CN109792104B - 天线装置、天线组装件和通信装置 - Google Patents

Abstract

天线装置、天线组装件和通信装置。一种天线装置(100)包括具有多个陶瓷基层的多层陶瓷基结构(110)。此外，天线装置(100)包括由至少一个陶瓷基层形成的突起(120)，所述至少一个陶瓷基层在多层陶瓷基结构(110)的边缘处延伸超过至少一个其它陶瓷基层。此外，天线装置(100)包括由突起(120)上的至少一个导电层形成的至少一个天线(140)。

Description

天线装置、天线组装件和通信装置

技术领域

本发明涉及天线装置以及配备有一个或更多个这样的天线装置的组装件和通信装置。

背景技术

在无线通信技术中，利用各种频带来发射通信信号。为了满足不断增加的带宽需求，还考虑了与约10GHz至约100GHz范围内的频率对应的毫米波长范围内的频带。例如，毫米波长范围内的频带被视为5G(第5代)蜂窝无线电技术的候选。然而，由于利用这样的高频而产生的问题在于，天线尺寸需要足够小以匹配波长。此外，为了实现足够的性能，在诸如移动电话、智能电话或类似通信装置的小型通信装置中可能需要多个天线(例如，天线阵列的形式)。

此外，由于线缆或通信装置内的其它有线连接上的损耗通常朝着更高频率增加，所以也可能可取的是具有天线可非常靠近无线电前端电路放置的天线设计。

因此，需要可有效地集成在通信装置中的紧凑尺寸天线。

发明内容

根据实施方式，提供一种装置。该装置包括具有多个陶瓷基层(ceramic-basedlayer)的多层陶瓷基结构。多层陶瓷基结构可以是例如低温共烧陶瓷(LTCC)结构。陶瓷基层可对应于由一种或更多种陶瓷材料形成的层或者由一种或更多种陶瓷材料与一种或更多种其它材料的组合(例如，陶瓷材料和玻璃材料的组合)形成的层。此外，该装置包括由至少一个陶瓷基层形成的突起，所述至少一个陶瓷基层在多层陶瓷基结构的边缘处延伸超过至少一个其它陶瓷基层。此外，该装置包括由突起上的至少一个导电层形成的至少一个天线。这样，可在多层陶瓷基结构的外缘处有效地形成天线。这允许将天线靠近设备的外边缘(例如，靠近通信装置的外边缘)定位。可按照有效的方式利用与突起相邻的开放空间，以用于获得天线的期望的传输特性。具体地，可避免与天线相邻的可具有大于3(例如，在3至20的范围内，通常在5至8的范围内)的高介电常数的陶瓷基材料例如由于使无线电信号衰减或失真而不利地影响天线的传输特性。

根据实施方式，所述至少一个天线由所述突起的一侧的第一导电层以及被所述多个陶瓷基层中的形成所述突起的至少一个陶瓷基层隔开的第二导电层形成。因此，可按照多层设计来有效地形成天线。例如，第一导电层可包括至少一个天线贴片，并且第二导电层可包括被配置为向所述至少一个天线贴片馈电的至少一个馈电贴片。所述至少一个馈电贴片可被配置为以导通的方式向至少一个天线贴片馈电。另选地或另外，所述至少一个馈电贴片可被配置为以电容的方式向至少一个天线贴片馈电。例如，第二导电层可包括以导通的方式耦合到第一导电层的第一天线贴片并且还以电容的方式耦合到第一导电层的第二天线贴片的馈电贴片。导电耦合可由导电过孔提供，该导电过孔穿过形成突起的至少一个陶瓷基层并将第一导电层和第二导电层连接。需要注意的是，在一些实施方式中，穿过形成突起的至少一个陶瓷基层并将第一导电层和第二导电层连接的导电过孔也可被提供用于以导通的方式向天线贴片馈电以外的其它目的，例如用于通过将多个导电层上的天线贴片组合来形成三维天线结构。

根据实施方式，所述至少一个天线包括偶极天线。另选地或另外，所述至少一个天线可包括切口天线。然而，要注意的是，也可使用其它类型的天线配置，例如IFA(“倒F天线”)配置、垂直边缘贴片天线配置和/或SIW(基板集成波导)天线配置。

