CN108539395B - 适用于5g通信的双频毫米波天线系统及其手持设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于5G通信的双频毫米波天线系统及其手持设备，所述双频毫米波天线系统包括至少六个的间隔设置的天线单元，所述天线单元包括第一天线分支、第二天线分支、第三天线分支、方形的绝缘支架和用于焊接的金属贴片，所述第一天线分支固定设置于所述绝缘支架的顶部，所述第二天线分支固定设置于所述绝缘支架的一侧面，所述第三天线分支固定设置于所述绝缘支架的底部且与所述第二天线分支连接，所述金属贴片固定设置于所述绝缘支架的底部。第一天线分支和第二天线分支可以耦合产生26GHz处的谐振，第二天线分支可以产生39GHz处的谐振，从而可以覆盖中国的5G通信系统中的两个毫米波频段；可直接表贴使用，易于和射频前端系统集成。

Description

适用于5G通信的双频毫米波天线系统及其手持设备

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种适用于5G通信的双频毫米波天线系统及其手持设备。

背景技术

在未来的5G通信系统中，为了提高通信速率和最大接入数量等方面的性能，最简单有效的一个方法就是增加通信系统的工作带宽。因此，具有足够频谱资源的毫米波频段成为了5G通信系统的工作频段之一。目前，中国把24.75～27.5GHz和37～42.5GHz暂定为中国的5G通信系统中的高频段。对于这种工作频段的设定，使得如何让5G毫米波天线阵列实现宽带化或者双频化成为一个研究难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于5G通信的双频毫米波天线系统及其手持设备，天线系统能很好地覆盖两个毫米波频段，可直接表贴使用。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种适用于5G通信的双频毫米波天线系统，包括至少六个的间隔设置的天线单元，所述天线单元包括第一天线分支、第二天线分支、第三天线分支、方形的绝缘支架和用于焊接的金属贴片，所述第一天线分支固定设置于所述绝缘支架的顶部，所述第二天线分支固定设置于所述绝缘支架的一侧面，所述第三天线分支固定设置于所述绝缘支架的底部且与所述第二天线分支连接，所述金属贴片固定设置于所述绝缘支架的底部。

本发明采用的另一技术方案为：

一种手持设备，包括所述的适用于5G通信的双频毫米波天线系统。

本发明的有益效果在于：位于绝缘支架顶部的第一天线分支和位于绝缘支架侧面的第二天线分支可以耦合产生26GHz处的谐振，第二天线分支实质为单级子天线，可以产生39GHz处的谐振，从而可以覆盖中国的5G通信系统中的两个毫米波频段；通过金属贴片可以将天线单元焊接在相应设备的PCB板上，可直接表贴使用，易于和射频前端系统集成。本发明的双频毫米波天线系统适用于手机等手持设备，可实现5G通信，并且易于装配，使用方便。

附图说明

图1为本发明实施例一的手持设备的部分结构示意图；

图2为本发明实施例一的适用于5G通信的双频毫米波天线系统中的天线单元的整体结构示意图；

图3为本发明实施例一的适用于5G通信的双频毫米波天线系统中的天线单元的爆炸结构示意图；

图4为图1中的双频毫米波天线系统中天线单元的S参数图；

图5为图1中的天线单元总效率随频率变化的曲线；

图6为图1中的双频毫米波天线系统在26GHz处在XOZ平面内沿Theta(-90°～90°)方向上扫描角0°～50°的方向图；

图7为图1中的双频毫米波天线系统在39GHz处在XOZ平面内沿Theta(-90°～90°)方向上扫描角0°～50°的方向图。

标号说明：

1、介质基板；2、金属接地板；3、天线单元；31、第一天线分支；32、第二天线分支；33、第三天线分支；34、绝缘支架；35、金属贴片；4、焊盘；

41、金属过孔；5、馈电分支。

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：在绝缘支架的顶部设置第一天线分支，在绝缘支架的一侧面设置第二天线分支，第一天线分支和第二天线分支可以耦合产生26GHz处的谐振，第二天线分支实质为单级子天线，可以产生39GHz处的谐振，从而可以覆盖中国的5G通信系统中的两个毫米波频段。

