CN108565544B - 一种超宽带5g mimo天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带5G MIMO天线结构，包括PCB板和一个以上的天线组件，一个以上的天线组件间隔设置于所述PCB板上，所述天线组件包括馈电单元以及与馈电单元相耦合的接地辐射单元，所述馈电单元与PCB板上的馈电点的位置相对应；所述接地辐射单元包括水平辐射体、第一竖直辐射体、第二竖直辐射体和额外辐射体，所述第一竖直辐射体的顶端连接于所述水平辐射体的中部，第一竖直辐射体的底端与PCB板上的接地点相连；所述第二竖直辐射体的顶端连接于所述水平辐射体的端部，第二竖直辐射体的底端与PCB板之间设置有间距；所述额外辐射体连接于所述第一竖直辐射体的中部。该天线结构能够有效覆盖5G移动通信中6GHz下所有频段，且天线的性能能够满足要求。

Description

一种超宽带5G MIMO天线结构
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种超宽带5G MIMO天线结构。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，第五代(5G)无线通信系统将大规模使用，在未来几年中，新的移动端天线和基站天线将有很广阔的市场。在第四代移动通信(4G)系统中，2x2的多输入多输出(MIMO)天线已经被广泛研究并使用在手持移动设备中。根据目前各国的研究，5G技术相比目前4G技术，其峰值速率将增长数十倍，所以，2x2或者4x4的MIMO天线结构已经不能满足5G系统中对传输速率和连接可靠性的要求。在5G系统中，具有更多天线个数的MIMO天线结构，比如6x6或者8x8MIMO天线将被应用到手持设备中，以实现更大的信道容量和更好的通信质量。此外，具有多天线的MIMO天线结构可以很好的解决多径衰落问题并提升数据吞吐量。
2017年11月9日，国家工信部公布了5G频段，规划将3.3GHz－3.6GHz和4.8GHz－5GHz频段作为5G系统的工作频段，其中，3.3GHz-3.4GHz频段原则上限室内使用。根据目前各国对5G的研究进展，欧洲预规划将3.4GHz-3.8GHz作为5G低频的使用频段，美国AT&T公司也已经申请3.7GHz-4.2GHz进行5G系统实验，日本计划将4.4GHz-4.9GHz作为5G低频使用频段。所以，如何设计能够覆盖上述频段的多天线的MIMO天线结构，是目前5G天线系统所面临的主要困难。此外，在手持设备日渐趋于更薄、更窄边框(全面屏)的大环境下，设计满足天线效率和天线之间隔离度的多天线的MIMO天线结构变得更加复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种超宽带5G MIMO天线结构，能够有效覆盖第五代移动通信中6GHz下所有频段，且能满足天线的各种性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种超宽带5G MIMO天线结构，包括PCB板和一个以上的天线组件，一个以上的天线组件间隔设置于所述PCB板上，所述天线组件包括馈电单元以及与馈电单元相耦合的接地辐射单元，所述馈电单元与PCB板上的馈电点的位置相对应；所述接地辐射单元包括水平辐射体、第一竖直辐射体、第二竖直辐射体和额外辐射体，所述第一竖直辐射体的顶端连接于所述水平辐射体的中部，第一竖直辐射体的底端与PCB板上的接地点相连；所述第二竖直辐射体的顶端连接于所述水平辐射体的端部，第二竖直辐射体的底端与PCB板之间设置有间距；所述额外辐射体连接于所述第一竖直辐射体的中部。
