CN215600548U - 超宽带介质谐振器天线模组及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超宽带介质谐振器天线模组及电子设备，包括介质基板和至少一个的天线单元，所述介质基板包括相对的第一面和第二面，所述天线单元包括介质谐振器，所述介质谐振器设置于所述介质基板的第一面上；所述介质谐振器的形状为三棱柱，所述三棱柱的底面为等腰三角形，所述等腰三角形的高为0.36λ‑0.4λ，所述介质谐振器的高为0.36λ‑0.4λ，λ为波长长度。本实用新型可增加天线带宽，覆盖频段广。

Description

超宽带介质谐振器天线模组及电子设备

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种超宽带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、大规模机器通信和高可靠低延时通信。这三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。但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)。

基于PCB的常规毫米波宽带天线，无论天线形式是Patch(贴片)，Dipole(偶极子)，slot(缝隙)等，因为带宽要求覆盖n257、n258和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。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种超宽带介质谐振器天线模组及电子设备，覆盖频段广。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种超宽带介质谐振器天线模组，包括介质基板和至少一个的天线单元，所述介质基板包括相对的第一面和第二面，所述天线单元包括介质谐振器，所述介质谐振器设置于所述介质基板的第一面上；所述介质谐振器的形状为三棱柱，所述三棱柱的底面为等腰三角形，所述等腰三角形的高为0.36λ-0.4λ，所述介质谐振器的高为0.36λ-0.4λ，λ为波长长度。

进一步地，所述等腰三角形的顶角为30°，所述等腰三角形的高为4mm；所述介质谐振器的高为4mm。

进一步地，所述介质谐振器的介电常数为10。

进一步地，所述介质基板中设有贯穿所述介质基板的与各天线单元一一对应的第一过孔；所述天线单元还包括馈电结构，所述馈电结构包括馈电探针和馈电线；所述馈电探针设置于所述介质基板的第一面上，且靠近所述介质谐振器的一侧面，所述一侧面为所述等腰三角形的底边对应的侧面；所述馈电线设置于所述介质基板的第二面上；所述馈电探针通过所述第一过孔与所述馈电线的一端连接。

进一步地，所述馈电探针的高度为1.7mm。

进一步地，所述介质基板中设有贯穿所述介质基板的与各天线单元一一对应的第一过孔；所述天线单元还包括馈电结构，所述馈电结构包括金属层和馈电线；所述金属层设置于所述介质谐振器的一侧面上，且靠近所述介质基板的第一面，所述一侧面为所述等腰三角形的底边对应的侧面；所述馈电线设置于所述介质基板的第二面上；所述金属层通过所述第一过孔与所述馈电线的一端连接。

进一步地，所述金属层为镀铜层或镀银层；所述金属层的厚度小于50μm，长度为1.65-1.75mm。

进一步地，还包括射频芯片、数字芯片和电源芯片，所述射频芯片、数字芯片和电源芯片设置于所述介质基板的第二面上，所述数字芯片和电源芯片分别与所述射频芯片连接，所述射频芯片分别与各天线单元的馈电结构中的馈电线的另一端连接。

进一步地，还包括第一低频线和第二低频线，所述第一低频线和第二低频线设置于所述介质基板的第一面上；所述介质基板中设有贯穿所述介质基板的第二过孔、第三过孔、第四过孔和第五过孔；所述第一低频线的一端通过所述第二过孔与所述射频芯片连接，所述第一低频线的另一端通过所述第三过孔与所述数字芯片连接；所述第二低频线的一端通过所述第四过孔与所述射频芯片连接，所述第二低频线的另一端通过所述第五过孔与所述电源芯片连接。

本实用新型还提出一种电子设备，包括如上所述的超宽带介质谐振器天线模组。

本实用新型的有益效果在于：通过设计介质谐振器的形状和尺寸，使其可激发多个辐射模式，从而实现超宽带。本实用新型可覆盖n257、n258、n260和n261频段，覆盖频段广，其可将毫米波阵列在终端中占有的空间变小，简化了设计难度。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的超宽带介质谐振器天线模组的结构示意图；

