毫米波天线装置和包括这种装置的模块的制作方法

本发明涉及一种包括天线阵列和人工介电结构的毫米波天线装置。

背景技术：

1、电子设备需要支持越来越多的蜂窝无线电技术，如2g/3g/4g无线电以及非蜂窝无线电技术。在即将到来的5g新空口技术中，使用的频率范围将从6ghz以下频率扩展到毫米波(millimeter-wave，mmwave)频率，即20ghz以上。对于毫米波频率，天线阵列将用于形成具有较高增益的辐射波束，以克服传播介质中较高的路径损耗。然而，增益较高的辐射波束图案导致波束宽度较窄，因此，使用了相控天线阵列等波束控制技术，以按需将波束引导到特定方向。

2、智能手机和平板电脑等移动电子设备能够以任意方向使用。因此，这种装置需要表现出尽可能接近全球面波束覆盖，导致必须实现双极化，以便在所有方向和方位上实现稳定的通信。

3、通常，毫米波天线在模块中实现，所述模块又固定到装置的主印刷电路板(printed circuit board，pcb)上。所述pcb可以包括天线阵列，其中主辐射波束方向是宽边方向，即垂直于装置的显示器。所述pcb还可以配置成使得主辐射束方向是端射方向，即平行于装置的显示器。

4、由于为了实现能够满足需求的良好多表面球形波束覆盖，就必须加入若干模块，同时需包括宽边和端射天线方向性，因此导致可用空间有限，使得将这些模块集成到移动装置中具有挑战性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种改进的毫米波天线装置。上述和其它目的通过独立权利要求的特征实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。

2、根据第一方面，提供了一种毫米波天线装置，包括至少一个第一天线阵列，所述第一天线阵列包括多个天线振子和叠加在所述第一天线阵列上的人工介电结构。人工介电结构包括多个由介电层分隔的导体层，所述每个导体层包括多个周期性重复的导体图案，每个导体层的一个导体图案与天线振子之一相关联，与一个天线振子相关联的导体图案至少部分不相同。

3、这种配置提供了一种实现多表面波束覆盖的方法，同时保持紧凑的占地面积。所述使用人工介电结构而不是天然介电材料的天线装置可靠稳定，并且由于天线阵列的表面形状而具有性能良好的特点，因此在组装时不需要考虑天线阵列与介电结构之间的物理接口。例如，不需要装配虚拟天线贴片以实现平坦天线阵列表面的步骤。此外，导体图案可以设计成使得人工介电结构获得高介电常数，同时仍然保持相对较低的高度。有了高人工介电常数，天线阵列的尺寸就可以变小，同时改进阵列的方向性。此外，这有助于实现各向异性人工介电结构，例如，对于不同的极化和/或不同的区域可以具有不同的人工介电常数。

4、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述天线振子为贴片天线。

5、在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一天线阵列和所述人工介电结构在平行平面上延伸，一个天线振子和至少一个导体层的一个导体图案在垂直于所述平面的方向上形成天线列。

6、在第一方面的另一种可能的实现方式中，一个导体层内的导体图案相同。

7、在第一方面的另一种可能的实现方式中，每个导体图案包括多个导体贴片，并且所述导体图案布置成使得一个导体层的一个导体图案与一个天线振子和至少一个另外的导体层的一个对应的导体图案叠加。

8、在第一方面的另一种可能的实现方式中，每个导体图案与相邻导体图案通过比导体图案内相邻导体贴片之间对应的介电间隙宽的介电间隙而与相邻导体图案分隔。这样使得每个天线振子耦合到具有高人工介电常数的区域，同时将天线振子彼此分隔。

9、在第一方面的另一种可能的实现方式中，每个导体图案的导体贴片由介电间隙分隔，从而将导体图案彼此分隔。

10、在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述导体贴片包含铜。

11、在第一方面的另一种可能的实现方式中，一个导体图案的导体贴片是在尺寸和/或形状上相同和不相同的导体贴片，有助于在整个人工介电结构中实现各向同性和各向异性。

12、在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述导体图案包括至少四个导体贴片。

13、在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述导体贴片为矩形，并以m×n矩阵图案排列。

14、在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述人工介电结构具有人工介电常数，并且每个介电层具有自然介电常数，所述人工介电常数至少部分取决于所述一个或多个自然介电常数。因为消除了天线阵列和介电结构之间的接口问题，所以这有助于实现比传统介电材料更可靠的介电结构。

