高增益宽带天线结构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宽带天线结构及电子设备。


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.介质谐振器具有损耗小，高辐射效率等优点；同时，由高介电常数的介质材料构成天线，在工作频率较低时具有天线结构尺寸小的优势；并且，dra(介质谐振器天线)是一个三维立体结构，设计比传统天线更加灵活。但是dra在单一模式(高次模)工作时，其相对带宽通常比较小，因此需要在不损耗增益情况下提升带宽。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种高增益宽带天线结构及电子设备，可提高介质谐振器天线的增益，同时增加带宽。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种高增益宽带天线结构，包括介质基板、介质谐振器和两个以上的辐射体，还包括金属套筒，所述介质谐振器、辐射体和金属套筒设置于所述介质基板上，所述介质谐振器的形状为圆柱体形，所述辐射体的形状为圆环形；所述介质谐振器的工作模式的主模式与所述两个以上的辐射体的工作模式相同；所述介质谐振器与各辐射体的谐振频率不同。
6.进一步地，所述介质谐振器的谐振频率和各辐射体谐振频率按照大小排序后，相邻两个谐振频率相差1ghz。
7.进一步地，所述辐射体的内圆半径和外圆半径根据第一公式和第二公式确定，
8.所述第一公式为
9.所述第二公式为
10.f
12
为辐射体的谐振频率，a为辐射体的内圆半径，b为辐射体的外圆半径，c为光速，x
12
为常量，dk为介质基板的介电常数，n1为第一类贝塞尔函数，j1为第二类贝塞尔函数。
11.进一步地，所述金属套筒的直径为λ/2，高度为λ/4，λ为所述介质谐振器的谐振频率对应的波长。
12.进一步地，所述介质谐振器和所述两个以上的辐射体位于所述金属套筒内。
13.进一步地，所述介质谐振器、各辐射体和金属套筒同心。
14.进一步地，所述介质基板包括依次层叠的第一介质层、接地层和第二介质层，所述介质谐振器、辐射体和金属套筒设置于所述第一介质层上；所述接地层上设有馈电缝隙，所述介质谐振器在所述接地层上的投影覆盖所述馈电缝隙。
15.进一步地，还包括微带线，所述微带线设置于所述第二介质层远离所述接地层的一面上，所述微带线与所述馈电缝隙耦合。
16.进一步地，所述辐射体为辐射贴片。
17.本实用新型还提出一种电子设备，包括如上所述的高增益宽带天线结构。
18.本实用新型的有益效果在于：通过设计圆柱体的介质谐振器的尺寸和介电常数，使其可激励出高次模模式，从而提高天线增益；通过加载工作模式与介质谐振器的主模式相同的辐射体，可进一步增强介质谐振器的主模式，从而进一步提高增益；同时，由于加载的辐射体的谐振频率与介质谐振器的谐振频率不同，可增加带宽；通过采用圆环形的辐射体，无需复杂的激励条件即可激发出与介质谐振器的主模式相同的工作模式，且体积小，成本低；通过设置金属套筒，可产生新的谐振，进一步增加带宽，提高增益。本实用新型可提高高次模介质谐振器天线的增益，同时增加带宽。
附图说明
19.图1为本实用新型实施例一的高增益宽带天线结构的结构示意图；
20.图2为本实用新型实施例一的高增益宽带天线结构的顶面示意图；
21.图3为本实用新型实施例一的高增益宽带天线结构的底面示意图；
22.图4为28ghz时介质谐振器的xoy面的电场分布图；
23.图5为28ghz时介质谐振器的zox面的电场分布图；
24.图6为28ghz时介质谐振器的xoy面的磁场分布图；
25.图7为两个辐射体的xoy面的电场分布图；
26.图8为本实用新型实施例一的天线结构的yoz面的电场分布图；
27.图9为加载环形微带天线和金属套筒前后的天线结构的s参数示意图；
28.图10为加载环形微带天线和金属套筒前后的天线结构的增益曲线示意图。
29.标号说明：
30.1、介质基板；2、介质谐振器；3、辐射体；4、金属套筒；5、微带线；
31.11、第一介质层；12、接地层；13、第二介质层；
32.121、馈电缝隙。
具体实施方式
33.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。
