆比特)短距离传输。
37.在一种实施方式中，沿天线单元20的列排布方向，相邻两个天线单元20之间的间
距为第二间距d2(图中未示出)，第二间距d2大于等于0.1毫米且小于等于0.5毫米。例如，第二间距d2的取值可以但不仅限于是0.1毫米、0.15毫米、0.2毫米、0.25毫米、0.3毫米、0.35毫米、0.4毫米、0.45毫米或0.5毫米等。该设计中，在相邻两个天线单元20通过第一电容31和第二电容32耦合的基础上，通过合理的设计第二间距d2的取值，使相邻两个天线单元20之间第二间距d2尽可能的缩小，不仅能够使双极化天线阵1拥有良好的阻抗带宽，而且能够使双极化天线阵1的尺寸缩小，即实现了双极化天线阵1超宽的工作频段和小型化设计。通过设计相邻两个天线单元20紧密排列，使第二间距d2小于或者等于最高操作频点所对应的波长的二分之一，实现紧耦合且宽频频率响应，能够涵盖5g通讯与wigig短距离传输。
38.在一种实施方式中，沿天线单元20的行排布方向、或者，沿天线单元20的列排布方向，一天线单元20的中心点与相邻的另一天线单元20的中心点之间的距离为最高频点的中心频率所对应的波长的五分之二至十分之七。该设计中，通过合理的设计相邻两个天线单元20的中心点之间的距离，能够极大地缩小双极化天线阵1的整体尺寸，故使用该方法设计的双极化天线阵1非常适用于目前空间非常局促的小型化电子设备如手机中。
39.如图4所示，图4为本技术一种实施例中的双极化天线阵的s参数，其中，横坐标表示频率点，s11表示图1中从左到右第一个天线单元和第二天线单元之间耦合量，s22表示图1中从左到右第三个天线单元和第四天线单元之间耦合量，s33表示图1中从左到右第五个天线单元和第六天线单元之间耦合量，s44表示图1中从左到右第七个天线单元和第八天线单元之间耦合量，s55表示的是非周期性结构时的频率响应，s66表示的是周期性结构时的频率响应。
40.如图5所示，图5为本技术一种实施例中的双极化天线阵的方向图，其中，x表示双极化天线阵方向图的角度，y表示双极化天线阵的增益。
41.在一种实施方式中，双极化天线阵1的带宽范围为24.25ghz-70.00ghz。图具体地，如图6所示，图6为本技术一种实施例中的双极化天线阵的带宽在28.00ghz、39.00ghz和60.00ghz的方向图。从图6中，可以明显可以看到该双极化天线阵1的辐射性能足以覆盖宽频。
42.考虑到一个双极化天线阵1中可以但不仅限于包括4个、6个、8个、12个或14个天线单元20，且不同数量的天线单元20在基体10上呈行列排布的方式也可以有很多，例如，当天线单元20的数量为8个时，该8个天线单元20在基体10上可以呈2行*4列的方式排布，也可以呈4行*2列的方式排布。如图5-图9所示，为了方便描述，以下以一个双极化天线阵1包括8个天线单元20，且该8个天线单元20在基体10上呈1行*8列的方式排布为例进行举例说明。
43.如图7-10所示，基体10包括层叠设置的接地层12和多个介质层11，接地层12具有间隔设置的第一馈点131和第二馈点132。其中，接地层12为天线的参考地。第一馈点131用于与第一馈源连接，第二馈点132用于与第二馈源连接。具体的，第一馈源和第二馈源可以设置在电子设备的主板上，通过第一馈源和第二馈源分别馈电的方式来保证电子设备工作于多输入多输出(multi-input-multi-output，mimo)模式。多输入多输出(multi-input-multi-output，mimo)技术是指：在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线进行空间分集的技术。在不增加带宽的情况下，成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。其可以定义为发送端和接收端之间存在多个独立信道。
44.如图7-10所示，每个天线单元20均包括辐射体21、第一耦合体221、第二耦合体
222、第一导电体231和第二导电体232。
45.辐射体21作为天线单元20中将电磁波信号发射至空中或者接收空中的电磁波信号的端口。辐射体21的材质为具有良好导电性的材质，例如，辐射体21的材质包括但不仅限于金属、透明导电氧化物(如氧化铟锡ito)、碳纳米管、石墨烯等。在本技术实施例中，辐射体21的材质为金属材质，例如银、铜等。
