CN108346855B - 一种毫米波天线单体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波天线单体，包括层叠的第一绝缘载体和第二绝缘载体，第一绝缘载体远离第二绝缘载体的一侧设有第一辐射臂，第一辐射臂与馈电传输线电连接；第一绝缘载体和第二绝缘载体之间设有第二辐射臂，第二绝缘载体远离第一绝缘载体的一侧设有接地板，第二绝缘载体上设有第一金属化孔，第一金属化孔的两端分别与第二辐射臂及接地板电连接。利用第一金属化孔与接地板形成L字型的金属地使得本毫米波天线单体集成在手持设备(手机、平板电脑、智能手表等)中后，手持设备内部无需设置净空，可降低手持设备整体设计的复杂度；本毫米波天线单体的工作频段宽，增益高，组成毫米波阵列天线时性能优良。

Description

一种毫米波天线单体
技术领域
本发明涉及天线行业，尤其涉及一种毫米波天线单体。
背景技术
移动通信技术的发展已经从第二代(2G)、第三代(3G)演进到第四代(4G),当前第五代(5G)移动通信技术及相关标准正值研究热潮。相比之前的技术，5G的一个显著差异是引入了毫米波频段，这可以解决低频段频谱资源拥挤的问题，另外，毫米波频段也能提供更宽的工作带宽，以满足更高传输速率的要求。对于毫米波频段，工信部正在公开征集24.75GHz～27.5GHz、37GHz～42.5GHz或其它频段的规划意见，而美国联邦通信委员会(FCC)已经明确将27.5GHz～28.35GHz、37GHz～38.6GHz和38.6GHz～40GHz作为5G毫米波频段的工作范围，5G时代正悄然来临。
为适应5G的要求，手持设备(手机、平板电脑、智能手表等)的设计在许多方面需要重新考虑，尤其是天线部分，因为传统手持设备的天线都是工作在6GHz以下，当工作频率提高到上述毫米波频段，天线的设计将截然不同，例如：传统手持设备的天线设计需要净空，不利于集成在全面屏类型的设备中；天线的辐射方向图大都为全向性，由此导致天线增益不高；天线常采用专门的工艺技术加工，需要考虑额外的传输线与射频电路互联等。对于毫米波频段，由于空间损耗变大，为满足整体链路预算的要求，天线的增益需要变高，而满足这个要求的核心在于天线单体的增益要高，这样在组成毫米波阵列天线时，可得到更优异的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种毫米波天线单体，采用该毫米波天线单体的手持设备的内部无需设置净空区。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种毫米波天线单体，包括层叠的第一绝缘载体和第二绝缘载体，第一绝缘载体远离第二绝缘载体的一侧设有第一辐射臂，第一辐射臂与馈电传输线电连接；第一绝缘载体和第二绝缘载体之间设有第二辐射臂，第二绝缘载体远离第一绝缘载体的一侧设有接地板，第二绝缘载体上设有第一金属化孔，第一金属化孔的两端分别与第二辐射臂及接地板电连接。
本发明的有益效果在于：本毫米波天线单体利用第一金属化孔与接地板形成L字型的金属地使得本毫米波天线单体集成在手持设备(手机、平板电脑、智能手表等)中后，手持设备内部无需设置净空，可降低手持设备整体设计的复杂度，同时，使得本毫米波天线单体的工作频段宽，增益高，组成毫米波阵列天线时性能优良。
附图说明
图1为本发明实施例一的毫米波天线单体的结构示意图；
图2为本发明实施例一的毫米波天线单体的沿图1中XOZ面的截面图；
图3为本发明实施例一的毫米波天线单体驻波和辐射效率的曲线图；
图4为本发明实施例一的毫米波天线单体在XOZ面的增益方向图；
图5为由多个本发明实施例一的毫米波天线单体组合而成的阵列天线的示意图；
图6为图5中的阵列天线在YOZ面的增益方向图；
图7为本发明实施例二的毫米波天线单体的截面图；
图8为本发明实施例三的毫米波天线单体的结构示意图。
标号说明：
1、第一绝缘载体；2、第二绝缘载体；21、绝缘层；3、第一辐射臂；31、第一辐射部；32、第二辐射部；33、第三辐射部；4、第二辐射臂；41、第四辐射部；42、第五辐射部；43、第六辐射部；5、馈电传输线；6、接地板；7、第一金属化孔；8、金属过渡板；9、金属导电层；10、铜箔。
