CN112928448B - 天线结构及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种天线结构及电子设备，属于天线技术领域。该天线结构包括：基板，基板包括相背设置的第一表面和第二表面；接地连接板，接地连接板层叠设于第一表面上，且接地连接板设有耦合缝隙；微带馈线，微带馈线包括贴合第二表面设置的第一馈线段以及伸出基板设置的第二馈线段，第一馈线段的在第一表面上的正投影贯穿耦合缝隙的在第一表面上的正投影，且第二馈线段的远离基板的端部用于与天线结构的射频芯片电连接；以及，介质体，介质体设于接地连接板的背离第二表面的端面，并对应耦合缝隙设置，且介质体通过耦合缝隙与第一馈线段耦合连接。这样可以提高天线结构的辐射效率。

Description

天线结构及电子设备
技术领域
本申请属于天线技术领域，具体涉及一种天线结构及电子设备。
背景技术
随着技术的发展，第五代移动通信技术逐渐得到广泛的应用，相比于前代通信技术，第五代通信技术可以提供更高的通信速度、更低的时延以及更多的同时连接数。而且，由于第五代移动通信拥有非常宽的通信带宽，其通信频率在20GHz以上的毫米波频段也得到了广泛应用。
目前，毫米波频段的天线信号一般是通过传统的金属天线辐射，然而在使用传统的金属天线辐射毫米波频段的天线信号时，会造成较大的能量损耗，进而影响天线信号的辐射效率。
可见，相关技术中，毫米波频段的天线信号存在辐射效率低的问题。
发明内容
本申请旨在提供一种天线结构及电子设备，能够解决相关技术中，毫米波频段的天线信号存在辐射效率低的问题。
为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提出了一种天线结构，包括：
基板，所述基板包括相背设置的第一表面和第二表面；
接地连接板，所述接地连接板层叠设于所述第一表面上，且所述接地连接板设有耦合缝隙；
微带馈线，所述微带馈线包括贴合所述第二表面设置的第一馈线段以及伸出所述基板设置的第二馈线段，所述第一馈线段的在所述第一表面上的正投影贯穿所述耦合缝隙的在所述第一表面上的正投影，且所述第二馈线段的远离所述基板的端部用于与所述天线结构的射频芯片电连接；以及，
介质体，所述介质体设于所述接地连接板的背离所述第二表面的端面，并对应所述耦合缝隙设置，且所述介质体通过所述耦合缝隙与所述第一馈线段耦合连接。
第二方面，本申请实施例提出了一种电子设备，包括如第一方面所述的天线结构。
在本申请的实施例中，通过设置与第一馈线段耦合连接的介质体，即通过设置与微带馈线耦合连接的介质体，以形成介质谐振器天线结构，可以有效降低毫米波频段的天线信号在辐射过程中的损耗，并提高毫米波频段的天线信号的辐射效率。
而且，通过将第一馈线段的在第一表面上的正投影贯穿耦合缝隙的在第一表面上的正投影设置，以实现对天线结构的阻抗匹配参数进行调整，进而降低毫米波频段的天线信号在微带馈线与介质体的耦合传输中的损耗，并达到提高毫米波频段的天线信号的辐射效率的目的。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请实施例提供的天线结构的***示意图；
图2是本申请实施例提供的天线结构的结构示意图之一；
图3是本申请实施例提供的天线结构的结构示意图之二；
图4是本申请实施例提供的接地连接板的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的介质体的仰视示意图；
图6是本申请实施例提供的介质体的主视示意图；
图7是本申请实施例提供的天线结构的回波损耗与频率的波谱图；
图8是本申请实施例提供的天线结构的最大增益与频率的波谱图；
图9是本申请实施例提供的天线结构的辐射方向图之一；
图10是本申请实施例提供的天线结构的辐射方向图之二。
具体实施方式
下面将详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
如图1至图3所示，本申请实施例提供的天线结构，包括：
基板10，基板10包括相背设置的第一表面11和第二表面12；
接地连接板20，接地连接板20层叠设于第一表面11上，且接地连接板20设有耦合缝隙21；
微带馈线30，微带馈线30包括贴合第二表面12设置的第一馈线段31以及伸出基板10设置的第二馈线段32，第一馈线段31的在第一表面11上的正投影贯穿耦合缝隙21的在第一表面11上的正投影，且第二馈线段32的远离基板10的端部用于与天线结构的射频芯片(未图示)电连接；以及，
介质体40，介质体40设于接地连接板20的背离第二表面12的端面，并对应耦合缝隙21设置，且介质体40通过耦合缝隙21与第一馈线段31耦合连接。
本实施方式中，通过设置与第一馈线段31耦合连接的介质体40，即通过设置与微带馈线30耦合连接的介质体40，以形成介质谐振器天线结构，可以有效降低毫米波频段的天线信号在辐射过程中的损耗，并提高毫米波频段的天线信号的辐射效率。
