CN109066079A - 适用于5g通信的毫米波双极化缝隙天线系统及移动终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统及移动终端，天线阵列系统包括至少四个的间隔设置的天线单元，所述天线单元包括金属接地板和天线组件，所述天线组件包括第一金属框、第一介质基板、第一馈电分支、第二馈电分支、金属件和与所述金属件相适配的介质环，所述金属件设置于所述介质环内，所述第一金属框上设有与所述介质环相适配的第一凹槽，所述介质环设置于所述第一凹槽内，所述第一馈电分支与第二馈电分支对应设置，且所述第一馈电分支的一端相对于第二馈电分支的一端呈90°夹角设置，所述第一馈电分支的另一端相对于第二馈电分支的另一端平行设置。既适用于全面屏设备，也适用于具有金属后壳或金属边框的设备。

Description

适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线系统及移动终端

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统及移动终端。

背景技术

与目前的4G通信系统相比，未来5G通信系统将在传输速率、延迟时间、最大接入数量和移动性等方面有重大提升。天线是通信系统里必不可少的一部分，为了达到5G规划的指标要求，对于天线而言，通常采用成倍增加天线数量或者双极化天线的方式来增加通信系统的吞吐量。针对5G通信系统规划的毫米波工作频段，人们提出了许多适用于手持设备的双极化毫米波天线阵列的设计案例，但是其中能实现侧向辐射的天线阵列，大多都是工作在非金属边框的手持设备上，在金属边框的手持设备上则不适用。

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通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统及移动终端，可以同时兼容全面屏和金属壳移动终端。

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通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统，包括至少四个的间隔设置的天线单元，所述天线单元包括金属接地板和天线组件，所述天线组件设置于所述金属接地板上，且所述天线组件相对于金属接地板呈夹角设置，所述天线组件包括第一金属框、第一介质基板、第一馈电分支、第二馈电分支、金属件和与所述金属件相适配的介质环，所述金属件设置于所述介质环内，所述第一金属框上设有与所述介质环相适配的第一凹槽，所述介质环设置于所述第一凹槽内，所述第一介质基板设置于所述第一金属框远离介质环的一侧面上，所述第一馈电分支和第二馈电分支均设置于所述第一介质基板远离第一金属框的一侧面上，所述第一馈电分支与第二馈电分支对应设置，且所述第一馈电分支的一端相对于第二馈电分支的一端呈90°夹角设置，所述第一馈电分支的另一端相对于第二馈电分支的另一端平行设置。

本发明采用的另一技术方案为：

一种移动终端，包括所述的适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统。

本发明的有益效果在于：将金属件设置在介质环内，将介质环设置在第一金属框的第一凹槽内，金属件与第一凹槽之间形成缝隙天线，通过调整缝隙的宽度可以调整其谐振频率，实现毫米波工作频段；第一馈电分支和第二馈电分支可以分别对缝隙天线耦合馈电，实现±45°双极化。天线单元的金属接地板可以为移动终端的金属后壳，第一金属框可以为移动终端的金属边框，因此，本发明的毫米波双极化缝隙天线阵列系统既适用于全面屏设备也适用于具有金属后壳或金属边框的设备。

