超宽带介质谐振器天线及电子设备
阅读说明：本技术 超宽带介质谐振器天线及电子设备 (Ultra-wideband dielectric resonator antenna and electronic equipment ) 是由 赵伟 唐小兰 戴令亮 谢昱乾 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超宽带介质谐振器天线及电子设备,包括基板和介质谐振器,所述基板包括层叠的接地层和介质层,所述介质谐振器设置于所述接地层上；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和第二介质谐振器的形状均为直三棱柱,所述直三棱柱的底面为直角三角形,所述第一介质谐振器和第二介质谐振器通过直角重合连接；所述第一介质谐振器和第二介质谐振器的馈电方式不同。本发明通过将不同馈电方式的介质谐振器组合在一起,以激发多个辐射模式,从而增加带宽。(The invention discloses an ultra-wideband dielectric resonator antenna and electronic equipment, which comprise a substrate and a dielectric resonator, wherein the substrate comprises a stacked grounding layer and a dielectric layer; the dielectric resonators comprise a first dielectric resonator and a second dielectric resonator, the first dielectric resonator and the second dielectric resonator are both in the shape of a right triangular prism, the bottom surface of the right triangular prism is a right triangle, and the first dielectric resonator and the second dielectric resonator are connected in a right-angle overlapping mode; the first dielectric resonator and the second dielectric resonator have different feeding modes. The invention combines the dielectric resonators with different feeding modes to excite a plurality of radiation modes, thereby increasing the bandwidth.)
技术领域
本发明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。
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)和n261(27.5-28.35GHz)以及新增的n259(39.5-43GHz)，需要设计宽带或者双频天线来覆盖这些频段。
目前毫米波WiFi频段已到60GHz，5G毫米波天线与60GHz WiFi天线如果用两个天线实现频带，将使终端空间减小，如果单一天线可覆盖5G毫米波频段和60GHz WiFi频段，则可避免多天线占用过多的终端空间，所以要求设计出超宽带天线覆盖上述频段。
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、线宽和线距的精度要求高，加工难度大。
介质谐振器具有损耗小，高辐射效率等优点，介质谐振器天线相比基于PCB的常规毫米波宽带天线，具有体积小、成本低的优点。但是，介质谐振器天线的相对带宽通常比较小，无法满足宽频要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种超宽带介质谐振器天线及电子设备，可增加带宽，实现宽频特性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种超宽带介质谐振器天线，包括基板和介质谐振器，所述基板包括层叠的接地层和介质层，所述介质谐振器设置于所述接地层上；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和第二介质谐振器的形状均为直三棱柱，所述直三棱柱的底面为直角三角形，所述第一介质谐振器和第二介质谐振器通过直角重合连接；所述第一介质谐振器和第二介质谐振器的馈电方式不同。
本发明还提出一种电子设备，包括如上所述的一种超宽带介质谐振器天线。
本发明的有益效果在于：通过将不同馈电方式的介质谐振器组合在一起，以激发多个辐射模式，从而增加带宽，实现宽频特性。
附图说明
图1为本发明实施例一的超宽带介质谐振器天线的结构示意图；
图2为本发明实施例一的超宽带介质谐振器天线的左视示意图；
图3为本发明实施例一的超宽带介质谐振器天线的俯视示意图；
