高增益毫米波介质谐振器天线模组及电子设备的制作方法

1.本实用新型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天线模组及电子设备。


背景技术：

2.5g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。
3.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。
4.因此，如何提高天线增益成为有待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型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天线模组及电子设备，可提高天线增益。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种高增益毫米波介质谐振器天线模组，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；所述天线单元包括介质谐振器，所述介质谐振器设置于所述天线地层上，且覆盖所述馈电缝隙；所述介质谐振器的形状为圆柱体形，所述介质谐振器的底面半径为2.8mm，高度为1.5mm。
7.进一步地，所述基板还包括第二介质层，所述第二介质层设置于所述天线地层远离所述第一介质层的一面上；所述介质谐振器内嵌于所述第二介质层中。
8.进一步地，所述第二介质层设有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。
9.进一步地，所述第二介质层为fr4板，介电常数为4.4。
10.进一步地，所述第一介质层为rogers 4350板，介电常数为3.66。
11.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。
12.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。
13.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。
14.进一步地，相邻两个天线单元的间距为6.5mm。
15.本实用新型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天线模组。
16.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，使得介质谐振器通过馈电缝隙激励可激发出高次模模式，从而实现高增益。
附图说明
17.图1为本实用新型实施例一的高增益毫米波介质谐振器天线模组的结构示意图；
18.图2为本实用新型实施例一的高增益毫米波介质谐振器天线模组的顶面示意图；
19.图3为本实用新型实施例一的高增益毫米波介质谐振器天线模组的侧面示意图(去除bga焊球后)；
20.图4为本实用新型实施例一的高增益毫米波介质谐振器天线模组的底面示意图；
21.图5为本实用新型实施例一的高增益毫米波介质谐振器天线模组与手机主板结合的示意图；
22.图6为本实用新型实施例一的高增益毫米波介质谐振器天线模组的s参数图；
23.图7为本实用新型实施例一的高增益毫米波介质谐振器天线模组的方向图；
24.图8为28ghz时介质谐振器的xoy面的电场分布图；
25.图9为28ghz时介质谐振器的zox面的电场分布图；
26.图10为28ghz时介质谐振器的xoy面的磁场分布图。
27.标号说明：
28.1、基板；2、介质谐振器；3、微带馈线；4、射频芯片；5、bga焊球；6、数字芯片；7、模拟芯片；
29.11、第一介质层；12、天线地层；13、第二介质层；
30.121、馈电缝隙；
31.100、天线模组；200、手机主板。
具体实施方式
32.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。
33.请参阅图1，一种高增益毫米波介质谐振器天线模组，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；所述天线单元包括介质谐振器，所述介质谐振器设置于所述天线地层上，且覆盖所述馈电缝隙；所述介质谐振器的形状为圆柱体形，所述介质谐振器的底面半径为2.8mm，高度为1.5mm。
34.从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：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。
35.进一步地，所述基板还包括第二介质层，所述第二介质层设置于所述天线地层远离所述第一介质层的一面上；所述介质谐振器内嵌于所述第二介质层中。
36.进一步地，所述第二介质层设有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。
37.由上述描述可知，通过将介质谐振器内嵌在第二介质层中，可降低介质谐振器的安装复杂度；基板可仅由两层板构成，降低了成本。
38.进一步地，所述第二介质层为fr4板，介电常数为4.4。
39.由上述描述可知，由于第二介质层仅作为夹具固定介质谐振器，因此第二介质层上可没有任何电路。
40.进一步地，所述第一介质层为rogers 4350板，介电常数为3.66。
41.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。
42.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。
43.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。
44.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。
45.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。
46.进一步地，相邻两个天线单元的间距为6.5mm。
47.由上述描述可知，通过优化天线单元之间的距离，可降低天线单元间的耦合。
48.本实用新型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天线模组。
49.实施例一
50.请参照图1-10，本实用新型的实施例一为：一种高增益毫米波介质谐振器天线模组，可应用于5g毫米波终端或小基站。
51.如图1所示，包括基板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，四个天线单元呈2
×
2的阵列分布。
52.结合图1-3所示，所述基板包括依次层叠的第一介质层11、天线地层12和第二介质层13，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。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。所述天线单元包括介质谐振器2，所述介质谐振器2内嵌在所述第二介质层13中并设置在所述天线地层12上，且覆盖对应同一天线单元的馈电缝隙121。
53.具体地，第二介质层设有与各天线单元一一对应的通孔，本实施例中即设有4个通孔，通孔贯穿第二介质层，且分别与各天线单元的介质谐振器相适配；各天线单元的介质谐振器分别固定于各通孔中。
54.进一步地，基板可通过混压工艺制得，即第一介质层、天线地层和第二介质层一体成型设置。通过将介质谐振器内嵌在第二介质层中，可降低介质谐振器的安装复杂度。由于第二介质层仅作为夹具固定介质谐振器，因此第二介质层上没有任何电路。
55.优选地，所述第一介质层为rogers 4350板，介电常数为3.66；所述第二介质层为
fr4板，介电常数为4.4；所述介质谐振器的介电常数为21。
56.由于考虑到fr4在pcb工艺中只可以实现圆孔，因此，介质谐振器的形状为圆柱体形。优选地，所述介质谐振器的底面半径为2.8mm，高度为1.5mm。
57.优选地，相邻两个天线单元的间距为6.5mm，即相邻两个介质谐振器的轴心之间的距离为6.5mm。通过设置合适的天线单元之间的距离，可降低天线单元间的耦合。
58.如图4所示，还包括与各天线单元一一对应的微带馈线3以及射频芯片4，微带馈线4和射频芯片4设置于所述第一介质层11远离所述天线地层的一面上，所述微带馈线3的一端与所述射频芯片4连接，所述微带馈线3的另一端与对应同一天线单元的馈电缝隙121耦合。
59.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4所示，本实施例中，第一介质层11远离天线地层的一面上还设有bga焊球5，bga焊球5通过连接线连接射频芯片4。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5所示，该天线模组100通过bga焊球5与手机主板200上的传输线连接，模拟芯片7和数字芯片6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6和模拟芯片7的连接。
60.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。
61.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。
62.图6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7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13.2dbi。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3dbi以上。
63.图8-10显示了天线在28ghz时的模式图hem
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，其中，图8为28ghz时介质谐振器的xoy面的电场分布图，图9为28ghz时介质谐振器的zox面的电场分布图，图10为28ghz时介质谐振器的xoy面的磁场分布图，图8-10中的坐标轴方向可参照图7，即圆柱体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。从图中可以看出，介质谐振器工作在hem
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的高次模。
64.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。
65.综上所述，本实用新型提供的一种高增益毫米波介质谐振器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，且基板可通过混压工艺制得，通过将介质谐振器内嵌在第二介质层中，可降低介质谐振器的安装复杂度。本实用新型可覆盖5g的n261频段，且具有高增益。
66.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。