CN106374226A - 用于第五代无线通信的双频阵列天线 - Google Patents

用于第五代无线通信的双频阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于第五代无线通信的双频阵列天线，其天线单体包括设置在立体天线载体表面的第一天线辐射体和第二天线辐射体；所述第一天线辐射体为一单极天线；所述第二天线辐射体为一环绕所述第一天线辐射体设置，并与PCB板的地连接的构成环形天线。由第一天线辐射体构成的单极天线直接馈电，产生频率为36‑40GHz范围左右的一个谐振；由构成环形天线的第二天线辐射体与第一天线辐射体耦合，产生频率为36‑40GHz范围左右的另一个谐振，使天线具有双谐振。本发明的阵列天线，其工作带宽可以将FCC定义的37GHz和39GHz的两个5G频段完美地包含在内；同时，还能具有高辐射效率和高增益、方向性好、稳定性强等特点。

Description

用于第五代无线通信的双频阵列天线
技术领域
本发明涉及天线通信领域，具体说的是用于第五代无线通信的双频阵列天线。
背景技术
在现代通讯领域，从第一代移动通信系统2G到第四代移动通信系统4G LTE,主要解决的是人与人之间的沟通，然而第五代(5G)移动通信系统，也即5G，将解决人与人之外的人与物、物与物之间的沟通，即实现万物互联的愿望。5G的传输速率将是4G的百倍以上并且支持海量的设备连接，进而使得万物互联成为可能，同时可以实现汽车的自动驾驶、3D的虚拟现实、远程医疗等。可以预言，第5代移动通信系统将是面向2020年之后的新一代移动通信系统。
在移动终端上5G的实施将使得移动终端设备的应用更加方便，更加得心应手，更加小型化多样化，功能更加强大。能否把5G的技术在手持设备上得到良好的应用的关键是如何设计出能适用于5G通信的天线阵列系统。
在2016年7月15日，美国联邦通信委员会(FCC)定义了用于5G的毫米波频段：除了28GHz(27.5-28.35GHz)的频段外，还包含了整体工作频率范围为37-40GHz的37GHz(37-38.6GHz)和39GHz(38.6-40GHz)这两个频段。
现在的低频频谱资源已非常拥挤，很难满足未来5G通信的需求，因此，开发毫米波作为5G频段成为必然。用于5G的毫米波具有频谱资源丰富、定向性好、抗干扰能力强等特点。毫米波通信系统前端的天线尤为重要，而且天线的增益、带宽、效率等性能直接决定着系统的优劣。我们知道5G天线必须是天线阵列，构成这个天线阵列的馈电网络形式有如下几种：串联、并联，以及串并联的组合。过去，5G天线阵列的设计多集中在带宽较窄的28GHz的频段上，而无法满足最新定义的5G毫米波频段的要求，因此，有必要提供一种能够适用于37GHz和39GHz的双频5G天线阵列系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种第五代无线通信的双频阵列天线，适用于37GHz和39GHz，具有带宽大、增益和效率高、方向性好等特点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
用于第五代无线通信的双频阵列天线，所述双频阵列天线的天线单体包括设置在立体天线载体表面的第一天线辐射体和第二天线辐射体；
所述第一天线辐射体为一单极天线；所述第二天线辐射体为一环绕所述第一天线辐射体设置，并与PCB板的地连接的环形天线。
