CN106450740B - 一种手持终端设备及其高增益终端设备天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种手持终端设备及其高增益终端设备天线，包括：由上至下依次排列的无过孔的第一介质板、有过孔的第二介质板和金属接地板，其中，在第一介质板的上表面粘贴有多个金属辐射贴片，每个金属辐射贴片的结构相同，且均具有两个对称设置的弧形缺口；在第一和第二介质板之间设置有金属贴片；金属接地板位于第二介质板的下表面，且金属接地板的过孔与第二介质板的馈电过孔位于同一位置处。本发明通过在介质板的上表面粘贴多个金属辐射贴片，作为电磁超表面结构，是天线的主要辐射结构，具有高增益和宽频带的特点。

Description

一种手持终端设备及其高增益终端设备天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种手持终端设备及其高增益终端设备天线。

背景技术

4G网络技术仍处于建网和商用阶段，5G时代就已渐行渐近。工信部、国内三大基础运营商近期均表示，力争于2020年实现5G网络的商用。根据工信部总体部署，我国的5G基础研发试验将在2016年到2018年进行，分为5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证三个阶段进行。之后将进入5G网络建设阶段，并有望最早在2020年正式商用。发展5G已成为国际社会的战略共识。5G将大幅提升移动互联网用户业务体验，满足物联网应用的海量需求，推动移动通信技术产业的重大飞跃，带动芯片、软件等快速发展，并将与工业、交通、医疗等行业深度融合，催生工业互联网、车联网等新业态。

微带天线作为一种小型化天线，以其低轮廓、可共形、易集成等颇具特色的优点近年来在5G天线开发应用中独占鳌头。而高性能圆极化微带天线在当前的应用愈加广泛，尤其是在5G通信系统中。天线的极化分为垂直极化，水平极化和圆极化。垂直极化和水平极化之间是相互隔离的。但是圆极化与垂直极化和水平极化之间不是相互隔离的。圆极化天线的实用意义主要体现在，圆极化天线可接收任意极化的来波,且其辐射波也可由任意极化天线收到。

天线的增益和剖面是天线的重要参数。高增益天线一般都要通过整列来实现，单个的天线很难实现高的增益。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种手持终端设备及其高增益终端设备天线，通过在介质板的上表面粘贴多个金属辐射贴片，作为电磁超表面结构，是天线的主要辐射结构，具有高增益和宽频带的特点。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种高增益终端设备天线，包括：由上至下依次排列的无过孔的第一介质板、有过孔的第二介质板和金属接地板，其中，在所述第一介质板的上表面粘贴有多个金属辐射贴片，其中，每个所述金属辐射贴片的结构相同，且均具有两个对称设置的弧形缺口，所述第二介质板在偏离中心且靠近一侧边缘位置处，设置有一个馈电过孔；

在所述第一和第二介质板之间设置有金属贴片，所述金属贴片的中心与所述第一和第二介质板的中心重合，且各个边缘均与所述第一和第二介质板的边缘平行；

所述金属接地板位于所述第二介质板的下表面，且所述金属接地板的过孔与所述第二介质板的馈电过孔位于同一位置处，其中，所述述金属接地板的过孔直径大于所述第二介质板的馈电过孔的直径。

进一步，每个所述金属辐射贴片的形状均为圆形，所述金属贴片的形状为矩形。

进一步，所述金属辐射贴片的数量四个，分别位于所述第一介质板的四个角上，每个所述金属辐射贴片的中心与所述第一介质板的边缘距离相同。

进一步，将四个金属辐射贴片根据对角关系分为两组，其中，每组的两个金属辐射贴片的四个弧形缺口中心位于所述第一介质板的对角线上。

进一步，所述第一和第二介质板的尺寸相同，且均为正方形。

进一步，所述第一和第二介质板均采用耐燃材料FR4制成。

进一步，所述金属接地板与所述第二介质板的大小相同。

进一步，包括：上述实施例提供的高增益终端设备天线，其中，当所述手持终端设备的PCB板为多层板时，所述金属贴片作为信号线的馈点，与射频信号线相连；所述金属接地板作为信号参考地，与PCB板的参考地相连。