根据实施方式，该装置还包括被容纳在多层陶瓷基结构的腔体内的无线电前端电路。无线电前端电路可例如包括一个或更多个电子芯片。腔体可被嵌入在多层陶瓷基结构内，或者可在多层陶瓷基结构的表面处开口。因此，该装置可形成为包括无线电前端电路和至少一个天线的封装。

根据实施方式，天线被配置为发射具有大于1mm且小于3cm的波长的无线电信号。

根据另一实施方式，提供了一种组装件。该组装件包括根据上述实施方式中的任一个所述的至少一个装置。此外，该组装件包括设置有所述至少一个装置的电路板，例如印刷电路板(PCB)。所述至少一个装置优选被设置为使得所述至少一个天线位于电路板的边缘处。在一些实施方式中，根据上述实施方式中的任一个所述的多个装置可优选沿着电路板的一个或更多个侧边缘设置在电路板上。另外，可在电路板上设置其它电子组件，例如用于生成或处理由作为设置在电路板上的装置的天线发送的信号的组件。

根据另一实施方式，以例如移动电话、智能电话或类似用户装置的形式提供了一种通信装置。该通信装置包括根据上述实施方式中的任一个所述的至少一个装置。此外，该通信装置包括至少一个处理器，其被配置为处理经由所述至少一个装置的所述至少一个天线发送的通信信号。插入通信装置，装置的天线可靠近通信装置的外边缘定位，这允许实现有利的传输特性。

根据实施方式，该通信装置可包括如上所述的组装件。也就是说，该通信装置可包括设置有所述至少一个装置的电路板。在这种情况下，所述至少一个装置优选被设置为所述至少一个天线位于电路板的边缘处，从而允许天线靠近通信装置的外边缘定位。另外，通信装置的所述至少一个处理器可设置在电路板上。

现在将参照附图更详细地描述本发明的上述和另外的实施方式。

附图说明

图1示出示意性地例示了根据本发明的实施方式的天线装置的透视图。

图2示出天线装置的示意性截面图。

图3示出例示了可用在天线装置中的的偶极天线配置的透视图。

图4和图5示出例示了根据本发明的实施方式的天线的传输特性的图。

图6示出例示了可用在天线装置中的切口天线配置的透视图。

图7A示意性地例示了根据本发明的实施方式的多个天线装置设置在电路板上的组装件。

图7B示意性地例示了根据本发明的实施方式的多个天线装置设置在电路板上的另一组装件。

图8示出示意性地例示了根据本发明的实施方式的通信装置的框图。

具体实施方式

在下文中，将更详细地描述本发明的示例性实施方式。必须理解，给出以下描述仅是为了例示本发明的原理，而非为限制性的。相反，本发明的范围仅由所附权利要求限定，并不旨在由以下所描述的示例性实施方式限制。

所示实施方式涉及用于发射无线电信号(具体地，cm/mm波长范围内的短波长无线电信号)的天线装置。所示天线装置可例如用在诸如移动电话、智能电话、平板计算机等的通信装置中。

在所示概念中，天线装置的一个或更多个天线设置在多层陶瓷基结构的突起上。在下面进一步详述的示例中，假设多层陶瓷基结构是LTCC结构。然而，将理解，也可利用其它类型的多层陶瓷基结构，例如基于高温共烧陶瓷(HTCC)或LTCC和HTCC的组合，或者基于陶瓷基层与玻璃和/或聚合物材料的组合。陶瓷基层可由一种或更多种陶瓷材料或者一种或更多种陶瓷材料与一种或更多种其它材料的组合(例如，陶瓷材料和玻璃材料的组合)形成。通常，陶瓷基层具有相对高的介电常数，例如大于3(例如，在5至8的范围内)的介电常数。

用于形成多层陶瓷基结构的具体技术和材料也可根据实现可取节电性质来选择以用于支持特定波长的无线电信号的传输，例如基于下面的关系

其中L表示天线的有效尺寸，λ表示要发送的无线电信号的波长，ε_r表示多层陶瓷基结构的基板材料的相对介电常数。

图1示出例示了基于所示概念的天线装置100的透视图。在所示示例中，天线装置100包括多层陶瓷基结构110(例如，LTCC结构)。多层陶瓷基结构110包括沿着垂直方向层叠的多个陶瓷基层。多层陶瓷基结构110设置有突起120，该突起120由多层陶瓷基结构110的陶瓷基层中的一个或更多个形成。这些层延伸超过多层陶瓷基结构110的一个或更多个其它陶瓷基层。

