CN112542702A - 一种介质谐振器毫米波模组及通信终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种介质谐振器毫米波模组及通信终端，包括馈电结构和辐射结构；所述辐射结构包括一体化的阵列；所述一体化的阵列包括多个按一定方式连接的介质单元；所述馈电结构包括与所述介质单元一一对应的馈电单元；一一对应的介质单元和馈电单元相互耦合。本发明通过将多单元天线阵列一体化，多单元天线阵列与PCB板装配时只需要一次对位安装，避免了多个天线单元引入多次对位误差，在毫米波频段下，不会造成多个天线单元阻抗失配，保证了天线的辐射性能。
Description
技术领域
本发明涉及5G天线技术领域，尤其涉及一种双极化一体化的介质谐振器毫米波模组及通信终端。
背景技术
5G作为全球业界的研发焦点，发展5G技术制定5G标准已经成为业界共识。国际电信联盟ITU在2015年6月召开的ITU-RWP5D第22次会议上明确了5G的三个主要应用场景：增强型移动宽带、大规模机器通信、高可靠低延时通信。这3个应用场景分别对应着不同的关键指标，其中增强型移动带宽场景下用户峰值速度为20Gbps，最低用户体验速率为100Mbps。毫米波独有的高载频、大带宽特性是实现5G超高数据传输速率的主要手段。
目前5G毫米波模组放入真机环境中，会因为手机壳的材质影响(塑料，金属，陶瓷等)，辐射性能下降，甚至射频电路不能工作。对于普通塑料手机，5G毫米波模组放入后，对辐射性能影响较小，可以忽略；对于金属壳手机，许多专利和论文提出了多种应对辐射性能下降的解决方案；而对于高介电常数的陶瓷壳手机，目前缺乏专利和论文来解决高介电环境下5G毫米波模组辐射性能的衰减问题。此外，手机终端提供给毫米波天线的空间是极其有限的，天线的小型化和紧凑型也十分重要。
根据3GPPTS38.101-2 5G终端射频技术规范和TR38.817终端射频技术报告可知，5GmmWave天线需要覆盖N257(26.5-29.5GHz)n258(24.25-27.25GHz)n260(37-40GHz)n261(27.5-28.35GHz)，双极化模组天线将提升整个射频系统的EIRP指标3db左右。另外，介质谐振器是一种性能优秀的天线，可以用于5G毫米波的移动端，所以可选用双极化毫米波介质谐振器天线提高辐射性能。但一般双极化毫米波介质谐振器天线会存在以下问题：标准的介质谐振器为分立式的长方体，圆柱体，球体等形状，当多单元介质谐振器阵列天线与PCB(Printed Circuit Board，电路板)装配时会产生对位误差，造成天线阻抗失配，辐射性能下降。例如1X4长方体介质谐振器天线阵列，需要在PCB板上进行4次对位安装，那么NXN单元将引入N2次人工误差，在毫米波频段下，多个单元阻抗失配，会造成天线整体辐射性能恶化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种介质谐振器毫米波模组及通信终端，能够避免多单元介质谐振器阵列天线与PCB板装配时产生多次对位误差，保证了天线的辐射性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：
一种介质谐振器毫米波模组，包括馈电结构和辐射结构；
所述辐射结构包括一体化的阵列；
所述一体化的阵列包括多个按一定方式连接的介质单元；
所述馈电结构包括与所述介质单元一一对应的馈电单元；
一一对应的介质单元和馈电单元相互耦合。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案：
一种通信终端，包括所述的介质谐振器毫米波模组。
本发明的有益效果在于：将多个介质单元按照预设方式连接成一体化的阵列，由此形成介质谐振器毫米波模组的辐射结构，区别于传统的多介质单元天线阵列与PCB板装配时每个介质单元都要与PCB板进行一次对位，通过将多介质单元阵列一体化，与PCB板装配时整体只需要进行一次对位即可。由于对位误差会影响天线的结构形式，进而影响天线阻抗，当多个天线介质单元与PCB板进行多次对位安装时，引入多次对位误差容易造成多个介质单元阻抗失配，在毫米波频段下，多个介质单元阻抗失配，会造成天线整体辐射性能恶化，而本发明中一体化的多介质单元天线阵列与PCB板装配时只需要一次对位，避免了分立式的多个天线介质单元引入多次对位误差，不会造成毫米波频段下多个天线单元的阻抗失配，从而保证了天线的辐射性能。
