CN109216875B - 一种带反射腔的宽频天线及天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带反射腔的宽频天线，包括金属边框、馈电信号线和至少一个天线单元，天线单元包括馈电螺丝、台柱、绝缘套管和反射腔，反射腔为金属边框的外侧面向内凹陷形成的腔体，腔体包括沿金属边框从下到上方向依次分布的第一壁和第二壁，第一壁、台柱、第二壁和馈电信号线顺序排列且均与馈电螺丝连接，台柱与馈电螺丝螺纹连接，馈电螺丝螺通过绝缘套管与第二壁连接；台柱为导体，其下表面与第一壁相接触且台柱的下表面面积大于台柱的上表面面积；本发明还提供一种天线系统。本发明5G天线可以与2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT天线集成在一起，从而获得了较宽的带宽，并获得高的增益，宽的波束宽度以及波束扫描角度。

Description

一种带反射腔的宽频天线及天线系统
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种带反射腔的宽频天线及天线系统。
背景技术
5G（5th-Generation，第五代移动通信技术）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，但是可预见高速率、低时延、海量设备连接、低功耗的5G通信技术在未来社会占有的重要的地位。5G 终端天线作为5G终端设备的核心部件在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。
与 4G 手机的全向辐射天线不同，5G 手机需要对毫米波频段实现波束赋型的天线阵列，但手机上的天线阵列与基站的天线阵列不同，在基站端，由于天线尺寸受限制较少，并且有相对成熟的相控阵天线技术支撑，已经有 5G 基站天线的样机展示。但在移动终端处，由于手机等移动终端的天线空间局限性和金属等环境复杂性，需要将5G的天线与现有的2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT等天线兼容将成为不小的挑战。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种带反射腔的宽频天线及天线系统，旨在实现5G的天线与现有的2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT等天线兼容。
为实现上述目的，本发明提供一种带反射腔的宽频天线，包括金属边框、馈电信号线和至少一个天线单元，所述天线单元包括馈电螺丝、台柱、绝缘套管和反射腔，所述反射腔为金属边框的外侧面向内凹陷形成的腔体，所述腔体包括沿金属边框从下到上方向依次分布的第一壁和第二壁，所述第一壁、台柱、第二壁和馈电信号线顺序排列且均与馈电螺丝连接，所述台柱与馈电螺丝螺纹连接，所述馈电螺丝螺通过绝缘套管与第二壁连接；所述台柱为导体，其下表面与第一壁相接触且台柱的下表面面积大于台柱的上表面面积。
本发明5G天线位于移动终端的边框上可以与2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT天线集成在一起，反射腔的存在可以改变5G天线的辐射方向，从而减少用户使用移动终端的辐射，例如在打电话时，手机正面的5G天线辐射减小就很有必要。另外，由于馈电螺丝和反射腔的阻抗差异较大，直接馈电到反射腔中会使得天线带宽很窄，上小下大的反射腔台柱使得螺丝与第一壁的接触有一个渐变的过渡，可以适当增加天线单元的阻抗带宽。
进一步的，所述台柱的上表面与下表面之间的过渡部分的截面为阶梯形或直角梯形，或者所述上表面与下表面之间的过渡面为弧面或平面。
进一步的，所述台柱的横截面为半圆形和长方形组成的拱门形状。
进一步的，所述天线单元的工作波长为λ（λ为28GHz所对应的真空中波长），所述反射腔的长度为1/2λ-λ，宽度为1/10λ-1/2λ，高度为1/8λ-1/2λ，所述台柱的长度为3/16λ-3/8λ，宽度为1/8λ-1/4λ，高度为1/15λ-1/8λ，所述台柱的长边方向与反射腔的宽边方向一致。这一组参数范围内的反射腔可以减少5G天线在某个方向的大部分辐射。
进一步的，所述天线单元的工作波长为λ（λ为28GHz所对应的真空中波长），所述反射腔的长度为1/2λ-λ，宽度为1/10λ-1/2λ，高度为1/8λ-1/2λ，所述反射腔的长、宽、高与台柱的长、宽、高的比例分别为：12:5、11:5、3:2，所述台柱的长边方向与反射腔的宽边方向一致。
