CN106654562A - 毫米波天线及其天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供毫米波天线及其天线系统，包括缝隙天线单体；所述缝隙天线单体包括缝隙天线；所述缝隙天线包括长条形的第一缝隙分支和第二缝隙分支；所述第二缝隙分支的一端与第一缝隙分支的中间区域连接，另一端远离第一缝隙分支，并设有天线馈电点。本发明不仅能够实现天线阵列在远场辐射的均匀覆盖，增强天线阵列的工作性能；而且与传统的缝隙天线相比，具有尺寸较小的特点，能够更好的适用于微小移动终端的应用。
Description
技术领域
本发明涉及天线领域，具体说的是毫米波天线及其天线系统。
背景技术
目前，全球对于第五代(5G)无线通信技术的研发正在逐渐升温，世界各国和个主流标准化组织都已经看到了5G技术发展的迫切性，并且制定了相应的研发推进计划，成为移动通信领域的研究热点。比如，2013年初欧盟在第7框架计划启动了面向5G研发的METIS项目。特别，在2016年7月15日，美国联邦通信委员会(FCC)定义了如下用于5G的毫米波频段：28GHz(27.5-28.35GHz)，37GHz(37-38.6GHz)和39GHz(38.6-40GHz)。按照目前的计划，国际上许多著名移动终端设备厂商已经计划将5G功能作为其新一代移动终端产品的标准配置，并将按照计划在2020年实现5G的商品化。
为了实现上述目的，如何设计出适合于手机终端的行之有效的毫米波天线阵列是必不可少的重要环节。作为毫米波天线阵列的天线辐射单元，传统的长方形缝隙天线，已经被应用在第五代(5G)毫米波相控天线阵列中，比如在5G手机终端上的应用。
但是，现有的缝隙天线在3维远场辐射中仍然存在较强的非均匀分布的缺点：垂直于长方形缝隙长边平面内的辐射强度要远大于平行于缝隙长边平面内的辐射强度。天线辐射体上的表面电流分布决定了该天线在3维远场的辐射强度分布。无论缝隙天线的形状如何，缝隙天线辐射体的表面电流都是环绕着缝隙天线的周围分布的。对于传统的长方形缝隙天线而言，且其电流的主要部分是沿着缝隙天线的长度方向上分布的；而且长方形缝隙天线的长宽比越大，沿着长度方向上分布的电流强度越强，沿着宽度方向上分布的电流强度越弱。也就是说长方形缝隙天线的表面电流强度具有非常明显的电流非均匀分布的特性。这种天线表面电流的非均匀分布直接导致了该天线在3维远场辐射的不均匀性。然而在手机终端的应用中，我们通常期待毫米波天线阵列能具有较均匀的辐射覆盖。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于第五代无线通信，能够实现均匀辐射覆盖的毫米波天线及其天线系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
毫米波天线，包括缝隙天线单体；所述缝隙天线单体包括缝隙天线；
所述缝隙天线包括长条形的第一缝隙分支和第二缝隙分支；所述第二缝隙分支的一端与第一缝隙分支的中间区域连接，另一端远离第一缝隙分支，并设有天线馈电点。
本发明提供的另一个技术方案为：
毫米波天线系统，用于第五代无线通信，包括移动终端以及由两个以上上述毫米波天线单体构成的阵列天线；所述阵列天线设置在所述移动终端的边缘位置。
本发明的有益效果在于：区别于现有技术的长方形缝隙天线只具有沿其长度方向的分布电流，具有在远场辐射强度不均匀的问题。本发明提供一种毫米波天线，由长条形的第一缝隙分支和第二缝隙分支构成缝隙天线，第二缝隙分支的一端与第一缝隙分支的中间区域连接，另一端远离第一缝隙分支。本发明的天线除了具有较强的沿第二缝隙分支的长度方向上的分布电流外，还同时具有较强的沿着第一缝隙分支的长度方向的分布电流；两个缝隙分支的分布电流是交错辐射分布的，因此在远场辐射分布具有较好的均匀性。进一步的，由上述毫米波天线构成的阵列天线，运用在基于第五代无线通信系统的移动终端上，不仅能够很好的满足第五代通信系统的28GHz毫米波要求，而且天线单元之间的互耦很小，很好的满足天线阵列的波束成形与扫描，同时还具有良好的天线增益特性。
附图说明
图1为本发明的T字形缝隙天线单体的结构示意图；
图2为现有的长方形缝隙天线单体在28GHz的3维远场辐射图；