图4为本发明实施例二的超宽带介质谐振器天线的结构示意图；
图5为本发明实施例二的超宽带介质谐振器天线的俯视示意图；
图6为天线1和天线2的S参数示意图；
图7为本发明实施例的超宽带介质谐振器天线的S参数示意图。
标号说明：
1、基板；2、介质谐振器；3、馈电线；4、馈电探针；5、微带线；
11、接地层；12、介质层；
111、通孔；112、馈电缝隙；113、开槽；
121、金属化孔；
21、第一介质谐振器；22、第二介质谐振器。
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1，一种超宽带介质谐振器天线，包括基板和介质谐振器，所述基板包括层叠的接地层和介质层，所述介质谐振器设置于所述接地层上；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和第二介质谐振器的形状均为直三棱柱，所述直三棱柱的底面为直角三角形，所述第一介质谐振器和第二介质谐振器通过直角重合连接；所述第一介质谐振器和第二介质谐振器的馈电方式不同。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过将不同馈电方式的介质谐振器组合在一起，以激发多个辐射模式，从而增加带宽。
进一步地，所述直角三角形的两条直角边的边长分别为0.21λ-0.23λ和0.31λ-0.35λ，所述直三棱柱的高为0.13λ-0.16λ，λ为28GHz对应的波长长度；所述介质谐振器的介电常数为10。
由上述描述可知，通过优化介质谐振器的形状、尺寸和介电常数，使得本实发明的天线除了可覆盖5G毫米波频段外，还可覆盖60GHz WiFi频段，实现单一天线覆盖5G毫米波频段和60GHz WiFi频段，从而可节省终端空间，提高终端空间的利用率。
进一步地，所述第一介质谐振器的馈电方式为探针馈电，所述第二介质谐振器的馈电方式为缝隙耦合馈电或共面波导馈电。
进一步地，还包括馈电线和馈电探针，所述馈电线设置于所述介质层远离接地层的一面上；所述馈电探针设置于所述基板上，且靠近所述第一介质谐振器；所述接地层上设有通孔，所述介质层中设有金属化孔，所述馈电探针的一端穿过所述通孔与所述金属化孔的一端连接，所述金属化孔的另一端与所述馈电线连接。
进一步地，所述通孔与所述金属化孔同心；所述第一通孔的孔径大于所述馈电探针的直径。
由上述描述可知，避免馈电探针接触到接地层。
进一步地，所述接地层上设有馈电缝隙，所述第二介质谐振器覆盖所述馈电缝隙，所述馈电线与所述馈电缝隙耦合。
进一步地，所述馈电缝隙呈L型，所述第二介质谐振器的直角边覆盖所述馈电缝隙。
由上述描述可知，第二介质谐振器的馈电方式为缝隙耦合馈电；通过让馈电缝隙沿着第二介质谐振器底面的两个直角边设置，可增大天线耦合。
进一步地，所述接地层上设有开槽；还包括微带线，所述微带线设置于所述介质层上，且位于所述开槽中；所述微带线的一端通过所述金属化孔与所述馈电线连接，所述第二介质谐振器覆盖部分所述微带线。
进一步地，所述开槽和微带线均呈T型，所述第二介质谐振器的直角边覆盖部分微带线，所述微带线被第二介质谐振器覆盖的部分呈L型。
由上述描述可知，第二介质谐振器的馈电方式为共面波导馈电；通过让呈L型的部分微带线沿着第二介质谐振器底面的两个直角边设置，可增大天线耦合。
本发明还提出一种电子设备，包括如上所述的一种超宽带介质谐振器天线。
实施例一
请参照图1-3，本发明的实施例一为：一种超宽带介质谐振器天线，可适用于5G毫米波通信系统。
如图1所示，包括基板1和介质谐振器2，所述基板1包括层叠的接地层11和介质层12，所述介质谐振器2设置于所述接地层11上；所述介质谐振器2包括第一介质谐振器21和第二介质谐振器22，第一介质谐振器21和第二介质谐振器22的形状均为直三棱柱，所述直三棱柱的底面为直角三角形，第一介质谐振器21和第二介质谐振器22通过直角重合连接；其中，第一介质谐振器和第二介质谐振器以重合部分为中心，180°旋转对称。所述第一介质谐振器21和第二介质谐振器22的馈电方式不同。通过将不同馈电方式的介质谐振器组合在一起，以激发多个辐射模式，从而增加带宽，实现宽频特性。
本实施例中，第一介质谐振器21和第二介质谐振器22的尺寸相同。具体地，所述直角三角形的两条直角边的边长分别为0.21λ-0.23λ和0.31λ-0.35λ，所述直三棱柱的高为0.13λ-0.16λ，λ为波长长度。进一步地，λ为28GHz对应的波长长度，即λ＝(3×108)/(28×109)＝0.0107m＝10.7mm。优选地，本实施例中，所述直角三角形的两条直角边的边长分别为2.39mm和3.50mm，所述三棱柱的高为1.50mm。所述介质谐振器的介电常数为10，即第一介质谐振器和第二介质谐振器的介电常数均为10。
通过优化介质谐振器的形状、尺寸和介电常数，使得本实施例的天线除了可覆盖5G毫米波频段外，还可覆盖60GHz WiFi频段，实现单一天线覆盖5G毫米波频段和60GHzWiFi频段，从而可节省终端空间，提高终端空间的利用率。
进一步地，对于馈电方式，本实施例中，第一介质谐振器21采用探针馈电，第二介质谐振器22采用缝隙耦合馈电。