而且，通过将第一馈线段31的在第一表面11上的正投影贯穿耦合缝隙21的在第一表面11上的正投影设置，以实现对天线结构的阻抗匹配参数进行调整，进而降低毫米波频段的天线信号在微带馈线30与介质体40的耦合传输中的损耗，并达到提高毫米波频段的天线信号的辐射效率的目的。
其中，微带馈线30可延伸至耦合缝隙21的正下方，且介质体40可以正对耦合缝隙21设置，以便微带馈线30与介质体40在耦合缝隙21的位置进行耦合连接，并提高天线结构的辐射效率。
其中，可以将垂直于第一表面11的坐标轴设置为Z轴，将第一表面11中的平行于微带馈线30的坐标轴设置为Y轴，以及将第一表面11中的垂直于微带馈线30的坐标轴设置为X轴。
而且，通过设计介质体40的长宽高比尺寸，还可以激发介质体40以及其Z轴方向的高次模式，从而产生多谐振及控制相应的谐振频率，并增加天线结构的带宽。
其中，基板10为非金属板，比如罗杰斯5880板材；接地连接板20为天线结构的接地结构，其可以是叠设于基板10的第一表面11上的金属层，且金属层可以通过粘接的方式叠设在第一表面11上。
一实施例中，金属层的厚度可以是0.03毫米。
其中，介质体40可以选用介电常数为5～100之间的低损耗材料制成，比如可以选介质损耗低的非金属材料。
一实施例中，可以选用介电常数为9.8的氧化铝陶瓷作为介质体的制作材料。
这样在同等辐射效率需求下，通过选用低损耗的介质体材料，可以缩小介质体的体积，进而使天线结构可以应用在小型化的电子设备上，从而提高了天线结构的应用范围。
可选地，介质体40的朝向第一表面11的端面设有凹槽。
本实施方式中，通过在介质体40上设置凹槽，即通过引入空气填充凹槽，可以有效降低介质体40的等效介电常数，并减小其Q值，还可以达到增加天线结构的带宽的目的。
进一步可选地，凹槽包括第一凹槽41和第二凹槽42，且第一凹槽41和第二凹槽42对称设置。
本实施方式中，通过在介质体40上设置对称分布的第一凹槽41和第二凹槽42，即在介质体40上设置两个缺口，以引入空气填充第一凹槽41和第二凹槽42，可以进一步降低介质体40的等效介电常数及Q值。
而且，还可以通过调整第一凹槽41和第二凹槽42的位置和大小，调整X轴方向的高次谐振模式对应的谐振频率，以使其谐振频率位于对应的毫米波频段范围内。
其中，第一凹槽41和第二凹槽42均可以平行于第一馈线段31设置，且第一凹槽41和第二凹槽42相对于第一馈线段31对称设置，通过这样设置，可以改善毫米波频段的辐射增益。
可选地，第一馈线段31包括第一子馈线段311和第二子馈线段312，第二子馈线段312的第一端与第一子馈线段311电连接，第二子馈线段312的第二端与第二馈线段32电连接；
第一子馈线段311的在第一表面11上的正投影位于介质体40的中心线在第一表面11上的正投影的第一侧，第二子馈线段312的在第一表面11上的正投影位于中心线的在第一表面11上的正投影的第二侧；
中心线穿过介质体40的几何中心，并垂直于第一馈线段311设置；
其中，第一子馈线段311的长度与天线结构的阻抗匹配参数相关联。
本实施方式中，由于第一子馈线段311的长度与天线结构的阻抗匹配参数相关联，因此可以通过调整第一子馈线段311的长度来调整天线结构的阻抗匹配参数，并通过调整天线结构的阻抗匹配参数来改善天线结构的辐射效果。
一实施方式中，第一子馈线段311的在第一表面11上的正投影部分位于耦合缝隙21的在第一表面11上的正投影之外。
另外，还可以通过调整耦合缝隙21的位置及尺寸调整天线结构的阻抗匹配参数。
如图3至图6所示，介质体40的长宽高分别是a、b、H；介质体40的第一凹槽41和第二凹槽42关于中心对称设置，且距离中心的长度均为lxs，第一凹槽41和第二凹槽42的宽度和高度均分别为las和hs；耦合缝隙21的长度和宽度分别为Ls和Ws，微带馈线30的宽度为Wk，第一子馈线段311的长度为Lk。
在设计过程中，可以通过调整上述尺寸参数，以使天线结构可以工作在20GHz～30GHz，以及工作在37GHz～43.5GHz，并使天线结构的工作带宽可以覆盖N257、N258、N259、N260及N261等频段，且具有稳定的辐射方向，以达到改善天线结构的辐射效果的目的。
一实施方式中，上述尺寸参数具体可以是：a，3.17毫米；b，2.58毫米；H，2.13毫米；las，0.6毫米；lxs，0.76毫米；Lk，0.937毫米；Wk，0.97毫米；Ls，2.3毫米；Ws，1.73毫米；hs，1.1毫米。
如图7所示，在天线信号的辐射频率为24.059GHz的情况下，天线信号的回波损耗为-8.6272dB；在天线信号的辐射频率为27.004GHz的情况下，天线信号的回波损耗为-8.0452dB；在天线信号的辐射频率为30.206GHz的情况下，天线信号的回波损耗为-10.12dB；在天线信号的辐射频率为36.08GHz的情况下，天线信号的回波损耗为-10.214dB；在天线信号的辐射频率为43.989GHz的情况下，天线信号的回波损耗为-10.261dB。