本发明的有益效果在于：区别于现有技术的5G天线阵列只支持28GHz的频段，无法满足其它5G毫米波频段要求的不足。本发明通过设计阵列天线中的天线单体包含两个特殊的天线辐射体结构，每个辐射体产生一个相互独立的谐振，使天线具有双谐振，可以同时包含37GHz和39GHz两个频段，从而扩展5G天线的工作频段，更好地满足5G毫米波频段的要求。具体的，由第一天线辐射体构成的单极天线直接馈电，产生频率为36-40GHz范围左右的一个谐振点；由构成环形天线的第二天线辐射体与第一天线辐射体耦合，产生另一个频率为36-40GHz范围左右的另一个谐振点，第一辐射体以及第二辐射体各自产生的谐振可通过尺寸调整实现互换和调整，从而使天线同时获得37GHz和39GHz两个频段。由上述结构的天线单体构成的阵列天线，其工作带宽可以将FCC定义的37GHz和39GHz的两个5G频段完美地包含在内；同时，还能具有高辐射效率和高增益、带宽大、方向性好、稳定性强等特点。
附图说明
图1为本发明天线单体的结构示意图；
图2为本发明天线单体与PCB板的连接结构示意图；
图3为本发明双频阵列天线的整体结构示意图；
图4为本发明天线单体的回波损耗图；
图5为本发明天线阵列的回波损耗图；
图6为本发明天线阵列的增益曲线图；
图7为本发明天线阵列在频率为40GHz的三维辐射方向图；
图8为本发明天线阵列在频率为37GHz的二维辐射方向图；
图9为本发明天线阵列在频率为38.5GHz的二维辐射方向图；
图10为本发明天线阵列在频率为40GHz的二维辐射方向图；
标号说明：
1、天线单体；2、馈电网络；3、T字形网络节点；4、立体天线载体；
5、第一天线辐射体；6、第二天线辐射体；7、PCB板；
8、PCB衬底；9、PCB地板；10、过孔；11、第一焊盘；12、第二焊盘；
13、第三焊盘；14、第四焊盘；15、第五焊盘；16、第六焊盘；
17、馈电点；18、棱线；19、阵列馈电点。
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予以说明。
本发明最关键的构思在于：天线单体的辐射体结构包括一单级天线和一环绕单级天线并与PCB板地连接后而构成的环形天线，每个辐射体产生一个相互独立的谐振，使天线具有双谐振，符合FCC最新定义的37GHz和39GHz 5G毫米波的频段要求。
本发明涉及的技术术语解释:
请参照图1，本发明提供一种用于第五代无线通信的双频阵列天线，所述双频阵列天线的天线单体包括设置在立体天线载体表面的第一天线辐射体和第二天线辐射体；
所述第一天线辐射体为一单极天线；所述第二天线辐射体为一环绕所述第一天线辐射体设置，并与PCB板的地连接的环形天线。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明的天线单体由第一天线辐射体构成工作频率为1/4波长的单极天线直接馈电，产生频率为36-40GHz范围左右的一个谐振点；由将第一天线辐射体环绕其中，并与PCB板的地连接的第二天线辐射体构成工作频率为1个波长的环形天线，同样可以产生频率为36-40GHz范围左右的另一个谐振点；通过调节第一天线辐射体和第二天线辐射体的长度可以使得第一天线辐射体产生的谐振频率大于或小于第二天线辐射体产生的谐振频率，从而使天线同时包含FCC最新定义的37GHz和39GHz的两个5G频段；而且具有尺寸小、带宽大、增益和效率高，以及方向性好并性能稳定的特点。
进一步的，所述第二天线辐射体通过所述PCB板上的过孔与PCB板的地连接。
由上述描述可知，立体天线载体表面上的第二天线辐射体本身不能构成完整的环形回路，将第二天线辐射体的两端点通过PCB板上的过孔与地连接后才形成完整的环形回路，从而构成工作频率为1个波长的环形天线，并产生频率为36-40GHz范围左右的一个谐振点。
