CN108736137B - 一种应用于5g移动终端的天线阵列装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于5G移动终端的天线阵列装置，天线阵列是由多个磁电偶极子天线单元构成，天线阵列在移动终端中形成端射辐射，并克服了其他天线单元带宽窄的弊端。本发明新型天线阵列可以采用多种实现形式，结构简单，所占体积小，方便集成在手机板端，可以根据需要选择表面贴装方式(SMT)或者多层PCB集成等多种工艺形式实现。该天线阵列结构紧凑，可组成不同单元数的天线阵列以满足增益要求，天线阵列所占体积小，有着很宽的天线带宽，可以覆盖多个5G毫米波频段，同时保持较高的天线定向增益和稳定的辐射方向图，实现毫米波5G通讯所需要的高增益和波束赋形、波束扫描功能，非常便于集成到便携式的移动终端装置中。

Description

一种应用于5G移动终端的天线阵列装置
技术领域
本发明涉及天线技术领域，更具体地，涉及一种应用于5G移动终端的天线阵列装置。
背景技术
当今，各种新的用户需求和业务形态已经发生了巨大改变：传统的语音、短信业务逐步被移动互联网业务所淘汰；云计算的发展，使得业务的核心放在云端，终端和网络之间主要传输控制信息，这样的业务形态对传统的语音通信模型造成了极大的挑战；M2M/IoT带来的海量数据连接，超低时延业务，超高清、虚拟现实业务、增强现实业务带来了远超Gpbs 的速率需求，现有 4G 技术均无法满足这些业务需求。
5G 面向 2020 年以后的人类信息社会，尽管相关的技术还没有完全定型，但是5G 的基本特征已经明确：高速率、低时延、海量设备连接、低功耗。5G 终端天线作为5G终端设备的核心部件，只有创新性的解决了5G 天线这个技术难题，才能保证 5G 系统的正常运行和商用。因此，本发明对促进和推动新一代移动通信系统和 5G 手机等移动终端的发展将起到积极而又重要的作用。
现有的可集成在移动终端装置PCB板端的毫米波天线阵列单元通常包括单极天线monopole、偶极天线dipole、八木天线Yagi、缝隙天线slot、微带天线patch、Vivaldi天线等。其中Yagi、patch、Vivaldi天线为定向天线，波束宽度较窄有着较高的增益。Slot天线和dipole天线在自由空间是全向的，但是当集成在板端的时候由于受到介质和接地板的影响天线辐射可能会变成定向辐射。且这些天线带宽仍无法满足多频段工作的5G业务需求。
5G 移动终端选用毫米波频段以及可实现波束赋形的相控阵天线技术也是实际5G 系统所需。为了得到更高的传输速率和更低的传输时延，就要求通信带宽大大增加，目前只有在毫米波频段有这么宽的频带可以加以利用。同时毫米波频段的传播路径损耗极大，为了克服传播损耗这个问题，急需提出一种移动终端用宽频带高增益的天线阵列。
发明内容
本发明为克服上述现有技术问题提供一种应用于5G移动终端的天线阵列装置，该天线阵列使用磁电偶极子天线形式，带宽覆盖多个频段，并获得定向高增益，有较宽的波束宽度，天线结构所占体积小，结构紧凑。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种应用于5G移动终端的天线阵列装置，包括多个磁电偶极子天线单元（1111、1112、1113…111n）和射频前端模块（1110），其中n为大于1的整数，所述多个磁电偶极子天线单元之间形成天线阵列，所述天线阵列的各个磁电偶极子天线单元（1111、1112、1113…111n）分别通过射频前端模块（1110）连接至基带信号收发端，结构紧凑，可组成不同单元数的天线阵列以满足增益及方向图的要求，结构简单。
进一步的，作为优选技术方案，各磁电偶极子天线单元（1111、1112、1113…111n）结构是相同的或者相似的，所述磁电偶极子天线单元（1111、1112、1113…111n）之间的间距根据天线阵列方向图或者天线阵列扫描角度来确定。
进一步的，作为优选技术方案，各磁电偶极子天线单元（1111、1112、1113…111n）间距为半波长到一个波长之间。
进一步的，作为优选技术方案，各磁电偶极子天线单元（1111、1112、1113…111n）用多频或宽频工作的射频前端模块（1110）来进行激励，所述射频前端模块（1110）与天线单元的馈电传输线末端连接。天线单元的馈电传输线要求较短，以减小损耗，便于集成到便携式的移动终端装置中。
进一步的，作为优选技术方案，射频前端模块（1110）通过表面贴装的方式与天线单元连接。解决了毫米波频段传输线插入损耗大的问题。
进一步的，作为优选技术方案，所述射频前端模块（1110）带宽覆盖多个毫米波频段，所述射频前端模块（1110）中信号的相位变化用于实现天线输入端的相位差，通过控制输入端相位差来实现天线阵列的波束赋形和波束扫描。