附图说明
图1为本发明实施例一的一种介质谐振器毫米波模组的结构示意图；
图2为本发明实施例一中一体化1X4相控阵天线阵列的结构示意图；
图3本发明实施例一中馈电结构所设缝隙的位置示意图；
图4为本发明实施例一中PCB板上所设缝隙的位置示意图；
图5为本发明实施例一中馈电结构所设微带馈线的位置和形状示意图；
图6为本发明实施例二中介质谐振器毫米波模组极化1的仿真S曲线；
图7为本发明实施例二中介质谐振器毫米波模组极化2的仿真S曲线；
图8为本发明实施例二中介质谐振器毫米波模组极化1在28GHz的3D方向图；
图9为发明实施例二中介质谐振器毫米波模组极化2在28GHz的3D方向图；
标号说明：
1、辐射结构；2、馈电结构；3、PCB板；4、矩形缝隙a；5、矩形缝隙b；6、缝隙c；7、微带馈线d；8、微带馈线e。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1-图5，本发明实施例提供了一种介质谐振器毫米波模组，包括馈
电结构和辐射结构；
所述辐射结构包括一体化的阵列；
所述一体化的阵列包括多个按一定方式连接的介质单元；
所述馈电结构包括与所述介质单元一一对应的馈电单元；
一一对应的介质单元和馈电单元相互耦合。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：将多个介质单元按照预设方式连接成一体化的阵列，由此形成介质谐振器毫米波模组的辐射结构，区别于传统的多介质单元天线阵列与PCB板装配时每个介质单元都要与PCB板进行一次对位，通过将多介质单元阵列一体化，与PCB板装配时整体只需要进行一次对位即可。由于对位误差会影响天线的结构形式，进而影响天线阻抗，当多个天线介质单元与PCB板进行多次对位安装时，引入多次对位误差容易造成多个介质单元阻抗失配，在毫米波频段下，多个介质单元阻抗失配，会造成天线整体辐射性能恶化，而本发明中一体化的多介质单元天线阵列与PCB板装配时只需要一次对位，避免了分立式的多个天线介质单元引入多次对位误差，不会造成毫米波频段下多个天线单元的阻抗失配，从而保证了天线的辐射性能。
进一步的，所述馈电单元包括缝隙。
由上述描述可知，通过缝隙为介质单元耦合供电，缝隙耦合馈电可以有效增大天线阻抗带宽，在设计过程中可调的参数比较多，更容易实现端口阻抗匹配，而且馈电网络可以设计在同一平面，方便与有源器件集成。
进一步的，所述馈电单元包括两个缝隙。
两个所述缝隙相互垂直但不相交。
由上述描述可知，通过两个相互正交的缝隙对介质单元进行馈电，使得介质单元辐射一对相互正交的极化波，克服了现有毫米波天线极化单一的问题，实现了双极化，较单极化有较大增益提升。
进一步的，还包括微带馈线。
每个所述缝隙远离所述介质单元的一侧覆有一条所述微带馈线，所述微带馈线的末端与对应的缝隙垂直交叉。
由上述描述可知，微带馈线通过电磁耦合方式给对应的缝隙馈电，可以通过改变馈线位置实现阻抗匹配，还可以实现较宽的天线带宽。
进一步的，还包括PCB板。
所述馈电结构集成于所述PCB板上。
由上述描述可知，上述介质谐振器毫米波模组可以通过PCB工艺实现，与传统的介质谐振器相比剖面低，易于加工，与通信终端的集成度高。
进一步的，所述PCB板上对应所述一体化的阵列中相邻介质单元间的连接位置处设有缝隙。
由上述描述可知，可以通过在上述缝隙处灌入胶水实现辐射结构与PCB板的定位安装。
进一步的，所述一体化的阵列为1X4线性阵列。
所述1X4线性阵列中各个介质单元依次连接形成弓字型。
由上述描述可知，由于毫米波在空气中的路径损耗较大，可以将多个介质单元形成1X4相控阵天线，来补偿路径损耗，提高天线增益。同时连接成一体的弓字形，又避免了多个天线单元装配带来的多次对位误差。
进一步的，相邻的所述介质单元之间的间距相等。
由上述描述可知，通过调整天线阵列各阵元间的距离，可以使天线阵列的辐射方向满足要求。介质单元之间的间距设置成相等便于天线布局。
进一步的，所述介质单元的材质为型号为DK-19的陶瓷材料。
