CN113270713A - 高增益毫米波介质谐振器封装天线模组及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高增益毫米波介质谐振器封装天线模组及电子设备，包括基板和至少一个的天线单元；所述基板包括层叠的天线地层和第一介质层；所述天线单元包括介质谐振器，所述介质谐振器包括第一介质谐振器和第二介质谐振器，所述第一介质谐振器设置于所述天线地层上，所述第二介质谐振器设置于所述第一介质谐振器上；所述第一介质谐振器和第二介质谐振器的形状均为长方体形，所述第一介质谐振器的尺寸为1.7mm×1.7mm×1.6mm，所述第二介质谐振器的尺寸为2.7mm×2.7mm×1.6mm；所述介质谐振器的介电常数为16。本发明可提高天线增益。

Description

高增益毫米波介质谐振器封装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，尤其涉及一种高增益毫米波介质谐振器封装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。
射频链路的EIRP(等效全向辐射功率)为天线增益与芯片输出增益之和，在EIRP满足3GPP标准下，高增益的毫米波天线可以使芯片的输出功率降低，从而使芯片散热良好；另一方面高增益毫米波天线无需设计成双极化，因为天线增益高，所以简化了设计复杂度。
因此，如何提高天线增益成为有待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种高增益毫米波介质谐振器封装天线模组及电子设备，可提高天线增益。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高增益毫米波介质谐振器封装天线模组，包括基板和至少一个的天线单元；所述基板包括层叠的天线地层和第一介质层；所述天线单元包括介质谐振器，所述介质谐振器包括第一介质谐振器和第二介质谐振器，所述第一介质谐振器设置于所述天线地层上，所述第二介质谐振器设置于所述第一介质谐振器上；所述第一介质谐振器和第二介质谐振器的形状均为长方体形，所述第一介质谐振器的尺寸为1.7mm×1.7mm×1.6mm，所述第二介质谐振器的尺寸为2.7mm×2.7mm×1.6mm；所述介质谐振器的介电常数为16。
本发明还提出一种电子设备，包括如上所述的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组。
本发明的有益效果在于：通过设计介质谐振器的形状和尺寸，使得介质谐振器通过激励可激发出高次模模式，从而实现高增益。
附图说明
图1为本发明实施例一的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组的结构示意图(去除夹具后)；
图2为本发明实施例一的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组的结构示意图；
图3为本发明实施例一的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组的侧面示意图；
图4为本发明实施例一的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组的顶面示意图；
图5为本发明实施例一中的夹具的结构示意图一；
图6为本发明实施例一中的夹具的结构示意图二；
图7为本发明实施例一的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组的底面示意图；
图8为本发明实施例一的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组与手机主板结合的示意图；
图9为本发明实施例一的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组的S参数图；
图10为本发明实施例一的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组的方向图；
图11为28GHz时介质谐振器的XOZ面的磁场分布图。
标号说明：