进一步的，作为优选技术方案，所述天线阵列设置于手持移动终端装置的天线区域位置，所述天线区域位置位于手持移动终端的顶部、底部或左右两侧。由于体积小，不占用传统的天线的位置，可以与3G、4G、GPS、WIFI天线共存。
进一步的，作为优选技术方案，所述射频前端模块包括切换开关、接收处理模块、发射处理模块以及本振信号发生模块，所述天线阵列与切换开关相连接，所述切换开关分别与接收处理模块的输入端以及发射处理模块的输出端相连接，所述本振信号发生模块产生供给发射处理模块和接收处理模块的四路正交本振信号；所述切换开关可以是单刀双掷开关或者双刀双掷开关，单刀双掷开关用于切换收发链路，双刀双掷开关可以切换天线工作频段或极化方式。
进一步的，作为优选技术方案，所述接收处理电路包括宽带低噪声放大器，第一可调带通滤波器，I路下变频混频器，Q路下变频混频器，第一可调低通滤波器以及第二可调低通滤波器，所述宽带低噪声放大器输入端与切换开关相连接，所述宽带低噪声放大器输出端与第一可调带通滤波器输入端相连接，所述第一可调带通滤波器输出端分别与I路下变频混频器输入端及Q路下变频混频器输入端相连接，所述I路下变频混频器输出端与第一可调低通滤波器输入端相连接，所述Q路下变频混频器输出端与第二可调低通滤波器输入端相连接；所述本振信号RX I与到达I路下变频混频器的接收信号进行下变频形成下变频信号，所述本振信号RX Q与到达Q路下变频混频器的接收信号进行下变频形成下变频信号，所述I路下变频信号输送到第一可调低通滤波器，得到I路基带信号，所述Q路下变频信号输送到第二可调低通滤波器，得到Q路基带信号。
进一步的，作为优选技术方案，所述发射处理电路包括宽频带放大器，第二可调带通滤波器，I路上变频混频器，Q路上变频混频器，第三可调低通滤波器以及第四可调低通滤波器，所述宽频带放大器输出端与切换开关相连接，所述宽频带放大器输入端与第二可调带通滤波器输出端相连接，所述第二可调带通滤波器输入端分别与I路上变频混频器输出端及Q路上变频混频器输出端相连接，所述I路上变频混频器输入端与第三可调低通滤波器输出端相连接，所述Q路上变频混频器输入端与第四可调低通滤波器输出端相连接；所述本振信号TX I与到达I路上变频混频器的I路基带信号进行上变频形成上变频信号，所述本振信号TX Q与到达Q路信号混频器的Q路基带信号进行上变频形成上变频信号，所述上变频信号通过第二可调带通滤波器获得需要频段的信号，通过宽带功率放大器将信号传输到切换开关，所述切换开关选择发射链路将信号通过天线发射出去。射频前端模块的可调性及多频工作模式与本发明天线的宽带性能和带内稳定的增益性能匹配。
进一步的，作为优选技术方案，所述磁电偶极子天线单元包括电偶极子和磁偶极子，所述电偶极子与磁偶极子垂直相交,所述电偶极子与磁偶极子垂直相交的中点是馈电点。磁电偶极子天线单元构成的天线阵列有着很宽的天线带宽，在移动终端中形成端射辐射，克服了其他天线单元带宽窄的弊端。
进一步的，作为优选技术方案，所述电偶极子是小金属块或者沿PCB板厚度方向侧边包边覆铜层或者金属化通孔，所述磁偶极子包括PCB板上下面覆铜层以及一组金属化短路通孔，所述多层PCB板由多层不同介质板压合而成。结构简单，所占体积小，方便集成在手机板端。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明一种应用于5G移动终端的天线阵列装置，该天线阵列由多个相同或相似的磁电偶极子天线单元构成，在移动终端中形成端射辐射，并克服了其他天线单元带宽窄的弊端。磁电偶极子天线单元的间距根据要求的天线阵列方向图或者天线阵列扫描角度来确定，典型间距为半波长到一个波长之间，结构紧凑，并且可以采用不同个数的单元组成天线阵列以满足所需要的增益和方向图要求，该天线阵列可以根据需要选择表面贴装方式(SMT)或者多层PCB集成等多种工艺形式实现，方便集成在手机板端。该天线阵列有着很宽的天线带宽，可以覆盖多个5G毫米波频段，同时保持较高的天线阵列定向增益和稳定的辐射方向图，实现毫米波5G通讯所需要天线的高增益和波束赋形、波束扫描功能，非常便于集成到便携式的移动终端装置中。同时本发明可以以多种形式存在于移动通信网络中。
附图说明
图1为本发明应用于移动通信网络中的框架图。
图2为本发明应用的移动终端的框架图。
图3是本发明的射频前端模块的框架图。
图4本发明的射频前端模块与N单元天线阵的组合框架图。
图5是本发明实施例1四单元天线阵列的立体图。
图6是本发明实施例1四单元天线阵列立体图的俯视平面图第一层图形层。
图7是本发明实施例1四单元天线阵列立体图的俯视平面图第二层图形层。
图8是本发明实施例1四单元天线阵列立体图的俯视平面图第三层图形层。
图9是本发明实施例2四单元天线阵列的立体图。
图10是本发明实施例2四单元天线阵列立体图的俯视平面图第一层图形层。
图11是本发明实施例2四单元天线阵列立体图的俯视平面图第二层图形层。
图12是本发明实施例2四单元天线阵列立体图的俯视平面图第三层图形层。