请参照图1至图3，一种适用于5G通信的双频毫米波天线系统，包括至少六个的间隔设置的天线单元3，所述天线单元3包括第一天线分支31、第二天线分支32、第三天线分支33、方形的绝缘支架34和用于焊接的金属贴片35，所述第一天线分支31固定设置于所述绝缘支架34的顶部，所述第二天线分支32固定设置于所述绝缘支架34的一侧面，所述第三天线分支33固定设置于所述绝缘支架34的底部且与所述第二天线分支32连接，所述金属贴片35固定设置于所述绝缘支架34的底部。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：位于绝缘支架顶部的第一天线分支和位于绝缘支架侧面的第二天线分支可以耦合产生26GHz处的谐振，第二天线分支实质为单级子天线，可以产生39GHz处的谐振，从而可以覆盖中国的5G通信系统中的两个毫米波频段；通过金属贴片可以将天线单元焊接在相应设备的PCB板上，可直接表贴使用，易于和射频前端系统集成。第一天线分支、第二天线分支的形状、长度可以根据需要进行调节，绝缘支架的大小也可以根据需要进行设置。第一天线分支、第二天线分支和第三天线分支可以通过印刷的方式印刷在绝缘支架上。

进一步的，所述绝缘支架34的相对介电常数为7.8～8.2，损耗角正切为0.0018～0.0022。

由上述描述可知，绝缘支架需要具有合适的相对介电常数和损耗角正切，才能使天线系统具有较好的性能，优选的，绝缘支架的相对介电常数可以为8，损耗角正切可以为0.002，只要满足相对介电常数在8左右，且损耗角正切在0.002左右的绝缘材料均可用于制作本发明的绝缘支架。

进一步的，所述绝缘支架34的形状为倒凹字形，所述绝缘支架34的材质为陶瓷。

由上述描述可知，将绝缘支架中部掏空可以提高天线的增益和阻抗带宽，提升天线的性能。

进一步的，所述第一天线分支31的形状为方形，所述第二天线分支32的形状为长条形。

进一步的，所述金属贴片35的形状为U形。

由上述描述可知，U形的金属贴片可以很好地与倒凹形的绝缘支架相适配，焊接后天线单元的稳定性好。

进一步的，相邻两个的所述天线单元3之间的距离相等。

由上述描述可知，天线单元之间的距离相等，优选为固定频率的二分之一波长，所述固定频率为低频段中心频率与高频段中心频率的中间值。

本发明涉及的另一技术方案为：

一种手持设备，包括所述的适用于5G通信的双频毫米波天线系统。

由上述描述可知，手持设备可以是手机等，可实现5G通信，并且易于装配，使用方便。

进一步的，包括金属接地板2、介质基板1和与所述金属贴片35相适配的焊盘4，所述介质基板1固定设置于所述金属接地板2的一侧面，所述焊盘4固定设置于所述介质基板1远离金属接地板2的一侧面，所述介质基板1远离金属接地板2的一侧面上还设有馈电分支5，所述馈电分支5与第三天线分支33连接。

由上述描述可知，金属贴片与焊盘焊接在一起实现天线单元的表贴使用，馈电分支通过第三天线分支与第二天线分支实现电气连接，同时馈电分支与介质基板、金属接地板还组成特性阻抗为50欧姆的微带线。

进一步的，所述焊盘4上设有金属过孔41，所述金属贴片35通过所述金属过孔41与所述金属接地板2电气连接。

由上述描述可知，通过金属过孔对金属贴片进行接地处理，可防止金属贴片影响天线性能。

进一步的，所述焊盘4的形状为U形。

请参照图1至图7，本发明的实施例一为：

如图1所示的一种手持设备，包括介质基板1、金属接地板2和适用于5G通信的双频毫米波天线系统，所述介质基板1固定设置于所述金属接地板2的一侧面，所述双频毫米波天线系统固定设置于所述介质基板1远离金属接地板2的一侧面，本实施例中，所述金属接地板2的尺寸为140mm×70mm。所述双频毫米波天线系统包括至少六个的间隔设置的天线单元3，优选的，天线单元3的数目为八个，相邻两个的天线单元3之间的距离相等，优选为固定频率的二分之一波长，所述固定频率为低频段中心频率与高频段中心频率的中间值。

如图2和图3所示，所述天线单元3包括第一天线分支31、第二天线分支32、第三天线分支33、方形的绝缘支架34和用于焊接的金属贴片35，所述第一天线分支31固定设置于所述绝缘支架34的顶部，所述第二天线分支32固定设置于所述绝缘支架34的一侧面，所述第三天线分支33固定设置于所述绝缘支架34的底部且与所述第二天线分支32连接，所述金属贴片35固定设置于所述绝缘支架34的底部。所述第一天线分支31的形状为方形，所述第二天线分支32的形状为长条形，所述金属贴片35的形状为U形，第一天线分支31、第二天线分支32和第三天线分支33均通过印刷的方式印刷在绝缘支架34上。本实施例中，所述绝缘支架34的相对介电常数为7.8～8.2，损耗角正切为0.0018～0.0022，优选的，绝缘支架34的相对介电常数为8，损耗角正切为0.002。例如可以采用陶瓷制作绝缘支架34，所述绝缘支架34的形状为倒凹字形，即绝缘支架34的内部掏空，可以根据需要设置绝缘支架34的大小以及内部掏空的体积百分比。

