CN107768842A - 一种用于5g移动通信的天线单元以及阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于5G移动通信的天线单元，包括由下而上依次层叠设置的接地板、PCB板介质和陶瓷介质，还包括天线第一部分和天线第二部分，天线第一部分和天线第二部分均设置于陶瓷介质上；所述天线第一部分的末端设置于所述PCB板介质上；所述PCB板介质上与所述天线第二部分相对应的位置设置有第一过孔，所述天线第二部分的末端通过所述第一过孔连接于所述接地板；所述天线第二部分的顶端与所述天线第一部分的顶端间隔的设置于所述陶瓷介质上并相互耦合。还公开了一种阵列天线，包括基板和n个天线单元，所述n个用于5G移动通信的天线单元在所述基板上呈nx1的阵列排布。

Description

一种用于5G移动通信的天线单元以及阵列天线
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种用于5G移动通信的天线单元以及阵列天线。
背景技术
移动通信技术经过前面4代的发展，即将迎来以实现高速传输和万物互联为目的的第五代(也即5G)。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，5G技术将在毫米波频段进行，因为毫米波的带宽较宽。但毫米波由于波长短，几近于直线传播，在空气中会产生大的衰减，这使得其传播距离短。所以在进行5G基站布置时，需要在各方向有更多的发射基站以防单个基站发出的电磁波被物体阻挡而影响通信。
在移动终端，为了补偿毫米波频段天线的损耗，就需要对多个天线单元进行组阵以增加天线的增益。此外，移动终端设备的阵列天线还要有波束赋形的能力，以使其可与固定位置的基站进行点对点通信，其波束可在某一方向的一定角度内进行任意切换或扫描。按计划，2020年将可能是5G的商用元年，2016年7月美国联邦通信委员会就定义了5G的毫米波频段：28GHz(27.5-28.35GHz)、37GHz(37-38.6GHz)和39GHz(38.6-40GHz)。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，但是若要增加宽带和增益，就必然会增大天线的尺寸以及天线占PCB板的面积，这显然不符合手持设备、穿戴设备等移动终端的小型化要求。因此，有必要提供一种可覆盖37GHz和39GHz两个频段，且尺寸较小的天线，可以为移动终端设备(手机，穿戴式设备和PAD等)提供未来5G通信的毫米波天线单元以及阵列天线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于5G移动通信的天线单元以及阵列天线，可解决现有技术中尺寸大、带宽小、增益小等问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案一为：
一种用于5G移动通信的天线单元，包括由下而上依次层叠设置的接地板、PCB板介质和陶瓷介质，还包括天线第一部分和天线第二部分，天线第一部分和天线第二部分均设置于所述陶瓷介质上；
所述天线第一部分的末端设置于所述PCB板介质上；所述PCB板介质上与所述天线第二部分相对应的位置设置有第一过孔，所述天线第二部分的末端通过所述第一过孔连接于所述接地板；所述天线第二部分的顶端与所述天线第一部分的顶端间隔的设置于所述陶瓷介质上并相互耦合。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案二为：
一种阵列天线，包括基板和n个技术方案一所述的用于5G移动通信的天线单元，所述基板包括层叠设置的PCB层和接地层；所述n个用于5G移动通信的天线单元在所述基板上呈nx1的阵列排布；n个用于5G移动通信的天线单元的PCB板介质均为所述PCB层的一部分，n个用于5G移动通信的天线单元的接地板均为所述接地层的一部分。
本发明的有益效果在于：在天线单元中，天线第一部分的顶端与天线第二部分的顶端形成耦合馈电形式，天线第一部分、天线第二部分以及接地板可共同形成一个耦合式环形天线，该天线单元能够较大的扩展带宽和增益，同时覆盖37GHz和39GHz两个频段，更好地满足5G通信的毫米波频段的要求；同时，该天线单元尺寸较小，天线阵列可以独立设置于一块PCB板上，也可以直接做在终端设备的PCB板上，具有更大的安装灵活性，且天线单元占用PCB板的面积小，无需设置净空区，对终端设备的PCB板的影响较小；在工作频率37-40GHz范围内，该阵列天线都能保证在0到60度扫描角内很好地工作。