附图说明

图1为本发明实施例一的移动终端的部分结构示意图；

图2为本发明实施例一的天线单元的整体结构示意图；

图3为本发明实施例一的天线单元的结构爆炸图；

图4为本发明实施例一的天线单元的部分结构示意图；

图5为本发明实施例一的天线单元的另一部分结构示意图；

图6为本发明实施例一的天线单元的另一部分结构示意图；

图7为本发明实施例一的天线单元的另一部分结构示意图；

图8为本发明实施例一的天线单元的另一部分结构示意图；

图9为通过第一馈电口进行馈电时天线单元在28GHz时缝隙附近的电流分布图；

图10为通过第二馈电口进行馈电时天线单元在28GHz时缝隙附近的电流分布图；

图11为毫米波双极化缝隙天线阵列系统中天线单元的S-参数图；

图12为通过第一馈电口进行馈电时天线单元+45°极化在28GHz处E面(Phi＝45°)方向上的交叉极化方向图；

图13为通过第一馈电口进行馈电时天线单元+45°极化在28GHz处H面(Phi＝135°)方向上的交叉极化方向图；

图14为通过第二馈电口进行馈电时天线单元-45°极化在28GHz处E面(Phi＝135°)方向上的交叉极化方向图；

图15为通过第二馈电口进行馈电时天线单元-45°极化在28GHz处H面(Phi＝45°)方向上的交叉极化方向图；

图16为毫米波双极化缝隙天线阵列系统在28GHz的+45°极化3D辐射方向图；

图17为毫米波双极化缝隙天线阵列系统在28GHz的-45°极化3D辐射方向图；

图18为毫米波双极化缝隙天线阵列系统在28GHz处YOZ平面内沿Theta(-90°～90°)方向上扫描角0°～50°的+45°极化方向图；

图19为毫米波双极化缝隙天线阵列系统在28GHz处YOZ平面内沿Theta(-90°～90°)方向上扫描角0°～50°的-45°极化方向图。

标号说明：

100、移动终端；101、毫米波双极化缝隙天线阵列系统；102、金属后壳；103、金属边框；

1、金属接地板；2、第一金属框；21、第一凹槽；22、第二凹槽；3、第一介质基板；4、第一馈电分支；5、第二馈电分支；6、金属件；7、介质环；

8、第二介质基板；9、第三馈电分支；10、第四馈电分支；11、第一馈电口；12、第二馈电口；13、第二金属框；131、第三凹槽；132、第四凹槽；

14、第三金属框；15、第一金属贴片；16、第二金属贴片；17、第三金属贴片；18、金属化过孔。

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：天线单元上分别设置金属接地板和第一金属框，既适用于全面屏设备也适用于具有金属边框或金属后壳的设备。

请参照图2至图8，一种适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统101，包括至少四个的间隔设置的天线单元，所述天线单元包括金属接地板1和天线组件，所述天线组件设置于所述金属接地板1上，且所述天线组件相对于金属接地板1呈夹角设置，所述天线组件包括第一金属框2、第一介质基板3、第一馈电分支4、第二馈电分支5、金属件6和与所述金属件6相适配的介质环7，所述金属件6设置于所述介质环7内，所述第一金属框2上设有与所述介质环7相适配的第一凹槽21，所述介质环7设置于所述第一凹槽21内，所述第一介质基板3设置于所述第一金属框2远离介质环7的一侧面上，所述第一馈电分支4和第二馈电分支5均设置于所述第一介质基板3远离第一金属框2的一侧面上，所述第一馈电分支4与第二馈电分支5对应设置，且所述第一馈电分支4的一端相对于第二馈电分支5的一端呈90°夹角设置，所述第一馈电分支4的另一端相对于第二馈电分支5的另一端平行设置。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：将金属件设置在介质环内，将介质环设置在第一金属框的第一凹槽内，金属件与第一凹槽之间形成缝隙天线，通过调整缝隙的宽度可以调整其谐振频率，实现毫米波工作频段；第一馈电分支和第二馈电分支可以分别对缝隙天线耦合馈电，实现±45°双极化。天线单元的金属接地板可以为移动终端的金属后壳，第一金属框可以为移动终端的金属边框，因此，本发明的毫米波双极化缝隙天线阵列系统既适用于全面屏设备也适用于金属壳设备。介质环的材质为非导电材料，例如可以采用特氟龙。

进一步的，还包括第二介质基板8，所述第二介质基板8设置于所述金属接地板1上，所述第二介质基板8远离金属接地板1的一侧面上分别设有第三馈电分支9和第四馈电分支10，所述第三馈电分支9与所述第一馈电分支4电气连接，所述第四馈电分支10与所述第二馈电分支5电气连接，所述第三馈电分支9和第四馈电分支10上分别设有馈电口。

