用于无线电通信终端的天线的制作方法

1.本公开涉及被配置用于无线通信的无线终端的天线领域，并且具体地涉及用于在至少两个频率范围内使用的天线装置。


背景技术：

2.电子设备通常包括无线通信电路，并且这样的电子设备可以被称为无线终端。例如，蜂窝电话、计算机和其它设备通常包含用于支持无线通信的天线和无线收发器。
3.已经开发和使用了用于不同目的的大量无线通信系统。多年来，形成用于无线通信的标准要求的各种规范已经通过第三代合作伙伴计划(3gpp)进行管理。已经提供了用于建立通用规则的不断发展的多代规范以及无线网络的各种操作级别，该通用规则建立用于建立和操作无线终端和基站之间的无线电接口。在3gpp文档中，无线终端或无线通信设备通常被称为用户设备(ue)。基站定义了小区，并且可操作为通过向小区内的ue提供无线电接入，为周围区域提供针对ue的无线电接入。基站在本文中也被称为节点或接入节点，并且在3gpp中针对不同类型的系统或规范使用了各种术语。接入网络或无线电接入网络(ran)通常包括多个接入节点，并且连接到核心网络(cn)，该核心网络尤其提供对其它通信网络的接入。在所谓的3g规范中，术语nodeb用于表示接入节点，而在所谓的4g规范(也称为长期演进(lte))中，使用术语enodeb(enb)。进一步开发的一组无线电通信规范被称为5g类型无线电通信系统(5gs)，包括新无线电(nr)技术，其中，术语gnb被用于表示接入节点。
4.无线通信技术和要求的逐步发展包括在更高频带中的操作。例如，可能期望支持毫米波通信频带中的无线通信。毫米波通信(有时称为极高频率通信)涉及频率约为10-400ghz的通信。在这些频率下的运行可能支持高带宽和受控定向通信，诸如波束控制，但也可能带来重大挑战。例如，毫米波通信通常是视距通信，其特征是信号传播期间的显著衰减。在3gpp中，毫米波通信是在上述5g nr下定义的。这可能包括不同频率(包括24ghz以上的毫米波频谱)的通信能力。
5.为了在被配置为无线终端的电子设备中实现，可能需要新的天线解决方案来适应毫米波段的更高频率范围内的操作。同时，最好仍应支持在较低频带下的操作，以支持传统通信。


技术实现要素：

6.鉴于提供在无线终端中使用以提供不同频率范围内的通信能力的天线解决方案的总体目标，提供了如独立权利要求中概述的天线、天线装置和无线终端。这些天线解决方案尤其包括
7.一种天线，所述天线用于无线终端中，所述无线终端包括接地平面和围绕接地平面的金属框架，金属框架和接地平面之间具有间隙；
8.其中，所述天线被配置为在所述接地平面和所述金属框架之间形成用于第一频率范围的接地连接；以及
9.其中，所述天线包括用于第二频率范围的开口腔结构。
10.从属权利要求中概述了各种实施方式。
附图说明
11.将参照附图描述各种实施方式，其中
12.图1示意性地示出了天线装置的实施方式，该天线装置包括接地平面和包围接地平面的金属框架，金属框架和接地平面之间具有间隙，该天线装置包括用于第一频率范围的天线和用于第二频率范围的天线；
13.图2a示意性地示出了根据一个实施方式的包括用于第二频率范围的开口腔结构的天线的透视图；
14.图2b示出了根据一个实施方式的开口腔结构的剖视图；
15.图3a示出了根据一个实施方式的从第一侧看的开口腔结构的正视图；
16.图3b示出了根据一个实施方式的从相反的第二侧看的开口腔结构的正视图；
17.图4示意性地示出了在第二波长范围内通过所提出的天线的实施方式获得的带宽；
18.图5示意性地示出了没有金属框架的天线的天线孔径。
19.图6示意性地示出了通过将开口腔结构连接到金属框架而实现的扩大天线孔径；
20.图7示意性地示出了在模拟时由天线的实施方式在第二波长范围内获得的表面电流；
21.图8示意性地示出了天线的一个实施方式，其中，开口腔结构被形成为基板集成开口腔；
22.图9a示意性地示出了天线的一个实施方式，其中，每一个天线的各种开口腔结构与金属框架是一体的。
23.图9b在从第一侧看的透视图中示意性地示出了与金属框架是一体的一个开口腔结构；
24.图9c在从第二侧看的透视图中示意性地示出了与金属框架是一体的一个开口腔结构；