1、基板；2、介质谐振器；3、夹具；4、微带馈线；5、射频芯片；6、BGA焊球；7、数字芯片；8、模拟芯片；
11、第一介质层；12、天线地层；121、馈电缝隙；
21、第一介质谐振器；22、第二介质谐振器；
31、固定部；32、通孔；
100、天线模组；200、手机主板。
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1，一种高增益毫米波介质谐振器封装天线模组，包括基板和至少一个的天线单元；所述基板包括层叠的天线地层和第一介质层；所述天线单元包括介质谐振器，所述介质谐振器包括第一介质谐振器和第二介质谐振器，所述第一介质谐振器设置于所述天线地层上，所述第二介质谐振器设置于所述第一介质谐振器上；所述第一介质谐振器和第二介质谐振器的形状均为长方体形，所述第一介质谐振器的尺寸为1.7mm×1.7mm×1.6mm，所述第二介质谐振器的尺寸为2.7mm×2.7mm×1.6mm；所述介质谐振器的介电常数为16。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过优化介质谐振器的形状和尺寸，使其能够工作在高次模模式下，从而获得更高的增益。
进一步地，还包括夹具，所述基板和介质谐振器设置于所述夹具中。
进一步地，所述夹具包括相对的第一面和第二面；所述第一面的四角处分别设有固定部，所述固定部与所述第一面形成插槽，所述基板设置于所述插槽中，且所述基板的天线地层靠近所述第一面；所述夹具的第二面上设有贯穿所述夹具且与所述介质谐振器相适配的通孔，所述介质谐振器设置于所述通孔中。
进一步地，所述夹具为塑料夹具；所述夹具的介电常数为2.9-4。
由上述描述可知，通过夹具实现基板与介质谐振器之间的连接固定，可降低介质谐振器的安装复杂度。
进一步地，所述第一介质层为Rogers 4350板，介电常数为3.66。
进一步地，所述天线地层上设有与所述至少一个的天线单元一一对应的馈电缝隙，所述第一介质谐振器覆盖所述馈电缝隙，所述第二介质谐振器在所述天线地层上的投影覆盖所述馈电缝隙。
进一步地，还包括射频芯片以及与所述至少一个的天线单元一一对应的微带馈线，所述射频芯片和微带馈线设置于所述第一介质层远离所述天线地层的一面上；所述微带馈线的一端与所述射频芯片连接，所述微带馈线的另一端与对应同一天线单元的馈电缝隙耦合。
由上述描述可知，射频芯片用于为天线提供信号；通过采用缝隙耦合馈电的馈电方式，可降低加工难度。
进一步地，还包括数字芯片和模拟芯片，所述数字芯片和模拟芯片分别与所述射频芯片连接。
由上述描述可知，数字芯片用于控制射频芯片的移相器和放大器达到天线电扫描功能；模拟芯片通常为电源芯片，一般用于提供所有电路电源。
进一步地，所述天线单元的数量为四个，四个天线单元呈2×2的阵列分布。
本发明还提出一种电子设备，包括如上所述的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组。
实施例一
请参照图1-11，本发明的实施例一为：一种高增益毫米波介质谐振器封装天线模组，可应用于5G毫米波终端或小基站。
如图1所示，包括基板1和至少一个的天线单元，所述天线单元包括介质谐振器2，介质谐振器2设置在基板1上。本实施例中以包括四个天线单元为例进行说明，四个天线单元呈2×2的阵列分布。如图2所示，还包括夹具3，所述基板和介质谐振器2设置于所述夹具3中。
结合图3-4所示，所述基板1包括层叠的天线地层12和第一介质层11，所述天线地层12上设有与各天线单元一一对应的馈电缝隙121；每个天线单元的介质谐振器包括第一介质谐振器21和第二介质谐振器22，所述第一介质谐振器21设置于所述天线地层12上且覆盖所述馈电缝隙121，所述第二介质谐振器22设置于所述第一介质谐振器21上，且在所述天线地层12上的投影覆盖所述馈电缝隙121。本实施例中的馈电缝隙的形状为矩形，在其他实施例中也可为其他形状。
优选地，所述第一介质谐振器和第二介质谐振器的形状均为长方体形，第一介质谐振器的尺寸为1.7mm×1.7mm×1.6mm，第二介质谐振器的尺寸为2.7mm×2.7mm×1.6mm。即第一介质谐振器和第二介质谐振器的底面均为正方形，第一介质谐振器的底面边长为1.7mm，第二介质谐振器的底面边长为2.7mm，第一介质谐振器和第二介质谐振器的高度均为1.6mm。所述第一介质层为Rogers4350板，介电常数为3.66；所述介质谐振器的介电常数为16，即第一介质谐振器和第二介质谐振器的介电常数均为16。
