CN108899643A - 用于5g通信的双频带小型化mimo手机终端天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，属于手机终端技术领域，所述双频带小型化MIMO手机终端天线系统由上层金属馈电带、中间介质基板和底层金属地板组成，包括G个天线单元，分别为天线单元1、天线单元2、…、天线单元G；天线单元1、天线单元3、…、天线单元G‑1分别由E型缝隙和倒置L型馈电带构成，天线单元2、天线单元4、…、天线单元G分别由E型缝隙和微带馈电带构成；利用缝隙天线谐振原理在3.45GHz和4.9GHz产生两个谐振点，实现了3300‑3600MHz和4800‑5000MHz双频带的覆盖，从而较好地满足了我国使用的5G中频段频带的需求。

Description

用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统
技术领域
本发明属于手机终端技术领域，特别涉及一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，适用于实际应用。
背景技术
随着通信技术的日益发展及3G与4G技术的推广与应用，移动用户对于更快的数据传输以及更好的移动设备的需求越发的强烈，一些国家和地区已经开始第五代移动通信(5G)相关标准的制定；2017年11月15日，我国工信部发布《关于第五代移动通信系统使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段相关事宜的通知》，确定我国使用的5G中频频谱，由此，中国成为国际上率先发布5G系统在中频段内频率使用规划的国家。
由于5G通信具有高速率、大容量、低时延等特点，多输入多输出(Multiple InputMultiple Output，MIMO)技术成为实现5G通信的关键技术之一，而且由于手机终端空间的有限，也需实现天线单元的小型化。
YONG-LING BAN等人在IEEE Access,VOL.4.2016发表的《4G/5G MultipleAntennas for Future Multi-Mode Smartphone Applications》中公开了一种能用于4G/5G通信的多输入多输出智能手机终端天线；其中5G天线模块利用单极子天线的二分之一波长谐振模式在3.5GHz产生一个谐振点，来实现3400-3600MHz的5G中频段覆盖；利用多输入多输出技术组成8×8天线阵列来实现5G通信所需的大容量信息通讯。
但是《4G/5G Multiple Antennas for Future Multi-Mode SmartphoneApplications》中的5G天线模块只实现了单一频带的覆盖，而且带宽只有200MHz,不能较好满足未来5G通信所需的通信量；另一方面，每个5G天线单元小型化程度不足，且所占用手机地板净空地面积过大，不利于未来全面屏智能手机的实现。
发明内容
针对上述现有技术存在的5G通信的单一频段覆盖，未能较好满足未来5G通信所需的通信量，以及5G天线单元小型化程度不足，占用手机地板净空地面积过大，不利于未来全面屏智能手机的实现问题，本发明的目的在于提出一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，该种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统是由尺寸较小的十二个天线单元组成的双频谐振的多输入多输出5G天线阵列，能够实现在3.45GHz和4.9GHz两个中心点的谐振，在回波损耗小于-6dB、隔离度小于-14dB的情况下，成功覆盖3300-3600MHz频带，相对带宽为15.5％(3210-3750MHz),天线辐射效率大于67％，包络相关性系数小于0.05；在回波损耗小于-10dB，隔离度小于-15dB的情况下，成功覆盖了4800-5000MHz频带，相对带宽约为7.2％(4700–5050MHz),天线辐射效率大于75％，包络相关性系数小于0.015；从而较好地满足了我国制定的用于5G中频带的频带需求，可用于未来5G智能手机天线的设计，工程实用性较大。
为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，所述双频带小型化MIMO手机终端天线系统由上层金属馈电带、中间介质基板和底层金属地板组成，包括G个天线单元，分别为天线单元1、天线单元2、…、天线单元G；其中，G为大于0的正整数其为偶数。
本发明技术方案的特点和进一步的改进为：
(1)所述的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，其特征在于，所述介质基板是FR4板材。
(2)所述的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，其特征在于，所述底层金属地板腐蚀有E型缝隙。
(3)在所述G个天线单元中，天线单元1、天线单元3、…、天线单元G-1分别由E型缝隙和倒置L型馈电带构成。
(4)所述天线单元1、天线单元3、…、天线单元G-1尺寸规格都一样。