图2为本实用新型实施例一的超宽带介质谐振器天线模组的底面结构示意图；

图3为本实用新型实施例一的超宽带介质谐振器天线模组的俯视示意图；

图4为本实用新型实施例一的超宽带介质谐振器天线模组的S参数示意图

图5为本实施例一的超宽带介质谐振器天线模组的模式分布图，

图6为本实施例一的坐标轴指向图；

图7为介质谐振器的XOZ面(y＝0)的电场分布图；

图8为介质谐振器的XOY面(z＝4)的电场分布图；

图9为介质谐振器的XOZ面(y＝0)的电场分布图。

标号说明：

1、介质基板；2、介质谐振器；3、金属层；4、馈电线；5、射频芯片；6、数字芯片；7、电源芯片；8、第一低频线；9、第二低频线；

11、第一过孔；12、第二过孔；13、第三过孔；14、第四过孔；15、第五过孔。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、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1，一种超宽带介质谐振器天线模组，包括介质基板和至少一个的天线单元，所述介质基板包括相对的第一面和第二面，所述天线单元包括介质谐振器，所述介质谐振器设置于所述介质基板的第一面上；所述介质谐振器的形状为三棱柱，所述三棱柱的底面为等腰三角形，所述等腰三角形的高为0.36λ-0.4λ，所述介质谐振器的高为0.36λ-0.4λ，λ为波长长度。

从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：覆盖频段广；可通过一个天线模组覆盖多个频段，提升终端空间的利用率。

进一步地，所述等腰三角形的顶角为30°，所述等腰三角形的高为4mm；所述介质谐振器的高为4mm。

进一步地，所述介质谐振器的介电常数为10。

由上述描述可知，通过设计介质谐振器的尺寸和介电常数，使其可激发出多个辐射模式，辐射模式相连接形成超宽带。

进一步地，所述介质基板中设有贯穿所述介质基板的与各天线单元一一对应的第一过孔；所述天线单元还包括馈电结构，所述馈电结构包括馈电探针和馈电线；所述馈电探针设置于所述介质基板的第一面上，且靠近所述介质谐振器的一侧面，所述一侧面为所述等腰三角形的底边对应的侧面；所述馈电线设置于所述介质基板的第二面上；所述馈电探针通过所述第一过孔与所述馈电线的一端连接。

进一步地，所述馈电探针的高度为1.7mm。

由上述描述可知，通过金属探针的方式进行馈电。

进一步地，所述介质基板中设有贯穿所述介质基板的与各天线单元一一对应的第一过孔；所述天线单元还包括馈电结构，所述馈电结构包括金属层和馈电线；所述金属层设置于所述介质谐振器的一侧面上，且靠近所述介质基板的第一面，所述一侧面为所述等腰三角形的底边对应的侧面；所述馈电线设置于所述介质基板的第二面上；所述金属层通过所述第一过孔与所述馈电线的一端连接。

进一步地，所述金属层为镀铜层或镀银层；所述金属层的厚度小于50μm，长度为1.65-1.75mm。

由上述描述可知，考虑实际工艺，通过在介质体上镀金属层，以实现馈电。

进一步地，还包括射频芯片、数字芯片和电源芯片，所述射频芯片、数字芯片和电源芯片设置于所述介质基板的第二面上，所述数字芯片和电源芯片分别与所述射频芯片连接，所述射频芯片分别与各天线单元的馈电结构中的馈电线的另一端连接。

由上述描述可知，射频芯片用于为天线提供信号；数字芯片，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。

进一步地，还包括第一低频线和第二低频线，所述第一低频线和第二低频线设置于所述介质基板的第一面上；所述介质基板中设有贯穿所述介质基板的第二过孔、第三过孔、第四过孔和第五过孔；所述第一低频线的一端通过所述第二过孔与所述射频芯片连接，所述第一低频线的另一端通过所述第三过孔与所述数字芯片连接；所述第二低频线的一端通过所述第四过孔与所述射频芯片连接，所述第二低频线的另一端通过所述第五过孔与所述电源芯片连接。

由上述描述可知，通过将低频线和馈电线分别设置在介质基板的两面上，可使低频信号和射频信号分离，防止串扰。

本实用新型还提出一种电子设备，包括如上所述的超宽带介质谐振器天线模组。

实施例一

请参照图1-9，本实用新型的实施例一为：一种超宽带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1所示，包括介质基板1和至少一个的天线单元，本实施例中，以包括四个天线单元为例进行说明，四个天线单元线性排列。