图13是本发明实施例2四单元天线阵列立体图的俯视平面图第四层图形层。
图14是本发明实施例2四单元天线阵列立体图的俯视平面图第五层图形层。
图15是本发明实施例3四单元天线阵的立体图。
图16是本发明实施例3四单元天线阵列立体图的俯视平面图第一层图形层。
图17是本发明实施例3四单元天线阵列立体图的俯视平面图第二层图形层。
图18是本发明实施例3四单元天线阵列立体图的俯视平面图第三层图形层。
图19是本发明实施例3四单元天线阵列立体图的俯视平面图第四层图形层。
图20是本发明实施例3四单元天线阵列立体图的俯视平面图第五层图形层。
图21是本发明实施例1四单元天线阵列四个端口的驻波比曲线。
图22是四个端口同相馈电时对应的四单元天线阵列的辐射方向图。
图23是四个端口相位依次相差45度馈电时对应的四单元天线阵列的辐射方向图。
图24是四个端口相位依次相差135度馈电时对应的四单元天线阵列的辐射方向图。
图25是本发明实施例1天线阵列与移动终端外壳集成的立体图.
图26是本发明实施例1四单元天线阵列在手机终端的摆放位置图。
图27是本发明实施例1八单元天线阵列在手机终端的摆放位置图。
图28是本发明实施例1十六单元天线阵列在手机终端的摆放位置图。
图29是本发明实施例1四单元天线阵列与移动终端集成时四个端口仿真的驻波比曲线。
图30为本发明实施例1四单元天线阵列中四个端口同相馈电时的仿真增益方向图。
图31为本发明实施例1四单元天线阵列中四个端口相位依次相差45度的仿真增益方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，应理解，这些实施例仅用于说明本发明的概念而不是用于限制本发明的范围。此外，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
图1是本发明应用于一种无线通信网络，该网络可以包括多个蜂窝小区1，蜂窝小区1包括基站2和移动终端装置3。该网络可以采用各种通信协议或标准来进行语音通信以及数据通信。移动终端装置3可以在该网络中通信，同时移动终端装置3也可以同卫星导航系统4（如GPS、北斗、GLONASS等）进行通信，该移动终端装置3可以同移动交换中心5（mobiletelephone switching center）通信，可以同公共交换电话网络6（Public SwitchedTelephone Network）通信，也可以通过移动交换中心5或公共交换电话网络6同其他移动终端装置通信，同时也可以同路由器7进行数据交换，基站2也可以通过特定的信道与该移动终端3装置进行通信。
图2是移动终端装置3的构架图，移动终端装置3包括了天线阵列11，射频前端模块1110，扬声器15，麦克风16，主处理器17，输入输出接口18，键盘19，显示屏幕20，存储器21。射频前端模块1110通过对天线阵列11接收到基站2传输的RF信号的滤波、编码产生一个后处理的中频信号/基带信号，并将基带信号传送给扬声器15或者传送给主处理器17进行信号的下一步处理；射频前端模块1110通过对麦克风16接收到的语音信息或主处理器17的基带数据进行编码或数字处理，然后将后处理的基带信号/中频信号进行上变频通过天线阵列11将RF信号发射出去。
图3是本发明的射频前端模块的框架图，该模块包含了切换开关12、接收处理模块13、发射处理模块14以及本振信号发生模块150。其中，接收处理模块13包括宽带低噪声放大器118，第一可调带通滤波器119，I路下变频混频器120，Q路下变频混频器121，第一可调低通滤波器122以及第二可调低通滤波器123，其中宽带低噪声放大器118输入端与切换开关12相连接，宽带低噪声放大器118输出端与第一可调带通滤波器119输入端相连接，第一可调带通滤波器119输出端分别与I路下变频混频器120输入端及Q路下变频混频器121输入端相连接，I路下变频混频器120输出端与第一可调低通滤波器122输入端相连接，Q路下变频混频器121输出端与第二可调低通滤波器123输入端相连接；本振信号RX I 126与到达I路下变频混频器120的接收信号进行下变频形成下变频信号，本振信号RX Q 127与到达Q路下变频混频器121的接收信号进行下变频形成下变频信号，所述I路下变频信号输送到第一可调低通滤波器122，得到I路基带信号，所述Q路下变频信号输送到第二可调低通滤波器123，得到Q路基带信号。