图3为实施例一的T字形缝隙天线单体在28GHz的3维远场辐射图；
图4为传统长方形缝隙天线与本发明的T字形缝隙天线在YZ平面的天线增益分布对比图；
图5为实施例一的T形8x1缝隙天线阵列的3维远场辐射图；
图6为传统长方形8x1缝隙天线阵列的3维远场辐射图；
图7为T字形8x1缝隙天线阵列和传统长方形8x1缝隙天线阵列在YZ平面的天线增益分布对比图；
图8为实施例一中第一缝隙分支的端部朝向所述天线馈电点的方向弯折的T字形缝隙天线结构示意图；
图9为实施例一中第一缝隙分支的端部远离所述天线馈电点的方向弯折的T字形缝隙天线结构示意图；
图10为实施例一中Y字形缝隙天线单体的结构示意图；
图11为实施例一中箭头形缝隙天线单体的结构示意图；
图12为实施例二T字形缝隙天线8x1阵列在手机终端上应用的示意图；
图13为图12应用的S-参数以及该缝隙天线单体与其它7个单体之间的互耦特性曲线；
图14为实施例二的T字形缝隙天线8x1阵列在工作频率为28GHz时不同扫描角theta(0度，30度和60度)的天线阵列3维远场辐射图；
图15为图14所示的不同扫描角度情况下的天线增益特性示意图。
标号说明：
1、毫米波天线；2、缝隙天线单体；3、缝隙天线；4、第一缝隙分支；
5、第二缝隙分支；6、天线馈电点；7、金属板；8、衬底；
9、移动终端；10、缝隙天线阵列。
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：缝隙天线由长条形的第一缝隙分支和第二缝隙分支构成，第二缝隙分支的一端与第一缝隙分支的中间区域连接，另一端远离第一缝隙分支，在远场辐射分布具有较好的均匀性。
请参照图1以及图2，本发明提供毫米波天线，包括缝隙天线单体；所述缝隙天线单体包括缝隙天线；
所述缝隙天线包括长条形的第一缝隙分支和第二缝隙分支；所述第二缝隙分支的一端与第一缝隙分支的中间区域连接，另一端远离第一缝隙分支，并设有天线馈电点。
进一步的，所述第一缝隙分支和第二缝隙分支垂直连接形成一T字形。
由上述描述可知，第一缝隙分支和第二缝隙分支相互垂直，因此两个分支上的分布电流是相互垂直分布的，进而，T字形缝隙天线在远场辐射分布具有很好的均匀性。
进一步的，所述第一缝隙分支和第二缝隙分支均为矩形长条分支。
由上述描述可知，矩形长条的结构特征能够进一步的保证由其产生的环绕缝隙分支周围分布的电流具有最佳的均匀分布效果。
进一步的，所述第一缝隙分支的端部朝向或远离所述天线馈电点的方向弯折。
进一步的，所述第一缝隙分支与所述第二缝隙分支连接形成一Y字形。
进一步的，所述第一缝隙分支与所述第二缝隙分支连接形成一箭头形。
由上述描述可知，还可以设置第一缝隙分支的端部具有一定弧度，或者将缝隙天线设计为Y字形或者箭头形，同样也能实现均匀辐射的效果。
进一步的，所述第一缝隙分支的长度为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/2；所述第二缝隙分支的长度为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/4。
由上述描述可知，第二缝隙分支相当于传统的长方形缝隙天线，传统的长方形缝隙分支的长度为其工作频率所对应波长的1/2左右。因此，从天线的长度方向看，本申请的缝隙天线相较传统的长方形缝隙天线，具有显著减小整体尺寸的优点，能够更好的适用于微小型终端。
进一步的，所述缝隙天线单体还包括金属板和衬底；所述缝隙天线设置嵌设在金属板内，所述金属板设置在衬底上。
由上述可知，将缝隙天线单体衬附在衬底电介质材料上，以便更好的运用于终端中。
本发明提供的另一个技术方案为：
毫米波天线系统，用于第五代无线通信，包括移动终端以及由两个以上上述的毫米波天线单体构成的阵列天线；所述阵列天线设置在所述移动终端的边缘位置。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：将本发明的毫米波缝隙天线运用在基于第五代无线通信系统的移动终端上，不仅能够完全满足第五代通信系统的28GHz毫米波要求，而且天线单元之间的互耦很小，很好的满足天线阵列的波束成形与扫描，同时还具有良好的天线增益特性。