(5)在所述G个天线单元中，天线单元2、天线单元4、…、天线单元G分别由E型缝隙和微带馈电带构成。
(6)所述天线单元2、天线单元4、…、天线单元G尺寸规格都一样。
(7)所述微带馈电带上设置有凹陷缺口。
本发明的有益效果：
本发明针对现有技术存在的问题提供一种由尺寸较小的十二个天线单元组成的双频谐振的多输入多输出5G天线阵列，实现了在3.45GHz和4.9GHz两个中心点的谐振，在回波损耗小于-6dB，隔离度小于-14dB的情况下，成功覆盖了3300-3600MHz频带，相对带宽为15.5％(3210-3750MHz),天线辐射效率大于67％，包络相关性系数小于0.05；在回波损耗小于-10dB，隔离度小于-15dB的情况下，成功覆盖了4800-5000MHz频带，相对带宽约为7.2％(4700–5050MHz),天线辐射效率大于75％，包络相关性系数小于0.015；从而较好地满足了我国制定的用于5G中频带的频带需求，可用于未来5G智能手机天线的设计，工程实用性较大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统3D视图；
图2是谐振在3.45GHz的天线单元1的顶视图；
图3是谐振在4.9GHz的天线单元2的顶视图；
图4是本发明的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统的仿真回波损耗和隔离度曲线图；
图5(a)是天线单元1工作在3.45GHz时的二维辐射方向图；
图5(b)是天线单元3工作在3.45GHz时的二维辐射方向图；
图5(c)是天线单元5工作在3.45GHz时的二维辐射方向图；
图6(a)是天线单元2工作在4.9GHz的二维辐射方向图；
图6(b)是天线单元4工作在4.9GHz的二维辐射方向图；
图6(c)是天线单元6工作在4.9GHz的二维辐射方向图；
图7是本发明的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统的辐射效率曲线图；
图8是本发明的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统的包络相关性系数曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明设计了一个由12个5G天线单元构成的多输入多输出天线系统，利用E形缝隙来实现天线单元的小型化技术，并且利用缝隙天线谐振原理在3.45GHz和4.9GHz产生两个谐振点，实现了3300-3600MHz和4800-5000MHz双频带的覆盖，从而较好地满足了我国使用的5G中频段频带的需求。
本发明的3D视图如图1所示，该种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统由上层的金属馈电带、中间的介质基板和底层的金属地板构成，包括12个天线单元，分别为天线单元1、天线单元2、…、天线单元12。
本实施例使用厚度为0.8mm的FR4板材作为(εr＝4.4和tanδ＝0.02)介质基板，介质基板尺寸为150×80×0.8mm3，为现在主流的5.7英寸的智能手机屏幕尺寸。
从图1可以看到，本发明利用两种不同天线单元来实现5G通信所需的双频带的覆盖，即采用12个天线单元组成了多输入多输出天线系统来实现通信容量的提高，其中天线单元1、天线单元3、天线单元5、天线单元7、天线单元9、天线单元11都使用倒置的L型金属馈电带，且分别由E型缝隙和倒置L型馈电带构成；天线单元2、天线单元4、天线单元6、天线单元8、天线单元10、天线单元12都采用带有凹陷缺口的微带馈电带，且分别由E型缝隙和带有凹陷缺口的微带馈电带构成；天线单元1、天线单元3、天线单元5、天线单元7、天线单元9、天线单元11实现一个中心谐振点，天线单元2、天线单元4、天线单元6、天线单元8、天线单元10、天线单元12实现另一个中心谐振点。
底层的金属地板腐蚀有E型缝隙，构成了本发明所述用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统的净空地；图2给出了谐振在3.45GHz的天线单元1的顶视图；该天线单元1的尺寸如下，它分别由长A1＝9mm，宽A2＝3mm的E型缝隙和长B1＝18mm，宽B2＝5mm的倒置L型馈电带构成，其中E型缝隙上的凹陷缺口长A3＝2mm,宽A4＝0.7mm；天线单元3、天线单元5、天线单元7、天线单元9、天线单元11分别与天线单元1的尺寸规格一样，实现在3.45GHz频率点的谐振。
图3给出了谐振在4.9GHz的天线单元2的顶视图，该天线单元2的尺寸如下，它分别由长C1＝7mm，宽C2＝2.5mm的E型缝隙和长D1＝14mm，宽D2＝2mm的微带馈电带构成，其中E型缝隙上的凹陷缺口长C3＝2mm,宽C4＝0.5mm，馈电带上的凹陷长为D3＝5mm；正是由于E型缝隙的特点，增强了天线与地板之间的容性耦合，所以天线单元2的尺寸能大大减小，且通过调节馈电带的长度和形状可以有效改善天线的辐射效能，使之满足所需带宽的覆盖；天线单元2、天线单元4、天线单元6、天线单元8、天线单元10、天线单元12分别与天线单元2的尺寸规格及性能相同，实现在4.9GHz频率点的谐振。