本发明的有益效果在于：本发明在第一竖直辐射体上设置凸出的额外辐射体，延长了电流的路径，有效地拓宽了天线低频的宽带；在水平辐射体的端部设置第二竖直辐射体，能够有效减小天线在水平方向的尺寸，并且改变了天线整体的电流分布，使得天线在高频工作时有很好的隔离性能；本发明设置馈电单元和接地辐射单元的特殊结构，使得天线结构能够形成两个相邻的双谐振，可有效覆盖第五代移动通信中6GHz下所有频段，且天线效率和天线单元间的隔离度能够很好的满足要求；本发明具有竖直放置和高度较低的特点，能够较好的满足当前全面屏移动终端的设计需求。
附图说明
图1为本发明实施例一的超宽带5G MIMO天线结构的整体结构示意图；
图2为本发明实施例一的超宽带5G MIMO天线结构的侧视图；
图3为本发明实施例一的单个天线组件的结构示意图；
图4为本发明实施例一的超宽带5G MIMO天线结构的S-参数图；
图5为本发明实施例一的超宽带5G MIMO天线结构的总效率随频率变化的曲线图；
图6为本发明实施例一的超宽带5G MIMO天线结构的相邻较近天线的包络相关系数随频率变化的曲线；
图7为本发明实施例一的超宽带5G MIMO天线结构工作在频率等于3.4GHz时的电流分布图；
图8为本发明实施例一的超宽带5G MIMO天线结构工作在频率等于4.9GHz时的电流分布图；
图9为本发明实施例一中四个天线组件工作在频率等于4.9GHz时的方向图；
图10为本发明实施例二的单个天线组件的结构示意图；
图11为本发明实施例三的单个天线组件的结构示意图；
标号说明：
1、PCB板；2、天线组件；21、馈电单元；211、水平分支；212、竖直分支；22、接地辐射单元；221、水平辐射体；222、第一竖直辐射体；223、第二竖直辐射体；224、额外辐射体。
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:接地辐射单元22包括水平辐射体221、第一竖直辐射体222、第二竖直辐射体223和额外辐射体224，第一竖直辐射体222和第二竖直辐射体223分别连接于水平辐射体221的中部和端部，额外辐射体224连接于第一竖直辐射体222的中部。
请参照图1、图2、图3以及图10、图11，一种超宽带5G MIMO天线结构，包括PCB板1和一个以上的天线组件2，一个以上的天线组件2间隔设置于所述PCB板1上，所述天线组件2包括馈电单元21以及与馈电单元21相耦合的接地辐射单元22，所述馈电单元21与PCB板1上的馈电点的位置相对应；所述接地辐射单元22包括水平辐射体221、第一竖直辐射体222、第二竖直辐射体223和额外辐射体224，所述第一竖直辐射体222的顶端连接于所述水平辐射体221的中部，第一竖直辐射体222的底端与PCB板1上的接地点相连；所述第二竖直辐射体223的顶端连接于所述水平辐射体221的端部，第二竖直辐射体223的底端与PCB板1之间设置有间距；所述额外辐射体224连接于所述第一竖直辐射体222的中部。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明在第一竖直辐射体222上设置凸出的额外辐射体224，延长了电流的路径，有效地拓宽了天线低频的宽带；在水平辐射体221的端部设置第二竖直辐射体223，能够有效减小天线在水平方向的尺寸，并且改变了天线整体的电流分布，使得天线在高频工作时有很好的隔离性能；本发明设置馈电单元21和接地辐射单元22的特殊结构，使得天线结构能够形成两个相邻的双谐振，可有效覆盖第五代移动通信中6GHz下所有频段，且天线效率和天线单元间的隔离度能够很好的满足要求；本发明具有竖直放置和高度较低的特点，能够较好的满足当前全面屏移动终端的设计需求。
进一步的，所述馈电单元21包括水平分支211和竖直分支212，所述竖直分支212的顶端连接于所述水平分支211，所述竖直分支212的底端包括馈电点；所述水平分支211靠近所述水平辐射体221设置，所述竖直分支212靠近所述额外辐射体224设置。
由上述描述可知，所述馈电单元21和接地辐射单元22能够较好的耦合。
进一步的，所述水平分支211在所述接地辐射单元22所在的平面内的投影与所述水平辐射体221有部分重叠；所述竖直分支212在所述接地辐射单元22所在的平面内的投影与所述额外辐射体224有部分重叠。