发射处理模块14包括宽频带放大器116，第二可调带通滤波器115，I路上变频混频器113，Q路上变频混频器114，第三可调低通滤波器111以及第四可调低通滤波器112，其中宽频带放大器116输出端与切换开关12相连接，宽频带放大器116输入端与第二可调带通滤波器115输出端相连接，第二可调带通滤波器115输入端分别与I路上变频混频器113输出端及Q路上变频混频器114输出端相连接，I路上变频混频器113输入端与第三可调低通滤波器111输出端相连接，Q路上变频混频器114输入端与第四可调低通滤波器112输出端相连接；本振信号TX I 124与到达I路上变频混频器113的I路基带信号进行上变频形成上变频信号，本振信号TX Q 125与到达Q路信号混频器114的Q路基带信号进行上变频形成上变频信号，所述上变频信号通过第二可调带通滤波器115获得需要频段的信号，通过宽带功率放大器116将信号传输到切换开关12，切换开关12选择发射链路将信号通过天线阵列11发射出去。本振信号发生模块150包括鉴相器131、环路滤波器132、可编程分配器133、本振缓冲器135以及I/Q正交信号发生器136，其中鉴相器131、环路滤波器132、可编程分配器133依次连接组成锁相环路。
本发明射频前端模块的原理如下，参考时钟信号通过由鉴相器131、环路滤波器132以及可编程分配器133组成的锁相环路产生本振信号134，通过本振缓冲器135将本振信号传输到I/Q正交信号发生器136产生供给发射处理模块14和接收处理模块13的四路正交本振信号。在发射处理模块14中，I路基带信号通过第三可调低通滤波器111到达I路信号混频器113与本振信号TX I 124进行上变频形成上变频信号，Q路基带信号通过第四可调低通滤波器112到达Q路信号混频器114与本振信号TX Q 125进行上变频形成上变频信号，上变频信号通过第二可调带通滤波器115获得需要频段的信号，通过宽带功率放大器116将信号传输到切换开关12，切换开关12选择发射链路将信号通过天线11发射出去；在接收处理模块13中，天线11接收到的信号通过切换开关12到达宽带低噪声放大器118对信号进行放大，通过第一可调带通滤波器119到达I路下变频混频器120与本振信号RX I 126进行下变频形成I路下变频信号，同时通过第一可调带通滤波器119到达Q路下变频混频器121的接收信号与本振信号RX Q 127 进行下变频形成Q路下变频信号，I路下变频信号输送到第一可调低通滤波器122，得到I路基带信号，Q路下变频信号输送到第二可调低通滤波器123，得到Q路基带信号。本发明的射频前端模块，由于采用的滤波器为可调频率器件、放大器为宽频带器件，该模块可以工作在较宽的频段，可以覆盖多个5G毫米波频段。其中切换开关12可以是单刀双掷开关（SPDT）或者是双刀双掷开关（DPDT），切换开关12为单刀双掷开关时用于切换收发处理电路13和14。切换开关12为双刀双掷开关时，除了切换收发处理电路，还可以切换不同的天线馈点，实现多频工作或多极化工作。
图4是本发明的天线阵列与射频前端模块组合的框架图。组成本发明的天线阵列的n个单元分别用天线1111、天线1112、天线1113……天线111n来表示。n为大于1的整数，组成该阵列的天线单元1111、1112、1113……111n的尺寸可以是相同的结构或者相似的结构，每个天线单元后接射频前端模块1110，天线单元间距根据需要的方向图或者相位扫描角度来定。一般来说，天线单元的间距太小会影响天线阵列方向图，天线单元的间距过大会影响相控天线阵列的扫描角度。优选地，天线单元间距为半波长到一个波长之间，根据天线阵列的波束要求或者阵列扫描角度来确定，组成阵列的各单元通过射频前端模块1110连接至基带信号发出端。
图5-图8是本发明实施例的天线阵列图。其中图5是本发明四单元天线阵列结构的立体图，图6所示第一层图形为介质板33的上表面图形，图7所示第二层图形为介质板33和34之间的图形，图8所示第三层图形为介质板34的下表面图形。
组成天线阵列的四单元天线的尺寸和结构是相同或者是不同的，四个天线单元依次排列，相邻单元的间距是相同的或者是不同的，一般来说，天线单元间距太小会影响天线阵列方向图，天线单元的间距过大会影响相控天线阵列的扫描角度，天线单元间距根据天线阵列的波束要求或者阵列扫描角度来确定，优选地，天线单元间距为半波长到一个波长之间。组成阵列的各单元可以用多频工作的射频前端模块1110来进行激励。本发明四单元天线阵列的主要优点为天线结构紧凑，占用净空区域很小。带宽很宽，可以覆盖多个5G频段，在带内可以形成稳定的端射方向图。天线单元间距约为空气波长的四分之一，波束扫描角度宽。