请参阅图2，进一步的，所述立体天线载体和所述PCB板之间通过焊盘连接；所述焊盘与所述第二辐射体天线的两端点连接，所述焊盘上设置有所述过孔。
由上述描述可知，焊盘连接方式不仅能够提高立体天线载体和PCB板之间的连接稳固性，以及安装简易型；而且还能方便第二辐射体天线与PCB的地连接。
进一步的，所述立体天线载体的底面对应所述第二天线辐射体的两端点分别设置有第一焊盘和第二焊盘；所述PCB板的上表面对应所述第一焊盘和第二焊盘分别设置有第三焊盘和第四焊盘；所述两端点分别对应连接所述第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘和第二焊盘分别对应连接第三焊盘和第四焊盘。
由上述描述可知，载体和PCB板上表面之间通过四个焊盘的焊接，能够保证载体连接牢固，不易脱落；同时也方便载体的安装；进一步也保证了第二辐射体与PCB板地连接的稳固性。
进一步的，所述立体天线载体的底面对应所述第一天线辐射体的馈电点设置有与其连接的第五焊盘；所述PCB板的上表面对应所述第五焊盘设置有与其连接的第六焊盘。
由上述描述可知，第五焊盘的设置不仅能够保证第一天线辐射体的馈电连接稳固；而且还能进一步提升载体与PCB板之间的连接稳固性。
进一步的，所述立体天线载体为矩形立体陶瓷；所述第二天线辐射体沿所述矩形立体陶瓷的棱线设置。
由上述描述可知，立体天线载体为矩形，不仅具有良好稳固性；而且方便辐射体的排布设置。将第二天线辐射体设计为沿载体的棱线走线，不仅方便生产，不易脱落；而且能够有效防止辐射体之间重叠，保证辐射体具有良好的工作性能；同时也更加美观。
由于天线辐射体(天线单体)的尺寸由天线载体的电介常数决定，载体的电介常数越大，波长越短进而可以减小天线的整体尺寸。本发明的载体为陶瓷材质，由于具有较理想的电介常数，所以我们所要求的1/4波长的单级(monopole)天线以及一个波长的环形(loop)天线的尺寸也就会变小，从而实现天线单体整体尺寸的缩小，进而实现阵列天线整体尺寸的缩小，能够更好的适用于微型通讯设备。
进一步的，所述第一天线辐射体设置在所述矩形立体陶瓷的一侧面；所述第二天线辐射体分布设置在所述一侧面、矩形立体陶瓷的上表面以及与所述一侧面相邻的侧面。
由上述描述可知，第一天线辐射体和第二天线辐射体的走位设置不仅能够保证二者形成所需谐振点；而且不易脱落。
请参阅图3，进一步的，还包括馈电网络，两个以上的所述天线单体与所述馈电网络连接；每个天线单体之间的距离为所述双频阵列天线的工作频率的1/2到1个波长之间。
进一步的，所述馈电网络由2n-1个功率分配器相互级联构成；所述天线单体的个数为2n个；所述n为正整数。
进一步的，所述馈电网络包含2n-1个T字形网络节点，每个所述T字形网络节点处包含一个相对所述双频阵列天线的中心工作频率1/4个波长的阻抗转换器。
由上述描述可知，虽然也可以采取其它形式，如串联或串并联混合等的馈电网络，本发明实例中采用的是并联式的微带线馈电网络。本发明中所述的双频阵列天线能够克服5G频率很高，在空气中损耗大，传输距离短的问题，保证传输距离达到标准，增加天线的增益，从而达到远距离传输通信的要求。
实施例一
请参照图1、图3和图5，本实施例提供一种用于第五代无线通信的双频阵列天线，可以同时包含37GHz和39GHz两个频段的大带宽，同时具有增益和辐射效率高，方向性好等优点，可以为移动设备提供未来5G通信的毫米波天线阵列系统。
所述双频阵列天线包括多个的天线单体1和馈电网络2，所述天线单体1与所述馈电网络2连接。每个所述天线单体1包括立体天线载体4和PCB板7；立体天线载体4的表面围绕设置有第一天线辐射体5和第二天线辐射体6，分别产生不同的谐振点，实现双频特点。每个谐振点由不同的天线分支产生，具体的：