34.请参阅图1，一种高增益宽带天线结构，包括介质基板、介质谐振器和两个以上的辐射体，还包括金属套筒，所述介质谐振器、辐射体和金属套筒设置于所述介质基板上，所述介质谐振器的形状为圆柱体形，所述辐射体的形状为圆环形；所述介质谐振器的工作模式的主模式与所述两个以上的辐射体的工作模式相同；所述介质谐振器与各辐射体的谐振频率不同。
35.从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：可提高介质谐振器天线的增益，同时增加带宽。
36.进一步地，所述介质谐振器的谐振频率和各辐射体谐振频率按照大小排序后，相邻两个谐振频率相差1ghz。
37.由上述描述可知，各辐射体与介质谐振器的谐振频率相邻，有利于提升带宽。
38.进一步地，所述辐射体的内圆半径和外圆半径根据第一公式和第二公式确定，
39.所述第一公式为
40.所述第二公式为
41.f
12
为辐射体的谐振频率，a为辐射体的内圆半径，b为辐射体的外圆半径，c为光速，x
12
为常量，dk为介质基板的介电常数，n1为第一类贝塞尔函数，j1为第二类贝塞尔函数。
42.由上述描述可知，各辐射体的尺寸主要根据其自身的谐振频率和介质基板的介电常数来确定。
43.进一步地，所述金属套筒的直径为λ/2，高度为λ/4，λ为所述介质谐振器的谐振频率对应的波长。
44.由上述描述可知，通过加入金属套筒，可产生新的谐振，进一步增加带宽，提高增益。
45.进一步地，所述介质谐振器和所述两个以上的辐射体位于所述金属套筒内。
46.进一步地，所述介质谐振器、各辐射体和金属套筒同心。
47.进一步地，所述介质基板包括依次层叠的第一介质层、接地层和第二介质层，所述介质谐振器、辐射体和金属套筒设置于所述第一介质层上；所述接地层上设有馈电缝隙，所述介质谐振器在所述接地层上的投影覆盖所述馈电缝隙。
48.进一步地，还包括微带线，所述微带线设置于所述第二介质层远离所述接地层的一面上，所述微带线与所述馈电缝隙耦合。
49.由上述描述可知，通过缝隙耦合馈电的方式同时为介质谐振器和辐射体馈电。
50.进一步地，所述辐射体为辐射贴片。
51.由上述描述可知，采用辐射贴片，可减小天线体积。
52.本实用新型还提出一种电子设备，包括如上所述的高增益宽带天线结构。
53.实施例一
54.请参照图1-10，本实用新型的实施例一为：一种高增益宽带天线结构，可应用于5g毫米波终端。
55.如图1所示，包括介质基板1、介质谐振器2和两个以上的辐射体3，本实施例中以包括两个辐射体为例进行说明。所述介质基板1包括依次层叠的第一介质层11、接地层12和第二介质层13，所述介质谐振器2和辐射体3设置于所述第一介质层11上。其中，所述介质谐振器为圆柱体形，所述辐射体为圆环形。
56.进一步地，还包括金属套筒4，所述金属套筒4设置于第一介质层11上，所述介质谐振器2和辐射体3位于所述金属套筒4内。所述介质谐振器、各辐射体和金属套筒同心，即介质谐振器的轴心与金属套筒的轴心重合，各辐射体的圆心位于介质谐振器的轴心上。
57.优选地，所述介质谐振器的底面半径为3mm，高度为3mm，介电常数为21。所述辐射体为辐射贴片，即圆环形的辐射贴片。所述介质谐振器和各辐射体按照半径大小，从内向外依次排布，所述金属套筒设置在最外侧。
58.如图2所示，所述接地层上设有馈电缝隙121，所述介质谐振器2在所述接地层上的投影覆盖所述馈电缝隙121。如图3所示，还包括微带线5，所述微带线5设置于所述第二介质层13远离所述接地层的一面上，所述微带线5与所述馈电缝隙121耦合。具体地，微带线在接地层上的投影与馈电缝隙垂直相交。
59.也就是说，本实施例通过缝隙耦合馈电的方式同时为介质谐振器和多个辐射体馈电，相当于在介质谐振器天线的基础上加载了环形微带天线，即本实施例中的环形辐射体为环形微带天线中的辐射体。
60.其中，图1-3仅为示意图，半径最小的辐射体的内圆直径不一定与介质谐振器的底面直径一致。
61.进一步地，所述介质谐振器的工作模式的主模式与各辐射体的工作模式相同；所述介质谐振器与各辐射体的谐振频率不同。优选地，将介质谐振器的谐振频率和各辐射体谐振频率按照大小排序后，相邻两个谐振频率相差1ghz。例如，本实施例中，介质谐振器的谐振频率为28ghz，则两个辐射体的谐振频率分别为27ghz和29ghz，即辐射体的谐振频率与介质谐振器的谐振频率相邻，有利于提升带宽。
62.对于一般高次模圆柱体dra(介质谐振器天线)同时增加增益和带宽，外部加载相同模式辐射体是最简单的选择。例如，本实施例中，圆柱体介质谐振器工作于hem