进一步的，所述馈电单元21为T型，所述竖直分支212的顶端连接于所述水平分支211的中部。
进一步的，所述馈电单元21为L型，所述竖直分支212的顶端连接于所述水平分支211的端部，所述水平分支211和所述第二竖直辐射体223位于所述竖直分支212的同侧或分别位于竖直分支212的相对两侧。
由上述描述可知，本方案为馈电单元21的另外两种设置方式，用于产生高频谐振。
进一步的，所述馈电单元21设置于所述接地辐射单元22的侧边，且馈电单元21所在的平面与接地辐射单元22所在的平面相平行。
进一步的，所述额外辐射体224连接于所述第一竖直辐射体222远离第二竖直辐射体223的一侧边上。
由上述描述可知，将额外辐射体224设置于远离第二竖直辐射体223的一侧边上，能够是电流的有效长度最大化，保证天线结构足够的低频带宽。
进一步的，所述额外辐射体224和所述第一竖直辐射体222一体设置。
进一步的，所述天线组件2的数目为四以上的偶数，且四以上的偶数个天线组件2对称分布于所述PCB板1的相对两侧。
由上述描述可知，5G 6x6或者8x8MIMO天线系统比较适用于手持设备，PCB板1的左右两侧分别设置多个天线组件2，多个天组件之间的间隔可以均匀也可以不均匀。
进一步的，所述PCB板1的相对两侧上分别设置有偶数个所述的天线组件2，偶数个天线组件2在每侧边上对称分布。
由上述描述可知，左右两侧边上的多个天线组件2分别前后对称设置。
实施例一
请参照图1和图2，本发明的实施例一为：一种超宽带5G MIMO天线结构，主要用于手机等移动终端的5G通讯，将和4G LTE通讯系统(以及其它天线如GPS等)共存，现有的4GLTE天线已经被放置在手机的两短边上，因此，5G MIMO天线系统在手机中放置的最佳位置将是手机的两长边。
该超宽带5G MIMO天线结构主要包括PCB板1和一个以上的天线组件2，一个以上的天线组件2间隔设置于所述PCB板1上。优选的，所述天线组件2的数目为四以上的偶数，且四以上的偶数个天线组件2对称分布于所述PCB板1的相对两侧。在本实施例中，所述PCB板1的尺寸为150mm x75mmx0.8mm，所述天线组件2的数目为八个，八个天线组件2对称分布于所述PCB板1的左右两长边处，每一边上的天线组件2之间的间隔均匀，当然的，在其他实施例中，相邻天线组件2之间的间隔也可以是不均匀的。如图2所示，所述PCB板1的左右两长边上分别设置有四个所述的天线组件2，四个天线组件2在每侧边上对称分布，即四个天线组件2相对于PCB板1长边的中心相对称。
所述天线组件2包括馈电单元21以及接地辐射单元22，所述馈电单元21和接地辐射单元22分别依托于塑胶支架上。所述馈电单元21与PCB板1上的馈电点的位置相对应设置，所述接地辐射单元22与所述馈电单元21相耦合。
如图3所示，所述接地辐射单元22包括水平辐射体221、第一竖直辐射体222、第二竖直辐射体223和额外辐射体224，所述水平辐射体221平行于PCB板1设置，所述第一竖直辐射体222和第二竖直辐射体223垂直于所述PCB板1设置，且第二竖直辐射体223的长度小于第一竖直辐射体222的长度。所述第一竖直辐射体222的顶端连接于所述水平辐射体221的中部，第一竖直辐射体222的底端与PCB板1上的接地点相连；所述第二竖直辐射体223的顶端连接于所述水平辐射体221的右端，第二竖直辐射体223的底端与PCB板1之间设置有间距；所述额外辐射体224连接于所述第一竖直辐射体222的中部，所述额外辐射体224和所述第一竖直辐射体222一体设置，相当于是第一竖直辐射体222向外凸出的一部分。优选的，整个接地辐射单元22均为一体设置。所述额外辐射体224连接于所述第一竖直辐射体222远离第二竖直辐射体223的一侧边上，例如当第二竖直辐射体223位于所述第一竖直辐射体222的右侧时，所述额外辐射体224连接于所述第一竖直辐射体222的左侧。所述额外辐射体224的形状为矩形，额外辐射体224的宽度大于所述第一竖直辐射体222的宽度，额外辐射体224的长度小于所述第一竖直辐射体222的长度。
