[发明专利]宽带堆叠贴片辐射元件及相关的相控阵列天线

说明书

堆叠贴片辐射元件包括电介质基底，在电介质基底的第一表面上的接地平面，在电介质基底的第二表面上的贴片辐射器，被配置为将贴片辐射器连接到传输线的馈送件，在贴片辐射器上与电介质基底相对的焊料层，和在焊料层上与贴片辐射器相对的寄生辐射元件。寄生辐射元件包括在焊料上的金属层，在第一金属层上与焊料相对的寄生辐射器电介质基底，和在寄生辐射器电介质基底上与第一金属层相对的寄生辐射器。

相关申请的交叉引用

本申请要求根据U.S.C.§119于2017年10月18日提交的美国临时专利申请序列号62/573,749的优先权，该申请的全部内容通过引用合并入本文，如同全文阐述一样。

技术领域

本发明涉及通信系统，更具体地，涉及包括贴片辐射元件的相控阵列天线。

背景技术

诸如蜂窝通信系统、WiFi网络、微波回程系统之类的无线射频(“RF”)通信系统在本领域是众所周知的。这些系统中的一些系统，诸如蜂窝通信系统在“许可”频谱内操作，其中频带的使用被谨慎管控，以致只有任意给定地理区域中的特定用户能在频带的选定部分中进行操作，以避免干扰。诸如WiFi的其他系统在对所有用户都可用的“非许可”频谱内操作，尽管通常存在对发射功率的限制以减小干扰。

蜂窝通信系统目前已广泛部署。在典型的蜂窝通信系统中，地理区域被划分成一系列称为“小区”的区域，每个小区由基站提供服务。基站可以包括基带设备、无线电装置和天线，其中天线被配置为向位于整个小区内的固定和移动订户提供双向RF通信。基站天线产生向外定向以服务整个小区或其一部分的辐射波束(“天线波束”)。典型地，基站天线包括通常被称为相控阵列天线的辐射元件的一个或多个相控阵列。

随着其中无线通信将取代之前通过铜或光纤通信线缆承载的通信的许多新应用被提出，对无线通信的需求一直在快速增长。除了诸如微波回程系统、各种军事应用之类的几个值得注意的例外以外，常规地，多数无线通信系统在低于6.0GHz的频率工作。随着容量需求不断增大，许多应用正在考虑使用更高的频率，包括许可频谱和非许可频谱两者中的频率。随着更高的频率被考虑，包括从大约25GHz到高达约300GHz的频率的毫米波频谱是潜在的候选者，因为在该频率范围内存在可能可供新应用利用的大量连续频带。也一直在考虑将蜂窝技术用于所谓的“固定无线接入”应用，诸如通过无线“投送(drop)”链路，将有线电视或其他光纤、同轴线缆或混合式同轴线缆-光纤宽带网络连接到各个订户处所。目前关注的是，利用第五代(“5G”)蜂窝通信技术可能为此类固定无线接入应用部署在28GHz到60GHz(或者甚至更高)的频率范围中工作的通信系统。

对于许多第五代(5G)蜂窝通信系统，正在考虑全二维波束操纵(beam-steering)。这些5G蜂窝通信系统是时分复用系统，其中可能在不同的时隙期间服务不同的用户或用户组。例如，每个10毫秒时段(或者某些其他小的时间段)可表示一“帧”，该帧被进一步划分成数十个或数百个单独的时隙。每个用户可被分配时隙之一，基站可被配置为在每个帧的不同用户各自的时隙期间与不同用户通信。借助全二维波束操纵，与覆盖整个扇区的恒定天线波束相反，基站天线可以逐个时隙地产生小的、高度聚集的天线波束。这些高度聚集的天线波束通常被称为“笔形波束”，基站天线调整或“操纵”笔形波束，以致其在各个相应的时隙期间指向不同的用户。笔形波束可具有高的增益，并且具有减小的与邻近小区之间的干扰，以致它们可提供显著增强的性能。

为了产生在方位角平面和仰角平面中都更窄的笔形波束，一般需要提供具有二维阵列的天线，该阵列包括具有全相位分布控制的多行和多列辐射元件。天线可以是有源天线，有源天线具有用于平面阵列中的每个辐射元件(或者在一些情况下，用于辐射元件的单个子组)的独立收发器(无线电装置)，以便提供全相位分布控制(即，收发器可以协同方式行动，以在任意给定时隙期间发射相同的RF信号，同时不同收发器输出的RF信号的子分量的振幅和/或相位受到操控，以产生定向的笔形波束辐射图)。尽管这种技术可以提供非常高的吞吐量，但是平面阵列天线以及大量的单独收发器的提供可能会增加相当大的成本和复杂性。

发明内容