实施例一
请参照图3-图11，本实施例提供一种毫米波天线，适用于第五代无线通信系统，使毫米波天线阵列具有均匀的辐射覆盖，以提高天线的工作性能。
具体的，本实施例的毫米波天线1以天线阵列的形式存在，两个以上的缝隙天线单体2排列构成缝隙天线阵列10。缝隙天线阵列10可以采用串联不等分功率方馈电网络或者并联等功率馈电网络或者其他馈电方式进行馈电，优选的，本实施例的所述缝隙天线单元阵列通过并联等功率馈电网络对其进行馈电。
本实施例的毫米波天线单体包括缝隙天线3、金属板7和衬底8；如图1所示，所述缝隙天线3设置嵌设在金属板7内，所述金属板7设置在电介质衬底8材料上。优选的，所述衬底8为损耗较小的罗杰斯(Rogers)板材，以此减小衬底材料对天线的损耗；如果采用损耗较大的板材(如FR-4)，则通过把缝隙天线的缝隙正下方的FR-4材料掏空并作屏蔽处理来降低损耗。
特别的，所述缝隙天线3包括长条形的第一缝隙分支4和第二缝隙分支5；所述第二缝隙分支5的一端与第一缝隙分支4的中间区域连接，另一端远离第一缝隙分支4，并设有天线馈电点6。优选第二缝隙分支5的一端与第一缝隙分支4的中点连接，使第一缝隙分支4连接点两边的辐射强度相同，缝隙天线3整体电流分布更均匀。
在一具体实施方式中，所述第一缝隙分支4和第二缝隙分支5垂直连接形成一T字形；所述第一缝隙分支4和第二缝隙分支5均为矩形长条分支；所述第一缝隙分支4的长度为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/2左右；所述第二缝隙分支5的长度为所述缝隙天线3工作频率所对应波长的1/4左右。优选的，所述第一缝隙分支4的长度为所述缝隙天线3工作频率所对应波长的1/2；所述第二缝隙分支5的长度为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/4。
天线辐射体上的表面电流分布决定了天线在3维远场的辐射强度分布，无论缝隙天线的形状如何，缝隙天线辐射体的表面电流都是环绕着缝隙天线的周围分布的。本实施例以T字形缝隙天线作为毫米波阵列天线的辐射单元，它除了具有较强的沿着第二缝隙分支5的长度方向上的分布电流外，同时还具有较强的沿着第一缝隙天线分支4的长度方向的分布电流。再来，由于T字形缝隙天线的两个分支是相互垂直的，所以在T字形缝隙天线的远场辐射分布具有很好的均匀性，能够很好的克服传统长方形缝隙天线只具有沿其长度方向的分布电流，在远程辐射强度不均匀的缺点。
具体的，如图2和图3所示，为本实施例的T字形缝隙(T-slot)天线和传统长方形缝隙(rectangular-slot)天线单体在工作频率为28GHz时的3维远场辐射图；图4为上述两种天线在YZ平面的天线增益分布对比图，与X轴的夹角为90度，其中包含三角形的曲线代表长方形缝隙天线，包含圆形的曲线代表T字形缝隙天线。从图2、图3以及图4中可以明显看出，和长方形缝隙单体天线相比，T字形缝隙单体天线的2维YZ平面和3维远场辐射具有很好的均匀性。
由于在毫米波天线手机终端的实际应用中，天线必须是以天线阵列的形式存在的。图5和图6分别为T字形8x1天线阵列和长方形8x1天线阵列的3维远场辐射图，图7为上述两种8x1天线阵列在YZ平面的天线增益分布对比图，其中包含三角形的曲线代表长方形缝隙天线，包含圆形的曲线代表T字形缝隙天线。为了保证相互比较的公平性，T字形缝隙天线阵列中的天线单元之间的距离和长方形缝隙天线阵列中的天线单元之间的距离完全相同，均为天线工作频率(28GHz)相对应波长的1/2。从图4、图5和图6中我们也可以明显地看出，与长方形缝隙天线阵列相比，T字形缝隙天线阵列具有很好的远场辐射均匀性。
在另一具体实施方式中，如图8和图9所示，为所述第一缝隙分支4的端部还可以朝向或远离所述天线馈电点6的方向弯折，即第一缝隙分支4的两端部可以朝上弯折一定弧度，或者朝下弯折一定弧度。
在另一具体实施方式中，如图10所示，所述第一缝隙分支4与所述第二缝隙分支5连接形成一Y字形。
在另一具体实施方式中，如图11所示，所述第一缝隙分支4与所述第二缝隙分支5连接形成一箭头形。
上述具体实施方式，相较于现有传统的长方形缝隙天线，都能在远程辐射分布具有很好的均匀性。