附图说明
图1为本发明实施例一的天线单元的整体结构示意图；
图2为本发明实施例一的天线单元的透视图；
图3为本发明实施例一的天线单元的剖视图；
图4为本发明实施例一的天线单元的回波损耗图；
图5为本发明实施例一的天线单元的方向图；
图6为本发明实施例一的天线单元的参数扫描图a；
图7为本发明实施例一的天线单元的参数扫描图b；
图8为本发明与现有技术的回波损耗对比图；
图9为本发明实施例二的天线单元的整体结构示意图；
图10为本发明实施例三的阵列天线的结构示意图；
图11为阵列天线的S参数图；
图12为阵列天线在37GHz时的扫描图；
图13为阵列天线在38.6GHz时的扫描图；
图14为阵列天线在40GHz时的扫描图。
标号说明：
1、接地板；2、PCB板介质；21、第一过孔；3、陶瓷介质；31、第一层LTCC；32、第二层LTCC；33、第三层LTCC；34、第四层LTCC；35、第五层LTCC；36、第二过孔；37、第三过孔；4、天线第一部分；41、馈电微带线；42、天线第一部分过孔区；43、馈电耦合片；5、天线第二部分；6、敷铜层。
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:天线单元包括依次层叠设置的接地板1、PCB板介质2和陶瓷介质3，还包括相互独立的天线第一部分4和天线第二部分5，利用天线第一部分4和天线第二部分5耦合以扩展带宽，且与接地板1一起形成耦合式环形天线。
请参照图1以及图2，一种用于5G移动通信的天线单元，包括由下而上依次层叠设置的接地板1、PCB板介质2和陶瓷介质3，还包括天线第一部分4和天线第二部分5均设置于陶瓷介质3上；
所述天线第一部分4的末端设置于所述PCB板介质2上；所述PCB板介质2上与所述天线第二部分5相对应的位置设置有第一过孔21，所述天线第二部分5的末端通过所述第一过孔21连接于所述接地板1；所述天线第二部分5的顶端与所述天线第一部分4的顶端间隔的设置于所述陶瓷介质3上并相互耦合。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：在天线单元中，天线第一部分的顶端与天线第二部分的顶端形成耦合馈电形式，天线第一部分、天线第二部分以及接地板可共同形成一个耦合式环形天线，该天线单元能够较大的扩展带宽和增益，同时覆盖37GHz和39GHz两个频段，更好地满足5G通信的毫米波频段的要求；同时，该天线单元尺寸较小，天线阵列可以独立设置于一块PCB板上，也可以直接做在终端设备的PCB板上，具有更大的安装灵活性，且天线单元占用PCB板的面积小，无需设置净空区，对终端设备的PCB板的影响较小。
进一步的，所述陶瓷介质3为多层低温共烧陶瓷(LTCC)层叠而成，所述天线第一部分4的顶端和所述天线第二部分5的顶端分别设置于不同层的LTCC，并且所述天线第二部分5的顶端设置于最顶层LTCC。
由上述描述可知，天线第一部分的顶端和天线第二部分的顶端位于同一竖直面内，且天线第一部分的顶端位于天线第二部分的顶端的下侧，天线的两个部分的顶端可馈电耦合，使天线第一部分、天线第二部分和接地板连接起来形成一个耦合式环形天线。
进一步的，所述天线第一部分4的末端为馈电微带线41，所述天线第一部分4的顶端为馈电耦合片43，所述馈电微带线41与所述馈电耦合片43之间通过设置于多层LTCC中的第二过孔36连接。
由上述描述可知，天线第一部分中，除了部分馈电微带线是设置在PCB板介质上面，天线第一部分的其他部分均是埋设在陶瓷介质的内部。
进一步的，所述天线第二部分5的顶端与所述第一过孔21之间通过设置于多层LTCC中的第三过孔37连接，所述第三过孔37构成所述天线第二部分5的末端。
由上述描述可知，多层LTCC的第三过孔可共同作为天线第二部分的一部分，使天线第二部分通过第一过孔与接地板连接。
进一步的，相邻两层LTCC之间与所述第二过孔36和第三过孔37的边缘相对应的位置均设置有敷铜层6。
由上述描述可知，相邻两层LTCC之间的敷铜层可使各层之间的第二过孔以及各层之间的第三过孔充分接触，使天线第一部分和天线第二部分具有稳定的性能。