结合图5-6所示，所述夹具包括相对的第一面和第二面，第一面和第二面均为矩形。如图5所示，所述第一面的四角处分别设有固定部31，所述固定部31与所述第一面形成插槽；该插槽用于容纳基板，当基板插入该插槽时，基板的天线地层朝向第一面。如图6所示，所述夹具的第二面上设有贯穿所述夹具3且与所述介质谐振器相适配的通孔32；当组装天线模组时，介质谐振器安装于通孔中，即介质谐振器内嵌在夹具中。
具体地，本实施例中，所述固定部由底板和挡板构成，底板与挡板垂直。其中两个固定部中的底板分别通过两个挡板与第一面的两条边连接，另外两个固定部中的底边分别只通过一个挡板与第一面的一条边连接，第一面中未与底板连接的那一边，即插槽的开口处，基板从插槽的开口处插入插槽中。例如，假设第一面的四条边依次为第一边、第二边、第三边和第四边，第一边和第二边之间的角为第一角，第二边和第三边之间的角为第二角，第三边和第四边之间的角为第三角，第四边和第一边之间的角为第四角；四个固定部分别设置于四个角处，其中，位于第一角的固定部包括底板和一个挡板，其底板通过挡板与第一面的第二边连接；位于第二角的固定部包括底板和两个挡板，其底板分别通过两个挡板与第一面的第二边和第三边连接；位于第三角的固定部包括底板和两个挡板，其底板分别通过两个挡板与第一面的第三边和第四边连接；位于第四角的固定部包括底板和一个挡板，其底板通过挡板与第一面的第四边连接。此时，第一面与固定部所形成的插槽的开口处即位于第一面的第一边处。
优选地，所述夹具为塑料夹具，介电常数为2.9-4。通过夹具实现基板与介质谐振器之间的连接固定，可便于介质谐振器的安装。
如图3和图7所示，还包括与各天线单元一一对应的微带馈线4以及射频芯片5，微带馈线4和射频芯片5设置于所述第一介质层11远离所述天线地层12的一面上，所述微带馈线4的一端与所述射频芯片5连接，所述微带馈线4的另一端与对应同一天线单元的馈电缝隙121耦合。
进一步地，还包括数字芯片和模拟芯片，所述数字芯片和模拟芯片分别与所述射频芯片连接。数字芯片和模拟芯片可不直接设置在所述基板上。如图3和图7所示，本实施例中，第一介质层11远离天线地层12的一面上还设有BGA焊球6，BGA焊球6通过连接线连接射频芯片5。射频芯片可通过BGA焊球连接数字芯片、模拟芯片和低频模拟电路(一般指电源电路)。当该天线模组集成至电子设备中，例如集成至手机中时，如图8所示，该天线模组100通过BGA焊球6与手机主板200上的传输线连接，模拟芯片8和数字芯片77也通过BGA焊球与手机主板200上的传输线连接，从而实现天线模组100中的射频芯片与数字芯片7和模拟芯片8的连接。
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。数字芯片用于控制射频芯片的移相器和放大器达到天线电扫描功能。模拟芯片通常为电源芯片，一般用于提供所有电路电源。
组装天线模组时，可先将各天线单元的介质谐振器从夹具的第二面侧放入夹具的通孔中，然后将基板(基板上已集成有馈线、连接线等线路)从夹具的第一面侧的插槽的开口处插入插槽中，插入时要保证基板的天线地层靠近基板中的通孔；最后在基板上焊接上射频芯片和BGA焊球。
本实施例中，射频芯片提供的射频信号从微带馈线馈入，通过馈电缝隙对介质谐振器进行耦合馈电，介质谐振器通过馈电缝隙激励，可激发高次模模式，而由天线理论可知，高次模的介质谐振器可以辐射出比dipole、patch、slot等常规天线更高增益方向图，因此，本实施例通过优化介质谐振器的形状和尺寸，使其能够工作在高次模模式下，从而获得更高的增益。
图9为本实施例的天线模组的S参数示意图，从图中可以看出，该天线模组可覆盖n261(27.5-28.35GHz)频段。图10为本实施例的天线模组的方向图，可以看出，方向图正常，不畸形，具备扫描能力，且增益高达12.9dBi。普通4单元天线(patch、dipole、slot等天线类型)增益一般为9-10dBi，本实施例的天线模组的增益比普通天线高2dBi。
