基片集成介质谐振器以及天线

摘要

本发明公开了一种基片集成介质谐振器以及天线，基片集成介质谐振器包括由介质基板镂空形成的多个部分，所述多个部分包括N个矩形部，每一所述矩形部的两个长边与其他部分之间为镂空区域，每一矩形部的两个短边其他部分连接；每一所述矩形部上开设有多排金属化过孔以将整个所述矩形部划分为沿所述矩形部分布的M个矩形谐振器单元，所述谐振器单元的长边长度大于1.5倍短边长度，谐振器单元的工作模式电场垂直于其长边；其中，M、N均为大于等于1的正整数，本发明有利于降低加工和装配的复杂性，提高成品率，具有自封装特性。

权利要求

1.一种基片集成介质谐振器，其特征在于，包括由介质基板镂空形成的多个部分，所述多个部分包括N个矩形部，每一所述矩形部的两个长边与其他部分之间为镂空区域，每一矩形部的两个短边与其他部分连接；

每一所述矩形部上沿其短边开设有多排金属化过孔以将整个所述矩形部划分为沿所述矩形部分布的M个矩形谐振器单元，所述谐振器单元的长边长度大于1.5倍短边长度，谐振器单元的工作模式电场垂直于其长边；

其中，M、N均为大于等于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的基片集成介质谐振器，其特征在于，所述矩形部的两个短边与其他部分的交界处分别开设一排所述金属化过孔。

3.根据权利要求1所述的基片集成介质谐振器，其特征在于，所述N个矩形部相互之间平行。

4.根据权利要求3所述的基片集成介质谐振器，其特征在于，所述多个部分还包括呈矩形环状的环形部，所述N个矩形部均连接于所述环形部的一对侧边之间。

5.根据权利要求4所述的基片集成介质谐振器，其特征在于，所述矩形部与所述环形部的另一对侧边平行。

6.根据权利要求4所述的基片集成介质谐振器，其特征在于，所述矩形部上开设有两排所述金属化过孔，两排所述金属化过孔分别位于所述矩形部的两个短边与所述环形部的交界处。

7.根据权利要求1所述的基片集成介质谐振器，其特征在于，M为偶数，所述M个矩形谐振器单元分为两组，两组矩形谐振器单元之间间隔一定距离，每一组矩形谐振器单元包含M/2个矩形谐振器单元，同一组的M/2个矩形谐振器单元由M/2+1排所述金属化过孔间隔形成。

8.一种基片集成介质谐振器天线，其特征在于，由多层介质基板压合形成，多层介质基板的平面尺寸相同，最顶部的一层介质基板镂空形成如所述权利要求1-7任一项所述的基片集成介质谐振器。

9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，最顶部的一层介质基板与其下方的介质基板上表面的金属地之间通过半固化片粘接。

说明书

基片集成介质谐振器以及天线

技术领域

[0001] 本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基片集成介质谐振器以及天线。

背景技术

[0002] 参考图1，传统的介质谐振器利用高介电常数、低损耗的陶瓷材料单独加工而成，其馈电电路另外加工，装配时，将两者利用介质胶进行粘合。这种装配方式效率低，误差偏
大，特别是频率比较高的介质谐振器天线，由于尺寸小，装配误差大，成品率相对较低。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述加工装配效率低、误差大的缺陷，提供一种基片集成介质谐振器以及天线。

[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基片集成介质谐振器，包括由介质基板镂空形成的多个部分，所述多个部分包括N个矩形部，每一所述矩形部的两个
长边与其他部分之间为镂空区域，每一矩形部的两个短边与其他部分连接；

[0005] 每一所述矩形部上开设有多排金属化过孔以将整个所述矩形部划分为沿所述矩形部分布的M个矩形谐振器单元，所述谐振器单元的长边长度大于1.5倍短边长度，谐振器
单元的工作模式电场垂直于其长边；

[0006] 其中，M、N均为大于等于1的正整数。

[0007] 优选地，所述矩形部的两个短边与其他部分的交界处分别开设一排所述金属化过孔。

[0008] 优选地，所述N个矩形部相互之间平行。

[0009] 优选地，所述多个部分还包括呈矩形环状的环形部，所述N个矩形部均连接于所述环形部的一对侧边之间。

[0010] 优选地，所述矩形部与所述环形部的另一对侧边平行。

[0011] 优选地，所述矩形部上开设有两排所述金属化过孔，两排所述金属化过孔分别位于所述矩形部的两个短边与所述环形部的交界处。

[0012] 优选地，M为偶数，所述M个矩形谐振器单元分为两组，两组矩形谐振器单元之间间隔一定距离，每一组矩形谐振器单元包含M/2个矩形谐振器单元，同一组的M/2个矩形谐振
器单元由M/2+1排所述金属化过孔间隔形成。