由上述描述可知，在第二介质基板上分别设置第三馈电分支和第四馈电分支便于对缝隙天线进行馈电，第三馈电分支和第四馈电分支的形状可以是长条形等。

进一步的，所述天线单元还包括金属贴片组件，所述金属贴片组件设置于所述第二介质基板8上，且所述金属贴片组件与所述金属接地板1电气连接。

由上述描述可知，在金属贴片组件上可以设置金属元件，金属贴片组件中金属贴片的数目可以根据需要进行设置，金属贴片不能与第三馈电分支、第四馈电分支连接，可以在金属贴片组件上设置金属化过孔与金属接地板电气连接，金属化过孔的数目可以根据需要进行设置。

进一步的，所述天线单元还包括第二金属框13和第三金属框14，所述金属贴片组件靠近所述第一介质基板3设置，所述第二金属框13设置于所述金属贴片上，且所述第二金属框13的底部分别设有与所述第三馈电分支9相配合的第三凹槽131以及与所述第四馈电分支10相配合的第四凹槽132，所述第三金属框14分别设置于所述第一金属框2和第二金属框13的顶部。

由上述描述可知，第三金属框可以为全面屏下面接地板的一部分；第一金属框、第二金属框、第三金属框与金属接地板之间可以围成一个带空腔的立方体结构，可以减少电磁泄露，提高天线性能。

进一步的，所述第一金属框2远离介质环7的一侧面上设有第二凹槽22，所述第一介质基板3设置于所述第二凹槽22内。

由上述描述可知，第二凹槽的形状与第一介质基板相适配，第一介质基板可以粘接在第一金属框上。

进一步的，所述金属件6和第一凹槽21的形状均为圆柱形，所述介质环7的形状为圆环形。

进一步的，所述介质环7的外径为1.9～4.9mm，所述介质环7的内径为0.68～3.68mm。

由上述描述可知，缝隙天线的宽度和形状可以根据需要进行设置。

进一步的，所述金属件6的横截面和第一凹槽21的横截面的形状均为正多边形，所述正多边形的边数为偶数。

进一步的，所述天线组件与金属接地板1之间的夹角为90°。

请参照图1，本发明涉及的另一技术方案为：

一种移动终端100，包括所述的适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统101。

由上述描述可知，移动终端可以是全面屏或金属壳移动终端，天线阵列系统靠近移动终端的边缘设置。

请参照图1至图19，本发明的实施例一为：

如图1所示的一种移动终端100，包括毫米波双极化缝隙天线阵列系统101，所述移动终端100可以是全面屏设备，也可是具有金属后壳102和金属边框103的设备，所述毫米波双极化缝隙天线阵列系统101靠近移动终端100的一侧边设置。所述毫米波双极化缝隙天线阵列系统101包括至少四个的间隔设置的天线单元，优选的，所述天线单元的数目为八个。

如图2和图3所示，所述天线单元包括金属接地板1和天线组件，所述天线组件设置于所述金属接地板1上，且所述天线组件相对于金属接地板1呈夹角设置，夹角的大小可以根据需要进行设置，优选的，所述天线组件与金属接地板1之间的夹角为90°。所述天线组件包括第一金属框2、第一介质基板3、第一馈电分支4、第二馈电分支5、金属件6和与所述金属件6相适配的介质环7，所述金属件6设置于所述介质环7内，所述第一金属框2上设有与所述介质环7相适配的第一凹槽21，所述介质环7设置于所述第一凹槽21内，即，介质环7的材质为非导电材料，使得第一凹槽21与金属件6之间形成缝隙天线。所述缝隙天线的形状和宽度可以根据需要进行设置，如图4所示，所述金属件6和第一凹槽21的形状均为圆柱形，所述介质环7的形状为圆环形。所述介质环7的外径为1.9～4.9mm，所述介质环7的内径为0.68～3.68mm，优选的，所述介质环7的外径为3.4mm，所述介质环7的内径为2.18mm。如图5和图6所示，所述金属件6的横截面和第一凹槽21的横截面的形状还可以为正多边形，所述正多边形的边数为偶数，可以根据需要将正多边形旋转一定的角度设置。