图11为28GHz时介质谐振器的XOZ面的磁场分布图，其显示了天线在28GHz时的模式图TE13。图11中的坐标轴方向可参照图10，即长方体形的第一介质谐振器和第二介质谐振器的底面与XOY平面平行，高度方向与Z轴方向平行。
本实施例通过优化介质谐振器的形状和尺寸，激励介质谐振器天线的高次模，实现高增益；本实施例中的基板可仅由两层PCB板构成，易于加工生产，降低了成本；本实施例的天线模组可覆盖5G的n261频段，且具有高增益。
综上所述，本发明提供的一种高增益毫米波介质谐振器封装天线模组及电子设备，通过优化介质谐振器的形状和尺寸，使其能够工作在高次模模式下，从而实现高增益；基板可仅由两层PCB板构成，易于加工生产，降低了成本；通过将介质谐振器内嵌在塑料夹具中，通过塑料夹具实现介质谐振器与基板之间的连接固定，可降低介质谐振器的安装复杂度。本发明可覆盖5G的n261频段，且具有高增益。
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)

1.一种高增益毫米波介质谐振器封装天线模组，其特征在于，包括基板和至少一个的天线单元；所述基板包括层叠的天线地层和第一介质层；所述天线单元包括介质谐振器，所述介质谐振器包括第一介质谐振器和第二介质谐振器，所述第一介质谐振器设置于所述天线地层上，所述第二介质谐振器设置于所述第一介质谐振器上；所述第一介质谐振器和第二介质谐振器的形状均为长方体形，所述第一介质谐振器的尺寸为1.7mm×1.7mm×1.6mm，所述第二介质谐振器的尺寸为2.7mm×2.7mm×1.6mm；所述介质谐振器的介电常数为16。
2.根据权利要求1所述的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组，其特征在于，还包括夹具，所述基板和介质谐振器设置于所述夹具中。
3.根据权利要求2所述的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组，其特征在于，所述夹具包括相对的第一面和第二面；所述第一面的四角处分别设有固定部，所述固定部与所述第一面形成插槽，所述基板设置于所述插槽中，且所述基板的天线地层靠近所述第一面；所述夹具的第二面上设有贯穿所述夹具且与所述介质谐振器相适配的通孔，所述介质谐振器设置于所述通孔中。
4.根据权利要求2所述的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组，其特征在于，所述夹具为塑料夹具；所述夹具的介电常数为2.9-4。
5.根据权利要求1所述的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组，其特征在于，所述第一介质层为Rogers 4350板，介电常数为3.66。
6.根据权利要求1所述的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组，其特征在于，所述天线地层上设有与所述至少一个的天线单元一一对应的馈电缝隙，所述第一介质谐振器覆盖所述馈电缝隙，所述第二介质谐振器在所述天线地层上的投影覆盖所述馈电缝隙。
7.根据权利要求6所述的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组，其特征在于，还包括射频芯片以及与所述至少一个的天线单元一一对应的微带馈线，所述射频芯片和微带馈线设置于所述第一介质层远离所述天线地层的一面上；所述微带馈线的一端与所述射频芯片连接，所述微带馈线的另一端与对应同一天线单元的馈电缝隙耦合。
8.根据权利要求7所述的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组，其特征在于，还包括数字芯片和模拟芯片，所述数字芯片和模拟芯片分别与所述射频芯片连接。
9.根据权利要求1所述的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组，其特征在于，所述天线单元的数量为四个，四个天线单元呈2×2的阵列分布。
10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的高增益毫米波介质谐振器封装天线模组。
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