25.图10示意性地示出了根据实施方式的天线装置，该天线装置包括布置在不同位置的四个天线，其可以在用于第二波长范围的波束切换天线系统中使用；
26.图11示意性地示出了在图10的天线装置的模拟时的模拟功率能力；
27.图12a示意性地示出了根据各种实施方式的无线终端，该无线终端包括用于第二波长范围的天线；以及
28.图12b示意性地示出了根据各种实施方式的无线终端的功能元件，该功能元件包括用于第二波长范围的天线。
29.图12c示意性地示出了根据各种实施方式的用于无线终端的天线，该天线被布置为相控阵列以用于第二波长范围内；
30.图13a示意性地示出了根据一个实施方式的安装在开口腔结构处的透镜的结合；
31.图13b示意性地示出了根据一个实施方式的安装在开口腔结构上方的显示模块处的透镜的结合；以及
32.图14示意性地示出了根据一个实施方式的包括弯曲金属框架的天线装置，该天线装置有助于开口腔结构的波束控制。
具体实施方式
33.下文将参照附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的实施方式。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式是为了使本公开彻底和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。
34.应当理解，当一个元件被称为“连接”到另一个元件时，它可以直接连接到另一个元件或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”到另一个元件时，不存在中间元件。相同的数字始终指代相同的元件。还应理解，尽管此处可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，并且类似地，可以将第二元件称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目中的任一个和所有组合。
35.为了简洁和/或清楚起见，可能不会详细描述众所周知的功能或结构。除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。将进一步理解，诸如在常用字典中定义的术语应被解释为具有与其在本说明书和相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且不会被解释为如在此明确定义的理想化或过度形式意义。
36.在此参考本发明的理想化实施方式的示意图来描述本发明的实施方式。因此，可以预期由于例如制造技术和/或公差而导致的图示的形状和相对尺寸的变化。因此，本发明的实施方式不应被解释为限于本文所示区域的特定形状和相对尺寸，而是包括例如由不同的操作约束和/或制造约束导致的形状和/或相对尺寸的偏差。因此，图中所示的元件本质上是示意性的，并且它们的形状不旨在说明设备的区域的实际形状并且不旨在限制本发明的范围。
37.本文提出了与边缘安装天线技术的改进相关的各种解决方案，支持至少两个频率范围(fr)。这种实施方式的共同点是第一频率范围fr1具有相关的频率上限，而更高的第二频率范围fr2具有相关的频率下限，该频率下限高于fr1的上限。实施方式主要被呈现用于3gpp频率范围fr1和fr2的金属框架天线装置，其中例如对于5g无线终端，fr1例如具有为7.125ghz的相关频率上限，并且fr2(毫米波)具有为24ghz的相关频率下限。然而，另选频率范围在所描述的实施方式的概念内是合理的。
38.图1示意性地示出了根据一般实施方式的天线装置10。将用于在较低频率范围fr1下的蜂窝通信的天线14集成在无线终端的金属框架12上同样是一种常见的解决方案。对于这种天线设计，可能需要在至少一个位置(通常是几个位置)将金属框架12与端子的主基板110(诸如，pcb)的接地平面11接地/短路。在图中，示出了两个接地连接15。接地连接的目的可以是调谐蜂窝天线14以用多频带校正频率，并消除来自金属框架12的其它部分的寄生效应。根据本文概述的解决方案，使用这些接地连接中的至少一个作为更高频率范围fr2中的天线。