46.每个天线单元20中，辐射体21的数量至少为四个，所有辐射体21设置在基体10最外层的介质层11上(即基体10中最远离接地层12的一个介质层11)且在基体10上呈环形阵列排布。
47.辐射体21的形式包括但不仅限于方形金属贴片、矩形金属贴片或圆形金属贴片中的一种。
48.第一耦合体221用于与其一辐射体21耦合，以将该辐射体21所接收到的来自空中的电磁波信号传递给第一耦合体221，或者依次通过第一耦合体221和该辐射体21向空中传递电磁波信号。同理，第二耦合体222用于与另一辐射体21耦合，以将该辐射体21所接收到的空中的电磁波信号传递给第二耦合体222，或者依次通过第二耦合体222和该辐射体21向空中传递电磁波信号。第一耦合体221和第二耦合体222的材质为具有良好导电性的材质，例如，第一耦合体221和第二耦合体222的材质包括但不仅限于金属。
49.第一耦合体221和第二耦合体222设置在基体10内侧同一层或者不同层的介质层11上，其中，基体10内侧的介质层11为介于基体10最外层的介质层11与接地层12之间的所有介质层11。第一耦合体221和第二耦合体222可设置在仅次于基体10最外层的介质层11的同一介质层11上，第一耦合体221和第二耦合体222还可以分别设置在仅次于基体10最外层的介质层11的相邻两个介质层11上。
50.第一耦合体221和第二耦合体222同相邻的两个辐射体21一一对应设置。
51.第一耦合体221和第二耦合体222中的至少一者的形式包括但不仅限于扇形金属贴片、方形金属贴片、圆形金属贴片或椭圆形金属贴片中的一种。
52.一天线单元20的第一耦合体221和第二耦合体222，与相邻天线单元20的第一耦合体221和第二耦合体222呈中心对称设置。也就是说，相邻天线单元20之间的第一馈点131和第二馈点132位置呈现180度反向方式交错分布，如此，可以抑制交叉极化电平，提升该双极化天线阵1的极化纯量。
53.第一导电体231用于实现第一馈点131与第一耦合体221之间的电性连接，第二导电体232用于实现第二馈点132和第二耦合体222之间的电性连接。
54.第一导电体231和第二导电体232设置于基体10内侧的介质层11中，也就是说，第一导电体231和第二导电体232贯穿基体10内侧的介质层11。
55.第一导电体231的两端分别与第一耦合体221和第一馈点131连接，第二导电体232的两端分别与第二耦合体222和第二馈点132连接。
56.第一导电体231和第二导电体232中的至少一者的形式包括但不仅限于圆形金属导电柱、方形金属导电柱、椭圆形金属导电柱中的一种。需要注意的是，该“圆形、方形和椭圆形”为过垂直于第一导电体231(或第二导电体232)的轴向上的截面形状。需要注意的是，一个天线单元20中可以不止包括第一导电体231和第二导电体232，还可以包括环绕第一馈点131及第二馈点132的其他导电体。
57.当然，每个天线单元20还可以包括第一连接体241和第二连接体242，第一连接体241和第二连接体242设置于基体10内侧的同一层或者不同层的介质层11上，第一导电体231经由第一连接体241与第一耦合体221连接，第二导电体232经由第二连接体242与第二耦合体222连接。其中，第一连接体241和第二连接体242中的至少一者的形式包括但不仅限于圆弧形金属贴片、直线形金属贴片或曲线形技术贴片中的一种。该设计中，通过设计第一连接体241，便于实现第一导电体231与第一耦合体221之间的电连接，通过设计第二连接体242，便于实现第二导电体232与第二耦合体222之间的电连接。
58.可以理解的是，当天线单元20处于发射状态时，第一馈源可以向第一馈点131馈入第一激励电流，第一激励电流依次经由第一导电体231和第一连接体241传递给第一耦合体221，第一耦合体221通过耦合的方式向其对应的辐射体21提供馈电，该辐射体21向空中辐射电磁波信号；当天线单元20处于发射状态时，第二馈源可以向第二馈点132馈入第二激励电流，第二激励电流依次经由第二导电体232和第二连接体242传递给第二耦合体222，第二耦合体222通过耦合的方式向其对应的辐射体21提供馈电，该辐射体21向空中辐射电磁波信号。具体的，第一激励电流的频率与第二激励电流的频率可以相同；第一激励电流的相位与第二激励电流的相位可以相同或者不相同。