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：设置第一、二辐射臂、第一金属化孔及接地板，并利用第一金属化孔和接地板形成L字型的金属地。
请参照图1至图8，一种毫米波天线单体，包括层叠的第一绝缘载体1和第二绝缘载体2，第一绝缘载体1远离第二绝缘载体2的一侧设有第一辐射臂3，第一辐射臂3与馈电传输线5电连接；第一绝缘载体1和第二绝缘载体2之间设有第二辐射臂4，第二绝缘载体2远离第一绝缘载体1的一侧设有接地板6，第二绝缘载体2上设有第一金属化孔7，第一金属化孔7的两端分别与第二辐射臂4及接地板6电连接。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本毫米波天线单体利用第一金属化孔与接地板形成L字型的金属地使得本毫米波天线单体集成在手持设备(手机、平板电脑、智能手表等)中后，手持设备内部无需设置净空，可降低手持设备整体设计的复杂度，尤其利于将本毫米波天线单体集成在全面屏手机中，同时，使得本毫米波天线单体的工作频段宽，增益高，组成毫米波阵列天线时性能优良。
进一步的，第一辐射臂3包括第一辐射部31、第二辐射部32及第三辐射部33，第二辐射部32的两端分别与第一辐射部31的一端及第三辐射部33的一端相连，第二辐射部32分别与第一辐射部31及第三辐射部33垂直且第一辐射部31和第三辐射部33位于第二辐射部32的同侧；第二辐射臂4包括第四辐射部41、第五辐射部42及第六辐射部43，第五辐射部42的两端分别与第四辐射部41的一端及第六辐射部43的一端相连，第五辐射部42分别与第四辐射部41及第六辐射部43垂直且第四辐射部41和第六辐射部43位于第五辐射部42的同侧。
由上述描述可知，第一、二辐射臂区别于传统偶极子天线，第一、二辐射臂通过增加第三辐射部和第六辐射部，有效地减小了毫米波天线单体的横向尺寸，这有利于减小毫米波天线单体在手持设备中所占空间，利于手持设备小型化，并且，当使用毫米波天线单体设计阵列天线时，有利于降低各个毫米波天线单体之间的耦合，提高阵列天线性能。
进一步的，第一辐射部31位于第四辐射部41的正上方，第三辐射部33和第六辐射部43相互远离设置。
由上述描述可知，第一辐射部位于第四辐射部的正上方，有利于增强第一、二辐射臂之间的耦合，利于提高毫米波天线单体的性能。
进一步的，第二绝缘载体2为包括多个绝缘层21的层叠结构。
进一步的，所述多个绝缘层21的层叠结构中至少有一组相邻的两个绝缘层21之间设有金属导电层9。
由上述描述可知，绝缘层的种类、厚度、叠层顺序的排布自由灵活，增强了毫米波天线单体的多样性。另外，绝缘层还可以起到其它附带作用，例如增加电路板厚度，提高PCB板整体的牢固性；粘结作用，使得PCB板压合时能牢固互联；绝缘作用，使得相邻铜箔层之间天然绝缘等等。当具有金属导电层时，该金属导电层可用于电路设计的其它功能，例如电源层，此时设计者可考虑将本毫米波天线单体集成到电路中。
进一步的，第一绝缘载体1和第二绝缘载体2之间设有金属过渡板8，所述金属过渡板8分别与第二辐射臂4及第一金属化孔7电连接。
由上述描述可知，金属过渡板作为馈电传输线的地层，与馈电传输线构成微带传输线。
进一步的，所述第一金属化孔7与接地板6的连接处位于接地板6的边沿区域。
由上述描述可知，由于第一金属化孔与接地板形成了L字型的金属地，接地板只需要保留很少区域，第二绝缘载体远离第一绝缘载体的侧面上剩下的区域都可以用来放置电路元件，例如电容、电阻、电感、滤波器、放大器、多功能IC等，可以充分利用第二绝缘载体底部的面积，利于手持设备小型化。
进一步的，第一绝缘载体1远离第二绝缘载体2的一侧还设有铜箔10，第一绝缘载体1上设有第二金属化孔，第二金属化孔的两端分别与所述铜箔10及所述第一金属化孔7电连接。
进一步的，第二辐射臂4印制在第二绝缘载体2或第一绝缘载体1上。
由上述描述可知，印制包括印刷、压制等生产工艺。
进一步的，第二绝缘载体2的厚度大于第一绝缘载体1的厚度。
由上述描述可知，第二绝缘载体的厚度大于第一绝缘载体的厚度有利于进一步提高毫米波天线单体的性能。
实施例一