39.图2a和图2b更详细地说明了这种天线1的实施方式是如何配置的。天线1被设计用于包括接地平面11和包围接地平面的金属框架12的无线终端。具体地，金属框架12与设置在基板110上的接地平面11具有缝隙或间隙13。天线1被配置为在接地平面11和金属框架12之间形成接地连接15，以用于在第一频率范围fr1内操作。此外，天线1包括用于第二频率范围fr2的开口腔结构100。也就是说，开口腔结构100适用于或被配置用于发射第二频率范围fr2内的射频(rf)能量。图2a还指示了用于fr2操作的天线1的馈送点108。
40.在各种实施方式中，开口腔结构100是在所述间隙13中至少部分末端开口的波导结构。换句话说，接地连接15被设计为开口腔结构或末端开口波导结构，其中，第一表面101(例如，顶面)是部分末端开口的。借此，开口表面部分104被设置于间隙13处，在金属框架12与接地平面11之间。开口空腔结构100的至少另一表面或部分与金属框架12直接连接，以确保天线1在fr1处作为接地连接。所述至少一个其它表面可以包括连接到第一表面101的边缘或侧表面107、和/或开口腔结构100的与第一表面101相反的第二表面102。
41.在一些实施方式中，所述开口腔结构100包括介电构件103、以及被配置为连接接地平面与金属框架的导电构件。也就是说，在这些实施方式中，导电构件形成接地平面与金属框架之间的接地连接15，以用于在第一频率范围fr1内操作。介电构件103例如可以包括陶瓷、塑料或其它介电材料。导电构件可以包括在所述介电构件上的表面涂层，诸如金属盖102、105、107或介电构件103的金属化表面102、105、107。在另选实施方式中，介电构件可以是空气(诸如作为空隙)，被成形并限制在金属表面部分102、105、107内。
42.提供接地连接15的导电构件可以被布置成部分地覆盖介电构件103，从而在开口腔结构100的第一表面101中在所述间隙13处呈现介电构件的开口表面部分104。
43.可以注意到，图2b示出了导电构件包括在开口腔结构100的第二下表面102处的部分106，其连接到金属框架12以形成用于fr1操作的接地位置15。然而，在另选实施方式中，第二表面102也是部分或完全开放的，其中，导电构件被提供为导电边缘表面107。
44.图3a示意性地示出了朝向第一表面101(即，图2a和图2b中的上表面)看到的天线1。虚线表面是导电的，包括接地平面11和导电构件的表面部分105。然而，开口表面部分104被布置在间隙13处，至少部分地在金属框架12的内周和接地平面11的外边缘之间。值得注意的是，接地平面11可以通过基板110上的内层和/或外层形成，各种进一步组件可以被安装到该基板110上(未示出)。
45.另一方面，图3b示出了朝向开口腔结构100的相反的第二表面102的视图。这里示出了根据图2b的实施方式，其中，导电构件包括第二表面构件106，覆盖间隙13中的第二表面102。
46.开口表面部分104的尺寸影响天线1被配置为在其操作的频率范围fr2的频率和带宽。如图3a所示，接地元件15(由被配置为跨间隙13连接到金属框架12的导电构件形成)在与接地平面11平行的平面中具有宽度w。在一些实施方式中，宽度w是预期fr2的中心频率的波长的一半λ/2，其中，波长λ是考虑到所包围材料的介电常数的有效波长。换言之，宽度大约为中心频率的λ/2半波长。对于在28ghz的fr2操作的示例，w可能约为5mm，或取决于来自其它组件的影响，在4-6mm的范围内。关于开口部分104的深度l，深度越大，所提出的天线可以被配置为实现的宽度越大。在深度l为2mm的一个实施方式中，在fr2处可实现的带宽约为4ghz。在各种实施方式中，天线1可以被配置为具有1.5mm至2.5mm范围内的深度。
47.图4示意性地示出了使用根据参考图2至图3讨论的实施方式的实施方式的模拟带宽测量的图表。所提出的天线1的开口腔结构100可以实现非常大的带宽，诸如具有-6db阻抗匹配的10ghz和具有-10db阻抗匹配的4ghz。本实施方式中的天线增益约为10dbi。
48.图5示意性地示出了用于所描述的开口腔结构100的天线孔径50，没有到金属框架的连接。另一方面，图6示意性地示出了当在接地位置15处连接到金属框架12时用于所描述的开口腔结构100的天线孔径60。效果是通过引入金属框架12来扩大天线孔径。