由上述描述可知，所述陶瓷材料具有损耗低、频率温度系数小、介电常数高等特点，用这种陶瓷材料制成介质谐振器，可以减少天线的尺寸，方便实现小型化，还可以提高天线的辐射工作效率，也可以根据需要设计成任意的三维几何形状，灵活适用于集成电路。
本发明另一实施例提供了一种通信终端，包括上述介质谐振器毫米波模组。
实施例一
参照图1，一种介质谐振器毫米波模组，包括辐射结构1和PCB板3，所述PCB板3上集成有馈电结构2，所述馈电结构2与所述辐射结构1相互贴合；
所述辐射结构包括一体化的阵列；
所述一体化的阵列包括多个按预设方式连接的介质单元；
其中，可以根据需要设置各个介质单元连接的预设方式，比如MXN阵列，1XN阵列、MX1阵列等；
相邻的所述介质单元之间的间距相等；
本实施例中，上述辐射结构1包括1X4相控阵天线阵列，由4个正方形介质谐振器单元线性阵列并连接成弓字形的结构；
如图2所示，上述正方形介质谐振器单元边长为3mm，相邻介质谐振器单元连接处的宽度为0.5mm，长度为2.5mm，高为3mm，所述整个一体化阵列可以由长为19.5mm，宽为3mm，高为3mm的大长方体切除3个长为2.5mm，宽为2.5mm，高为3mm的小长方体制作而成；
所述介质单元的材质为型号为DK-19的陶瓷材料；
所述馈电结构包括与所述介质单元一一对应的馈电单元；
一一对应的介质单元和馈电单元相互耦合；
其中，PCB板包括匹配网络和芯片部分，芯片部分包括射频芯片、数字集成电路芯片和电源芯片。射频芯片中包括移相器和放大器元件，移相器为单元间提供相位差以实现波束扫描的能力，放大器是为了补偿移相器的损耗。数字集成电路芯片为射频芯片控制，电源芯片为射频芯片提供电源，射频芯片为微带馈线提供信号。
实施例二
请参照图3至图5，本发明的实施例二是在实施例一的基础上提出的另外一种技术方案：
所述馈电单元包括两个缝隙；
两个所述缝隙相互垂直但不相交；
本实施例中，所述缝隙为矩形缝隙；
具体的，参照图3，所述馈电单元对应每个正方形介质谐振器单元开有矩形缝隙a4和矩形缝隙b5，它们为互相垂直但不相交；
所述PCB板上对应所述一体化的阵列中相邻介质单元间的连接位置处设有缝隙；
具体的，参照图4，所述PCB板在对应相邻正方形介质谐振器单元的连接处开有缝隙c6，在缝隙处灌入胶水，实现辐射结构与PCB板的定位安装；
所述馈电单元还包括微带馈线；
所述缝隙远离所述介质单元的一侧覆有一条所述微带馈线，所述微带馈线的末端与对应的缝隙垂直交叉；
具体的，参照图5，所述馈电单元对应上述矩形缝隙a4和矩形缝隙b5分别设有微带馈线d7和微带馈线e8，所述微带馈线d7和所述微带馈线e8的末端与对应的矩形缝隙垂直交叉，为了方便馈电，并适应性的将微带馈线e8设计成L形的结构，这样可以把所有的微带馈线设计在同一层，节约天线尺寸，也易于加工集成。
实施例二所述介质谐振器毫米波模组仿真结果说明如下：
图6为上述介质谐振器毫米波模组的极化1的S参数，为27GHz-32GHz，基本覆盖了3GPP规定的N257(26.5GHz-29.5GHz)。
图7为上述介质谐振器毫米波模组的极化2的S参数，为26.5GHz-29.5GHz，基本覆盖了3GPP规定的N257(26.5GHz-29.5GHz)。
图8为上述介质谐振器毫米波模组极化1在28GHz的3D方向图，从图中可以看出，波束正常不畸形，具备波束扫描能力。
图9为上述介质谐振器毫米波模组极化2在28GHz的3D方向图，从图中可以看出，波束正常不畸形，具备波束扫描能力。
由此可得，上述一体化1×4相控阵天线阵列在28GHz频段能产生有效谐振，带宽基本覆盖了26.5GHz-29.5GHz，天线单元两端口以及天线单元之间的互耦很小，并且与PCB板对位安装带来的对位误差对1×4相控阵天线的影响也很小，具有交叉极化低、单向辐射和高增益的工作性能。
实施例三
一种通信终端，包括实施例一或实施例二所述介质谐振器毫米波模组；
所述通信终端的外壳材质可以为塑料，金属，陶瓷中的一种，在具体的操作中，通信终端设备框架需要开有相应的缺口以便把所述介质谐振器毫米波模组嵌入到通信终端中。
