CN114696075B - 增益可调的介质谐振器天线及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增益可调的介质谐振器天线及电子设备，包括介质基板、馈电结构、第一介质谐振器、支撑件以及至少一个的第二介质谐振器；馈电结构设置于介质基板上，第一介质谐振器与馈电结构耦合；支撑件的一端设置于介质基板上，各第二介质谐振器可旋转地设置于支撑件的另一端；各第二介质谐振器沿旋转轴的长度方向依次排列，旋转轴为支撑件的中心轴，且各第二介质谐振器与第一介质谐振器在旋转轴的长度方向上的距离分别为两者之间的第二介质谐振器的高度之和。本发明可通过调整第二介质谐振器的位置以调整整体介质谐振器的高度，从而实现增益可调的天线。

Description

增益可调的介质谐振器天线及电子设备

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种增益可调的介质谐振器天线及电子设备。

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。

对于5G毫米波模组，业界选择以射频芯片与基板天线的结合成为AIP(封装天线)方式来降低射频系统损耗，并且集成度更高，性能更优秀。但是毫米波射频芯片由于要集成移相器、低噪放、攻放、开关、滤波器等器件，导致成本上升；并且，在手机、基站等设备中，芯片体积有明确的尺寸要求，若高度集成上述器件，则需要将芯片设计得更紧凑，这也提高了芯片设计的难度。因此，如果从毫米波模组设计上能去掉一些器件，既可降低芯片成本，也可降低芯片设计难度。

5G毫米波模组是由射频芯片与基站天线组成，而射频芯片主要作用是提供相位可控的功率信号，最终实现天线端的波束控制。如果从天线端出发实现增益可调，那么射频芯片中的放大器PA要求就会降低，甚至无需放大器PA，从而降低毫米波模组的成本。因此，如何实现增益可调的天线成为有待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种增益可调的介质谐振器天线及电子设备，可提升天线增益，从而可降低芯片成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种增益可调的介质谐振器天线，包括介质基板、馈电结构、第一介质谐振器、支撑件以及至少一个的第二介质谐振器；所述馈电结构设置于所述介质基板上，所述第一介质谐振器与所述馈电结构耦合；所述支撑件的一端设置于所述介质基板上，所述至少一个的第二介质谐振器可旋转地设置于所述支撑件的另一端；所述至少一个的第二介质谐振器沿旋转轴的长度方向依次排列，所述旋转轴为所述支撑件的中心轴，且各第二介质谐振器与所述第一介质谐振器在所述旋转轴的长度方向上的距离分别为两者之间的第二介质谐振器的高度之和，使得所述至少一个的第二介质谐振器均旋转至所述第一介质谐振器的上方时，所述第一介质谐振器和所述至少一个的第二介质谐振器依次层叠且抵接，且所述至少一个的第二介质谐振器在所述介质基板上的投影与所述第一介质谐振器在所述介质基板上的投影重合；所述支撑件的材质为金属，所述支撑件的介电常数为2-4。

本发明还提出一种电子设备，包括如上所述的增益可调的介质谐振器天线。

本发明的有益效果在于：通过在第一介质谐振器的上方设置分层且可旋转的第二介质谐振器，当第二介质谐振器依次旋转至第一介质谐振器的上方时，可逐渐增加整体介质谐振器的高度，从而逐渐提升天线增益；通过使各第二介质谐振器的截面形状与第一介质谐振器的截面形状相同且面积相等，使得第二介质谐振器与第一介质谐振器拼接前后，整体介质谐振器的形状不变，仅高度发生变化；支撑件采用低介电常数的材质，可降低支撑件件对介质谐振器天线辐射的影响。本发明可通过调整第二介质谐振器的位置以调整整体介质谐振器的高度，从而实现增益可调的天线；通过提高天线增益，可降低对天线模组中射频芯片的放大器的要求，从而降低芯片成本，并降低芯片设计复杂度。