所述馈电单元21设置于所述接地辐射单元22的侧边，且馈电单元21所在的平面与接地辐射单元22所在的平面相平行。在本实施例中，所述馈电单元21为T型，馈电单元21包括水平分支211和竖直分支212，所述竖直分支212的顶端连接于所述水平分支211的中部，所述竖直分支212的底端包括馈电点；所述水平分支211靠近所述水平辐射体221设置，所述竖直分支212靠近所述额外辐射体224设置。优选的，所述水平分支211在所述接地辐射单元22所在的平面内的投影与所述水平辐射体221有部分重叠(水平分支211的顶部与水平辐射体221的底部重叠)；所述竖直分支212在所述接地辐射单元22所在的平面内的投影与所述额外辐射体224有部分重叠(竖直分支212的右侧与额外辐射体224的左侧有部分重叠)。
该超宽带5G MIMO天线结构的高频谐振由馈电单元21产生，低频谐振由接地辐射单元22产生，本天线结构有效地利用了天线馈电单元21和接地辐射单元22的特殊结构，形成了两个相邻的双谐振，从而具有超带宽。通过调节该超宽带5G MIMO天线结构的馈电单元21和与其耦合的接地辐射单元22的尺寸以及它们的相对位置，将能够产生覆盖3.3GHz-5GHz的谐振频率。
我们对该8x8超宽带5G MIMO天线进行了仿真，并得到如下结果：图4为PCB板1单侧边上的四个天线组件2的S-参数图(注：由于该超宽带5G MIMO天线结构具有以PCB板1为中心的对称性，所以上述图中只给出了必要天线组件2的结果，下同)。四个天线组件2依次用天线1、天线2、天线3和天线4表示。从图4中可以看出该天线结构的工作范围在3.3-5GHz之间，天线反射系数均优于6dB，且天线之间的隔离度均好于13dB(尤其在高频工作时隔离度好于20dB)，符合手持设备中的天线间隔离度的要求。由于图4中的结果是在4个天线组件2的馈电点之间的距离为等距时得到的，因此天线组件2之间的隔离度还可以通过适当地调节天线组件2之间的距离进行进一步的优化。
图5为天线的总效率随频率变化的曲线。从图5中可以看出，天线的总效率在我国规划的5G频段3.3GHz-3.6GHz、4.8GHz-5GHz上均好于63％，在3.3GHz-5GHz全频段上的效率优于58％。
图6为相邻较近天线组件2的包络相关系数随频率变化的曲线，从图6中可以看出，相邻天线组件2的包络相关系数在3.3GHz-5Ghz均小于0.05。
图4、图5和图6中给出的天线指标完全可以满足6GHz以下的5G MIMO天线结构在手机中的使用要求。
为了进一步地阐述该天线结构的工作原理，我们可以通过观察和分析天线分别在频率为3.4GHz和4.9GHz工作时，天线组件2上的电流分布图。为了简化，我们将只对天线1的工作情况进行分析。图7为天线工作在频率等于3.4GHz时的电流分布图，从图7中我们可以清楚的看到，电流主要分布在第一竖直辐射体222，额外辐射体224和水平辐射体221上，额外辐射体224延长了电流的路径，有效地拓宽了此天线低频的带宽。第二竖直辐射体223能够有效减小天线在水平方向的尺寸，并且改变了天线整体的电流分布，使得天线在高频工作时有很好的隔离性能。图8为天线工作在频率等于4.9GHz时的电流分布图，从图8中我们可以看出，电流主要分布在天线T型馈电单元21上。
为了进一步说明本天线的优越性，图9给出了天线1-4工作在4.9GHz时的方向图，从图9中可以看出，天线工作在高频段(4.8GHz-5GHz)时，每个天线组件2的最大增益方向各不相同，从而保证了各天线间有较好的隔离度(约好于20dB，见图4)。
本实施例只对6GHz以下的工作在3.3GHz-5GHz频段的5G 8x8MIMO进行了分析和描述，但是本发明的天线设计原理也可以扩展到其它的工作频段以及其它的mxn(m和n为大于2的整数)MIMO天线系统中。