进一步的，所述陶瓷介质3包括五层LTCC，所述LTCC的介电常数为10。
进一步的，所述天线第一部分4和天线第二部分5的顶端均设置于所述陶瓷介质3的上表面，且天线第一部分4的顶端设置于天线第二部分5的顶端的侧边。
由上述描述可知，天线第一部分的顶端和天线第二部分的顶端可以设置在同一水平面内，使天线第一部分的顶端和天线第二部分的顶端在左右方向上错开，形成另一种形式的馈电耦合。
进一步的，所述天线第一部分4的顶端包括U型区，所述U型区的开口朝向所述天线第二部分5设置；所述天线第二部分5的顶端从所述开口伸入所述U型区内。
由上述描述可知，本方案中，所述天线第一部分的顶端包括两个分支，两个分支分别位于天线第二部分的顶端的左右两侧，可进一步加强馈电耦合的效果。
进一步的，所述陶瓷介质3为整块的陶瓷，所述天线第一部分4和天线第二部分5均贴附于所述陶瓷介质3的外表面。
一种阵列天线，包括基板和n个上述的用于5G移动通信的天线单元，所述基板包括层叠设置的PCB层和接地层；所述n个用于5G移动通信的天线单元在所述基板上呈nx1的阵列排布；n个用于5G移动通信的天线单元的PCB板介质2均为所述PCB层的一部分，n个用于5G移动通信的天线单元的接地板1均为所述接地层的一部分。
由上述描述可知，多个天线单元也可以独立设置于一块PCB板上，也可以直接做在终端设备的PCB板上形成阵列天线，具有更大的安装灵活性，且天线单元占用PCB板的面积小，无需设置净空区，对终端设备的PCB板的影响较小；在工作频率37-40GHz范围内，该阵列天线都能保证在0到60度扫描角内很好地工作。
实施例一
请参照图1，本发明的实施例一为：一种用于5G移动通信的天线单元，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。
所述天线单元包括由下而上依次层叠设置的接地板1、PCB板介质2和陶瓷介质3，所述接地板1的大小与所述PCB板的大小相同；所述陶瓷介质3在PCB板介质2上的占用面积远小于所述PCB板介质2的上表面。所述天线单元还包括天线第一部分4和天线第二部分5，天线第一部分4和天线第二部分5分别设置于陶瓷介质3的两侧，所述PCB板介质2上与所述天线第二部分5相对应的位置设置有第一过孔21，所述天线第二部分5的末端通过所述第一过孔21连接于所述接地板1。所述天线第二部分5的顶端与所述天线第一部分4的顶端间隔的设置于所述陶瓷介质3上并相互耦合。
具体的，所述陶瓷介质3为多层低温共烧陶瓷(LTCC)层叠而成，在本实施例中，所述LTCC的层数为五，由上至下依次包括第一层LTCC31、第二层LTCC32、第三层LTCC33、第四层LTCC34和第五层LTCC35。所述天线第一部分4由顶端至末端依次包括馈电耦合片43、天线第一部分过孔区42和馈电微带线41，所述馈电微带线41平铺设置于所述PCB板介质2的上表面；如图2以及图3所示，所述第二层LTCC32、第三层LTCC33、第四层LTCC34和第五层LTCC35与所述馈电微带线41端部相对应的位置均设置有第二过孔36，第二过孔36的孔壁上设置有一层金属层，相邻两层LTCC之间与所述第二过孔36的边缘相对应的位置均设置有敷铜层6，可保证相邻两层LTCC上的第二过孔36之间有很好的接触。多层LTCC的第二过孔36共同形成所述天线第一部分过孔区42，天线第一部分过孔区42的长度为FH。所述馈电微带线41与所述馈电耦合片43之间通过所述天线第一部分过孔区42连接。
所述天线第二部分5的顶端为第二耦合片，第二耦合片和所述馈电耦合片43分别设置于不同层的LTCC上，在本实施例中，所述馈电耦合片43平铺设置于第一层LTCC31和第二层LTCC32之间，所述第二耦合片平铺设置于所述第一层LTCC31的上表面，且由天线第二部分5所在侧向天线第一部分4所在侧延伸。在XOZ面内投影，天线第一部分4的顶端与天线第二部分5的顶端有部分重叠，即馈电耦合片43与所述第二耦合片相互耦合。如图3所示，馈电耦合片43与第二耦合片重叠的部分的长度为FL。通过改变天线第一部分4的过孔36高度FH和耦合长度FL这两个参数可以调节天线单元的回波损耗。所述五层LTCC与所述第一过孔21相对应的位置均设置有第三过孔37，所述第三过孔37的孔壁上设置有金属层，相邻两层LTCC之间与所述第三过孔37的边缘相对应的位置均设置有敷铜层6，所述多个第三过孔37共同形成天线第二部分过孔区，所述天线第二部分过孔区构成所述天线第二部分5的末端。天线第二部分过孔区通过所述第一过孔21连接于所述接地板1。因此，天线第一部分4、天线第二部分5和接地板1可共同形成一个耦合式的环形天线。