天线单元是磁电偶极子天线单元，包括第一矩形金属块310，第二矩形金属块314，第一矩形覆铜层320，第二矩形覆铜层324，第一PCB介质板33，第二PCB介质板34，第一介质板覆铜层350，第二介质板覆铜层351，金属孔330，第一组金属化通孔360，第二组金属化通孔370，金属条带340，其中第一PCB介质板33与第二PCB介质板34压合而成，第一矩形覆铜层320为印刷在第一PCB介质板33靠近边缘的覆铜层，第二矩形覆铜层324为印刷在第二PCB介质板34下层靠近边缘的覆铜层，第一矩形覆铜层320和第二矩形覆铜层324位置相对，第一矩形金属块310通过SMT（表面贴装技术）与第一矩形覆铜层320焊接到一起，第二矩形金属块314通过SMT与第二矩形覆铜层324焊接到一起，第一介质板覆铜层350覆盖第一PCB介质板33的上表面，第二介质板覆铜层351覆盖第二PCB介质板34的下表面，金属条带340位于第一介质板33和第二介质板34之间，金属孔330从第一介质板33中通过连接第一矩形覆铜层320，与介质板边缘间距在1mm以内。第一介质板覆铜层350和第介质板二覆铜层351通过第一组金属化通孔360或者第二组金属化通孔370来导通，第一组金属化通孔360和第二组金属化通孔370分别由N（N≥2）个金属孔组成，相邻金属孔之间的间距需小于四分之一个波导波长，优选地，金属孔直径小于波导波长的八分之一，金属条带340从第一介质板33和第二介质板34之间穿过，金属条带340末端通过金属孔330与第一矩形覆铜层320连接实现对天线单元的馈电。
组成天线单元的磁偶极子第一矩形覆铜层320和第二矩形覆铜层324的尺寸可以是相同的也可以是不同的，一般来说磁偶极子尺寸与介质的介电常数有关，优选地，沿电流方向的天线尺寸约波导波长的四分之一，组成天线单元的电偶极子第一矩形金属块310和第二矩形金属块314的尺寸可以是相同的也可以是不同的，组阵后的电偶极子和磁偶极子的尺寸通过工作频率和方向图要求来优化确定。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于本发明天线阵列的单元结构。
本实施例四单元天线阵列结构如图9所示，图10所示第一层图形为介质板39上表面的图形层，图11所示第二层图形为介质板39和33之间的图形层，图12所示第三层图形为介质板33和34之间的图形层，图13所示第四层图形为介质板34和40之间的图形层，图14所示第五层图形为介质板40下表面的图形层。
该结构与图5中的不同之处在于将图5中组成电偶极子的第一矩形金属块310和第二矩形金属块314换成了第一覆铜层380和第二覆铜层384，第一覆铜层380通过采用金属包边工艺印刷在增加的第三PCB介质板39厚度方向（侧边）上，第二覆铜层384通过采用金属包边工艺印刷在增加的第四PCB介质板40厚度方向（侧边）上，印刷在第三PCB介质板39上的第一覆铜层380与印刷在第一PCB介质板33靠近边缘的第一矩形覆铜层320垂直相交，印刷在第四PCB介质板40上的第二覆铜层384与印刷在第二PCB介质板34靠近边缘的第二矩形覆铜层324垂直相交，第一组金属化通孔360和第二组金属化通孔370从第一PCB介质板33、第二PCB介质板34、第三PCB介质板39和第四PCB介质板40中通过，第三介质板覆铜层391位于第三PCB介质板39的上表面，第四介质板覆铜层392位于第四PCB介质板40的下表面，第一组金属化通孔360或第二组金属化通孔370连接第一介质板覆铜层350、第二介质板覆铜层351、第三介质板覆铜层391、第四介质板覆铜层392。本发明的磁电偶极子天线单元通过将电偶极子印刷在第三PCB介质板39和第四PCB介质板40的厚度方向来减小电偶极子的尺寸，电偶极子宽度约为第三PCB介质板39和第四PCB介质板40中波长的四分之一，有效的减小了天线的整体高度。
实施例3
本实施例与实施例2的不同之处在于本发明天线阵列的单元结构。
本实施例四单元天线阵列结构如图15所示，图16所示第一层图形为介质板39上表面的图形层，图17所示第二层图形为介质板39和33之间的图形层，图18所示第三层图形为介质板33和34之间的图形层，图19所示第四层图形为介质板34和40之间的图形层，图20所示第五层图形为介质板40下表面的图形层。
该结构与图9中的不同之处在于将图9中组成电偶极子的第一覆铜层380和第二覆铜层384换成了第三组金属化通孔410和第四组金属化通孔414，第三组金属化通孔410从第三介质板39中通过，第四组金属化通孔414从第四介质板40中通过，从第三PCB介质板39中通过的第三组金属化通孔410与印刷在第一PCB介质板33靠近边缘的第一矩形覆铜层320垂直相交，从第四PCB介质板40中通过的第四组金属化通孔414与印刷在第二PCB介质板34靠近边缘的第二矩形覆铜层324垂直相交，第一组金属化通孔360和第二组金属化通孔370从第一PCB介质板33、第二PCB介质板34、第三PCB介质板39和第四PCB介质板40中通过，第三介质板覆铜层391位于第三PCB介质板39的上表面，第四介质板覆铜层392位于第四PCB介质板40的下表面，第一组金属化通孔360或第二组金属化通孔370连接第一介质板覆铜层350、第二介质板覆铜层351、第三介质板覆铜层391、第四介质板覆铜层392。通过采用第三组金属通孔410和第二金属通孔414来实现电偶极子的结构可以达到接近实施例2天线单元的性能，并且由于金属通孔从介质板中穿过，相比第二种天线有着更为稳定的结构。
