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；所述介质谐振器的底面半径为3mm，高度为3mm，介电常数为21。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：可提高介质谐振器天线的增益，同时增加带宽。

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。

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。

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，

所述第一公式为

所述第二公式为

f₁₂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，X₁₂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。

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。

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。

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。

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。

进一步地，所述介质谐振器、各辐射体和金属套筒同心。

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。

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。

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。

进一步地，所述辐射体为辐射贴片。

由上述描述可知，采用辐射贴片，可减小天线体积。

本发明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。

实施例一

请参照图1-10，本发明的实施例一为：一种高增益宽带天线结构，可应用于5G毫米波终端。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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HEM₁₂模式(HEM₁₂≈TM₁₂+TE₁₁，即HEM₁₂模式为TM₁₂与TE₁₁的混合模式，其中TM₁₂占优，即主模式为TM₁₂模式)，两个辐射体均工作于TM₁₂模式。即在主模为TM₁₂模式的DRA(介质谐振器天线)上加载两个同为TM₁₂辐射的天线，那么将进一步增强DRA的TM₁₂模式，从而提升DRA增益，又因为引入的多个TM₁₂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。

然而实践发现引入两个TM₁₂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(TM₁₁模式)，带宽明显增强，并且增益大幅度提升。

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。

本实施例中，TM₁₂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TM₁₂模式。当然也可采用一些主模为TM₁₂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。

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。

第一公式：

第二公式：

其中，f₁₂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，X₁₂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。

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。

图4-6示出了介质谐振器在28GHz时的模式图HEM₁₂，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。

图7示出了两个环形辐射体的TM₁₂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。

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TM₁₁模式。

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)。

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。

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。

综上所述，本发明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。本发明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。

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。