在本实施例中，所述PCB板介质2选用相对介电常数r为2.2的Rogers RT5880板材，所述接地板1的厚度为0.25mm，面积为3.75mm×3mm；所述低温共烧陶瓷(LTCC)的介电常数为10，其长×宽×高为1.75mm×0.5mm×0.924mm,且每层的最大厚度为0.25mm。整个天线单元的体积很小，方便安装于各种移动终端上面。
图4所示为所述天线单元的回波损耗图；图5所示为天线单元在Phi＝0度(即图2中的XOZ面)和Phi＝90度(即图2中的YOZ面)时频率分别为37GHz，38.5GHz和40GHz的辐射方向图，从图5中可以看出在不同频率下天线的在+Z方向的增益在1.7dBi左右，在phi＝90度平面上增益最大值稍偏离+Z轴，辐射方向图在两个平面内都具有较好的一致性。图6和图7为天线单元参数扫描图，其中图6为单元馈电耦合片43303的长度FL的扫描曲线，可以看出，随着FL的加长，天线单元的回波损耗往低频移动，但其深度加深；图7为单元馈电过孔302的高度FH的扫参曲线，可以看到随着FH的增加，天线单元的谐振往低频偏移，回波损耗的深度先变深后变浅。
现有技术中，环形天线多为直接式，即天线第一部分4的顶端和天线第二部分5的顶端是直接连接在一起的，但现有技术的这种环形天线带宽较小，从图8中可以看出，本发明的耦合式环形天线得到的天线回波损耗的带宽将比现有技术的直接式环形天线大1GHz左右。因此，本发明的天线单元具有带宽大、增益高等优点，可以完全覆盖37GHz和39GHz两个频段。
实施例二
请参考图9，本实施例可以看作是实施例一的另一种扩展形式，这两个实施例的原理相同，都是将天线第一部分4和天线第二部分5在陶瓷介质3上进行耦合。本实施例与实施例一的不同之处在于：在本实施例中，所述陶瓷介质3为整块的陶瓷，所述天线第一部分4和天线第二部分5均贴附于所述陶瓷介质3的外表面。其中，天线第一部分4和天线第二部分5分别设置于所述陶瓷介质3的左右两侧，所述天线第一部分4和天线第二部分5的顶端均设置于所述陶瓷介质3的上表面，且天线第一部分4的顶端设置于天线第二部分5的顶端的侧边，天线第一部分4的顶端与天线第二部分5的顶端之间具有间隔。
优选的，所述天线第一部分4的顶端包括U型区，所述U型区的开口朝向所述天线第二部分5设置；所述天线第二部分5的顶端从所述开口伸入所述U型区内。即天线第一部分4的顶端与天线第二部分5的顶端在XOZ面内是相互错开的，在YOZ面投影时，天线第一部分4的顶端与天线第二部分5的顶端是有部分重叠的，天线第一部分4的顶端与天线第二部分5的顶端相互耦合。
本实施例中的天线第一部分4和天线第二部分5均贴设于陶瓷介质3的外面，无需在陶瓷介质3的内部打孔，也不用使用多层LTCC压合，物料成本更低，生产工艺更简洁，同时还能形成耦合式环形天线，具有与实施例一相同的效果。
实施例三
如图10所示，本实施例为：一种阵列天线，包括基板和n个如实施例一或实施例二所述的天线单元。在本实施例中，所述天线单元的数目优选为8个。所述基板包括层叠设置的PCB层和接地层，接地层设置与PCB层的底面，不设置净空区。所述8个用于5G移动通信的天线单元在所述基板上呈8x1的阵列排布；8个用于5G移动通信的天线单元的PCB板介质2均为所述PCB层的一部分，8个用于5G移动通信的天线单元的接地板1均为所述接地层的一部分。也就是说8个天线单元的接地板1和PCB板介质2为同一块接地板1和PCB板介质2。8个天线单元可以独立地固定在一块天线PCB板上，也可以直接做在手持终端的PCB板上，具有很大的灵活性。
在本实施例中，所述基板的尺寸为130mm×65mm，相邻两个天线单元间的间距优选为3.75mm，此时对应最高频40GHz的半波长。
图11为8单元阵列天线的S参数图，从图中可以看到，阵列天线的回波损耗与天线单元的回波损耗接近，与相邻阵元的隔离度最高，然后随着与之距离增加的阵元，其间的隔离度也逐渐减小。
图12为8单元阵列天线在37GHz时在XOZ平面内沿Theta方向的扫描图。由图12中可见，和天线单元相比，阵列天线在+Z方向上的增益从1.7dBi增加到11.1dBi左右。此外，从图5中还可以看出该阵列天线在0到60度内进行扫描时，副瓣不会增加太大，这样就可以和基站实现点对点的连接或通信。