49.因此，所提出的天线装置实现了高增益，因为所提出的结构将能量馈送到金属框架上，这将天线孔径扩大为更大的辐射器。图7示意性地示出了在天线装置10上在28ghz处的表面电流的模拟，包括天线1、接地平面11和金属框架12。所实现的峰值增益足以满足移动手持设备的3gpp球形覆盖范围要求，输入功率约为12.5dbm。
50.图8示意性地示出了天线1的实施方式，其中，开口腔结构100是基板集成开口腔(siw)。siw是介电构件103的一个或多个表面的金属化的替代方案，并且提供易于制造的益处。
51.如图2、图3和图8的实施方式所示，开口腔结构100可以附接到接地平面11，即，附接到结合有接地平面11的基板110。开口腔结构100可以通过焊接、胶合或其它手段被接合到接地平面11或基板110。此外，开口腔结构从接地平面11侧向伸出，即，伸出到基板110的侧边缘之外，使得在开口腔结构被连接到金属框架12时，开口部分104位于间隙13中。在本实施方式的一个变型例(未示出)中，介电构件103与接地平面11的基板110是一体的，从基板110的侧边缘之外形成突起。
52.图9a至图9c示意性地示出了另选实施方式，其中，开口腔结构120与金属框架12是一体的。图9a示出了具有四个开口腔结构的布置，但是可以包括更少或更多的开口腔结构120。
53.图9b示出了适用于fr2的开口腔结构120如何包括导电构件121，该导电构件121与金属框架12是一体的并且被配置为连接到基板110的接地平面11，例如图2a中指示的，但是在图9b中被省略了。此外，开口腔结构120包括介电构件121，该介电构件121被附接或插入导电构件121。在所示实施方式中，介电构件优选地延伸到金属框架12的内周边，因此当包括接地平面11的基板110连接到金属框架12时，介电构件在间隙13中将被布置到接地平面11，例如在图2a中所示的。可以通过焊接、胶合或例如借助于设置在孔口123中的螺钉来实现附接，使得连接件124被放置成与开口腔结构120的馈送位置接触。
54.图10示意性地示出了天线装置10，其中，四个天线1a-1d被布置在不同部分。这类似于图9a的实施方式，但是在此，各个天线1a-1d的开口腔结构100、120位于接地平面11的不同拐角。通常，蜂窝天线14需要多个接地连接以用于fr1。因此，在一些实施方式中，多个接地位置15在金属框架12上的多个位置处与所提出的开口腔结构100、120集成在一起，以形成用于fr2的天线1a-1d。
55.在一些实施方式中，每个天线1a-1d可以选择性地用于在结合了天线装置10的无线终端中实现用于fr2的波束切换天线系统。这种波束切换天线系统的好处是它可以实现大的球面覆盖范围，这是3gpp要求中针对天线系统的一个基本方面。图11示出了表示如图10中的天线装置10的模拟覆盖范围的图表，示出了有效各向同性辐射功率(eirp)的累积分布函数(cdf)。测试表明，所提出的波束开关阵列在天线端口处可以满足输入功率为12dbm
的3gpp要求，其中，12dbm输入功率可以通过作为前端技术的任何类型的主流功率放大器类型被实现，诸如cmos、gaas、gan等等。
56.通过在天线装置10中采用的所提出的天线1的各种实施方式，天线1被配置为在布置在金属框架内部的间隙13处方便地辐射或接收。这是有益的，因为即使显示模块或其它导电构件被放置在接地平面11上，它也提供获得覆盖范围的方便方式。
57.图12a示意性地示出了无线终端200，如朝向表示终端的正面的第一表面看到的。金属框架12形成终端200的周边，并且它还与用于fr2操作的一个或多个天线1a、1b一起形成天线装置10的一部分，如所描述的。这些天线1a、1b中的每个都包括开口腔和开口腔结构100a、100b，还形成用于fr1操作的天线的接地连接15。终端的正面保持显示器210，该显示器210被设置为至少部分地覆盖接地平面11(未示出)。天线1a、1b在间隙13中在显示器210的外面可以是末端开口的，从而从正面提供无线覆盖范围。