[0013] 本发明另一方面还构造了一种基片集成介质谐振器天线，由多层介质基板压合形成，多层介质基板的平面投影重合，最顶部的一层介质基板镂空形成如前所述的基片集成
介质谐振器。

[0014] 进一步地，最顶部的一层介质基板与其下方的介质基板上表面的金属地之间通过半固化片粘接。

[0015] 本发明的基片集成介质谐振器以及天线，具有以下有益效果：本发明中利用介质基板通过镂空设计以及开设金属化过孔，形成至少一个谐振器单元，每一谐振器单元的尺
寸满足长边大于1.5倍短边，工作模式在x方向边缘场强可以忽略不计，在短边加载金属化
过孔即在边缘上加载金属壁，即将原来的磁壁换成电壁，不会影响工作模式的电磁场分布，
也不会改变其谐振频率，而且金属壁的加入能够阻断谐振器单元中的某些寄生模式，保证
天线的性能，由于本发明是利用介质基板镂空处理形成，谐振器单元并非孤立的，而是共同
形成一层结构，如此在制作天线时，可以直接将镂空设计的介质基板与天线的其他层结构
压合，有利于降低加工和装配的复杂性，提高成品率，具有自封装特性。

附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
提供的附图获得其他的附图：

[0017] 图1是现有孤立的介质谐振器天线的分解图；

[0018] 图2是孤立的接地介质谐振器主模的电场分布示意图；

[0019] 图3是孤立的接地介质谐振器 模和 模频率随x方向尺寸b的变化趋势图；

[0020] 图4是孤立的接地介质谐振器 模在x方向不同尺寸下的电场分布图；

[0021] 图5是由孤立到基片集成的介质谐振器的演变示意图；

[0022] 图6是本发明的基片集成介质谐振器天线的实施例一的分解图；

[0023] 图7是实施例一的反射系数与增益的仿真结果示意图；

[0024] 图8是实施例一的方向图的仿真结果示意图；

[0025] 图9是本发明的基片集成介质谐振器天线的实施例二的分解图；

[0026] 图10是本发明实施例二的俯视透视图；

[0027] 图11是本发明实施例二的仰视透视图；

[0028] 图12是实施例二的反射系数与增益的仿真结果示意图；

[0029] 图13是实施例二的方向图。

具体实施方式

[0030] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所
描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应
当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是
对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可
以相互组合。

[0031] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接
到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、
“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

[0032] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

[0033] 本发明的思路是：传统的介质谐振器的加工装配效率低，误差大。在毫米波波段考虑到器件的尺寸较小，基于基片集成技术加工介质谐振器，并直接通过多层PCB技术加介质
谐振器与其馈电电路相压合，将会大大降低加工和装配的复杂性，提高成品率。结合PCB层
压技术中的不同层间的对齐要求，如此，我们希望能将介质谐振器加工于整块的介质基板
上，再结合天线阵列中需要多块介质谐振器在同一个平面内，相互间的连接显得尤为重要。

[0034] 首先，我们将接地介质谐振器主模的电场分布列于图2，主模 模沿y方向有半波长驻波，而沿x方向场分布均匀。由如下公式可推导介质谐振器主模的谐振频率：

[0035]

[0036] ky＝π/a                   (2)

[0037] kz＝π/(2l)                (3)

[0038]

[0039]

[0040] 上述公式可以用来初步确定介质谐振器的尺寸，但是由于该组公式的推导依赖于混合磁壁的假设，当谐振器的尺寸突破一定的范围后，公式的准确程度下降，下面进行这方
面的讨论。我们用来设计介质谐振器的基板仍为Rogers3010厚度0.635mm，所讨论介质谐振
器尺寸的初始值4×4mm2，随后通过增加单一方向的尺寸进行参数分析。

[0041] 再次将平面形状为正方形的接地介质谐振器主模的电场分布列于图2，主模模电磁场分布沿y方向有半波长驻波，而沿x方向电场分布均匀。另有正交简并的主模
模，两主模谐振器频率相等。随着x方向尺寸的增大，两个相互正交的模式开始分离， 模
频率变化的速度远远小于 模，该变化趋势如图3。并且随着x方向尺寸增大前者频率趋
于稳定，这是因为当x方向的尺寸足够大， 模在x方向边缘处场强逐渐减小直至接近
零，此刻的电场强度分布如图4。可见，当b＝1.2a时，在介质谐振器x方向边缘的电场强度已
经减少到中心场强的一半，即与最大值相比衰减3dB，随着x方向尺寸的进一步增大，边缘场
强衰减更多。由此可以认为，当x方向尺寸大于1.5倍y方向的尺寸，即b≥1.5a，边缘场强可
以忽略不计。此时在边缘上加载金属壁，如图5所示，即将原来的磁壁换成电壁，不会影响
模的电磁场分布，也不会改变其谐振频率。而且金属壁的加入能够阻断谐振器中的某
些寄生模式，保证天线的性能。