进一步的，所述馈电信号线的馈电头的长度为0.08λ-0.12λ、宽度为0.08λ-0.12λ。
进一步的，所述馈电螺丝包括螺丝头，所述螺丝头设置在馈电螺丝靠近第一壁的一端上。
进一步的，所述反射腔内填充低损耗材料。低损耗材料指的是介电常数大于1，介电损耗小于0.02的材料，如塑料。这里的填充可以部分填充，也可以选择不同的材料进行填充，填充的方式可为纳米注塑。具体的填充方式以及内容应当根据波束扫描范围选择，塑料填充可减小单元间的距离，可增加扫描角度，但带宽会减小，单元间的耦合会增加，辐射增益会降低；有需要的话还可以选择填充空气，即不填充。
进一步的，所述金属边框为U形边框，用于设置在移动终端的顶部位置，所述天线单元沿U形边框阵列分布。沿着手机顶部U形边框辐射，实现了端射特性，并获得高的增益，宽的波束宽度以及波束扫描角度。
进一步的，所述反射腔和台柱为数控机床在金属边框上开槽形成的相连模块。
本发明还提供一种天线系统，包括射频前端模块、主处理器、上述宽频天线以及分别连接在射频前端模块和主处理器之间的接收处理电路、发射处理电路，所述射频前端模块包括基带信号输出端口、与基带信号输出端口连接的信号切换开关、以及分别连接在信号切换开关和宽频天线之间的5G射频前端集成芯片和2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT射频前端链路。基带信号通过信号切换开关实现2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT信号与5G信号链路的区分，最终两路信号可共用顶部金属边框实现电磁波的辐射与接收。本发明5G天线与分集天线巧妙融合，彼此互不干扰。
本发明5G天线可以与2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT天线集成在一起，从而获得了较宽的带宽，并获得高的增益，宽的波束宽度以及波束扫描角度。全金属手机由于机身电磁环境复杂，为了同时兼顾2/3/4G天线以及GPS/WIFI天线，因此，适合于集成在全金属手机终端上的5G天线，主要是缝隙天线以及带有背腔的缝隙天线。相对于缝隙天线，带有背腔的缝隙天线具有稳定的方向图，很好定向性以及较高的增益，其天线性能不受机身内部器件等环境的影响，因此更加适合于全金属手机。同时，带有背腔的缝隙天线本身也不会对现有的2G、3G、4G、GPS、WIFI等天线造成干扰。稳定的性能、突出的抗干扰性以及与现有天线的良好兼容性，这刚好是5G毫米波终端天线所需要的。
附图说明
图1为本发明宽频天线一实施例的正面示意图；
图2为图1的AA剖切线的天线单元剖面示意图；
图3为图1的部分天线单元结构的放大示意图；
图4为图1宽频天线分离金属边框后的剖面结构示意图；
图5为图1宽频天线的背面示意图；
图6为图5的宽频天线分离金属边框后的结构示意图；
图7为本发明台柱一实施例的结构示意图；
图8为本发明实施例一中的馈电螺丝结构图；
图9为本发明实施例二中的馈电螺丝结构图；
图10为本发明台柱另一实施例的结构示意图；
图11为本发明台柱又一实施例的结构示意图；
图12为本发明宽频天线的另一实施例的结构示意图；
图13为各个天线放置的位置示意图；
图14为图1的1个天线单元在25GHz-31GHz的反射系数曲线图；
图15为图1的1个天线单元工作在28GHz时的辐射方向图；
图16为图1的8个天线单元在25GHz-31GHz的反射系数曲线图；
图17为天线单元间相位差为0度的波束扫描图；
图18为天线单元间相位差为45度的波束扫描图；
图19为天线单元间相位差为90度的波束扫描图；
图20为天线单元间相位差为135度的波束扫描图；
图21为天线单元间相位差为170度的波束扫描图；
图22为本发明天线系统结构图；
图23为本发明射频前端模块结构图。
附图标记说明：1为金属边框，2为天线单元，31为馈电螺丝，32为台柱，4为绝缘套管，5为低损耗材料，6为第一壁，7为第二壁，8为手机主板，9为馈电信号线，11为天线，12为射频前端模块，13为接收处理电路，14为发射处理电路，15为扬声器，16为麦克风，17为主处理器，18为输入输出接口，19为键盘，20为显示屏，21为存储器，A区域为LTE分集天线、GPS、WIFI、BT天线以及5G天线摆放的位置， B区域为LTE主天线的摆放位置。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，以下实施例的金属边框以手机的金属上边框为例，进行具体说明。
实施例1：