图21-图24是本发明实施例1中图5所示的四单元天线阵列模型的仿真结果。特别的，我们选择了可以覆盖28GHz和39GHz频段的四单元天线阵列进行仿真，图21是该四单元天线阵列四个端口的驻波比曲线，在27GHz~40GHz频段内四个端口的电压驻波比都在2以下。图22是四个端口同相馈电时对应的天线阵列的方向图，44为28GHz处天线阵列的方向图，45为39GHz处天线阵列的方向图。图23是四个端口相位依次相差45度时对应的天线阵列的方向图，46为28GHz处天线阵列的方向图，47为39GHz处天线阵列的方向图。图24是四个端口相位依次相差135度时对应的天线阵列的方向图，48为28GHz处天线阵列的方向图，49为39GHz处天线阵列的方向图。
图25是本发明实施例1四单元天线阵列51与移动终端集成的立体图。移动终端装置可以是智能手机，也可以是其他类的便携设备。移动终端装置后盖及边框的材质可以是金属的也可以是非金属的，当移动终端装置边框为非金属时，天线阵列的位置可以沿边框任意摆放，当移动终端装置的边框为金属时，需要将边框截断，以保证良好的天线性能。图25以金属边框的移动终端装置为例对天线阵列的摆放位置进行描述。如图25所示，移动终端由后壳56及上边框52、右边框53、左边框55、下边框54组成。图26是本发明实施例1四单元天线阵列在手机终端的摆放位置图，四单元天线阵列的位置可以是移动终端装置的上边框610、611、612的位置，下边框616、617、618的位置，左边框613、614、615的位置，右边框619，620，621的位置。由于本发明并不限于四单元天线阵列，所以图27和图28分别对n=8的八单元天线阵列和n=16的十六单元天线阵列进行示例说明。图27是本发明实施例1八单元天线阵列在手机终端的摆放位置图，本发明八单元天线阵列的摆放位置可以是上边框630、631的位置，下边框634、635的位置，左边框632、633的位置，右边框636、637的位置。图28是本发明实施例1十六单元天线阵列在手机终端的摆放位置图，本发明实施例1十六单元天线阵列的摆放位置可以是上边框640的位置，下边框642的位置，左边框641的位置，右边框643的位置。本发明的优点在于可以灵活选择天线阵列的摆放位置，与传统移动通信天线如3G、4G、GPS、WiFi天线共存，不会过多占用移动通信天线的面积，占用净空小，易于形成端射。
图29-31是图26中本发明实施例1对应的仿真结果，其中图29是四单元天线阵列与移动终端集成时四个端口仿真的驻波比曲线，在27GHz~40GHz频段内四个端口的电压驻波比都在2以下。图30是四单元天线阵列四个端口同相馈电时的仿真增益方向图，71为天线阵列的3D方向图，72为天线阵列theta=90度面的切面方向图，73为theta=0度面的切面方向图。图31是四单元天线阵列四个端口相位依次相差45度的仿真增益方向图，76为天线阵列的3D方向图，77为天线阵列theta=90度面的切面方向图，78为theta=0度面的切面方向图。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于5G移动终端的天线阵列装置，其特征在于，包括多个磁电偶极子天线单元(1111、1112、1113…111n)和射频前端模块(1110)，所述多个磁电偶极子天线单元之间形成天线阵列，所述天线阵列的各个磁电偶极子天线单元(1111、1112、1113…111n)分别通过射频前端模块(1110)连接至基带信号收发端；所述磁电偶极子天线单元包括电偶极子和磁偶极子，所述电偶极子与磁偶极子垂直相交，所述电偶极子与磁偶极子垂直相交的中点是馈电点；所述电偶极子是小金属块或者沿PCB板厚度方向侧边包边覆铜或者金属化通孔，所述磁偶极子包括PCB板上下面覆铜层以及一组金属化短路通孔，所述PCB板由多层不同介质板压合而成。
2.如权利要求1所述一种应用于5G移动终端的天线阵列装置，其特征在于，各磁电偶极子天线单元(1111、1112、1113…111n)结构是相同的或者相似的，所述磁电偶极子天线单元(1111、1112、1113…111n)之间的间距根据天线阵列方向图或者天线阵列扫描角度来确定。
3.如权利要求2所述一种应用于5G移动终端的天线阵列装置，其特征在于，各磁电偶极子天线单元(1111、1112、1113…111n)间距为半波长到一个波长之间。
4.如权利要求1所述一种应用于5G移动终端的天线阵列装置，其特征在于，各磁电偶极子天线单元(1111、1112、1113…111n)用多频或宽频工作的射频前端模块(1110)来进行激励，所述射频前端模块(1110)与天线单元的馈电传输线末端连接。
5.如权利要求4所述一种应用于5G移动终端的天线阵列装置，其特征在于，射频前端模块(1110)通过表面贴装的方式与天线单元连接。
6.如权利要求1所述一种应用于5G移动终端的天线阵列装置，其特征在于，所述射频前端模块(1110)中信号的带宽覆盖多个毫米波频段，所述射频前端模块(1110)中信号的相位变化用于实现天线输入端的相位差，通过控制天线输入端相位差来实现天线阵列的波束赋形和波束扫描。