所述第一介质基板3设置于所述第一金属框2远离介质环7的一侧面上，可以在第一金属框2远离介质环7的一侧面上设有第二凹槽22，所述第一介质基板3设置于所述第二凹槽22内。如图7所示，所述第一馈电分支4和第二馈电分支5均设置于所述第一介质基板3远离第一金属框2的一侧面上，所述第一馈电分支4与第二馈电分支5对应设置，且所述第一馈电分支4的一端相对于第二馈电分支5的一端呈90°夹角设置，所述第一馈电分支4的另一端相对于第二馈电分支5的另一端平行设置。本实施例中，第一馈电分支4和第二馈电分支5相对于第一介质基板3的中心线对称设置。所述天线单元还包括第二介质基板8，所述第二介质基板8设置于所述金属接地板1上，所述第二介质基板8远离金属接地板1的一侧面上分别设有第三馈电分支9和第四馈电分支10，所述第三馈电分支9与所述第一馈电分支4电气连接，所述第四馈电分支10与所述第二馈电分支5电气连接，所述第三馈电分支9和第四馈电分支10上分别设有馈电口，本实施例中第三馈电分支9上设有第一馈电口11，第四馈电分支10上设有第二馈电口12。

本实施例中，所述天线单元还包括金属贴片组件、第二金属框13和第三金属框14，所述金属贴片组件设置于所述第二介质基板8上，且所述金属贴片组件与所述金属接地板1电气连接。如图8所示，所述金属贴片组件包括第一金属贴片15、第二金属贴片16和第三金属贴片17，所述第一金属贴片15、第二金属贴片16和第三金属贴片17间隔设置。在所述第一金属贴片15、第二金属贴片16和第三金属贴片17分别设有金属化过孔18与金属接地板1电气连接。所述金属贴片组件靠近所述第一介质基板3设置，所述第二金属框13设置于所述金属贴片上，可以通过表贴焊接的方式设置在金属贴片上。所述第二金属框13的底部分别设有与所述第三馈电分支9相配合的第三凹槽131以及与所述第四馈电分支10相配合的第四凹槽132，第三凹槽131和第四凹槽132的设置是为了避免影响天线馈电。所述第三金属框14分别设置于所述第一金属框2和第二金属框13的顶部。本实施例中，第一金属框2、第二金属框13、第三金属框14与金属接地板1之间围成一个带空腔的立方体结构，可以减少电磁泄露，提高天线性能。

当本实施例的移动终端100具有金属后壳102和金属边框103时，可将金属后壳102作为金属接地板1，将金属边框103作为第一金属框2。当本实施例的移动终端100为全面屏设备时，第三金属框14可以为全面屏设备下面接地板的一部分。

图9为通过第一馈电口进行馈电时天线单元在28GHz时缝隙附近的电流分布图，图10为通过第二馈电口进行馈电时天线单元在28GHz时缝隙附近的电流分布图，从图9和图10可知，在通过第一馈电口和第二馈电口分别进行馈电时，金属件上的表面电流互相正交，电流方向与Z轴夹角为45°左右，这里定义通过第一馈电口馈电时得到的极化为+45°极化，通过第二馈电口馈电时得到的极化为-45°极化，从而实现了双极化。特别的，通过激励天线阵列中所有天线单元的第一馈电口，可得到的方向图为天线阵列的+45°极化方向图；同理，激励第二馈电口得到天线阵列-45°极化方向图。

图11为毫米波双极化缝隙天线阵列系统中天线单元的S-参数图，图中S11，S22表示该天线单元两个馈电口的回波损耗，其余的曲线(S21、S32、S31、S41)表示该天线单元与相邻天线单元馈电口之间的隔离度。从图11中可知，天线单元在27.5GHz～28.35GHz之间回波损耗优于-10dB，满足美国5G毫米波28GHz(27.5GHz-28.35GHz)频段，且整个带宽内天线单元与相邻天线单元之间各端口的隔离度优于-15dB。

图12为通过第一馈电口进行馈电时天线单元+45°极化在28GHz处E面(Phi＝45°)方向上的交叉极化方向图，图13为通过第一馈电口进行馈电时天线单元+45°极化在28GHz处H面(Phi＝135°)方向上的交叉极化方向图，图14为通过第一馈电口进行馈电时天线单元-45°极化在28GHz处E面(Phi＝135°)方向上的交叉极化方向图，图15为通过第一馈电口进行馈电时天线单元-45°极化在28GHz处H面(Phi＝45°)方向上的交叉极化方向图，从图12至图15中可以看出在主辐射方向(Theta＝0°)极化隔离优于15dB。