所述介质谐振器毫米波模组利用一体化阵列设计提升天线辐射增益，同时又避免因引入多次对位误差造成毫米波频段下多个天线单元阻抗失配，同时具有方便实现小型化、阻抗带宽大、以及双极化的特点，所以对通信设备外壳材质的敏感度低，适用于5G毫米波通信设备。
综上所述，本发明提供的一种介质谐振器毫米波模组及通信终端，将多个介质单元按照预设方式连接成一体化的阵列，由此形成介质谐振器毫米波模组的辐射结构，区别于传统的多介质单元天线阵列与PCB板装配时每个介质单元都要与PCB板进行一次对位，通过将多介质单元阵列一体化，与PCB板装配时整体只需要进行一次对位即可。避免了分立式的多个天线介质单元引入多次对位误差，不会造成毫米波频段下多个天线单元的阻抗失配，从而保证了天线的辐射性能。其中介质单元由DK-19的陶瓷材料制作，与金属结构的天线相比，方便实现小型化、阻抗带宽较大；且利用相互正交的矩形缝隙对介质谐振器毫米波模组进行馈电，使得天线具有双极化的特点，克服了现有毫米波天线极化单一的问题；并且所述天线可通过PCB工艺实现，与传统的介质谐振器相比剖面低，易于加工，与通信终端的集成度高。本发明所述介质谐振器毫米波模组因具有的上述优良性能，与真机环境结合时对外壳材质的敏感度较低，适用于5G毫米波通信终端。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种介质谐振器毫米波模组，其特征在于，包括馈电结构和辐射结构；
所述辐射结构包括一体化的阵列；
所述一体化的阵列包括多个按预设方式连接的介质单元；
所述馈电结构包括与所述介质单元一一对应的馈电单元；
一一对应的介质单元和馈电单元相互耦合。
2.根据权利要求1所述的一种介质谐振器毫米波模组，其特征在于，所述馈电单元包括缝隙。
3.根据权利要求2所述的一种介质谐振器毫米波模组，其特征在于，所述馈电单元包括两个缝隙；
两个所述缝隙相互垂直但不相交。
4.根据权利要求3所述的一种介质谐振器毫米波模组，其特征在于，还包括微带馈线；
每个所述缝隙远离所述介质单元的一侧覆有一条所述微带馈线，所述微带馈线的末端与对应的缝隙垂直交叉。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种介质谐振器毫米波模组，其特征在于，还包括PCB板；
所述馈电结构集成于所述PCB板上。
6.根据权利要求5所述的一种介质谐振器模组，其特征在于，所述PCB板上对应所述一体化的阵列中相邻介质单元间的连接位置处设有缝隙。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种介质谐振器毫米波模组，其特征在于，所述一体化的阵列为1X4线性阵列；
所述1X4线性阵列中各个介质单元依次连续形成弓字型。
8.根据权利要求7所述的一种介质谐振器毫米波模组，其特征在于，相邻的所述介质单元之间的间距相等。
9.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种介质谐振器毫米波模组，其特征在于，所述介质单元的材质为型号为DK-19的陶瓷材料。
10.一种通信终端，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的介质谐振器毫米波模组。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113285213A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-20 | 深圳市信维通信股份有限公司 | 一体化5g毫米波双频介质谐振器天线模组及电子设备 |
| CN113285213B (zh) * | 2021-04-30 | 2023-12-19 | 深圳市信维通信股份有限公司 | 一体化5g毫米波双频介质谐振器天线模组及电子设备 |
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| CN113708058B (zh) * | 2021-07-15 | 2023-10-17 | 深圳市信维通信股份有限公司 | 基于陶瓷壳体的5g毫米波天线结构及电子设备 |
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