附图说明

图1为本发明实施例一的增益可调的介质谐振器天线的结构示意图一(第二介质谐振器均未旋转至第一介质谐振器上方)；

图2为图1的侧面示意图；

图3为图1的俯视示意图；

图4为本发明实施例一的增益可调的介质谐振器天线的结构示意图二(第二介质谐振器均旋转至第一介质谐振器上方)；

图5为图4的侧面示意图；

图6为图4的俯视示意图；

图7为不同高度的介质谐振器天线的最大增益示意图；

图8为本发明实施例一的增益可调的介质谐振器天线的结构示意图三(仅有一个第二介质谐振器旋转至第一介质谐振器上方)；

图9为天线增益与波束宽度的关系示意图。

标号说明：

1、介质基板；2、馈电结构；3、第一介质谐振器；4、支撑件；5、第二介质谐振器；6、旋转件；7、连接部；8、放置板；9、通孔；

21、辐射贴片；22、馈电线。

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1，一种增益可调的介质谐振器天线，包括介质基板、馈电结构、第一介质谐振器、支撑件以及至少一个的第二介质谐振器；所述馈电结构设置于所述介质基板上，所述第一介质谐振器与所述馈电结构耦合；所述支撑件的一端设置于所述介质基板上，所述至少一个的第二介质谐振器可旋转地设置于所述支撑件的另一端；所述至少一个的第二介质谐振器沿旋转轴的长度方向依次排列，所述旋转轴为所述支撑件的中心轴，且各第二介质谐振器与所述第一介质谐振器在所述旋转轴的长度方向上的距离分别为两者之间的第二介质谐振器的高度之和，使得所述至少一个的第二介质谐振器均旋转至所述第一介质谐振器的上方时，所述第一介质谐振器和所述至少一个的第二介质谐振器依次层叠且抵接，且所述至少一个的第二介质谐振器在所述介质基板上的投影与所述第一介质谐振器在所述介质基板上的投影重合；所述支撑件的材质为金属，所述支撑件的介电常数为2-4。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：可通过调整第二介质谐振器的位置以调整整体介质谐振器的高度，从而实现增益可调的天线。

进一步地，还包括与各第二介质谐振器一一对应的旋转件和连接部，所述旋转件可旋转地设置于所述支撑件上，所述连接部的一端与所述旋转件连接，所述连接部的另一端与所述第二介质谐振器连接。

进一步地，所述第二介质谐振器与所述连接部一体成型。

由上述描述可知，可提高第二介质谐振器与连接部之间的连接稳定性，且可减少安装步骤。

进一步地，所述支撑件的数量与所述第二介质谐振器的数量一致，各第二介质谐振器分别一一对应地设置于各支撑件的另一端。

进一步地，所述馈电结构包括辐射贴片和馈电线，所述辐射贴片和馈电线设置于所述介质基板的同一面上，所述馈电线与所述辐射贴片连接，所述第一介质谐振器位于所述辐射贴片的天线近场区域内，所述第一介质谐振器与所述辐射贴片耦合。

进一步地，所述第一介质谐振器和所述辐射贴片的距离为0.1λ～0.5λ，λ为波长长度。

由上述描述可知，介质谐振器通过辐射贴片的近场进行馈电，可简化馈电结构，降低制造成本。

进一步地，还包括放置板，所述放置板通过所述支撑件设置于所述介质基板的上方，所述第一介质谐振器设置于所述放置板远离所述介质基板的一面上；所述放置板对应所述第一介质谐振器的位置设有通孔。

由上述描述可知，通过设置放置板并与支撑件配合可起到支架的作用，保持第一介质谐振器与介质基板上的辐射贴片之间的间隔，且在放置板与第一介质谐振器对应的位置处设置通孔，在对第一介质谐振器起支撑作用的同时，保证了天线工作不被影响。

进一步地，所述放置板的材质为塑料，所述放置板的介电常数为2-4。

由上述描述可知，通过采用低介电常数的塑料板作为放置板，可降低放置板对介质谐振器天线辐射的影响。

进一步地，所述第一介质谐振器和各第二介质谐振器的形状均为长方体，介电常数均为4。

本发明还提出一种电子设备，包括如上所述的增益可调的介质谐振器天线。

实施例一

请参照图1-9，本发明的实施例一为：一种增益可调的介质谐振器天线，可应用于5G毫米波天线模组。

如图1所示，包括介质基板1、馈电结构2、第一介质谐振器3、支撑件4以及至少一个的第二介质谐振器5，本实施例以四个第二介质谐振器5为例进行说明。馈电结构2设置于介质基板1上，第一介质谐振器3与馈电结构2耦合；支撑件4的一端设置于介质基板1上，各第二介质谐振器5分别可旋转地设置于支撑件4的另一端，各第二介质谐振器5可绕支撑件4的中心轴旋转，即旋转轴为支撑件4的中心轴。