图16为毫米波双极化缝隙天线阵列系统在28GHz的+45°极化3D辐射方向图，图17为毫米波双极化缝隙天线阵列系统在28GHz的-45°极化3D辐射方向图，从图16和图17中可以看出，天线的辐射方向为侧向，两种极化的方向图一致性很高。

图18为毫米波双极化缝隙天线阵列系统在28GHz处YOZ平面内沿Theta(-90°～90°)方向上扫描角0°～50°的+45°极化方向图，图19为毫米波双极化缝隙天线阵列系统在28GHz处YOZ平面内沿Theta(-90°～90°)方向上扫描角0°～50°的-45°极化方向图，由图18和图19可知，该天线阵列系统在高扫描角时，依然有着良好的旁瓣比和增益，该天线阵列系统能很好地实现波束扫描功能。

综上所述，本发明提供的适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统及移动终端，具有双极化和低旁瓣比的优点，适用于全面屏、具有金属后壳或金属边框的移动终端。

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 (10)

1.一种适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统，包括至少四个的间隔设置的天线单元，其特征在于，所述天线单元包括金属接地板和天线组件，所述天线组件设置于所述金属接地板上，且所述天线组件相对于金属接地板呈夹角设置，所述天线组件包括第一金属框、第一介质基板、第一馈电分支、第二馈电分支、金属件和与所述金属件相适配的介质环，所述金属件设置于所述介质环内，所述第一金属框上设有与所述介质环相适配的第一凹槽，所述介质环设置于所述第一凹槽内，所述第一介质基板设置于所述第一金属框远离介质环的一侧面上，所述第一馈电分支和第二馈电分支均设置于所述第一介质基板远离第一金属框的一侧面上，所述第一馈电分支与第二馈电分支对应设置，且所述第一馈电分支的一端相对于第二馈电分支的一端呈90°夹角设置，所述第一馈电分支的另一端相对于第二馈电分支的另一端平行设置。

2.根据权利要求1所述的适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统，其特征在于，还包括第二介质基板，所述第二介质基板设置于所述金属接地板上，所述第二介质基板远离金属接地板的一侧面上分别设有第三馈电分支和第四馈电分支，所述第三馈电分支与所述第一馈电分支电气连接，所述第四馈电分支与所述第二馈电分支电气连接，所述第三馈电分支和第四馈电分支上分别设有馈电口。

3.根据权利要求2所述的适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统，其特征在于，所述天线单元还包括金属贴片组件，所述金属贴片组件设置于所述第二介质基板上，且所述金属贴片组件与所述金属接地板电气连接。

4.根据权利要求3所述的适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统，其特征在于，所述天线单元还包括第二金属框和第三金属框，所述金属贴片组件靠近所述第一介质基板设置，所述第二金属框设置于所述金属贴片上，且所述第二金属框的底部分别设有与所述第三馈电分支相配合的第三凹槽以及与所述第四馈电分支相配合的第四凹槽，所述第三金属框分别设置于所述第一金属框和第二金属框的顶部。

5.根据权利要求1所述的适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统，其特征在于，所述第一金属框远离介质环的一侧面上设有第二凹槽，所述第一介质基板设置于所述第二凹槽内。

6.根据权利要求1所述的适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统，其特征在于，所述金属件和第一凹槽的形状均为圆柱形，所述介质环的形状为圆环形。

7.根据权利要求6所述的适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统，其特征在于，所述介质环的外径为1.9～4.9mm，所述介质环的内径为0.68～3.68mm。

8.根据权利要求1所述的适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统，其特征在于，所述金属件的横截面和第一凹槽的横截面的形状均为正多边形，所述正多边形的边数为偶数。

9.根据权利要求1所述的适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统，其特征在于，所述天线组件与金属接地板之间的夹角为90°。

10.一种移动终端，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的适用于5G通信的毫米波双极化缝隙天线阵列系统。