15、在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述人工介电常数还取决于导体层的数量、相邻导体层之间的距离、导体贴片的尺寸以及一个导体图案内的导体贴片之间的间隙的尺寸，这使得所述人工介电常数会响应于各种特性而调谐。

16、在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述人工介电常数的值大于所述自然介电常数的值，从而实现了改进的绝缘性能。

17、在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述人工介电常数具有10到30之间的值，即属于相对较高的介电常数。

18、在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述人工介电结构与所述第一天线阵列集成，或者所述人工介电结构是连接到所述第一天线阵列上的独立结构。

19、在第一方面的另一种可能的实现方式中，每个导体图案耦合到至少一个开关，所述开关用于调整导体图案的尺寸和/或形状，而导体图案的变化又可以改变人工介电常数。

20、在第一方面的另一种可能的实现方式中，导体图案的大小和/或形状受控于开关的开启和关闭，从而提供了一种简单可靠的调谐人工介电常数的方法。

21、根据第二方面，提供了一种毫米波天线模块，所述模块包括根据上述实现方式的毫米波天线装置和用于至少容纳天线装置的基板。天线装置的第一天线阵列布置在基板的一部分和天线装置的人工介电结构之间。这种配置提供了多表面波束覆盖，同时保持紧凑的占地面积。所述模块可以灵活设计，以支持单面或多面波束覆盖。

22、在第二方面的一种可能的实现方式中，所述基板包括第一基板区段和第二基板区段，所述第一基板区段和所述第二基板区段可选地通过第三基板区段互连，所述第二基板区段以一定角度向所述第一基板区段延伸，所述第一天线阵列布置在所述第一基板区段上。所述第三基板区段可以制成比所述第一基板区段和所述第二基板区段薄，使得它容易弯曲，并且也在包括天线模块的装置内占用尽可能小的空间。

23、在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述第一天线阵列与所述第一基板区段和/或所述第三基板区段集成，或者，所述第一天线阵列为连接到所述第一基板区段和/或所述第三基板区段上的独立结构，从而提高了装配公差和/或装配过程的灵活性。

24、在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述毫米波天线模块还包括至少一个第二天线阵列，所述第二天线阵列布置在所述第二基板区段上。这样使得天线模块包括端射天线振子和宽边天线振子，从而改善了天线模块的多表面波束覆盖。

25、在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述毫米波天线模块还包括射频集成电路，所述射频集成电路可选地布置在所述第二基板区段上。

26、在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述第二天线阵列布置在所述第二基板区段的第一侧上，所述射频集成电路布置在所述第二基板区段的第二侧上，这有助于实现尽可能小的模块占地面积。

27、在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述第一基板区段和/或所述第三基板区段包括用于在所述第一天线阵列和所述射频集成电路之间传输至少一个信号的传输线。

28、在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述基板是印制电路板。

29、根据第三方面，提供了一种装置，所述装置包括根据上述实现方式的毫米波天线模块、底盘和至少部分包围天线模块和底盘的外壳。这可以实现具有良好的多表面光束覆盖和紧凑的占地面积的装置。

30、在第三方面的一种可能的实现方式中，所述外壳至少包括主表面和沿着所述主表面的外围并与所述主表面成一定角度延伸的外围表面，所述天线模块的第一基板区段向邻近的所述外围表面延伸，所述天线模块的人工介电结构位于所述天线模块的第一天线阵列与所述外围表面之间，这种配置充分利用了装置内的现有空间。

31、在第三方面的另一种可能的实现方式中，所述天线模块的第二基板区段至少部分平行于主表面延伸，所述天线模块的第二天线阵列面向主表面，所述天线模块的射频集成电路面向外壳内部。这使得天线模块的性能得以提高，同时可以保护相关组件。

32、在第三方面的另一种可能的实现方式中，与天线模块的一个天线振子相关联的每个单独导体图案的尺寸和/或形状的配置取决于装置的相邻结构组件(可选地是外壳和/或底盘)，这使得可以考虑用于形成天线模块的紧邻环境的结构的特性。

33、在第三方面的另一种可能的实现方式中，紧邻所述装置的介电结构组件(可选地是后盖)布置的导体图案的导体贴片具有第一表面区域尺寸和/或形状。

34、紧邻所述装置的导电结构组件(可选地是底盘)布置的导体图案的导体贴片具有第二表面区域尺寸和/或形状。

35、本发明的这些和其它方面在下面描述的实施例中是显而易见的。