所述介质基板1包括相对的第一面和第二面，所述天线单元包括介质谐振器2，所述介质谐振器2设置于所述介质基板1的第一面上；所述介质谐振器2的形状为三棱柱，且所述三棱柱的底面为等腰三角形，所述等腰三角形的高为0.36λ-0.4λ，所述介质谐振器的高为0.36λ-0.4λ，λ为谐振的中心频率的波长。

本实施例中，所述等腰三角形的顶角为30°，所述等腰三角形的高为4mm；所述介质谐振器的高为4mm。所述介质谐振器的介电常数为10。

优选地，所述介质谐振器为陶瓷介质谐振器。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。

进一步地，所述介质基板中设有贯穿所述介质基板的与各天线单元一一对应的第一过孔。所述天线单元还包括馈电结构，在其他实施例中，所述馈电结构包括馈电探针和馈电线；所述馈电探针设置于所述介质基板的第一面上，且靠近所述介质谐振器的一侧面，所述一侧面为所述等腰三角形的底边对应的侧面；所述馈电线设置于所述介质基板的第二面上；所述馈电探针通过所述第一过孔与所述馈电线的一端连接。优选地，所述馈电探针的高度为1.7mm。

而在本实施例中，考虑到工艺，天线馈电换成了在陶瓷介质体表面镀铜或镀银。也就是说，结合图1和图3所示，本实施例中，所述馈电结构包括金属层3和馈电线4；所述金属层3设置于所述介质谐振器2的一侧面上，所述一侧面为所述等腰三角形的底边对应的侧面；所述金属层3可为长条形，且长度方向沿介质谐振器2的高度方向设置；所述金属层3的下端与介质基板1上的第一过孔11连接，并通过所述第一过孔11与设置于介质基板1第二面上的馈电线4的一端连接。

优选地，所述金属层为镀铜层或镀银层。所述金属层的厚度小于50μm，长度为1.65-1.75mm，优选为1.7mm。

优选地，金属层的下端可延伸出一段，并覆盖在第一过孔上，以保证连接可靠性。

如图2所示，还包括射频芯片5、数字芯片6和电源芯片7，所述射频芯片5、数字芯片6和电源芯片7设置于所述介质基板1的第二面上，所述射频芯片5分别与各天线单元的馈电线4的另一端连接。

结合图3所示，还包括第一低频线8和第二低频线9，所述第一低频线8和第二低频线9设置于所述介质基板1的第一面上；所述介质基板1中设有贯穿介质基板1的第二过孔12、第三过孔13、第四过孔14和第五过孔15；所述第一低频线8的一端通过所述第二过孔12与所述射频芯片5连接，所述第一低频线8的另一端通过所述第三过孔13与所述数字芯片6连接；所述第二低频线9的一端通过所述第四过孔14与所述射频芯片5连接，所述第二低频线9的另一端通过所述第五过孔15与所述电源芯片7连接。即射频芯片5通过第一低频线8与数字芯片6连接，射频芯片5通过第二低频线9与电源芯片7连接。

如果将低频线和馈电线设置在介质基板的同一面，则低频信号和射频信号可能会发生串扰，因此，通过将低频线和馈电线分别设置在介质基板的两面上，可使低频信号和射频信号分离，防止串扰。

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。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3层PCB，易于加工，制造简单，成本低。具体地，介质基板包括依次层叠的第一介质层、天线地层和第二介质层；第一介质层远离天线地层的一面即上述介质基板的第一面，第一面上设有低频线路层，即第一低频线和第二低频线；第二介质层远离天线地层的一面即上述介质基板的第二面，第二面上设有天线馈电网络，即馈电线。

图4为本实施例的超宽带介质谐振器天线模组的S参数示意图，从图中可以看出，本实施例的天线模组覆盖了n257(26.5-29.5GHz)、n258(24.25-27.25GHz)、n260(37-40GHz)和n261(27.5-28.35GHz)，覆盖频段广。

图5为本实施例的天线模组的模式分布图，从图中可以看出，本实施例激发了TM^Z101、TM^X103和TM^Z113共3个辐射模式，辐射模式相连接形成超宽带。也就是说，本实施例通过激发多个模式来实现超宽带。

其中，模式按照坐标轴命名，即模式名中的X、Z指的是X轴和Z轴。本实施例的坐标轴指向可参照图6，即坐标轴的原点O为介质谐振器的一侧面的底边中心点，所述一侧面为等腰三角形的底边对应的侧面，三棱柱形的介质谐振器的底面与XOY平面平行，且底面的等腰三角形的高与X轴平行，底面的等腰三角形的底边与Y轴平行；介质谐振器的高度方向与Z轴平行。