58.图12b示意性地示出了无线终端200。无线终端200可以被配置用于与接入网络通信，并且包括收发器204，诸如用于通过至少空中接口与接入网络通信的无线电接收器和发射器。终端1还包括逻辑单元201。逻辑单元201可以包括例如控制器或微处理器202。该逻辑单元还可以包括或连接到被配置为包括计算机可读存储介质的数据存储设备203。数据存储设备203可以包括存储器并且可以是例如缓冲器、闪存、硬盘驱动器、可移动介质、易失性存储器、非易失性存储器、随机存取存储器(ram)或其它合适设备中的一个或更多个。在典型的布置中，数据存储设备203包括用于长期数据存储的非易失性存储器和用作控制器202的系统存储器的易失性存储器。数据存储设备203可以通过数据总线与逻辑单元201的处理器202交换数据。数据存储设备203被认为是非暂时性计算机可读介质。逻辑单元201的一个或多个处理器可以执行存储在数据存储设备或单独存储器中的指令，以便执行无线终端200的操作，如本文所述。无线终端200还包括根据本文提出的实施方式的至少一个天线1，其被配置为在fr1中操作并且在接地平面11和金属框架12(未示出)之间形成用于fr1操作的接地连接器。无线终端200还可以包括显示器210作为用户界面的一部分。可以注意到，无线终端200显然可以包括除所识别的那些特征和功能之外的其它特征和功能，诸如例如电源，但是为了清楚起见，这些组件在图12b中没有示出。
59.图12c示意性地示出了形成图12a的变型例的实施方式的一部分，其中，放置根据本文提出的解决方案配置的用于fr2的多个天线1a、1b、1c、1d以形成相控阵列122。相控阵列天线122可以在逻辑单元201的控制下通过收发器204操作，以在无线终端200中在fr2频率范围内获得空间上不同的无线电发射和/或接收。
60.图13a和图13b示意性地示出了图12a和图12b的端子的实施方式的截面图。在这些图中，示出了开口腔结构100，其设置在接地平面11和金属框架12之间的间隙13处。此外，显示器210设置在接地平面11上方。显示器210是包括至少一个导电层的模块(其由虚线图案标记)，至少一个导电层可以作为辐射屏蔽层，严重降低无线通信能力。然而，通过在间隙13处应用fr2天线1(它形成用于fr1操作的接地连接)，显示器210和金属框架12之间的相应间隙被用于获得到和从终端200的正面的通信能力。
61.如图13a和图13b所示，各种实施方式可以包括透镜130，透镜被提供用于优化天线1在间隙13处的辐射图案。透镜130被布置在天线1上方并被配置为使第二频率范围fr2的无线电波聚焦或准直。这种布置可以例如被用于控制或将辐射图案集中在基本上垂直于接地
平面11和显示器210的方向上。透镜130例如可以借助于胶水被附接，胶水对于fr2的期望波长区域是透明的。
62.在一个实施方式中，如图13a所示，这种透镜可以设置在开口腔结构100上，在开口表面部分104上方。
63.在另选实施方式中，如图13b所示，透镜可以设置在显示模块210上，在开口表面部分104上方。
64.为了使辐射到和从天线1聚焦和准直，透镜可以采用任何合适的形状。这包括楔形、梯形和凸形。透镜130可以由对于fr2的期望波长区域高度透射并且具有合适折射率的材料制造。
65.图14示意性地示出了根据实施方式的包括弯曲金属框架12的天线装置，其有助于开口腔结构的波束控制。通过这样的设计，可以在图中向上减小来自开口腔结构100的旁瓣，同时增加面向前的瓣。在各种实施方式中，透镜130和弯曲金属框架12可以被组合以优化天线1的辐射图案。
66.因此，前述公开提出了通过将能量从开口腔波导类结构100馈送到金属框架12中以用于无线终端中来实现的各种天线设计。金属框架上的大孔径有助于实现在fr2(诸如毫米波频段)处的高增益，也有助于对光束整形。对于天线系统，它的孔径越大，它可以达到的增益就越高。金属框架12用作反射器，将能量朝向某个期望方向反射。所提出的开口腔结构100进一步充当fr1中的接地连接，这为多频带天线系统的集成提供了方便的解决方案。此外，开口腔结构100上的开口表面部分104占用非常小的空间，并且被布置在紧接在金属框架12内部的小间隙中。这样，所提出方案的天线可以被集成在全显示无线终端上。