图13为8单元阵列天线在38.6GHz时在XOZ平面内沿Theta方向的扫描图，由图13中可见，此阵列天线在+Z方向上的增益为11.26dBi左右。图13中的方向图副瓣较低，都小于0dBi，主瓣可以在0到60度内很好地扫描。
图14为8单元阵列天线在40GHz时在XOZ平面内沿Theta方向的扫描图，由图14中可见，此阵列天线在+Z方向上的增益为11.37dBi左右。图14中的主瓣可以在0到60度内很好地扫描，副瓣也较低；但在主瓣60度时，副瓣上升到0dBi以上。
从图12-14的扫描图中可以看到，随着扫描角增加，副瓣也会随着上升；随着频率的增加，在固定单元间距的情况下，天线的主瓣会变窄，副瓣会上升。这是因为频率增加，波长就减小，相同间距下对应的波长倍数就会增加，当扫描角越大时，就越有可能包含更大更多的副瓣。该天线单元和阵列天线也可以扩展到其它的5G毫米波工作频段。此外，从图12-14的扫描图中还可以看出，本天线设计在工作频率37-40GHz范围内都能保证在60度扫描角内很好地工作。
综上所述，本发明提供的用于5G移动通信的天线单元和阵列天线，具有尺寸小、带宽大、增益高等优点，天线占用PCB板的面积较小，且没有净空，对移动终端的PCB板影响小，可以覆盖37GHz和39GHz两个频段，在0到60度扫描角内很好地工作，稳定地与基站实现点对点的连接或通信。
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)

1.一种用于5G移动通信的天线单元，其特征在于，包括由下而上依次层叠设置的接地板、PCB板介质和陶瓷介质，还包括天线第一部分和天线第二部分，天线第一部分和天线第二部分均设置于所述陶瓷介质上；
所述天线第一部分的末端设置于所述PCB板介质上；所述PCB板介质上与所述天线第二部分相对应的位置设置有第一过孔，所述天线第二部分的末端通过所述第一过孔连接于所述接地板；所述天线第二部分的顶端与所述天线第一部分的顶端间隔的设置于所述陶瓷介质上并相互耦合。
2.如权利要求1所述的用于5G移动通信的天线单元，其特征在于，所述陶瓷介质为多层低温共烧陶瓷LTCC层叠而成，所述天线第一部分的顶端和所述天线第二部分的顶端分别设置于不同层的LTCC，并且所述天线第二部分的顶端设置于最顶层LTCC。
3.如权利要求2所述的用于5G移动通信的天线单元，其特征在于，所述第一天线部的末端为馈电微带线，所述第一天线部的顶端为馈电耦合片，所述馈电微带线与所述馈电耦合片之间通过设置于多层LTCC中的第二过孔连接。
4.如权利要求3所述的用于5G移动通信的天线单元，其特征在于，所述天线第二部分的顶端与所述第一过孔之间通过设置于多层LTCC中的第三过孔连接，所述第三过孔构成所述天线第二部分的末端。
5.如权利要求4所述的用于5G移动通信的天线单元，其特征在于，相邻两层LTCC之间与所述第二过孔和第三过孔的边缘相对应的位置均设置有敷铜层。
6.如权利要求1所述的用于5G移动通信的天线单元，其特征在于，所述陶瓷介质包括五层LTCC，所述LTCC的介电常数为10。
7.如权利要求1所述的用于5G移动通信的天线单元，其特征在于，所述天线第一部分和天线第二部分的顶端均设置于所述陶瓷介质的上表面，且天线第一部分的顶端设置于天线第二部分的顶端的侧边。
8.如权利要求7所述的用于5G移动通信的天线单元，其特征在于，所述天线第一部分的顶端包括U型区，所述U型区的开口朝向所述天线第二部分设置；所述天线第二部分的顶端从所述开口伸入所述U型区内。
9.如权利要求7所述的用于5G移动通信的天线单元，其特征在于，所述陶瓷介质为整块的陶瓷，所述天线第一部分和天线第二部分均贴附于所述陶瓷介质的外表面。
10.一种阵列天线，其特征在于，包括基板和n个如权利要求1-9任意一项所述的用于5G移动通信的天线单元，所述基板包括层叠设置的PCB层和接地层；所述n个用于5G移动通信的天线单元在所述基板上呈nx1的阵列排布；n个用于5G移动通信的天线单元的PCB板介质均为所述PCB层的一部分，n个用于5G移动通信的天线单元的接地板均为所述接地层的一部分。
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