实施例二
请参考图10，本实施例与实施例一的不同之处在于：所述馈电单元21为L型，所述竖直分支212的顶端连接于所述水平分支211的端部，所述水平分支211和所述第二竖直辐射体223位于所述竖直分支212的同侧。具体如图10所示，所述第二竖直辐射体223连接于所述水平辐射体221的右端时，第二竖直辐射体223位于竖直分支212的右侧，所述水平分支211连接于所述竖直分支212的顶端的右侧。该馈电单元21同样能够产生高频的谐振。
实施例三
请参考图11，本实施例与实施例一的不同之处在于：所述馈电单元21为L型，所述竖直分支212的顶端连接于所述水平分支211的端部，所述水平分支211和所述第二竖直辐射体223分别位于竖直分支212的相对两侧。具体如图11所示，所述第二竖直辐射体223连接于所述水平辐射体221的右端时，第二竖直辐射体223位于竖直分支212的右侧，所述水平分支211连接于所述竖直分支212的顶端的左侧。该馈电单元21同样能够产生高频的谐振。
综上所述，本发明提供的超宽带5G MIMO天线结构能够适用于移动终端的5G通信，可有效覆盖5G移动通信中6GHz下所有频段，并且天线的性能能够满足要求，在高频工作时各天线间有很好的隔离度，此外，该天线结构具有竖直放置和高度较低的特点，能够很好的应用于超薄移动终端中。
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 (8)

1.一种超宽带5G MIMO天线结构，其特征在于，包括PCB板和一个以上的天线组件，一个以上的天线组件间隔设置于所述PCB板上，所述天线组件包括馈电单元以及与馈电单元相耦合的接地辐射单元，所述馈电单元与PCB板上的馈电点的位置相对应；所述接地辐射单元包括水平辐射体、第一竖直辐射体、第二竖直辐射体和额外辐射体，所述第一竖直辐射体的顶端连接于所述水平辐射体的中部，第一竖直辐射体的底端与PCB板上的接地点相连；所述第二竖直辐射体的顶端连接于所述水平辐射体的端部，第二竖直辐射体的底端与PCB板之间设置有间距；所述额外辐射体连接于所述第一竖直辐射体的中部；所述馈电单元包括水平分支和竖直分支，所述竖直分支的顶端连接于所述水平分支，所述竖直分支的底端包括馈电点；所述水平分支靠近所述水平辐射体设置，所述竖直分支靠近所述额外辐射体设置；所述水平分支在所述接地辐射单元所在的平面内的投影与所述水平辐射体有部分重叠；所述竖直分支在所述接地辐射单元所在的平面内的投影与所述额外辐射体有部分重叠。
2.如权利要求1所述的超宽带5G MIMO天线结构，其特征在于，所述馈电单元为T型，所述竖直分支的顶端连接于所述水平分支的中部。
3.如权利要求1所述的超宽带5G MIMO天线结构，其特征在于，所述馈电单元为L型，所述竖直分支的顶端连接于所述水平分支的端部，所述水平分支和所述第二竖直辐射体位于所述竖直分支的同侧或分别位于竖直分支的相对两侧。
4.如权利要求1所述的超宽带5G MIMO天线结构，其特征在于，所述馈电单元设置于所述接地辐射单元的侧边，且馈电单元所在的平面与接地辐射单元所在的平面相平行。
5.如权利要求1所述的超宽带5G MIMO天线结构，其特征在于，所述额外辐射体连接于所述第一竖直辐射体远离第二竖直辐射体的一侧边上。
6.如权利要求1所述的超宽带5G MIMO天线结构，其特征在于，所述额外辐射体和所述第一竖直辐射体一体设置。
7.如权利要求1所述的超宽带5G MIMO天线结构，其特征在于，所述天线组件的数目为四以上的偶数，且四以上的偶数个天线组件对称分布于所述PCB板的相对两侧。
8.如权利要求7所述的超宽带5G MIMO天线结构，其特征在于，所述PCB板的相对两侧上分别设置有偶数个所述的天线组件，偶数个天线组件在每侧边上对称分布。
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