根据本发明实施例的手持终端设备及其高增益终端设备天线，通过在介质板的上表面粘贴多个金属辐射贴片，作为电磁超表面结构，是天线的主要辐射结构，具有高增益和宽频带的特点。这种结构的天线可以取代喇叭天线、阵列天线等，特别适合于低功耗的5G通信终端设备。

本发明附加的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，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/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(a)为本发明的高增益终端设备天线的顶层正面结构图；

图1(b)为本发明的高增益终端设备天线的中间层结构图；

图1(c)为本发明的高增益终端设备天线的侧视图；

图2为本发明圆极化微带天线的S参数随频率变化曲线图；

图3为本发明的高增益终端设备天线的轴比随频率变化曲线图；

图4(a)为3.52GHz x-z平面内的远场辐射方向图；

图4(b)为3.52GHz y-z平面内的远场辐射方向图。

图5为本发明的高增益终端设备天线的增益随频率变化曲线图。

附图标记

11—带有弧形缺口的金属辐射贴片，12—无过孔的第一介质板，21—馈电过孔，22—金属贴片辐射激励源，23—有过孔的第二介质板，31—金属接地板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出一种高增益终端设备天线以及具有该天线的手持终端设备，该高增益终端设备天线是一种5G高增益双层圆极化终端设备天线，为基于电磁超表面结构实现高增益、宽频带、低剖面的微带天线。该微带天线能够应用于终端设备的5G通信。

参考图1(a)至(c)，本发明实施例的高增益终端设备天线，包括：由上至下依次排列的无过孔的第一介质板12、有过孔的第二介质板23和金属接地板31、多个金属辐射贴片11和金属贴片22。其中，该天线主要有两层介质板和三层金属结构组成，第一介质板12和第二介质板23紧密贴在一起，第一介质板12置于第二介质板23的上方，两个介质板之间没有间隙。

具体地，多个金属辐射贴片11粘贴于第一介质板12的上表面，作为电磁超表面结构，是天线的主要辐射结构。每个金属辐射贴片11的结构相同，半径为9.25±2％mm，且均具有两个对称设置的弧形缺口，两个弧形缺口位于金属辐射贴片11中心对称的两个边上。其中，每个弧形缺口弧度角取值40±5％度，弧形半径为2.75±2％mm。

优选的，每个金属辐射贴片11的形状均为圆形且数量为4个，其在第一介质板12上的排列方式完全相同。

参考图1(a)，四个金属辐射贴片11分别位于第一介质板12的四个角上。每个金属辐射贴片11的中心与第一介质板12的边缘距离相同，均为15.5±5％mm，且每两个金属辐射贴片11中心之间的距离也相同，均为19.0±5％mm。

需要说明的是，金属辐射贴片11的数量、形状、尺寸和排列方式不限于上述举例，还可以为其他方式，在此不再赘述。

在本发明的一个实施例中，将四个金属辐射贴片11根据对角关系分为两组。其中，每组的两个金属辐射贴片11的四个弧形缺口中心位于第一介质板12的对角线上，参考图1(a)。

在本发明的一个实施例中，第一和第二介质板23的尺寸相同，且均为正方形。优选的，两块介质板的尺寸如下：长50±10％mm，宽50±10％mm，高1.6±5％mm。

第二介质板23在偏离中心且靠近一侧边缘位置处，设置有一个馈电过孔21，参考图1(b)。

在本发明中，第一和第二介质板23均采用耐燃材料FR4制成，该材料的介电常数为4.4±5％，损耗角正切为0.02±5％。

需要说明的是，第一和第二介质板23的形状、尺寸和材料不限于上述举例，还可以为其他方式，在此不再赘述。

在第一和第二介质板23之间设置有金属贴片22，金属贴片22的中心与第一和第二介质板23的中心重合，且各个边缘均与第一和第二介质板23的边缘平行。优选的，金属贴片22的形状为矩形。