图7-9分别为上述3个辐射模式的模式图。具体地，图7示出了TM^Z101的模式图，其为介质谐振器的XOZ面(y＝0)的电场分布图；图8示出了TM^X103的模式图，其为介质谐振器的XOY面(z＝4)的电场分布图；图9示出了TM^Z113的模式图，其为介质谐振器的XOZ面(y＝0)的电场分布图。

本实施例将毫米波阵列在终端中占有的空间变小，简化了设计难度。

综上所述，本实用新型提供的一种超宽带介质谐振器天线模组及电子设备，通过设计介质谐振器的形状、尺寸和介电常数，使其可激发多个辐射模式，从而实现超宽带；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；通过将低频线和馈电线分别设置在介质基板的两面上，可使低频信号和射频信号分离，防止串扰。本实用新型可覆盖n257(26.5-29.5GHz)、n258(24.25-27.25GHz)、n260(37-40GHz)和n261(27.5-28.35GHz)频段，覆盖频段广，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小，简化了设计难度。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种超宽带介质谐振器天线模组，其特征在于，包括介质基板和至少一个的天线单元，所述介质基板包括相对的第一面和第二面，所述天线单元包括介质谐振器，所述介质谐振器设置于所述介质基板的第一面上；所述介质谐振器的形状为三棱柱，所述三棱柱的底面为等腰三角形，所述等腰三角形的高为0.36λ-0.4λ，所述介质谐振器的高为0.36λ-0.4λ，λ为波长长度。

2.根据权利要求1所述的超宽带介质谐振器天线模组，其特征在于，所述等腰三角形的顶角为30°，所述等腰三角形的高为4mm；所述介质谐振器的高为4mm。

3.根据权利要求1所述的超宽带介质谐振器天线模组，其特征在于，所述介质谐振器的介电常数为10。

4.根据权利要求1所述的超宽带介质谐振器天线模组，其特征在于，所述介质基板中设有贯穿所述介质基板的与各天线单元一一对应的第一过孔；所述天线单元还包括馈电结构，所述馈电结构包括馈电探针和馈电线；所述馈电探针设置于所述介质基板的第一面上，且靠近所述介质谐振器的一侧面，所述一侧面为所述等腰三角形的底边对应的侧面；所述馈电线设置于所述介质基板的第二面上；所述馈电探针通过所述第一过孔与所述馈电线的一端连接。

5.根据权利要求4所述的超宽带介质谐振器天线模组，其特征在于，所述馈电探针的高度为1.7mm。

6.根据权利要求1所述的超宽带介质谐振器天线模组，其特征在于，所述介质基板中设有贯穿所述介质基板的与各天线单元一一对应的第一过孔；所述天线单元还包括馈电结构，所述馈电结构包括金属层和馈电线；所述金属层设置于所述介质谐振器的一侧面上，且靠近所述介质基板的第一面，所述一侧面为所述等腰三角形的底边对应的侧面；所述馈电线设置于所述介质基板的第二面上；所述金属层通过所述第一过孔与所述馈电线的一端连接。

7.根据权利要求6所述的超宽带介质谐振器天线模组，其特征在于，所述金属层为镀铜层或镀银层；所述金属层的厚度小于50μm，长度为1.65-1.75mm。

8.根据权利要求4-7任一项所述的超宽带介质谐振器天线模组，其特征在于，还包括射频芯片、数字芯片和电源芯片，所述射频芯片、数字芯片和电源芯片设置于所述介质基板的第二面上，所述数字芯片和电源芯片分别与所述射频芯片连接，所述射频芯片分别与各天线单元的馈电结构中的馈电线的另一端连接。

9.根据权利要求8所述的超宽带介质谐振器天线模组，其特征在于，还包括第一低频线和第二低频线，所述第一低频线和第二低频线设置于所述介质基板的第一面上；所述介质基板中设有贯穿所述介质基板的第二过孔、第三过孔、第四过孔和第五过孔；所述第一低频线的一端通过所述第二过孔与所述射频芯片连接，所述第一低频线的另一端通过所述第三过孔与所述数字芯片连接；所述第二低频线的一端通过所述第四过孔与所述射频芯片连接，所述第二低频线的另一端通过所述第五过孔与所述电源芯片连接。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的超宽带介质谐振器天线模组。

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