在所示示例中，多层陶瓷基结构110包括主体部分130，并且突起120延伸超过主体部分130的边缘(例如，超过2至5mm)。突起120由层叠在主体部分130上的顶部陶瓷基层或一组最顶部陶瓷基层形成。然而，需要注意的是，形成突起120的陶瓷基层也可设置在主体部分130的底部或者对应于设置在主体部分130的底部与主体部分130的上部之间的一个或更多个中间陶瓷基层。主体部分130可包括多个陶瓷基层，并且可在这多个陶瓷基层之间设置导电层(例如，金属层)，以例如用于连接到容纳在主体部分130内的电子电路。可在主体部分130的不同导电层之间形成导电过孔(例如，填充有诸如金属糊剂的导电材料的孔)。

多层陶瓷基结构110的陶瓷基层可单独地制备，例如通过在陶瓷基层的底侧和/或顶侧限定导电层的结构和/或穿过陶瓷基层以将陶瓷基层的顶侧的导电结构连接到陶瓷基层的底侧的导电结构的一个或更多个导电过孔。然后，陶瓷基层可彼此对齐并连接，以形成多层陶瓷基结构110和不同陶瓷基层上的导电结构之间的连接。这可涉及热处理(例如，通过一个或更多个共烧步骤)。可通过以较大的水平尺寸制备陶瓷基层中的一个或更多个，以使得它们延伸超过其它陶瓷基层来形成突起120。此外，突起120可通过在将陶瓷基层连接之后去除一些陶瓷基层的一部分(例如，通过诸如铣削、研磨或蚀刻的机械和/或化学处理)来形成。

如进一步所示，天线140设置在多层陶瓷基结构110的突起120上。天线140由形成突起的陶瓷基层上的导电结构形成。在图1中，最顶部陶瓷基层的顶侧的天线140的导电结构是可见的。然而，如下面将进一步说明的，天线140还可包括另外的导电结构(例如，在突起120的底侧上)。

图2示出天线装置100的示意性截面图。可看出，在所示示例中，天线140由突起120的底侧的第一导电层141和突起120的顶侧的第二导电层142形成。突起120的底侧的导电层141形成一个或更多个天线贴片。突起120的顶侧的导电层142形成用于向天线贴片馈电的馈电贴片。如进一步所示，突起120的顶侧的导电层142还提供天线140朝着主体部分130(具体地，容纳在主体部分130的腔体160中的无线电前端电路芯片150)的电连接。

天线贴片的馈电可为电容的。另外或作为替代，也可使用导电馈电。为此，可在第一导电层141和第二导电层142之间提供导电过孔143。如所示，导电过孔143穿过形成突起120的陶瓷基层。

图3示出例示了可用于天线140的天线配置的示例的透视图。图3聚焦于形成天线140的导电结构，并且为了更好的概览，省略了多层陶瓷基结构110的陶瓷基层的例示。多层陶瓷基结构110的主体部分130的边缘由虚线示意性地示出。

在图3的示例中，天线140被配置成具有形成在第一导电层141中的第一天线贴片141A和第二天线贴片141B的偶极天线。偶极天线的馈电由从形成在导电层141中的馈电贴片延伸到天线贴片141A的导电过孔143以导通的方式实现。第二天线贴片141B以电容的方式耦合到第一天线贴片141A和馈电贴片。因此，偶极天线的馈电部分也以电容的方式实现。

在图3的天线配置中，形成突起120的陶瓷基层的厚度可为0.2至0.5mm。该厚度还限定第一导电层141和第二导电层142之间的距离。限定天线140的有效尺寸的天线贴片141A、141B的长度L可为3mm。形成突起120的陶瓷基层的介电常数可为5至8。

图4和图5示出针对如图3所示的天线配置获得的示例性仿真结果。具体地，图4示出天线增益(dB)对频率的依赖性，而图5示出远场实现的增益的角依赖性。可看出，该天线配置允许实现以26GHz为中心的约1至2GHz的高可用带宽。此外，该天线配置允许实现全向传输特性。

图6示出例示了可用于天线140的天线配置的另一示例的透视图。图6聚焦于形成天线140的导电结构，并且为了更好的概览，省略了多层陶瓷基结构110的陶瓷基层的例示。多层陶瓷基结构110的主体部分130的边缘由虚线示意性地示出。