所述第一天线辐射体5为一工作频率为1/4波长的单极(monopole)天线，其馈电点与PCB板7的上表面连接，通过直接对第一天线辐射体进行馈电形成天线频率为36-40GHz范围左右的一个谐振点，即第一天线辐射体5本身作为一个天线分支的全部，产生该谐振点。
所述第二天线辐射体6通过将其两端点与PCB板7的地连接而构成环形回路，环形回路的工作频率为一个波长；第二天线辐射体6将所述第一天线辐射体5环绕在其中，获取耦合关系，由此第二天线辐射体6通过与第一天线辐射体5的耦合形成天线频率为36-40GHz范围左右的另一个谐振点。
优选的，所述第一天线辐射体5和第二天线辐射体6可通过尺寸的调整分别形成频率为39GHz左右以及36GHz左右的两个谐振点，当然，也可通过尺寸调整进行互换和调整。
由上述结构形成的天线单体1，由图4天线单体的回波损耗图可知，由其构成的阵列天线具有双频特点，将天线的工作频段拓展到了37GHz和39GHz，能够很好的适用于未来5G天线为毫米波频段的通信。
需要说明的是，本实施例中的馈电网络2可以是串联、并联或者串并联组成的形式；可以是基于微带线的馈电网络，也可以是采用衬底集成波导类型的形式。
请参阅图3，优选的，上述馈电网络2采用并联式的微带线馈电网络，由2n-1个功率分配器相互级联构成，包含2n-1个T字形网络节点3，每个T字形网络节点3处包含一个相对天线工作频率1/4个波长的阻抗转换器，其他微带线特征阻抗均可设为50欧姆。上述天线单体1的个数为2n个，每个天线单体1之间的距离为天线中心工作频率的1/2到1个波长之间。
参见图5，为具有8个天线单体1的双频阵列天线的回波损耗图，本实施例中的馈电网络2的回波损耗在-28dB左右，很好地满足了天线阵列的要求；该天线阵列每个天线单体1之间的距离为0.65波长左右。
实施例二
请参照图2，本实施例在实施例一的基础上，对双频天线单体的结构进一步的拓展。
具体的，所述天线单体1的立体天线载体4的底面对应所述第二天线辐射体6的两端点分别设置有第一焊盘11和第二焊盘12。所述PCB板7包括PCB衬底8和PCB地板9；在PCB板7的上表面(PCB衬底8)对应所述第一焊盘11和第二焊盘12分别设置有第三焊盘13和第四焊盘14，它们通过过孔10与PCB地板9连接；第二天线辐射体6的两个端点分别对应连接所述第一焊盘11和第二焊盘12，所述第一焊盘11和第二焊盘12分别对应连接第三焊盘13和第四焊盘14。
立体天线载体4与PCB板7之间通过四个焊盘保证牢固连接；同时，第二天线辐射体6还能借助焊盘，与PCB板7的地连接，从而形成环形回路。具体的，PCB板7上的第三焊盘13和第四焊盘14上设置有与地相通的过孔10，优选的过孔10的数量为两个以上；第二天线辐射体6的两端点能通过焊盘与PCB板的地连接，构成一个环形天线。
进一步的，立体天线载体4的底面对应所述第一天线辐射体5的馈电点17设置有与其连接的第五焊盘15，所述PCB板7的上表面对应所述第五焊盘15设置有与其连接的第六焊盘16，通过阵列馈电点19直接对第一天线辐射体5进行馈电获取天线的第二谐振。
优选的，所述第一焊盘11、第二焊盘12、第三焊盘13、第四焊盘14、第五焊盘15以及第六焊盘16均为长条形。
本实施例中，焊盘的设置不仅能够保证载体与PCB板7的连接稳固；而且还能为第二天线辐射体6与PCB板7地连接提供通道，以及对第一天线辐射体5直接进行馈电。
实施例三
本实施例在实施例一和实施例二的基础上，对双频天线单体的结构再进一步的拓展。