12
模式(hem
12
≈tm
12
+te
11
，即hem
12
模式为tm
12
与te
11
的混合模式，其中tm
12
占优，即主模式为tm
12
模式)，两个辐射体均工作于tm
12
模式。即在主模为tm
12
模式的dra(介质谐振器天线)上加载两个同为tm
12
辐射的天线，那么将进一步增强dra的tm
12
模式，从而提升dra增益，又因为引入的多个tm
12
辐射的天线谐振频率与dra谐振频率相邻，因此带宽也会提升。
63.然而实践发现引入两个tm
12
模式的微带天线后，带宽恶化，增益提升不明显，因此，还设置了金属套筒，dra和微带天线耦合金属套筒，加入金属套筒后可产生新的谐振(tm
11
模式)，带宽明显增强，并且增益大幅度提升。
64.优选地，所述金属套筒的直径(内侧直径)为λ/2，高度为λ/4，λ为所述介质谐振器的谐振频率对应的波长。本实施例中λ即为28ghz对应的波长，但金属套筒激发出的谐振频率为25ghz。
65.本实施例中，tm
12
模式辐射天线采用环形微带天线，因为其尺寸有解析表达式可以计算，并且具有体积小、成本低等优点。而其他类型微带天线一般情况下需要复杂激励条件，才可激发出tm
12
模式。当然也可采用一些主模为tm
12
的波导天线(喇叭天线)或介质谐振器天线，但这些天线加载后体积较大。
66.其中，环形微带天线的辐射体的内圆半径和外圆半径根据下述的第一公式和第二公式确定。
67.第一公式：
68.第二公式：
69.其中，f
12
为所述辐射体的谐振频率，a为辐射体的内圆半径，b为辐射体的外圆半径，c为光速，x
12
为常量(通过查阅书籍和文献可得的已知常量)，dk为介质基板的介电常数，n1为第一类贝塞尔函数，j1为第二类贝塞尔函数。
70.也就是说，各辐射体的尺寸主要根据其自身的谐振频率和介质基板的介电常数来确定。
71.图4-6示出了介质谐振器在28ghz时的模式图hem
12
，其中，图4为28ghz时介质谐振器的xoy面的电场分布图，图5为28ghz时介质谐振器的zox面的电场分布图，图6为28ghz时介质谐振器的xoy面的磁场分布图。坐标轴方向参照图1，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。
72.图7示出了两个环形辐射体的tm
12
模式图，其为两个辐射体的电磁横截面(xoy面)的电场分布图，坐标轴方向参照图1。从图4和图7中可以看出，辐射体的电场分布与介质谐振器的电场分布一致，因此加强了辐射。
73.图8为整体天线结构的yoz面的电场分布图，坐标轴方向参照图1。从图中可以看出，金属套筒、环形天线和金属腔(即金属套筒内壁)形成了一个新的工作模式，即tm
11
模式。
74.图9为加载环形微带天线和金属套筒前后的天线结构的s参数示意图，从图中可以看出，加载环形微带天线和金属套筒前的天线结构仅覆盖27.5-28.5ghz，加载两个环形微带天线后的天线结构带宽增加(按损耗小于-10db算)，但从整体的s参数曲线看，s参数恶化，加入金属套筒后，可覆盖24-30ghz，即覆盖了5g频段的n257频段(26.5-29.5ghz)。
75.图10为加载环形微带天线和金属套筒前后的天线结构的增益曲线示意图，从图中可以看出，加载两个环形微带天线后，天线增益增加了1dbi以上，再加入金属套筒后，天线增益又增加了1dbi以上。
76.本实施例可以使高次模介质谐振器天线同时增加增益和带宽，且体积小，成本低，可以扩展到任意模式的圆柱体介质谐振器天线上。
77.综上所述，本实用新型提供的一种高增益宽带天线结构及电子设备，通过缝隙耦合馈电的方式同时为介质谐振器和辐射体馈电，圆柱体介质谐振器通过馈电缝隙激励，可激发高次模模式，从而提高天线增益；通过加载工作模式与介质谐振器的主模式相同的辐射体，可进一步增强介质谐振器的主模式，从而进一步提高增益；同时，由于加载的辐射体的谐振频率与介质谐振器的谐振频率不同，可增加带宽；通过采用圆环形的辐射体，无需复杂的激励条件即可激发出与介质谐振器的主模式相同的工作模式，且体积小，成本低；通过设置金属套筒，可产生新的谐振，进一步增加带宽，提高增益。本实用新型可以使高次模介质谐振器天线同时增加增益和带宽，且体积小，成本低，可以扩展到任意模式的圆柱体介质谐振器天线上。
78.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。