CN113193368A - 介质谐振器天线、介质谐振器天线模组及电子设备 - Google Patents

介质谐振器天线、介质谐振器天线模组及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种介质谐振器天线、介质谐振器天线模组及电子设备，天线包括介质谐振器、第一天线地和第二天线地；所述介质谐振器设置于所述第一天线地上；所述介质谐振器的一侧面上设有开槽，所述开槽的两端分别延伸至所述一侧面的两侧边缘；所述第二天线地设置于所述一侧面上且覆盖所述开槽在所述一侧面上的开口；所述介质谐振器为陶瓷介质谐振器。本发明可增加天线带宽，且减小天线尺寸。

Description

介质谐振器天线、介质谐振器天线模组及电子设备
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种介质谐振器天线、介质谐振器天线模组及电子设备。
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。且未来的手机中预留给5G天线的空间小，可选位置不多所以要设计小型化的天线模组。
3GPP正在对5G技术进行标准化工作，第一个5G非独立组网(NSA)国际标准于2017年12月正式完成并冻结，2018年6月14日完成5G独立组网标准。
毫米波频段丰富的带宽资源为高速传输速率提供了保障，但是由于该频段电磁波剧烈的空间损耗，利用毫米波频段的无线通信系统需要采用相控阵的架构。天线作为射频前端系统中不可缺少的部件，在射频电路向着集成化、小型化方向发展的同时，将天线与射频前端电路进行系统集成和封装成为未来射频前端发展的必然趋势。
根据3GPP TS38.101-2 5G终端射频技术规范和TR38.817终端射频技术报告可知，5GmmWave频段有n257(26.5-29.5GHz)、n258(24.25-27.25GHz)、n260(37-40GHz)、n261(27.5-28.35GHz)以及新增的n259(39.5-43GHz)。
目前现有毫米波WiFi已到60GHz，所以未来5G毫米波天线与60GHz WiFi天线如果用2个天线实现频带将使终端空间减小，如果单一天线可覆盖5G毫米波频段和60GHz WiFi，则避免了多天线占用终端空间体积大，所以要求设计出超宽带天线覆盖上述频段。
基于PCB的常规毫米波宽带天线，无论天线形式是PATCH，dipole，slot等因为带宽要求覆盖n257、n258、n260所以会使PCB厚度增加，此时层数变多，又因为在毫米频段，多层PCB对孔，线宽，线距的精度要求高，加工难度大。
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天线、介质谐振器天线模组及电子设备，可增加天线带宽，且减小天线尺寸。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种介质谐振器天线，包括介质谐振器、第一天线地和第二天线地；所述介质谐振器设置于所述第一天线地上；所述介质谐振器的一侧面上设有开槽，所述开槽的两端分别延伸至所述一侧面的两侧边缘；所述第二天线地设置于所述一侧面上且覆盖所述开槽在所述一侧面上的开口；所述介质谐振器为陶瓷介质谐振器。
本发明还提出一种介质谐振器天线模组，包括介质基板以及至少一个的如上所述的介质谐振器天线，所述至少一个的介质谐振器天线设置于所述介质基板上。
本发明还提出一种电子设备，包括如上所述的介质谐振器天线模组。
本发明的有益效果在于：通过在介质谐振器上设置开槽，可降低介质谐振器整体的介电常数，从而增加天线带宽，降低天线Q值；通过设置两个天线地，可降低天线整体的尺寸；由陶瓷体构成的介质谐振器天线，加工精度高，在毫米波频段体积小，成本更低，相比PCB有极大的优势。本发明可覆盖n257、n260、n259和60GHz WiFi频段，适用于5G毫米波通信系统的手持设备中，其可将毫米波阵列在终端中占有的空间变窄，简化了设计难度，测试难度以及波束管理的复杂度。
附图说明
图1为本发明的一种介质谐振器天线的结构示意图；
图2为本发明实施例一的介质谐振器天线的结构示意图；
图3为本发明的一种介质谐振器天线模组的结构示意图；
图4为本发明实施例二的四层PCB的结构示意图；
图5为本发明实施例二的介质谐振器天线模组的S参数示意图。
标号说明：
100、介质谐振器天线；
1、介质谐振器；2、第一天线地；3、第二天线地；4、开槽；5、馈电探针；6、通孔；7、介质基板；8、射频芯片；9、数字电路集成芯片；10、电源芯片；
71、天线匹配互联层；72、带状线地层；73、芯片互联层。
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详予说明。