具体地，对于第一介质谐振器的馈电结构，如图2所示，还包括馈电线3和馈电探针4，所述馈电线3设置于所述介质层12远离接地层11的一面上；所述馈电探针4设置于所述基板上，且靠近第一介质谐振器21。本实施例中，结合图3所示，馈电探针4位于第一介质谐振器21的一侧，且紧贴于第一介质谐振器21的一侧面，所述一侧面为短直角边对应的侧面。
如图2所示，所述接地层11上设有通孔111，所述介质层12中设有金属化孔121，所述通孔111与所述金属化孔121同心；所述馈电探针4位于所述金属化孔121的上方，所述馈电探针4的一端穿过所述通孔111与所述金属化孔121的一端连接，所述金属化孔121的另一端与所述馈电线3的连接。其中，所述通孔的孔径大于所述馈电探针的直径，以避免馈电探针接触到接地层。
对于第二介质谐振器的馈电结构，如图3所示，所述接地层11上设有馈电缝隙112，所述第二介质谐振器22覆盖所述馈电缝隙112，所述馈电线3与所述馈电缝隙112耦合。
本实施例中，馈电缝隙呈L型，第二介质谐振器22的直角边覆盖馈电缝隙112。具体地，馈电缝隙包括依次连接的第一分支和第二分支，所述第一分支与第二分支垂直，第一分支的长度方向与第二介质谐振器的底面的一直角边(长直角边)平行，且所述一直角边(长直角边)覆盖第一分支；第二分支的长度方向与所述第二介质谐振器的底面的另一直角边(短直角边)平行，且所述另一直角边(短直角边)覆盖第二分支。其中，第二介质谐振器的直角边可仅覆盖部分馈电缝隙，本实施例中，第二介质谐振器的长直角边覆盖部分第一分支。
通过让馈电缝隙沿着第二介质谐振器底面的两个直角边设置，可增大天线耦合。
进一步地，馈电线的长度方向与第二分支的长度方向相同，第二分支在介质层上的投影与馈电线在介质层上的投影重叠，从而实现馈电线和馈电缝隙之间的耦合。
实施例二
请参照图4-5，本实施例是实施例一中第二介质谐振器的馈电方式的另一种实现方式，本实施例中，第二介质谐振器采用共面波导馈电。
具体地，如图4-5所示，所述接地层11上设有开槽113；还包括微带线5，所述微带线5设置于所述介质层12上，且位于所述开槽113中；微带线5与接地层11之间存在间隙。所述微带线5的一端通过介质层12中的金属化孔(图中未示出)与馈电线3连接，第二介质谐振器22覆盖部分所述微带线5。
本实施例中，所述开槽113和微带线5均呈T型，所述第二介质谐振器22的直角边覆盖部分微带线5，所述微带线5被第二介质谐振器22覆盖的部分呈L型。具体地，所述微带线包括第一线段和第二线段，第二线段的一端连接第一线段的中间部分，且第一线段与第二线段垂直；第二线段的长度方向与第二介质谐振器的底面的一直角边(长直角边)平行，第一线段的长度方向与第二介质谐振器的底面的另一直角边(短直角边)平行；第一线段的一端通过金属化孔与馈电线连接，第一线段的另一端与第二线段组合可得到L型的线段，第二介质谐振器的一直角边(长直角边)覆盖第二线段，第二介质谐振器的另一直角边(短直角边)覆盖第一线段的另一端。
通过让呈L型的部分微带线沿着第二介质谐振器底面的两个直角边设置，可增大天线耦合。
进一步地，本实施例中，金属化孔可为实施例一中的金属化孔，即馈电探针和微带线通过同一金属化孔与馈电线连接。接地层上的通孔可与开槽重叠；馈电线可仅延伸至金属化孔下方，即金属化孔的另一端与馈电线的一端连接，馈电线的另一端延伸至基板的边缘，并与馈电端口(图中未示出)连接。
假设将第一介质谐振器和第二介质谐振器分别作为两个天线的辐射体，其中，第一介质谐振器对应天线1，第二介质谐振器对应天线2，则天线1和天线2的S参数图如图6所示，从图中可以看出，天线1激发的是TEx111模式(ZOX横截面的TE111模式)，天线2激发的是TEy111(ZOY横截面的TE111模式)和缝隙辐射模式。其中，基板的平面与XOY平面平行，第一介质谐振器和第二介质谐振器的长直角边与X轴方向平行，第一介质谐振器和第二介质谐振器的短直角边与Y轴方向平行，第一介质谐振器和第二介质谐振器的高度方向与Z轴方向平行。
第一介质谐振器和第二介质谐振器组合后的天线，即上述实施例中的超宽带介质谐振器天线的S参数图如图7所示，可以发现其覆盖了目前5G毫米波所有频段和60GHz WiFi频段。其中，对比图6和图7，可以发现，图7中24-40GHz的谐振频率与图6中天线1和天线2的谐振频率相同，而天线1和天线2的谐振频率对应的辐射模式是TEx111、TEy111和缝隙辐射模式，但图7中还多出了55-60GHz的辐射，其为组合后的天线多出来的阻抗匹配，经过场分布观察，发现其辐射模式为TEx113高次模模式，即55-60GHz是TEx113辐射模式所激发出的带宽。
从上述描述可知，本发明的超宽带介质谐振器天线覆盖了n258(24.25-27.25GHz)、n257(26.5-29.5GHz)和n260(37-40GHz)频段，还覆盖了60GHz WiFi频段。
综上所述，本发明提供的一种超宽带介质谐振器天线及电子设备，通过将不同馈电方式的介质谐振器组合在一起，以激发多个辐射模式，从而增加带宽，实现宽频特性；通过优化介质谐振器的形状、尺寸和介电常数，使得本发明的天线除了可覆盖5G毫米波频段外，还可覆盖60GHz WiFi频段，实现单一天线覆盖5G毫米波频段和60GHz WiFi频段，从而可节省终端空间，提高终端空间的利用率。
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。
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