[0042] 基于以上分析思路，本发明总的思路是：构造一种基片集成介质谐振器，其包括由介质基板镂空形成的多个部分，所述多个部分包括N个矩形部，每一所述矩形部的两个长边
与其他部分之间为镂空区域，每一矩形部的两个短边与其他部分连接；所述矩形部上开设
有多排金属化过孔以将整个所述矩形部划分为沿所述矩形部分布的M个矩形谐振器单元，
所述谐振器单元的长边长度大于1.5倍短边长度，谐振器单元的工作模式电场垂直于其长
边；其中，M、N均为大于等于1的正整数。

[0043] 需要说明的是，矩形部可以相整个介质基板的侧边倾斜设置，也可以平行设置。另外，矩形部的数量可以为一个或者更多个，当矩形部12为多个时，多个矩形部相互之间可以
是平行的，还可以不是平行的，只要保证最终矩形部上的谐振器单元的排布符合要求即可。

[0044] 下面以两个基片集成介质谐振器的具体实施例及其组成的天线为例进行详细说明。

[0045] 实施例一

[0046] 图6示意了本发明的基片集成介质谐振器天线的实施例一的分解图，对照图1，可见本实施例中的谐振器单元并非孤立的，本实施例是M＝1，N＝1的情形。

[0047] 具体的，本实施例中的基片集成介质谐振器天线由多层介质基板1、2、3压合形成，多层介质基板1、2、3压的平面尺寸相同，其中，最顶部的一层介质基板1镂空形成本发明的
基片集成介质谐振器，如图中的100所示即为镂空区域。

[0048] 此处所谓平面尺寸相同，是指的介质基板1、2、3的平面投影的边缘轮廓完全相同。例如，本实施例中，所述多层结构的平面投影的边缘轮廓均为矩形。换言之，本实施例的介
质基板1、2、3是大小一致的矩形板状结构，可以满足PCB层压技术中的不同层间的对齐要
求，可以通过PCB压合技术将多层结构压合成一个整体。

[0049] 特别是在毫米波波段，考虑到器件的尺寸较小，传统的加工、装配非常复杂，而本实施例可以基于基片集成技术加工介质谐振器，将介质谐振器加工于整块的介质基板上，
并直接通过多层PCB技术加介质谐振器与其馈电电路相压合，有利于降低加工和装配的复
杂性，提高成品率。

[0050] 具体的，介质基板1包括环形部11和矩形部12，每一所述矩形部12的两个长边与相邻的环形部11之间为镂空区域，每一矩形部12的两个短边与环形部11连接。

[0051] 本实施例中，所述环形部11呈矩形环状，所述矩形部12连接于所述环形部11的一对侧边之间，所述矩形部12与所述环形部11的另一对侧边平行，即整个基板1大致镂空设计
呈“日”字形。

[0052] 所述矩形部12上开设有两排金属化过孔101以将整个所述矩形部12划分为沿所述矩形部12分布的一个矩形谐振器单元，本实施例中，两排所述金属化过孔101分别位于所述
矩形部12的两个短边与所述环形部11的交界处。所述谐振器单元的长边长度b大于1.5倍短
边长度a，短边长度a可根据设计频率作微调。谐振器单元的工作模式电场垂直于其长边。具
体的，所述谐振器单元的主模为 模，TE模的x轴平行于矩形部12。

[0053] 需要说明的是，在其他实施例中，矩形部12可以相对环形部11的侧边倾斜设置。另外，矩形部12的数量可以更多，当矩形部12为多个时，多个矩形部12相互之间可以是平行
的，还可以不是平行的，只要保证最终矩形部上的谐振器单元的排布符合要求即可。另外，
当矩形部12为多个时，每一所述矩形部12的两个长边与相邻的矩形部12之间也是为镂空区
域。另外，矩形部12上的谐振器单元的数量也可以更多，这些都是本实施例的简单变形，都
在本发明的保护范围之内。

[0054] 继续参考图6，基板3下表面设置有金属地6，基板2上表面设置有金属地4，基板3上表面与基板2下表面之间设置有金属地5。其中，基板3主要是设计功分网络，实现馈电。层基
板2主要是设计SIW腔将信号耦合到谐振器单元。