在图6的示例中，天线140被配置成具有与形成在第一导电层141中的天线贴片145类似的多个切口的切口天线。切口天线的馈电由形成在导电层141中的馈电贴片145以电容的方式实现。可看出，馈电贴片145在突起120的顶侧以U状形状延伸。

在图6的天线配置中，形成突起120的陶瓷基层的厚度可为0.2至0.5mm。该厚度还限定第一导电层141和第二导电层142之间的距离。与限定天线140的有效尺寸的天线贴片145类似的切口的长度L可为3mm。形成突起120的陶瓷基层的介电常数可为5至8。仿真已表明，图6的天线配置允许实现与图3的天线配置的情况类似的带宽和全向传输特性。

需要注意的是，在图1、图2、图3和图6的示例中，在导电层142中设置馈电贴片并且在导电层141中(例如，馈电贴片下面)设置天线贴片的所示设置方式仅是一个选择，也可使用其它设置方式。例如，可在导电层141中设置馈电贴片并且在导电层142中设置天线贴片。此外，可提供一个或更多个附加导电层(例如，用于提供电屏蔽的最顶部导电层)。

图7A示意性地例示了包括电路板710(例如，PCB)和设置在电路板710上的多个天线装置100的组装件。天线装置100可各自具有如结合图1至图6所说明的配置。如所示，沿着电路板710的外边缘设置天线装置100。具体地，天线装置100的突起120与电路板710的外边缘对齐。突起120可与电路板710的外边缘齐平，或者甚至可延伸超过电路板710的外边缘。这样，天线装置100的天线140可靠近使用组装件700的设备的外边缘(例如，壳体)放置。这允许实现与约10GHz至约100GHz的范围内的频率对应(具体地，毫米波长范围内)的有利传输特性。因此可避免靠近电路板设置的电路板710组件对发送的信号的失真或衰减。天线装置100的天线140可例如被配置为作为天线阵列或天线阵列的子阵列协作。需要注意的是，其它组件也可设置在电路板710上。这些组件可例如包括用于生成由天线装置100的天线140发送的所有处理信号的一个或更多个处理器。

在图7A的示例中，天线装置100各自被示出为在突起120上设置有一个天线。然而，也可在同一天线装置100的突起120上设置多个天线140。图7B中示出对应示例。在图7B的示例中，多个天线装置100设置在电路板720(例如，PCB)。各个天线装置100具有与电路板720的外边缘对齐的突起120。同样，突起120可与电路板720的外边缘齐平，或者甚至可延伸超过电路板720的外边缘。如所示，各个突起120提供多个天线140。同一天线装置100的多个天线140可例如被配置为作为天线阵列或天线阵列的子阵列协作。例如，图7B所示的所有天线140可作为天线阵列协作，并且同一天线装置100的天线140可作为该天线阵列的子阵列协作。另外，在图7B的示例中，其它组件也可设置在电路板720上。这些组件可例如包括用于生成由天线装置100的天线140发送的所有处理信号的一个或更多个处理器。

图8示出示意性地例示了配备有如上所述的一个或更多个天线装置(例如，天线装置100)的通信装置800的框图。通信装置800可对应于小尺寸用户装置，例如移动电话、智能电话、平板计算机等。然而，将理解，也可使用其它类型的通信装置，例如基于车辆的通信装置、无线调制解调器或自主传感器。

如所示，通信装置800包括一个或更多个天线装置810。这些天线装置810中的至少一些可对应于如上所述的天线装置，例如包括形成在多层陶瓷基结构的突起上的天线(例如，形成在突起120上的上述天线140)的天线装置。此外，通信装置800也可包括其它类型的天线或天线装置。使用如上所述的概念，天线可与无线电前端电路集成在一起。具体地，无线电前端电路的至少一部分可通过将其嵌入在多层陶瓷基结构中来与形成在突起上的天线140集成。此外，通信装置800包括一个或更多个通信处理器840。通信处理器840可生成或以其它方式处理用于经由天线装置810的天线传输的通信信号。为此，通信处理器840可根据一个或更多个通信协议(例如，根据5G蜂窝无线电技术)执行各种类型的信号处理和数据处理。通信装置800可包括如图7A或图7B所示的组装件。在这种情况下，至少一些天线装置810可位于电路板710或720上。此外，通信处理器840也可位于电路板710或720上。