本发明的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统的仿真回波损耗和隔离度如图4所示，由图4可以看到，低频段在回波损耗小于-6dB的情况下相对带宽为15.5％(3210-3750MHz),而隔离度小于-14dB；在回波损耗小于-10dB的情况下相对带宽为7.2％(4700–5050MHz),而隔离度小于-15dB，较好的满足了当今手机行业的性能要求。
图5(a)是天线单元1工作在3.45GHz时的二维辐射方向图，图5(b)是天线单元3工作在3.45GHz时的二维辐射方向图，图5(c)是天线单元5工作在3.45GHz时的二维辐射方向图。
从图5(a)、图5(b)和图5(c)可以看到，不同天线单元的最大散射方向略有不同，在角度方向上的交叉极化较小，这对于获得良好的空间/辐射分集性能是很好的特征。
图6(a)是天线单元2工作在4.9GHz的二维辐射方向图，图6(b)是天线单元4工作在4.9GHz的二维辐射方向图，图6(c)是天线单元6工作在4.9GHz的二维辐射方向图。
从图6(a)、图6(b)和图6(c)可以看到，和天线单元1、天线单元3、天线单元5的二维辐射方向图较为类似，不同天线单元显示了在最大散射方向的差别，在角度方向上的交叉极化较小，也有良好的辐射分集性，符合现今手机天线的辐射性能需要。
该5G天线阵列的辐射效率如图7所示，图7是本发明的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统的辐射效率曲线图。
从图7可以看到，在3.45GHz(3300-3600MHz)频段天线的辐射效率均大于67％；在4.9GHz(4800-5000MHz)频段天线的辐射效率均大于75％，从而能实现较好的天线辐射效能。
图8给出了本发明的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统的包络相关性系数；从图8中可以看到，在3.45GHz(3300-3600MHz)频段天线的包络相关性系数小于0.05；在4.9GHz(4800-5000MHz)频段天线的包络相关性系数小于0.015，从而表明天线单元之间影响较小，隔离度比较高。
本发明解决的问题在于提供一种由尺寸较小的十二个天线单元组成的双频谐振的多输入多输出5G天线阵列，实现了在3.45GHz和4.9GHz两个中心点的谐振，在回波损耗小于-6dB，隔离度小于-14dB的情况下，成功覆盖了3300-3600MHz频带，相对带宽为15.5％(3210-3750MHz),天线辐射效率大于67％，包络相关性系数小于0.05；在回波损耗小于-10dB，隔离度小于-15dB的情况下，成功覆盖了4800-5000MHz频带，相对带宽约为7.2％(4700–5050MHz),天线辐射效率大于75％，包络相关性系数小于0.015。从而较好地满足了我国制定的用于5G中频带的频带需求，可用于未来5G智能手机天线的设计，工程实用性较大。
综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，其特征在于，所述双频带小型化MIMO手机终端天线系统由上层金属馈电带、中间介质基板和底层金属地板组成，包括G个天线单元，分别为天线单元1、天线单元2、…、天线单元G；其中，G为大于0的正整数其为偶数。
2.如权利要求1所述的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，其特征在于，所述介质基板是FR4板材。
3.如权利要求1所述的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，其特征在于，所述底层金属地板腐蚀有E型缝隙。
4.如权利要求1所述的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，其特征在于，
在所述G个天线单元中，天线单元1、天线单元3、…、天线单元G-1分别由E型缝隙和倒置L型馈电带构成。
5.如权利要求4所述的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，其特征在于，
所述天线单元1、天线单元3、…、天线单元G-1的尺寸规格都一样。
6.如权利要求1所述的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，其特征在于，
在所述G个天线单元中，天线单元2、天线单元4、…、天线单元G分别由E型缝隙和微带馈电带构成。
7.如权利要求6所述的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，其特征在于，
所述天线单元2、天线单元4、…、天线单元G的尺寸规格都一样。
8.如权利要求6所述的一种用于5G通信的双频带小型化MIMO手机终端天线系统，其特征在于，所述微带馈电带上设置有凹陷缺口。
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