具体的，所述立体天线载体4可以是矩形立体结构(正方体结构或长方体结构)，也可以是如圆柱形的柱状立体结构；其材质可以是陶瓷或者其他具有良好电介常数的材质。本实施例中，所述立体天线载体4为矩形立体陶瓷。
由于天线辐射体的尺寸由天线载体的电介常数εr决定，载体的电介常数越大，波长越短。本实施例中，由于采用电介常数εr＝8.0的陶瓷材料，其电介常数较大，因此天线辐射体的尺寸便可缩小，天线单体的尺寸也将缩小，所获取的阵列天线的整体尺寸也将缩小，能够更好的适用于微小型设备。
优选的，所述矩形立体陶瓷的长宽高分别为0.9mm、0.75mm和0.9mm，但不局限于此，可通过适当调节辐射体的尺寸，改变载体的电介常数来获取所需的双频谐振，如采用不同电介常数的陶瓷材料进行简易的调节。
需要说明的是，上述矩形立体陶瓷可以直接通过焊盘与PCB板进行SMT焊接，不仅保证连接牢固，而且安装简易。区别于现有的贴片(PATCH)的天线形式，即将PATCH制作在多层PCB板上，使得天线设计缺少灵活性，当理论设计的天线与实际不符时(这种情况经常出现，因为理论设计时无法把天线周围的环境都考虑进来)，不得不对整个PCB做重新的制作，而我们贴片式陶瓷天线就不需要对PCB板做重新的制作，只对矩形立体陶瓷本身进行适当的修改即可。此外，贴片式天线在PCB板的表面上的面积或尺寸要远远大于本发明中的立体天线的尺寸，因此基于贴片式天线的天线阵列将在PCB板上占有更大的面积。由于手持设备的空间有限，因此本发明的立体天线比基于贴片式的天线更适合在手持设备中的应用。
进一步的，矩形立体陶瓷上第一天线辐射体5和第二天线辐射体6的排布设置可以是：
作为单极天线的第一天线辐射体5竖直设置在矩形立体陶瓷的侧面，其馈电端与PCB板7连接，悬空设置的另一端依据所需的频率范围可以位于所述侧面内、延伸到矩形立体陶瓷的上表面、或者延伸到与所述侧面相对的另一侧面。在本实施例中，第一天线辐射体5竖直设置在矩形立体陶瓷一侧面的中间位置，其悬空端与馈电端均位于所述侧面内。
第二天线辐射体6沿所述矩形立体陶瓷的棱线18设置，将第一天线辐射体5环绕其中。优选的，第二天线辐射体6的一端由第一天线辐射体5所在的侧面沿其棱线18向上延伸至上表面后，环绕上表面的三条边延伸至顶点，顺势由上述侧面的相邻面上与所述侧面共同的棱线向下延伸至与PCB板；所述第二天线辐射体6分布设置在所述一侧面、矩形立体陶瓷的上表面以及与所述一侧面相邻的侧面，构成一凸字形。
上述尺寸的矩形立体陶瓷上设置的上述结构的第一天线辐射体5和第二天线辐射体6，能够通过第一天线辐射体5产生频率为39.544GHz的第一个谐振点；通过第二天线辐射体6产生频率为36.005GHz的另一个谐振点，从而使阵列天线同时获得37GHz和39GHz两个频段。需要说明的是，本实施例的辐射体各自获得的谐振点仅为一具体实施例，第一天线辐射体5以及第二天线辐射体6各自产生的谐振可通过尺寸调整实现互换和调整。
参见图4可知，本实施例的阵列天线可以包含37GHz和39GHz的两个频段(也即37GHz-40GHz)。图6为天线阵列的最大增益曲线，在37-40GHz范围内天线阵列的增益大于12.9dB；天线的增益将随着天线阵列的所包含的天线单体个数的增加而增加。图7为频率在40GHz时天线阵列的三维辐射方向图，可以看出该天线阵列系统有很好的辐射方向性，而且最大值分布在整个YZ平面内，也就是说该天线系统在YZ平面的任何一个角度都可以用来接收和发射5G信号，这个特点恰好适合手持设备的应用，也即5G信号既可以在屏幕的一侧而可以在设备的背面被接收到。此外，该天线阵列具有较高的辐射效率，在工作频段内天线阵列的辐射效率都在-1.0dB以上。图8-10分别为频率在37GHz、38.5GHz和40GHz频率上的二维辐射方向图，从上述图中可以看出该天线阵列在各个频率点上都具有较为一致的方向性。此外，该天线阵列也可以扩展到其它的5G工作频段，比如28GHz或60GHz等。