当金属贴片22形状为矩形，第一和第二介质板23为正方形时，矩形金属贴片22的四个边与第一和第二正方形介质板的四个边平行。

参考图1(b)，矩形金属贴片22的长边长度取值17±5％mm，宽边长度取值4±5％mm。由于矩形金属片是一层厚度很小的金属层，因此即使其位于两层介质板之间，也不会在两层正方形介质板之间形成明显的空气间隙。

参考图1(c)，金属接地板31位于第二介质板23的下表面，从金属接地表面打一过孔到介质夹层间的矩形金属贴片22，该过孔即微带天线的馈点，记为馈电过孔21。即，金属接地板31的过孔与第二介质板23的馈电过孔21位于同一位置处，偏离中心偏向一侧边缘4.5±5％mm距离。其中，金属接地板31的过孔直径大于第二介质板23的馈电过孔21的直径，从而便于后续连接射频信号线时，实现对射频信号线的避让。优选的，第二介质板23的馈电过孔21直径为1.0±2％mm，金属接地板31中圆孔直径2.5±5％mm。

在本发明的一个实施例中，金属接地板31与第二介质板23的大小相同，作为信号的参考地。

需要说明的是，金属接地板31的形状、数量不限于上述举例，还可以为其他方式，在此不再赘述。

下面对该高增益终端设备天线的制作工艺进行说明。

选取长50±10％mm，宽50±10％mm，高1.6±5％mm的两块正方形介质板，介质板材料都为FR4，介质的介电常数为4.4±1％，损耗角正切为0.02±5％。

选取一块介质板作为第一介质板12，利用电路板雕刻技术，在该第一介质板12上表面刻蚀四个圆形单元，圆形单元的边沿对称位置上刻两个弧形缺口，以形成四个带有户型缺口的金属辐射贴片11。四个圆形金属辐射贴片11分别位于第一正方形介质板的四个角上，并且四个单元排布方式完全相同。其中，对角两个单元的四个弧形缺口中心处在介质板的对角连线上。圆形单元的半径取值9.25±5％mm，弧形缺口的弧度取值40±5％度，弧形缺口的内外半径差取2.75±5％mm，每个圆形单元的中心与介质板的两个边缘之间的距离取值15.5±5％mm，两个圆形单元中心之间的距离为19±5％mm。该第一介质板12的另一面没有任何金属结构。

选取另一块介质板作为第二介质板23，利用同样的技术，在另一块50x50x1.6±10％mm³的介质板上表面中心处刻蚀17x4±5％mm²的矩形金属贴片22结构，矩形金属贴片22四个边与第二介质板23四个边平行。矩形金属贴片22中心与第二介质板23的中心重合。沿矩形金属贴片22较长边的方向上，偏离介质板中心4.5±5％mm处，第二介质板23上制作一个半径为0.55±2％mm的过孔。

第二介质板23的另一面刻蚀有圆孔的金属接地板31，金属接地板31的大小与第二正方形介质板相同，金属接地板31圆孔的中心与第二介质板23过孔的中心重合，圆孔的半径取值2.5±2％mm。

将第一介质板12有四个圆形单元的侧面朝上，没有金属结构的侧面紧贴刻蚀有矩形金属贴片22的第二介质板23，使得两块介质板之间紧密贴合，从而形成双层微带天线结构，即本发明的高增益终端设备天线。

图2为用仿真软件HFSS对整个天线系统进行仿真获得端口反射系数随频率变化曲线图，图3为仿真所得天线的轴比随频率变化曲线图。图4(a)和(b)分别为仿真天线3.52GHzx-z平面及y-z平面所得远场方向图，其中，a曲线表示右旋圆极化增益随频率的变化曲线，b曲线表示左旋圆极化增益随频率的变化曲线。图5为仿真天线所得增益随频率的变化曲线图。