7.如权利要求1所述一种应用于5G移动终端的天线阵列装置，其特征在于，所述天线阵列设置于手持移动终端装置的天线区域位置，所述天线区域位置位于手持移动终端的顶部、底部或左右两侧。
8.如权利要求1所述一种应用于5G移动终端的天线阵列装置，其特征在于，射频前端模块(1110包括切换开关(12)、接收处理模块(13)、发射处理模块(14)以及本振信号发生模块(150)，所述本振信号发生模块产生供给发射处理模块(13)和接收处理模块(14)的四路正交本振信号；接收处理模块(13)和发射处理模块(14)分别与切换开关(12)相连接，所述切换开关(12)与天线阵列相连接。
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Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017211378A1 (en) * 2016-06-06 2017-12-14 Sony Mobile Communications Inc. C-fed antenna formed on multi-layer printed circuit board edge
CN108493600B (zh) * 2018-04-08 2024-01-16 深圳市信维通信股份有限公司 一种5g mimo天线结构
US11024981B2 (en) * 2018-04-13 2021-06-01 Mediatek Inc. Multi-band endfire antennas and arrays
CN109449568B (zh) * 2018-08-07 2020-09-18 瑞声科技(新加坡)有限公司 毫米波阵列天线及移动终端
US10720705B2 (en) * 2018-11-19 2020-07-21 Shenzhen Sunway Communication Co., Ltd. 5G wideband MIMO antenna system based on coupled loop antennas and mobile terminal
CN109616778A (zh) * 2018-12-05 2019-04-12 东南大学 用于移动终端的毫米波无源多波束阵列装置及其实现方法
CN109742538B (zh) * 2018-12-05 2024-01-30 东南大学 一种移动终端毫米波相控阵磁偶极子天线及其天线阵列
CN109768381A (zh) * 2018-12-05 2019-05-17 东南大学 一种移动终端的毫米波数字多波束天线阵装置及实现方法
CN109524798B (zh) * 2018-12-10 2021-06-29 深圳市金溢科技股份有限公司 一种路径识别天线、相关装置以及相关方法
WO2020132865A1 (zh) * 2018-12-25 2020-07-02 华为技术有限公司 天线单元和相控阵天线
CN110011040A (zh) * 2018-12-29 2019-07-12 瑞声科技(新加坡)有限公司 相扫阵列天线和移动终端
CN111710961B (zh) * 2019-03-18 2023-03-17 Oppo广东移动通信有限公司 毫米波天线模组和电子设备
CN110137675B (zh) 2019-05-22 2021-03-12 维沃移动通信有限公司 一种天线单元及终端设备
CN110370983B (zh) * 2019-06-19 2021-10-01 东北大学 基于5g移动通讯的电动汽车用电池管理系统
CN112235449B (zh) 2019-06-30 2022-01-04 Oppo广东移动通信有限公司 壳体组件、天线组件及电子设备
WO2021058098A1 (en) * 2019-09-25 2021-04-01 Huawei Technologies Co., Ltd. Feed line network for an antenna element
CN112787684B (zh) * 2021-01-22 2024-05-24 苏州硕贝德创新技术研究有限公司 用于5g毫米波的前端模组及5g毫米波通信系统
WO2022246773A1 (zh) * 2021-05-27 2022-12-01 华为技术有限公司 一种天线阵列、无线通信装置及通信终端
US11791538B1 (en) 2022-03-25 2023-10-17 Infineon Technologies Ag Antenna in package arrangement