综上所述，本发明提供的用于第五代无线通信的双频阵列天线，不仅具有双谐振，可以包含37GHz和39GHz两个大带宽频段；而且具有增益和效率高，以及方向性好的特点；进一步的，与PCB板之间的安装简易和牢固；再进一步的，陶瓷材质的载体使得天线具有体积小的特点。此外，同其它的天线阵列设计一样，本发明提出的基于立体天线单元的天线阵列也可以通过在馈电网络中加入相位调整器达到对天线阵列的波束方向进行控制，进而实现天线阵列的波束成形与波束扫描。
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。

Claims (10)

1.用于第五代无线通信的双频阵列天线，其特征在于：所述双频阵列天线的天线单体包括设置在立体天线载体表面的第一天线辐射体和第二天线辐射体；
所述第一天线辐射体为一单极天线；所述第二天线辐射体为一环绕所述第一天线辐射体设置，并与PCB板的地连接的环形天线。
2.如权利要求1所述的用于第五代无线通信的双频阵列天线，其特征在于：所述第二天线辐射体通过所述PCB板上的过孔与PCB板的地连接。
3.如权利要求2所述的用于第五代无线通信的双频阵列天线，其特征在于：所述立体天线载体和所述PCB板之间通过焊盘连接；所述焊盘与所述第二辐射体天线的两端点连接，所述焊盘上设置有所述过孔。
4.如权利要求1所述的用于第五代无线通信的双频阵列天线，其特征在于：所述立体天线载体的底面对应所述第二天线辐射体的两端点分别设置有第一焊盘和第二焊盘；所述PCB板的上表面对应所述第一焊盘和第二焊盘分别设置有第三焊盘和第四焊盘；所述两端点分别对应连接所述第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘和第二焊盘分别对应连接第三焊盘和第四焊盘。
5.如权利要求1所述的用于第五代无线通信的双频阵列天线，其特征在于：所述立体天线载体的底面对应所述第一天线辐射体的馈电点设置有与其连接的第五焊盘；所述PCB板的上表面对应所述第五焊盘设置有与其连接的第六焊盘。
6.如权利要求1所述的用于第五代无线通信的双频阵列天线，其特征在于：所述立体天线载体为矩形立体陶瓷；所述第二天线辐射体沿所述矩形立体陶瓷的棱线设置。
7.如权利要求6所述的用于第五代无线通信的双频阵列天线，其特征在于：所述第一天线辐射体设置在所述矩形立体陶瓷的一侧面；所述第二天线辐射体分布设置在所述一侧面、矩形立体陶瓷的上表面以及与所述一侧面相邻的侧面。
8.如权利要求1-7任意一项所述的用于第五代无线通信的双频阵列天线，其特征在于：还包括馈电网络，两个以上的所述天线单体与所述馈电网络连接；每个天线单体之间的距离为所述双频阵列天线的工作频率的1/2到1个波长之间。
9.如权利要求8所述的用于第五代无线通信的双频阵列天线，其特征在于：所述馈电网络由2n-1个功率分配器相互级联构成；所述天线单体的个数为2n个；所述n为正整数。
10.如权利要求9所述的用于第五代无线通信的双频阵列天线，其特征在于：所述馈电网络包含2n-1个T字形网络节点，每个所述T字形网络节点处包含一个相对所述双频阵列天线的中心工作频率1/4个波长的阻抗转换器。
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