请参照图1至图6，本发明的实施例一为：如图1和图2所示，一种毫米波天线单体，包括层叠的第一绝缘载体1和第二绝缘载体2，第一绝缘载体1远离第二绝缘载体2的一侧设有第一辐射臂3，第一辐射臂3与馈电传输线5电连接；第一绝缘载体1和第二绝缘载体2之间设有第二辐射臂4，第二绝缘载体2远离第一绝缘载体1的一侧设有接地板6，第二绝缘载体2上设有第一金属化孔7，第一金属化孔7的两端分别与第二辐射臂4及接地板6电连接。
所述馈电传输线5优选五十欧姆传输线。
第一、二绝缘载体分别为PCB衬底基材。
本实施例中，第一辐射臂3包括第一辐射部31、第二辐射部32及第三辐射部33，第二辐射部32的两端分别与第一辐射部31的一端及第三辐射部33的一端相连，第二辐射部32分别与第一辐射部31及第三辐射部33垂直且第一辐射部31和第三辐射部33位于第二辐射部32的同侧，第一辐射部31的长度大于第三辐射部33的长度；第二辐射臂4包括第四辐射部41、第五辐射部42及第六辐射部43，第五辐射部42的两端分别与第四辐射部41的一端及第六辐射部43的一端相连，第五辐射部42分别与第四辐射部41及第六辐射部43垂直且第四辐射部41和第六辐射部43位于第五辐射部42的同侧，第四辐射部41的长度大于第六辐射部43的长度。详细的，第一辐射部31远离第二辐射部32的一端与所述馈电传输线5电连接。
即本实施例中第一、二辐射体分别呈类似于大写的伽马字符的形状。为了进一步提高毫米波天线单体的性能，本实施例中，在沿正Z轴方向上第一、第二辐射臂有一部分会重叠，优选第一辐射部31位于第四辐射部41的正上方，第三辐射部33和第六辐射部43相互远离设置。
第一绝缘载体1和第二绝缘载体2之间设有金属过渡板8，所述金属过渡板8分别与第二辐射臂4及第一金属化孔7电连接，具体的，第四辐射部41远离第五辐射部42的一端与所述金属过渡板8电连接。由于使用了L字型的金属地，本毫米波天线单体在辐射能量时，第一金属化孔7使得毫米波天线单体与第二绝缘载体2底面的电路元件之间，形成电磁隔离，互不干扰，确保手持设备正常工作，当手持设备小型化时，该优势更加明显。
优选的，所述第一金属化孔7与接地板6的连接处位于接地板6的边沿区域。
进一步的，第二辐射臂4印制在第二绝缘载体2或第一绝缘载体1上。同理，第一辐射臂3可以选择印制工艺印制在第一绝缘载体1上；接地板6可以选择印制工艺印制在第二绝缘载体2上。由于本毫米波天线单体实现在PCB电路板上，加工简单，成本低，可以与手持设备的电路部分集成在一起，不需要额外贴装、焊接过程，给毫米波天线的应用带来巨大优势。
进一步的，第二绝缘载体2的厚度大于第一绝缘载体1的厚度，可选的，第二绝缘载体2的厚度是第一绝缘载体1厚度的1.5-10倍；进一步的，第二绝缘载体2的厚度是第一绝缘载体1厚度的3-8倍；本实施例中，第二绝缘载体2的厚度是第一绝缘载体1的厚度的5倍。
本毫米波天线单体可以设计在非常大的PCB上，PCB除了天线所占区域，其它地方可以放置各种电路元件，例如电容、电阻、电感、滤波器、放大器、多功能IC等，电路元件与第一辐射臂3通过馈电传输线5电相连，馈电传输线5的形状也不限于如图1所示的直线型，还可以为弯折线、蛇形线等，灵活自由。
作为实例，接下来，本实施例通过实验数据给出了本毫米波天线单体的性能，图3是本毫米波天线单体驻波和辐射效率的曲线图，对于驻波小于2时，本毫米波天线单体的工作频段为27.26GHz至30.74GHz，远远宽于美国联邦通信委员会(FCC)定义的用于5G毫米波频段的27.5GHz～28.35GHz，图4是本毫米波天线单体在XOZ面的增益方向图，其最大增益为5.13dBi。本毫米波天线单体适用的工作频段不局限于美国联邦通信委员会(FCC)定义的27.5GHz～28.35GHz。因此，本实施例的毫米波天线单体性能优良，特别适用于5G移动通信手持设备。
容易理解的，虽然上述给出的本毫米波天线单体的工作频段为27.26GHz至30.74GHz，但通过调整第一辐射臂3和第二辐射臂4的尺寸、厚度；第一绝缘载体1和第二绝缘载体2的材料类型、厚度等，可以非常灵活的适用到其它工作频段，当天线尺寸变化时，天线的性能也会发生变化，可以依据应用需求，性能要求高低，自由调整。