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1245353A (zh) * 1999-05-14 2000-02-23 余俊尚 一种电磁偶极子转向天线
US6538603B1 (en) * 2000-07-21 2003-03-25 Paratek Microwave, Inc. Phased array antennas incorporating voltage-tunable phase shifters
US6891501B2 (en) * 2002-12-27 2005-05-10 Harris Corporation Antenna with dynamically variable operating band
US7075485B2 (en) * 2003-11-24 2006-07-11 Hong Kong Applied Science And Technology Research Institute Co., Ltd. Low cost multi-beam, multi-band and multi-diversity antenna systems and methods for wireless communications
CN102195143A (zh) * 2011-03-10 2011-09-21 东南大学 带倾角的宽带并馈全向天线阵
CN106299664A (zh) * 2016-09-21 2017-01-04 深圳大学 一种极化可重构磁电偶极子天线
US9570809B2 (en) * 2013-06-06 2017-02-14 Qualcomm Incorporated Techniques for designing millimeter wave printed dipole antennas

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9768501B2 (en) * 2013-01-21 2017-09-19 Intel Corporation Apparatus, system and method of steering an antenna array
US10135149B2 (en) * 2013-07-30 2018-11-20 Samsung Electronics Co., Ltd. Phased array for millimeter-wave mobile handsets and other devices
US20180123245A1 (en) * 2016-10-28 2018-05-03 Broadcom Corporation Broadband antenna array for wireless communications

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1245353A (zh) * 1999-05-14 2000-02-23 余俊尚 一种电磁偶极子转向天线
US6538603B1 (en) * 2000-07-21 2003-03-25 Paratek Microwave, Inc. Phased array antennas incorporating voltage-tunable phase shifters
US6891501B2 (en) * 2002-12-27 2005-05-10 Harris Corporation Antenna with dynamically variable operating band
US7075485B2 (en) * 2003-11-24 2006-07-11 Hong Kong Applied Science And Technology Research Institute Co., Ltd. Low cost multi-beam, multi-band and multi-diversity antenna systems and methods for wireless communications
CN102195143A (zh) * 2011-03-10 2011-09-21 东南大学 带倾角的宽带并馈全向天线阵
US9570809B2 (en) * 2013-06-06 2017-02-14 Qualcomm Incorporated Techniques for designing millimeter wave printed dipole antennas
CN106299664A (zh) * 2016-09-21 2017-01-04 深圳大学 一种极化可重构磁电偶极子天线

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