请参阅图1，一种介质谐振器天线，包括介质谐振器、第一天线地和第二天线地；所述介质谐振器设置于所述第一天线地上；所述介质谐振器的一侧面上设有开槽，所述开槽的两端分别延伸至所述一侧面的两侧边缘；所述第二天线地设置于所述一侧面上且覆盖所述开槽在所述一侧面上的开口；所述介质谐振器为陶瓷介质谐振器。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：可增加天线带宽，降低天线Q值，同时可降低天线整体的尺寸。
进一步地，还包括馈电探针，所述馈电探针内嵌设置于所述介质谐振器中。
进一步地，所述介质谐振器靠近所述第一天线地的一面上设有馈电开孔，所述馈电探针的一部分通过所述馈电开孔内嵌设置于所述介质谐振器中。
由上述描述可知，采用同轴探针馈电的方式进行馈电，方便调匹配。
进一步地，所述第一天线地上设有通孔，所述馈电探针的一端内嵌设置于所述介质谐振器中，另一端通过所述通孔穿过所述第一天线地。
由上述描述可知，便于馈电探针连接外部导体。
进一步地，所述通孔的面积大于所述馈电探针的横截面积。
由上述描述可知，避免馈电探针接触第一天线地。
进一步地，所述介质谐振器的形状为长方体形；所述开槽呈底面为梯形的四棱柱形、长方体形或三棱柱形。
本发明还提出一种介质谐振器天线模组，包括介质基板以及至少一个的如上所述的介质谐振器天线，所述至少一个的介质谐振器天线设置于所述介质基板上。
进一步地，所述介质谐振器天线的数量为四个，四个所述介质谐振器天线线性排列。
进一步地，还包括射频芯片、数字电路集成芯片和电源芯片，所述射频芯片、数字电路集成芯片和电源芯片设置于所述介质基板远离所述介质谐振器天线的一面上，所述数字电路集成芯片和电源芯片分别与所述射频芯片电连接，所述射频芯片分别与各介质谐振器天线连接。
由上述描述可知，射频芯片用于为天线提供信号；数字集成电路芯片，用于控制射频芯片的信号的幅值和相位，相当于射频芯片中如放大器，低噪放等电路的数字开关；电源芯片，用于为射频芯片提供电源。
本发明还提出一种电子设备，包括如上所述的介质谐振器天线模组。
实施例一
请参照图1-2，本发明的实施例一为：一种介质谐振器天线，可覆盖5G毫米波与60GHz WiFi频段。
如图1所示，包括介质谐振器1、第一天线地2和第二天线地3；所述介质谐振器1设置于所述第一天线地2上；所述介质谐振器1的一侧面上设有开槽4，进一步地，所述开槽4的两端分别延伸至所述一侧面的两侧边缘。所述第二天线地3设置于所述一侧面上且覆盖所述开槽4在所述一侧面上的开口。
其中，介质谐振器1可采用陶瓷介质谐振器。由陶瓷体构成的介质谐振器天线，加工精度高，在毫米波频段体积小，成本更低，相比PCB有极大的优势。
优选地，本实施例中的介质谐振器1的形状为长方体形。
可选地，所述开槽4呈底面为梯形的四棱柱形、长方体形或三棱柱形。本实施例中，开槽4呈底面为梯形的四棱柱形。
在介质谐振器上设置开槽，相当于在介质谐振器上挖去一部分，而挖去部分的介质位置相当于替换成介电常数为1的空气，从而降低了介质谐振器整体的介电常数，而介电常数越低，天线带宽越宽，即增加了天线带宽。同时，由于介质谐振器可等效为LC谐振电路，而对于谐振电路，Q＝f/BW，其中，Q为品质因数，f为谐振频率，BW为工作带宽，因此，在增加天线带宽的同时，还可降低天线Q值。
另外，根据电磁镜像原理，通过设置两个天线地，可以降低整体的尺寸。例如，假设图1中介质谐振器的长宽高分别为A、B、C，若无天线地，则介质谐振器的长宽高需要为A、2B、2C。
进一步地，本实施例采用同轴探针馈电的方式进行馈电，方便调匹配。具体地，如图2所示，还包括馈电探针5，所述馈电探针5内嵌设置于所述介质谐振器1中，且靠近所述介质谐振器1靠近所述第一天线地2的一面，即馈电探针5从介质谐振器1与第一天线地2贴合的一面进入介质谐振器1内部。具体地，所述介质谐振器靠近所述第一天线地的一面上设有馈电开孔，所述馈电探针的一部分通过所述馈电开孔内嵌设置于所述介质谐振器中。所述同轴探针的材质为金属，在具体实现时，可在介质谐振器的一面上打洞，然后灌银浆或者铜浆来实现金属柱馈电。
优选地，所述馈电探针5与所述第一天线地2垂直，也即与介质谐振器1靠近第一天线地2的一面垂直。
进一步地，所述第一天线地2上设有通孔6，所述馈电探针5的一端内嵌设置于所述介质谐振器1中，另一端通过所述通孔6穿过所述第一天线地2。其中，所述通孔6的面积大于所述馈电探针5的横截面积，保证馈电探针5可不接触到第一天线地2。
本实施例通过在介质谐振器上设置开槽，可降低介质谐振器整体的介电常数，从而增加天线带宽，降低天线Q值；通过设置两个天线地，可降低天线整体的尺寸。
实施例二
请参照图3-5，本发明的实施例二为：一种介质谐振器天线模组，适用于5G毫米波通信系统的手持设备中。
如图3所示，包括介质基板7以及至少一个的如实施例一所述的介质谐振器天线100，所述至少一个的介质谐振器天线100设置于所述介质基板7上。具体地，各介质谐振器天线的第一天线地设置于所述介质基板上。