基于上述参数可知，在天线结构工作的工作频段为24GHz～30GHz的情况下，天线结构辐射的天线信号的回波损耗均低于-8dB；在天线结构工作的工作频段为37GHz～43.5GHz的情况下，天线结构辐射的天线信号的回波损耗均低于-10dB；可见，本申请提供的天线结构在整个毫米波频段范围内均具有良好的匹配效果。
如图8所示，在天线信号的辐射频率为24.003GHz的情况下，天线信号的最大辐射方向增益为7.0317dBi；在天线信号的辐射频率为29.978GHz的情况下，天线信号的最大辐射方向增益为6.408dBi；在天线信号的辐射频率为37.053GHz的情况下，天线信号的最大辐射方向增益为5.946dBi；在天线信号的辐射频率为43.515GHz的情况下，天线信号的最大辐射方向增益为7.4594dBi。
基于上述参数可知，在天线结构工作的工作在24GHz～30GHz及37GHz～43.5GHz的频段范围内的情况下，天线结构的天线信号的最大辐射方向增益均在6dBi～7.5dBi，即天线信号具有稳定的方向增益。
图9为天线信号的辐射频率为28GHz的情况下，天线信号在XOY平面内的辐射方向图；图10为天线信号的辐射频率为39GHz的情况下，天线信号在XOY平面内的辐射方向图。如图9和图10可知，天线信号的辐射方向图均相对稳定，即本申请实施例提供的天线结构具有良好的辐射效果，并可以满足实际需求。
另外，本申请提供的天线结构还有结构简单，加工难度低等特点；而且通过采用具有第一凹槽41和第二凹槽42的介质体40(该介质体呈E形)，还具有易区分的特征。
需要说明的是，本申请中的天线结构的馈电方式，除了使用耦合缝隙外，还可以使用探针等其他方式；而且，不同的其他天线结构形式也可以实现高次模的激发和调整。
本申请实施例还提供一种电子设备，包括上述天线结构。
需要说明的是，上述天线结构实施例的实现方式同样适应于该电子设备的实施例中，并能达到相同的技术效果，在此不再赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种天线结构，其特征在于，包括：
基板，所述基板包括相背设置的第一表面和第二表面；
接地连接板，所述接地连接板层叠设于所述第一表面上，且所述接地连接板设有耦合缝隙；
微带馈线，所述微带馈线包括贴合所述第二表面设置的第一馈线段以及伸出所述基板设置的第二馈线段，所述第一馈线段的在所述第一表面上的正投影贯穿所述耦合缝隙的在所述第一表面上的正投影，且所述第二馈线段的远离所述基板的端部用于与所述天线结构的射频芯片电连接；以及，
介质体，所述介质体设于所述接地连接板的背离所述第二表面的端面，并对应所述耦合缝隙设置，且所述介质体通过所述耦合缝隙与所述第一馈线段耦合连接；
所述介质体的朝向第一表面的端面设有凹槽；
所述凹槽包括第一凹槽和第二凹槽，且所述第一凹槽与和所述第二凹槽对称设置。
2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述第一凹槽和所述第二凹槽均平行于所述第一馈线段设置，且所述第一凹槽和所述第二凹槽相对于所述第一馈线段对称设置。
3.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述第一馈线段包括第一子馈线段和第二子馈线段，所述第二子馈线段的第一端与所述第一子馈线段电连接，所述第二子馈线段的第二端与所述第二馈线段电连接；
所述第一子馈线段的在所述第一表面上的正投影位于所述介质体的中心线在所述第一表面上的正投影的第一侧，所述第二子馈线段的在所述第一表面上的正投影位于所述中心线的在所述第一表面上的正投影的第二侧；
所述中心线穿过所述介质体的几何中心，并垂直于所述第一馈线段设置；
其中，所述第一子馈线的长度与所述天线结构的阻抗匹配参数相关联。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线结构，其特征在于，在所述天线结构的工作频段为24GHz～30GHz的情况下，所述天线结构辐射的天线信号的回波损耗低于-8dB；在所述天线结构的工作频段为37GHz～43.5GHz的情况下，所述天线结构辐射的天线信号的回波损耗低于-10dB。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的天线结构，其特征在于，在所述天线结构工作在24GHz～30GHz及37GHz～43.5GHz的频段范围内的情况下，所述天线结构辐射的天线信号的最大辐射方向增益为6dBi～7.5dBi。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的天线结构，其特征在于，所述天线结构的工作带宽包括N257、N258、N259、N260及N261。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的天线结构，所述介质体的介电常数为5～100。
8.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的天线结构。
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