将理解，如上所述的概念易于进行各种修改。例如，所述概念可结合各种类型的无线电技术和通信装置来应用，而不限于5G技术。所示天线可用于从通信装置发送无线电信号和/或在通信装置中接收无线电信号。此外，将理解，所示天线结构可基于各种类型的天线配置而不限于偶极天线或切口天线(例如，IFA配置、垂直边缘贴片天线配置和/或SIW天线配置)，并且经受关于天线几何形状的各种修改。此外，所示天线装置不限于配备有位于单个突起上的单个天线。相反，还可以想到在多层陶瓷基结构的突起上提供多个天线，例如在突起上提供天线阵列或天线阵列的子阵列，或者提供具有多个突起(例如，在不同的边缘处)的多层陶瓷基结构，各个突起承载一个或更多个天线。在后一种情况下，多层陶瓷基结构的不同突起上的多个天线可被配置为作为天线阵列或天线阵列的子阵列协作。

Claims (15)

1.一种天线装置(100)，该天线装置包括：

多层陶瓷基结构(110)，该多层陶瓷基结构包括多个陶瓷基层；

突起(120)，该突起由所述多个陶瓷基层中的如下至少一个陶瓷基层形成：所述至少一个陶瓷基层在所述多层陶瓷基结构(110)的边缘处延伸超过所述多个陶瓷基层中的至少一个其它陶瓷基层；以及

至少一个天线(140)，所述至少一个天线由所述突起(120)上的至少一个导电层(141、142；145、146)形成。

2.根据权利要求1所述的天线装置(100)，

其中，所述至少一个天线由所述突起(120)的一侧的第一导电层(141、145)以及被所述多个陶瓷基层中的形成所述突起(120)的至少一个陶瓷基层隔开的第二导电层(142、146)形成。

3.根据权利要求2所述的天线装置(100)，

其中，所述第一导电层(141、145)和所述第二导电层(142、146)由穿过形成所述突起的所述至少一个陶瓷基层的导电过孔(143)连接。

4.根据权利要求2或3所述的天线装置(100)，

其中，所述第一导电层(141、145)包括至少一个天线贴片，并且所述第二导电层(142、146)包括被配置成向所述至少一个天线贴片馈电的至少一个馈电贴片。

5.根据权利要求4所述的天线装置(100)，

其中，所述至少一个馈电贴片被配置为以导通的方式向所述天线贴片中的至少一个馈电。

6.根据权利要求4所述的天线装置(100)，

其中，所述至少一个馈电贴片被配置成以电容的方式向所述天线贴片中的至少一个馈电。

7.根据权利要求1所述的天线装置(100)，

其中，所述至少一个天线(140)包括偶极天线。

8.根据权利要求1所述的天线装置(100)，

其中，所述至少一个天线(140)包括切口天线。

9.根据权利要求1所述的天线装置(100)，该天线装置包括：

无线电前端电路(150)，该无线电前端电路(150)容纳在所述多层陶瓷基结构(110)的腔体(160)中。

10.根据权利要求1所述的天线装置(100)，

其中，所述天线(140)被配置成发射具有大于1 mm且小于3 cm的波长的无线电信号。

11.根据权利要求1所述的天线装置(100)，

其中，所述多层陶瓷基结构是低温共烧陶瓷基结构。

12. 一种天线组装件(700)，该天线组装件包括：

至少一个根据权利要求1至11中的任一项所述的天线装置(100)；以及

电路板(710、720)，至少一个所述天线装置(100)被设置在该电路板(710、720)上。

13.根据权利要求12所述的天线组装件(700)，

其中，至少一个所述天线装置(100)被设置为所述至少一个天线(140)位于所述电路板(710、720)的边缘处。

14.一种通信装置(800)，该通信装置包括：

至少一个根据权利要求1至11中的任一项所述的天线装置(100)；以及

至少一个处理器(840)，所述至少一个处理器被配置为处理经由至少一个所述天线装置(100)的所述至少一个天线(140)发射的通信信号。

15. 一种通信装置(800)，该通信装置包括：

根据权利要求12或13所述的天线组装件；以及

至少一个处理器(840)，所述至少一个处理器被配置为处理经由至少一个所述天线装置(100)的所述至少一个天线(140)发射的通信信号。

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