图5示意了含有8个本实施例毫米波天线单体的阵列天线，该阵列天线的辐射方向图如图6所示，该阵列天线方向图的定向性非常好，最大增益为12dBi，3dB波瓣宽度为12.5度，可以很好的满足手持设备在毫米波频段的需求。基于本案天线单体，可以自由灵活的组成各种阵列天线，图5所示的天线阵列是沿Y轴摆放的，在实际应用中，天线阵列也可以沿X轴摆放，或者同时沿X轴、Y轴摆放，还可以按各种特殊图案摆放，天线阵列的单体数量自由灵活，可以按照应用场景不同具体设计。
实施例二
请参照图7，本发明的实施例二是在实施例一的基础上对第二绝缘载体2提出的另一种变形方案，具体为：第二绝缘载体2为包括多个绝缘层21的层叠结构，其中至少一个绝缘层21为硬质构造层，例如PCB板芯板。
可选的，所述多个绝缘层21的层叠结构中至少有一组相邻的两个绝缘层21之间设有金属导电层9。容易理解的，厂商可以根据实际需要选择设置所述金属导电层9，即所述金属导电层9的数目可以为0个、1个或多个。
实施例三
请参照图8，本发明的实施例三是在实施例一的基础上提出的一种变形方案，具体为：第一绝缘载体1远离第二绝缘载体2的一侧还设有铜箔10，第一绝缘载体1上设有第二金属化孔，第二金属化孔的两端分别与所述铜箔10及所述第一金属化孔7电连接。即第一金属化孔7和第二金属化孔共同形成一贯穿第一、二绝缘载体的贯穿孔。
本实施例中，所述铜箔10的数量为两个，两个所述铜箔10分别位于馈电传输线5的两侧。
另外，需要说明的是，可以通过局部结构不同的本发明的毫米波天线单体组成一阵列天线，例如利用若干个实施例二的毫米波天线单体和若干个实施例三的毫米波天线单体组成类似图5的阵列天线，组成阵列的方式灵活自由。
综上所述，本发明提供的毫米波天线单体，利用第一金属化孔与接地板形成L字型的金属地使得本毫米波天线单体集成在手持设备(手机、平板电脑、智能手表等)中后，手持设备内部无需设置净空，可降低手持设备整体设计的复杂度，尤其利于将本毫米波天线单体集成在全面屏手机中，同时，使得本毫米波天线单体的工作频段宽，增益高，组成毫米波阵列天线时性能优良；第一、二辐射臂通过增加第三辐射部和第六辐射部，有效地减小了毫米波天线单体的横向尺寸。
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 (9)

1.一种毫米波天线单体，其特征在于：包括层叠的第一绝缘载体和第二绝缘载体，第一绝缘载体远离第二绝缘载体的一侧设有第一辐射臂，第一辐射臂与馈电传输线电连接；第一绝缘载体和第二绝缘载体之间设有第二辐射臂，第二绝缘载体远离第一绝缘载体的一侧的部分区域设有接地板，第二绝缘载体上设有第一金属化孔，第一金属化孔的两端分别与第二辐射臂及接地板电连接，所述第一金属化孔与接地板的连接处位于接地板的边沿区域。
2.根据权利要求1所述的毫米波天线单体，其特征在于：第一辐射臂包括第一辐射部、第二辐射部及第三辐射部，第二辐射部的两端分别与第一辐射部的一端及第三辐射部的一端相连，第二辐射部分别与第一辐射部及第三辐射部垂直且第一辐射部和第三辐射部位于第二辐射部的同侧；第二辐射臂包括第四辐射部、第五辐射部及第六辐射部，第五辐射部的两端分别与第四辐射部的一端及第六辐射部的一端相连，第五辐射部分别与第四辐射部及第六辐射部垂直且第四辐射部和第六辐射部位于第五辐射部的同侧。
3.根据权利要求2所述的毫米波天线单体，其特征在于：第一辐射部位于第四辐射部的正上方，第三辐射部和第六辐射部相互远离设置。
4.根据权利要求1所述的毫米波天线单体，其特征在于：第二绝缘载体为包括多个绝缘层的层叠结构。
5.根据权利要求4所述的毫米波天线单体，其特征在于：所述多个绝缘层的层叠结构中至少有一组相邻的两个绝缘层之间设有金属导电层。
6.根据权利要求1所述的毫米波天线单体，其特征在于：第一绝缘载体和第二绝缘载体之间设有金属过渡板，所述金属过渡板分别与第二辐射臂及第一金属化孔电连接。
7.根据权利要求1所述的毫米波天线单体，其特征在于：第一绝缘载体远离第二绝缘载体的一侧还设有铜箔，第一绝缘载体上设有第二金属化孔，第二金属化孔的两端分别与所述铜箔及所述第一金属化孔电连接。
8.根据权利要求1所述的毫米波天线单体，其特征在于：第二辐射臂印制在第二绝缘载体或第一绝缘载体上。
9.根据权利要求1所述的毫米波天线单体，其特征在于：第二绝缘载体的厚度大于第一绝缘载体的厚度。
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