所述介质基板1远离金属接地板2的一侧面上还设有与所述金属贴片35相适配的焊盘4，所述焊盘4的形状也为U形，所述焊盘4上设有金属过孔41，所述金属贴片35通过所述金属过孔41与所述金属接地板2电气连接。所述介质基板1远离金属接地板2的一侧面上还设有馈电分支5，所述馈电分支5与第三天线分支33连接，同时馈电分支5与介质基板1、金属接地板2还组成特性阻抗为50欧姆的微带线。

如图4所示，为本实施例的双频毫米波天线系统中天线单元的S参数图，从图中可知，天线单元在24.75～27.5GHz之间的回波损耗优于-10.3dB，在37～42.5GHz之间的回波损耗优于-9.6dB，对中国暂定的5G毫米波频段有着良好的覆盖且整个带宽内各天线单元之间的隔离优于-12.8dB。本实施例中，位于绝缘支架顶部的第一天线分支和位于绝缘支架侧面的第二天线分支可以耦合产生26GHz处的谐振，第二天线分支实质为单级子天线，可以产生39GHz处的谐振。因此，通过调节第一天线分支和第二天线分支的尺寸可对天线系统产生的谐振频率进行调节。

如图5所示，为天线单元总效率随频率变化的曲线，由于八个天线单元关于阵列中心是对称的，因此只列出四个天线单元。从图中可以看出，每个天线单元的辐射总效率在24.75～27.5GHz与37～42.5GHz的带宽范围内均好于64％。

如图6和图7所示，本实施例的天线系统可以实现26GHz和39GHz两个频段的波束扫描功能。

综上所述，本发明提供的一种适用于5G通信的双频毫米波天线系统及其手持设备，所述双频毫米波天线系统可以有效覆盖5G通信系统中中国暂定的毫米波工作频段，并且天线系统的结构小巧，可以表贴使用，易于和射频前端系统集成，适用于手机等手持设备。

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)

1.一种适用于5G通信的双频毫米波天线系统，包括至少六个的间隔设置的天线单元，其特征在于，所述天线单元包括第一天线分支、第二天线分支、第三天线分支、方形的绝缘支架和用于焊接的金属贴片，所述第一天线分支固定设置于所述绝缘支架的顶部，所述第二天线分支固定设置于所述绝缘支架的一侧面，所述第三天线分支固定设置于所述绝缘支架的底部且与所述第二天线分支连接，所述金属贴片固定设置于所述绝缘支架的底部；

所述金属贴片的形状为U形，所述金属贴片与所述第三天线分支均位于所述绝缘支架底部，且所述金属贴片与所述第三天线分支不接触。

2.根据权利要求1所述的适用于5G通信的双频毫米波天线系统，其特征在于，所述绝缘支架的相对介电常数为7.8~8.2，损耗角正切为0.0018~0.0022。

3.根据权利要求2所述的适用于5G通信的双频毫米波天线系统，其特征在于，所述绝缘支架的形状为倒凹字形，所述绝缘支架的材质为陶瓷。

4.根据权利要求1所述的适用于5G通信的双频毫米波天线系统，其特征在于，所述第一天线分支的形状为方形，所述第二天线分支的形状为长条形。

5.根据权利要求1所述的适用于5G通信的双频毫米波天线系统，其特征在于，相邻两个的所述天线单元之间的距离相等。

6.一种手持设备，其特征在于，包括权利要求1-5任意一项所述的适用于5G通信的双频毫米波天线系统。

7.根据权利要求6所述的手持设备，其特征在于，包括金属接地板、介质基板和与所述金属贴片相适配的焊盘，所述介质基板固定设置于所述金属接地板的一侧面，所述焊盘固定设置于所述介质基板远离金属接地板的一侧面，所述介质基板远离金属接地板的一侧面上还设有馈电分支，所述馈电分支与第三天线分支连接。

8.根据权利要求7所述的手持设备，其特征在于，所述焊盘上设有金属过孔，所述金属贴片通过所述金属过孔与所述金属接地板电气连接。

9.根据权利要求7所述的手持设备，其特征在于，所述焊盘的形状为U形。