实施例二
请参照图12-图15，本实施例在实施例一的基础上，提供一种毫米波天线系统，基于第五代无线通信领域，实现天线辐射强度的均匀分布，以提高终端的天线性能。所述终端可以是手机、平板等有天线需求的移动终端。
具体的，将实施例一所述的缝隙天线阵列设置在移动终端9的边缘位置，如移动终端9的上端或下端，若上、下端已经被现有的4G天线所占据的话，则设置在左侧边或右侧边，或者其他不影响4G天线的边缘位置。所述缝隙天线阵列和移动终端的PCB板的地相连接。所述缝隙天线阵列优选为8x1天线阵列。
如图12所示，为T字形缝隙天线8x1阵列在手机终端上应用的示意图；图13为8个T字形缝隙天线单体的S-参数以及该缝隙天线单体与其它7个单体之间的互耦特性曲线，纵坐标的单位为dB。从图13中可以看出，该天线的S-参数完全满足28GHz毫米波的要求；而且天线单元之间的互耦小于-15dB，完全可以满足天线阵列的波束成形与扫描。
图14为该8x1天线阵列在工作频率为28GHz时不同扫描角度：(1)为0度扫描角度、(2)为30度扫描角度、(3)为60度扫描角度时的天线阵列3维远场辐射图。从图14中可以看出本实施例提出的缝隙天线阵列具有很好的波束扫描特性。
图15为该天线阵列在XZ平面内不同扫描角度下的天线增益特性，当横坐标的数值为-60时，从上往下的曲线代表的扫描角分别为60度、45度、30度、15度和0度。从图13-图15的结果中可以看出本实施例提出的T字形缝隙相控阵列天线系统可以完美地应用到毫米波段的5G手机终端上。
综上所述，本发明提供的毫米波天线及其天线系统，不仅能够实现天线阵列在远场辐射的均匀覆盖，增强天线阵列的工作性能；而且与传统的缝隙天线相比，具有尺寸较小的特点，能够更好的适用于微小移动终端的应用。
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.毫米波天线，其特征在于，包括缝隙天线单体；所述缝隙天线单体包括缝隙天线；
所述缝隙天线包括长条形的第一缝隙分支和第二缝隙分支；所述第二缝隙分支的一端与第一缝隙分支的中间区域连接，另一端远离第一缝隙分支，并设有天线馈电点。
2.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一缝隙分支和第二缝隙分支垂直连接形成一T字形。
3.如权利要求2所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一缝隙分支和第二缝隙分支均为矩形长条分支。
4.如权利要求2所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一缝隙分支的端部朝向或远离所述天线馈电点的方向弯折。
5.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一缝隙分支与所述第二缝隙分支连接形成一Y字形。
6.如权利要求1所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一缝隙分支与所述第二缝隙分支连接形成一箭头形。
7.如权利要求1-6任意一项所述的毫米波天线，其特征在于，所述第一缝隙分支的长度为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/2；所述第二缝隙分支的长度为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/4。
8.如权利要求1-6任意一项所述的毫米波天线，其特征在于，所述第二缝隙分支的一端与第一缝隙分支的中点连接。
9.如权利要求1-6任意一项所述的毫米波天线，其特征在于，所述缝隙天线单体还包括金属板和衬底；所述缝隙天线设置嵌设在金属板内，所述金属板设置在衬底上。
10.毫米波天线系统，用于第五代无线通信，其特征在于，包括移动终端以及由两个以上上述权利要求1-6任意一项所述的毫米波天线单体构成的阵列天线；所述阵列天线设置在所述移动终端的边缘位置。
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