59.具体地，如图1和图9所示，每个天线单元20包括四个辐射体21、第一耦合体221、第二耦合体222、第一导电体231、第二导电体232、第一连接体241和第二连接体242。四个辐射体21为方形金属贴片，每个辐射体21的长度约为高频频点所对应的波长的四分之一。第一耦合体221和第二耦合体222为扇形金属贴片。第一导电体231和第二导电体232为圆形金属导电柱。第一连接体241和第二连接体242为圆弧形金属贴片。四个辐射体21在基体10最外层的介质层11上呈2*2排布，第一耦合体221和第二耦合体222分别与同一行的两个辐射体21一一对应设置，第一馈点131和第二馈点132位于第二耦合体222的下方，第一导电体231的一端与第一馈点131连接，第一导电体231的另一端经由第一连接体241与第一耦合体221连接，第二导电体232的一端与第二馈点132连接，第二导电体232的另一端经由第二连接体242与第二耦合体222连接。该天线单元20实现正负45
°
极化，其第一激励电流的方向和第二激励电流的方向为对角线45
°
方向，使两极化间的相邻边界电流方向相反以实现相互抵消。当然，每个天线单元20还包括环绕第一馈点131及第二馈点132设置的其他导电体，第一馈点131和第二馈点132的周围通过其他导电体环绕形成一半封闭区间，在满足阻抗匹配的同时还能够降低讯号干扰以提升隔离度。
60.如图11-图12所示，图11为本技术另一种实施例中的天线单元实现正负90
°
极化的结构示意图，与上述天线单元20实现正负45
°
极化所不同的是，天线单元20的四个辐射体21为图中的五边形金属贴片。
61.本技术的第二方面提出了一种电子设备，能够实现超宽的工作频段和小型化设计。
62.电子设备可以但不仅限于包括电话、电视、手机、平板电脑、照相机、个人计算机、笔记本电脑、车载设备、耳机、手表、穿戴设备、基站、车载雷达等能够收发电磁波信号的设备。该电子设备可用于收发预设频段的电磁波信号，该预设频段包括2g(第二代移动通信技术)、3g(第三代移动通信技术)、4g(第四代移动通信技术)、5g(第五代移动通信技术)等频段中的至少一者，当然，该预设频段还可以包括调频(frequency modulation，fm)、蓝牙、
wi-fi、gps等应用的频段。
63.电子设备包括上述双极化天线阵1，双极化天线阵1用于收发射频信号，以实现电子设备的通讯功能。双极化天线阵1的至少部分器件设于电子设备的主板上。可以理解的是，当电子设备为手机时，电子设备还包括显示屏、电池、摄像头、麦克风、受话器、扬声器、人脸识别模组、指纹识别模组等多种能够实现手机的基本功能的器件，这里将不做赘述。
64.电子设备还包括馈电结构40，馈电结构40包括馈电板和用于产生激励信号的射频芯片50，馈电板的内部埋设有馈线，射频芯片50用于产生双极化天线阵1的信号源、对接收或发射的信号进行处理。
65.射频芯片50经由馈电板的馈线与双极化天线阵1电连接，以将激励信号经由馈线传输至天线单元20。具体地，射频芯片50的射频端口与馈电板靠近射频芯片50一侧的馈电端口之间通过焊锡直接焊接，馈电板靠近双极化天线阵1一侧的馈电端口与双极化天线阵1的馈电端口之间通过焊锡直接焊接。
66.当然，在其他实施例中，射频芯片50与双极化天线阵1也可以分开设置，例如，射频芯片50设于电子设备的主板上，双极化天线设于电子设备的外壳，射频芯片50的射频端口与双极化天线阵1的馈电端口之间可以通过导电弹片进行弹性抵接或者通过导电卡扣扣接等。如此设计，能够让双极化天线阵1与电子设备的其他结构相结合，提高双极化天线阵1在电子设备的外壳上的安装灵活性以及起到节省安装空间的目的。
67.本技术的第三方面提出了一种毫米波天线系统，能够实现超宽的工作频段。
68.毫米波天线系统包括毫米波收发机、传输线和电子设备。
69.毫米波收发机用于收发毫米波频段的电磁波信号。
70.传输线用于实现毫米波收发机与电子设备之间的电性连接，毫米波收发机通过传输线与电子设备的双极化天线阵1电连接。其中，传输线可以但不仅限于包括微带线、带线、共面波导、金属波导或者合成波导中的一种或者多种。如此设计，传输线可通过耦合线、并联或者串联截线等方式来实现低通、高通、带通或者带拒等滤波功能，以进一步提高高频与低频之间的隔离度。
71.本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本技术的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
72.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。