本实施例中，采用1×4天线模式，即一个模组包含四个介质谐振器天线，且四个介质谐振器天线线性排列。
所述天线模组还包括射频芯片8、数字电路集成芯片9和电源芯片10，所述射频芯片8、数字电路集成芯片9和电源芯片10设置于所述介质基板7远离所述介质谐振器天线100的一面上，所述数字电路集成芯片9和电源芯片10分别与所述射频芯片8电连接，所述射频芯片8分别与各介质谐振器天线100连接。进一步地，介质基板上可设有过孔，射频芯片通过所述过孔与各介质谐振器天线的馈电探针连接。
其中，射频芯片用于为天线提供信号；射频芯片中包含的移相器和放大器等原件，移相器用于为天线单元间提供相位差以实现波束扫描的能力，放大器用于补偿移相器的损耗。数字集成电路芯片，用于控制射频芯片的信号的幅值和相位，相当于射频芯片中如放大器，低噪放等电路的数字开关。电源芯片，用于为射频芯片提供电源。
本实施例的结构设计可基于4层PCB，易于加工，制造简单，成本低。具体地，如图4所示，从上至下，第一层即为第一天线地2；第二层为天线匹配互联层71，用于天线匹配和互联，可在该层设置匹配网络(匹配网络可增加一定的天线带宽)，并实现天线之间的连接；第三层为带状线地层72；第四层为芯片互联层73，用于芯片表层互联，即用于连接射频芯片8、数字电路集成芯片9和电源芯片10。其中，第二层至第四层之间可通过过孔连接。
图5为本实施例的介质谐振器天线模组的S参数示意图，从图中可以看出，n257(26.5-29.5GHz)、n260(37-40GHz)、n261(27.5-28.35GHz)和n259(39.5-43GHz)频段处的S参数均小于-10dB，即该天线模组覆盖了n257、n260和n259，覆盖频段广。同时，在60GHz附近的S参数也均小于-10dB，因此，该天线模组也可覆盖60GHz WiFi频段。
本实施例将毫米波阵列在终端中占有的空间变窄，简化了设计难度，测试难度以及波束管理的复杂度。
综上所述，本发明提供的一种介质谐振器天线、介质谐振器天线模组及电子设备，通过在介质谐振器上设置开槽，可降低介质谐振器整体的介电常数，从而增加天线带宽，降低天线Q值；通过设置两个天线地，可降低天线整体的尺寸；由陶瓷体构成的介质谐振器天线，加工精度高，在毫米波频段体积小，成本更低，相比PCB有极大的优势。本发明可将毫米波阵列在终端中占有的空间变窄，简化了设计难度，测试难度以及波束管理的复杂度，且易于加工，制造简单，成本低。
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)

1.一种介质谐振器天线，其特征在于，包括介质谐振器、第一天线地和第二天线地；所述介质谐振器设置于所述第一天线地上；所述介质谐振器的一侧面上设有开槽，所述开槽的两端分别延伸至所述一侧面的两侧边缘；所述第二天线地设置于所述一侧面上且覆盖所述开槽在所述一侧面上的开口；所述介质谐振器为陶瓷介质谐振器。
2.根据权利要求1所述的介质谐振器天线，其特征在于，还包括馈电探针，所述馈电探针内嵌设置于所述介质谐振器中。
3.根据权利要求2所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器靠近所述第一天线地的一面上设有馈电开孔，所述馈电探针的一部分通过所述馈电开孔内嵌设置于所述介质谐振器中。
4.根据权利要求2所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述第一天线地上设有通孔，所述馈电探针的一端内嵌设置于所述介质谐振器中，另一端通过所述通孔穿过所述第一天线地。
5.根据权利要求4所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述通孔的面积大于所述馈电探针的横截面积。
6.根据权利要求1所述的介质谐振器天线，其特征在于，所述介质谐振器的形状为长方体形；所述开槽呈底面为梯形的四棱柱形、长方体形或三棱柱形。
7.一种介质谐振器天线模组，其特征在于，包括介质基板以及至少一个的如权利要求1-6任一项所述的介质谐振器天线，所述至少一个的介质谐振器天线设置于所述介质基板上。
8.根据权利要求7所述的介质谐振器天线模组，其特征在于，所述介质谐振器天线的数量为四个，四个所述介质谐振器天线线性排列。
9.根据权利要求7所述的介质谐振器天线模组，其特征在于，还包括射频芯片、数字电路集成芯片和电源芯片，所述射频芯片、数字电路集成芯片和电源芯片设置于所述介质基板远离所述介质谐振器天线的一面上，所述数字电路集成芯片和电源芯片分别与所述射频芯片电连接，所述射频芯片分别与各介质谐振器天线连接。
10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求7-9任一项所述的介质谐振器天线模组。
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