本发明实施例还提供一种手持终端设备，该设备包括上述实施例提供的高增益终端设备天线。其中，当手持终端设备的PCB板为多层板时，金属贴片作为信号线的馈点，与射频信号线相连；金属接地板作为信号参考地，与PCB板的参考地相连，连接方式可以根据终端PCB实际走线进行调整。

在本发明的一个实施例中，该手持终端设备可以为5G通信模式的终端设备，该高增益终端设备天线适用于5G通信中。

根据本发明实施例的手持终端设备及其高增益终端设备天线，通过在介质板的上表面粘贴多个金属辐射贴片，作为电磁超表面结构，是天线的主要辐射结构，具有高增益和宽频带的特点。这种结构的天线可以取代喇叭天线、阵列天线等，特别适合于低功耗的5G通信终端设备。

目前在5G推进组正在研究的频段，包括3.3GHz—3.4GHz、3.4GHz—3.6GHz、4.4GHz—4.5GHz、4.8GHz—4.99GHz，其中3.3GHz—3.6GHz频段已经定为进行5G的试验。天线在整个工作频带内的增益都大于4.79dB。天线的绝对工作带宽为0.60GHz，相对带宽达到17.14％。天线的整体结构是由两层介质板层组成，天线的厚度主要是两层介质板的厚度，而每层介质板的厚度只有1.60±5％mm。该微带天线是一个低剖面天线。介质基板采用介电常数为4.4±5％的FR4，这种材料是作为PCB板最常见的板材，价格低廉，易于购买，所以本发明制作成本低，易于加工，可批量生产，具有较大的实际应用价值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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发明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。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (6)

1.一种高增益终端设备天线，其特征在于，包括：由上至下依次排列的无过孔的第一介质板、有过孔的第二介质板和金属接地板，其中，在所述第一介质板的上表面粘贴有多个金属辐射贴片，其中，每个所述金属辐射贴片的结构相同，且均具有两个对称设置的弧形缺口，所述第二介质板在偏离中心且靠近一侧边缘位置处，设置有一个馈电过孔；

在所述第一介质和第二介质板之间设置有金属贴片，所述金属贴片的中心与所述第一介质和第二介质板的中心重合，且各个边缘均与所述第一介质和第二介质板的边缘平行；

所述金属接地板位于所述第二介质板的下表面，且所述金属接地板的过孔与所述第二介质板的馈电过孔位于同一位置处，其中，所述述金属接地板的过孔直径大于所述第二介质板的馈电过孔的直径；

每个所述金属辐射贴片的形状均为圆形，所述金属贴片的形状为矩形；

所述第一介质和第二介质板的尺寸相同，且均为正方形。

2.如权利要求1所述的高增益终端设备天线，其特征在于，所述金属辐射贴片的数量四个，分别位于所述第一介质板的四个角上，每个所述金属辐射贴片的中心与所述第一介质板的边缘距离相同。

3.如权利要求2所述的高增益终端设备天线，其特征在于，将四个金属辐射贴片根据对角关系分为两组，其中，每组的两个金属辐射贴片的四个弧形缺口中心位于所述第一介质板的对角线上。

4.如权利要求1所述的高增益终端设备天线，其特征在于，所述第一介质和第二介质板均采用耐燃材料FR4制成。

5.如权利要求1所述的高增益终端设备天线，其特征在于，所述金属接地板与所述第二介质板的大小相同。

6.一种手持终端设备，其特征在于，包括：权利要求1-5任一项所述的高增益终端设备天线，其中，当所述手持终端设备的PCB板为多层板时，所述金属贴片作为信号线的馈点，与射频信号线相连；所述金属接地板作为信号参考地，与PCB板的参考地相连。