[0055] 参考图7-8，展示了本实施例的天线的仿真结果，可见，基于基片集成技术设计的介质谐振器天线的性能几乎保持不变，这一特性为使用基片集成技术加工一体介质谐振器
提供了可行性。

[0056] 实施例二

[0057] 在实施例一的基础上，考虑到天线阵列中需要多块介质谐振器在同一个平面内，相互间的连接显得尤为重要。为此，本实施例提供一种基片集成介质谐振器天线，本实施例
是M＝4，N＝1的情形。参考图9、10，其具体是一种4×1的串并联TE20模SIW馈电的差分基片集
成介质谐振器天线。

[0058] 同理，本实施例也是由多层结构压合形成，金属地5开设平行于矩形部12的一个耦合缝隙501，金属地4上开设四组耦合缝隙401，每一组耦合缝隙401与一个谐振器单元对应，
耦合缝隙401也是平行于矩形部12，基板2上开设金属通孔201以形成TE20模SIW腔，基板3开
设金属通孔301，形成TE10模SIW功分器。信号可以经过TE10模SIW功分器上方的金属地5的耦
合缝隙501，将电磁能量耦合到上一层的TE20模SIW腔，实现TE10模向TE20模的转换。而TE20模
SIW腔上的对称耦合缝隙401对将差分的TE20模电磁能量耦合到基片集成谐振器，进而激励
起介质谐振器中的 模。

[0059] 参考图9，对比图6，本实施例与实施例一的区别在于，矩形部12上谐振器单元的数量增加了。另外，本实施例与实施例一的不同之处在于，第三金属地4与所述顶层基板1的下
表面之间通过半固化片7粘接。

[0060] 具体的，矩形部12上形成了M(M＝4)个谐振器单元。M个矩形谐振器单元分为两组，参考图9、10中的1a和1b是一组谐振器单元，2a和2b是一组谐振器单元，相邻的两组矩形谐
振器单元之间间隔一定距离。同一组的M/2个(即2个)矩形谐振器单元由M/2+1排(即3排)金
属化过孔101间隔形成，即同一组内，相邻的两排金属化过孔101形成一个矩形谐振器单元。

[0061] 当然，可以理解的是，在其他实施例中，矩形部12还可以继续拓展出更多组谐振器单元。另外，需要说明的是，虽然本发明的两个实施例中，矩形部12都是只有一个，实际上，
在其他实施例中，矩形部12还可以是更多个。

[0062] 本实施例中结合TE10模SIW与TE20模SIW的转换进行馈电网络设计，宽度为a1的TE10模SIW与宽度为a2的TE20模SIW通过两者共用的金属地上的耦合缝隙进行电磁能量的传输。
TE20模具有耦合部分向馈电部分的转换，该转换通过SIW宽度由a2到a3的变化来实现，保证
了相互间的阻抗匹配，各具体尺寸如表1所示。

[0063] 表1谐振器天线的尺寸

[0064] 尺寸(mm) a b c ls1 ws1 a1 a2 a3参数值 3.9 7.1 5.3 3.5 0.5 4.4 7.4 10.8
尺寸(mm) dd px py ls2 ws2 ds ps  
参数值 1.7 3.6 0.6 2.5 0.5 2.6 5.3  

[0065] 该天线的仿真反射系数与增益及26.5GHz，28GHz，29.5GHz的辐射方向图参考图12、13。可见，该天线阵列的|S11|<-10dB的频率范围为26.5-29.5GHz，覆盖5G通信的28GHz
频段。带内增益最大值达到12.15dBi，3dB增益带宽25.8-29.6GHz且带内增益平坦，带内方
向图对称性好，交叉极化均低于-40dB。

[0066] 综上可见，本发明的基片集成介质谐振器以及天线，具有以下有益效果：本发明中利用介质基板通过镂空设计以及开设金属化过孔，形成至少一个谐振器单元，每一谐振器
单元的尺寸满足长边大于1.5倍短边，工作模式在x方向边缘场强可以忽略不计，在短边加
载金属化过孔即在边缘上加载金属壁，即将原来的磁壁换成电壁，不会影响工作模式的电
磁场分布，也不会改变其谐振频率，而且金属壁的加入能够阻断谐振器单元中的某些寄生
模式，保证天线的性能，由于本发明是利用介质基板镂空处理形成，谐振器单元并非孤立
的，而是共同形成一层结构，如此在制作天线时，可以直接将镂空设计的介质基板与天线的
其他层结构压合，有利于降低加工和装配的复杂性，提高成品率，具有自封装特性。

[0067] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员
在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多
形式，这些均属于本发明的保护之内。