结合图2所示，各第二介质谐振器5沿旋转轴的长度方向依次排列，且各第二介质谐振器5与第一介质谐振器3在旋转轴的长度方向上的距离分别为两者之间的第二介质谐振器5的高度之和。

例如，假设四个依次排列的第二介质谐振器分别为DRA1、DRA2、DRA3和DRA4，其中，DRA1在旋转轴的长度方向上最靠近第一介质谐振器，DRA4在旋转轴的长度方向上与第一介质谐振器距离最远，则在旋转轴的长度方向上，DRA1与第一介质谐振器之间的距离为0，DRA2与第一介质谐振器之间的距离为DRA1的高度，DRA3与第一介质谐振器之间的距离为DRA1和DRA2的高度之和，DRA4与第一介质谐振器之间的距离为DRA1、DRA2和DRA3的高度之和。

通过上述设置，使得各第二介质谐振器5均旋转至第一介质谐振器3的上方时，即均旋转至最靠近第一介质谐振器3的位置时，第一介质谐振器3和各第二介质谐振器5依次层叠且抵接，形成一个大的介质谐振器，如图4-5所示。同时，结合图6所示，各第二介质谐振器5在介质基板上的投影与第一介质谐振器3在介质基板上的投影重合，即各第二介质谐振器5的截面形状分别与第一介质谐振器3的截面形状相同且面积相等，使得拼接形成的介质谐振器的形状与拼接前的介质谐振器的形状一致，实现增加介质谐振器高度的效果。

进一步地，如图1所示，还包括与各第二介质谐振器5一一对应的旋转件6和连接部7，旋转件6可旋转地设置于支撑件4上，连接部7的一端与旋转件6连接，连接部7的另一端与第二介质谐振器5连接。优选地，第二介质谐振器5与连接部7一体成型(连接部一般影响阻抗带宽，不影响辐射增益)。

本实施例中，支撑件4的数量与第二介质谐振器5的数量一致，即包括四个支撑件4，四个第二介质谐振器5分别一一对应地设置于四个支撑件4上。在其他可选的实施例中，各第二介质谐振器也可同时设置在同一支撑件上，或分别分布在两个或多个支撑件上。

其中，支撑件可为金属螺杆，旋转件可为金属螺母，支撑件和旋转件的介电常数均为2-4。通过采用低介电常数的金属螺杆和金属螺母来作为支撑件和旋转件，可在保证结构稳定性的同时，降低支撑件和旋转件对介质谐振器天线辐射的影响。

进一步地，结合图2所示，馈电结构2包括辐射贴片21和馈电线22，辐射贴片21和馈电线22均设置于介质基板1靠近第一介质谐振器3的一面上，馈电线22的一端与辐射贴片21连接，另一端延伸至介质基板1的边缘；第一介质谐振器3位于辐射贴片21的天线近场区域内，第一介质谐振器3与辐射贴片21耦合。具体地，第一介质谐振器3和辐射贴片21之间的距离为0.1λ～0.5λ，λ为介质谐振器天线的工作频率对应的波长长度。也就是说，本实施例的介质谐振器是通过辐射贴片的近场在馈电。

进一步地，还包括放置板8，放置板8通过支撑件4设置于介质基板1设有辐射贴片21和馈电线22的一面的上方，第一介质谐振器3设置于放置板8远离介质基板1的一面上；结合图3所示，放置板8对应第一介质谐振器3的位置设有通孔9。

本实施例中，放置板8的横截面呈矩形，放置板8的四个角落处分别设有连接孔(图中未示出)，放置板8通过连接孔与支撑件4连接。支撑件4与放置板8的连接处位于支撑件4的两端之间。

通过设置放置板和支撑件能够起到支架的作用，保持第一介质谐振器与介质基板上的辐射贴片之间的间隔，且在放置板与第一介质谐振器对应的位置处设置通孔，在对第一介质谐振器起支撑作用的同时，保证了天线工作不被影响。

其中，放置板的材质可为塑料，介电常数为2-4。采用低介电常数的塑料板作为放置板，能够有效地降低放置板对天线性能的影响。

本实施例中，通孔9的形状可为矩形。在其他可选的实施例中，通孔9也可为其他形状，最好在保证第一介质谐振器3被支撑在放置板8上的同时，使第一介质谐振器3的漏出面尽可能大。优选地，辐射贴片21在放置板8上的投影位于通孔9内，且辐射贴片21的中心点在放置板8上的投影与第一介质谐振器3的中心点在放置板8上的投影重合。

图7为不同高度的介质谐振器天线的最大增益示意图，图中示出了当介质谐振器天线中的介质谐振器的长度和宽度均为10mm，高度为5.5mm、6.5mm、7.5mm、8.5mm、9.5mm时的最大增益，可以看出，不同高度的介质谐振器天线的最大增益不一样，随着介质谐振器高度的增加，天线最大增益也随之增大。

本实施例中，第一介质谐振器和各第二介质谐振器的形状均为长方体，介电常数均为4；第一介质谐振器的尺寸为10mm×10mm×5.5mm，各第二介质谐振器的尺寸均为10mm×10mm×1mm。

如图1所示，当第二介质谐振器5在旋转轴的长度方向上均与第一介质谐振器3错开，即第二介质谐振器5都没有旋转至第一介质谐振器3的上方，则介质谐振器天线中的介质谐振器的高度即为第一介质谐振器3的高度，即5.5mm，此时的天线最大增益为7.3dB。

如图8所示，当最靠近第一介质谐振器3的第二介质谐振器5旋转至第一介质谐振器3的上方，其他第二介质谐振器5都没有旋转至第一介质谐振器3的上方，则介质谐振器天线中的介质谐振器的高度即为第一介质谐振器3和一个第二介质谐振器5的高度之和，即5.5+1＝6.5mm，此时的天线最大增益为8.1dB。

以此类推，当第二介质谐振器依次旋转至第一介质谐振器的上方时，介质谐振器的整体高度依次增加，天线最大增益也依次提升。

也就是说，当要提升天线最大增益时，则依次将第二介质谐振器旋转至第一介质谐振器的上方，以增高整体介质谐振器的高度，从而提高天线最大增益。其中，第二介质谐振器在旋转轴的长度方向上越靠近第一介质谐振器，其旋转优先级越高，即需要先旋转靠近第一介质谐振器的第二介质谐振器，保证第二介质谐振器可直接与第一介质谐振器相接，或通过其他第二介质谐振器与第一介质谐振器相接。

同理，当要降低天线最大增益时，则按照与上述相反的顺序，依次将第二介质谐振器旋转出第一介质谐振器的上方，使其不会通过其他第二介质谐振器与第一介质谐振器相接，也不会直接与第一介质谐振器相接，以降低整体介质谐振器的高度，从而降低天线最大增益。

图9为增益与波束宽度的关系示意图，可以看出，不同增益下的波束宽度不一样，增益低时波束宽度宽，增益高时波束宽度窄。因此，本实施例的介质谐振器天线在实现增益可调的同时，还实现了波束宽度可调。根据场景需求，可调节不同的天线增益和波束宽度。

本实施例通过设计分层的第二介质谐振器，并通过调整第二介质谐振器的位置以调整整体介质谐振器的高度，从而实现增益可调的天线。

通过旋转第二介质谐振器使其与第一介质谐振紧密贴合，以增加整体介质谐振器的高度，从而提升天线增益，进而降低对天线模组中射频芯片的发射放大器的功率要求，使得芯片设计上可以用低增益的放大器替代原先高增益的放大器，达到降低芯片成本的目的。

综上所述，本发明提供的一种增益可调的介质谐振器天线及电子设备，通过在第一介质谐振器的上方设置分层且可旋转的第二介质谐振器，可通过调整第二介质谐振器的位置以调整整体介质谐振器的高度，从而实现增益可调的天线；通过提高天线增益，可降低对天线模组中射频芯片的放大器的要求，从而降低芯片成本，并降低芯片设计复杂度；通过辐射贴片的近场对介质谐振器进行馈电，可简化馈电结构，降低制造成本；通过设置放置板并与支撑件配合可起到支架的作用，保持第一介质谐振器与介质基板上的辐射贴片之间的间隔，且在放置板与第一介质谐振器对应的位置处设置通孔，在对第一介质谐振器起支撑作用的同时，保证了天线工作不被影响；通过采用低介电常数的金属螺杆和金属螺母来作为支撑件和旋转件，可在保证结构稳定性的同时，降低支撑件和旋转件对介质谐振器天线辐射的影响；通过采用低介电常数的塑料板作为放置板，能够有效地降低放置板对天线性能的影响。

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)

1.一种增益可调的介质谐振器天线，其特征在于，包括介质基板、馈电结构、第一介质谐振器、支撑件以及至少一个的第二介质谐振器；所述馈电结构设置于所述介质基板上，所述第一介质谐振器与所述馈电结构耦合；所述支撑件的一端设置于所述介质基板上，所述至少一个的第二介质谐振器可旋转地设置于所述支撑件的另一端；所述至少一个的第二介质谐振器沿旋转轴的长度方向依次排列，所述旋转轴为所述支撑件的中心轴，且各第二介质谐振器与所述第一介质谐振器在所述旋转轴的长度方向上的距离分别为两者之间的第二介质谐振器的高度之和，使得所述至少一个的第二介质谐振器均旋转至所述第一介质谐振器的上方时，所述第一介质谐振器和所述至少一个的第二介质谐振器依次层叠且抵接，且所述至少一个的第二介质谐振器在所述介质基板上的投影与所述第一介质谐振器在所述介质基板上的投影重合；各第二介质谐振器的截面形状分别与第一介质谐振器的截面形状相同且面积相等，使得拼接形成的介质谐振器的形状与拼接前的介质谐振器的形状一致；所述支撑件的材质为金属，所述支撑件的介电常数为2-4。

2.根据权利要求1所述的增益可调的介质谐振器天线，其特征在于，还包括与各第二介质谐振器一一对应的旋转件和连接部，所述旋转件可旋转地设置于所述支撑件上，所述连接部的一端与所述旋转件连接，所述连接部的另一端与所述第二介质谐振器连接。

3.根据权利要求2所述的增益可调的介质谐振器天线，其特征在于，所述第二介质谐振器与所述连接部一体成型。

4.根据权利要求1所述的增益可调的介质谐振器天线，其特征在于，所述支撑件的数量与所述第二介质谐振器的数量一致，各第二介质谐振器分别一一对应地设置于各支撑件的另一端。

5.根据权利要求1所述的增益可调的介质谐振器天线，其特征在于，所述馈电结构包括辐射贴片和馈电线，所述辐射贴片和馈电线设置于所述介质基板的同一面上，所述馈电线与所述辐射贴片连接，所述第一介质谐振器位于所述辐射贴片的天线近场区域内，所述第一介质谐振器与所述辐射贴片耦合。

6.根据权利要求5所述的增益可调的介质谐振器天线，其特征在于，所述第一介质谐振器和所述辐射贴片的距离为0.1λ~0.5λ，λ为波长长度。

7.根据权利要求5所述的增益可调的介质谐振器天线，其特征在于，还包括放置板，所述放置板通过所述支撑件设置于所述介质基板的上方，所述第一介质谐振器设置于所述放置板远离所述介质基板的一面上；所述放置板对应所述第一介质谐振器的位置设有通孔。

8.根据权利要求7所述的增益可调的介质谐振器天线，其特征在于，所述放置板的材质为塑料，所述放置板的介电常数为2-4。

9.根据权利要求1所述的增益可调的介质谐振器天线，其特征在于，所述第一介质谐振器和各第二介质谐振器的形状均为长方体，介电常数均为4。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的增益可调的介质谐振器天线。