参照图1-8，在该实施例中，该带反射腔的宽频天线包括设置在手机顶部的U形金属边框、馈电信号线和八个直线阵列在金属边框上的天线单元，天线单元包括馈电螺丝、台柱、绝缘套管和反射腔，反射腔为金属边框的外侧面向内凹陷形成的腔体，腔体包括沿金属边框从下到上方向依次分布的第一壁和第二壁（金属边框的下方为金属边框安装在手机上时手机的背面方向，金属边框的上方为金属边框安装在手机上时手机的正面方向），第一壁、台柱、第二壁和馈电信号线顺序排列且均与馈电螺丝连接，台柱与馈电螺丝螺纹连接，馈电螺丝螺通过绝缘套管与第二壁连接；台柱为导体，横截面为半圆形和长方形组成的拱门形状，其上表面面积小于下表面面积，且其下表面与第一壁相接触，上下表面之间通过阶梯过渡；馈电螺丝的螺丝头设置在馈电螺丝靠近第一壁的一端。
本实施例天线的实施步骤可为：通过CNC(Computer numerical control，数控机床)在金属边框开槽形成反射腔和台柱，在第一壁、第二壁和台柱上钻孔，将馈电螺丝（参考图8的结构形式，螺纹设置在靠近螺丝头的一端上，由于板端位置有限，将螺丝焊接端（尾部）的直径做得比较小而螺纹处的直径比较大，可以同时兼顾连接的稳定性以及板端的位置需求）依次穿过第一壁上的孔、台柱上的孔、反射腔以及第二壁上的孔后，将绝缘套管从第二壁的孔中穿入套在馈电螺丝上，然后放上手机主板，螺丝将穿过主板上的孔以及主板上馈电信号线上的孔，再将馈电螺丝与手机主板上的馈电信号线焊接连接，这样通过馈电螺丝连接金属背盖的第一壁和馈电信号线，就完成天线馈电过程，向外辐射信号。本实施例可根据应用需求选择台柱形状以及反射腔中的填充材料以及填充方式。
实施例2：
参照图1-7、9，本实施例的5G天线类似于实施例1，不同的是，螺丝头设置在馈电螺丝靠近第二壁的一端上。。参照图9，螺纹设置在远离螺丝头的一端上，螺丝头的直径与螺柱的直径相等，在螺丝头上有十字或一字螺纹以方便将螺丝拧进台柱的孔里。
本实施例天线的实施步骤可为：通过CNC在边框开槽，同时形成台柱和反射腔，在第二壁和台柱上钻孔，馈电螺丝穿过第二壁上的孔后与台柱螺纹连接，然后将绝缘套管套入馈电螺丝来隔离馈电螺丝与第二壁，然后放上手机主板，螺丝将穿过主板上的孔以及主板上馈电信号线上的孔，最后焊接馈电螺丝与手机主板上的馈电信号线。
实施例3：
参照图1-7，本实施例的5G天线类似于实施例1或2，进一步的，反射腔的长、宽、高分别为1/2λ-λ、1/10λ-1/2λ、1/8λ-1/2λ，台柱的长度为3/16λ-3/8λ，宽度为1/8λ-1/4λ，高度为1/15λ-1/8λ，其中λ为28GHz所对应的真空中波长，台柱的长边方向与反射腔的宽边方向一致。
实施时，将反射腔的大小以及台柱的大小根据天线的工作波长设置，可以使得天线获得较宽的阻抗带宽以及较佳的定向辐射，在本实施例中，结合反射腔设置位置和大小、台柱的形状和大小，使得天线单元具有较宽的阻抗带宽，同时手机移动终端的正面辐射非常小。
实施例4：
参照图1-7，本实施例的5G天线类似于实施例1或2，进一步的，反射腔的长、宽、高与台柱的长、宽、高的比例分别为：12:5、11:5、3:2，其中的长、宽、高分别为1/2λ-λ、1/10λ-1/2λ、1/8λ-1/2λ，台柱的长边方向与反射腔的宽边方向一致，其中λ为28GHz所对应的真空中波长。
实施时，将反射腔的大小以及台柱的大小根据天线的工作波长设置，可以使得天线获得较宽的阻抗带宽以及较佳的定向辐射，在本实施例中，基于上述反射腔尺寸，对于多种台柱形状和大小进行测试，发现符合上述比例的台柱大小的控向辐射较佳。
实施例5：
本实施例的5G天线类似于实施例1-4，参照图10，台柱的另一种实施形式为上表面与下表面之间的过渡部分的截面为直角梯形；参照图11，台柱的又一种实施形式为上表面与下表面之间的过渡部分的截面为三角形。馈电信号线通过电镀方式镀到PCB板上，馈电信号线包括馈电头和馈电线部分，馈电头部分的长度和宽度均为0.08λ-0.12λ，中间设有供馈电螺丝穿过的馈电孔。参照图12，A区域为LTE分集天线、GPS、WIFI、BT天线以及5G天线摆放的位置， B区域为LTE主天线的摆放位置。
实施例6：
参照图13，本实施例的5G天线类似于实施例1-5，不同的是，十二个天线单元沿U形金属边框阵列。
本实施例位于直边和弯边的天线单元的大小可以一样，由于金属边框的直边和弯边都有天线单元分布，因此天线阵列的波束扫描角度更宽。
实施例7：
参照图14-21，本实施例类似于实施例3的宽频天线。图14为一个天线单元在25GHz-31GHz的反射系数曲线图，横坐标为5G天线工作频率，纵坐标为反射系数；图15为天线工作在28GHz时，天线单元辐射方向图，曲线1为天线单元在垂直于反射腔开口所在平面的辐射方向图，曲线2为天线单元在反射腔开口所在平面的辐射方向图，圆周坐标为角度，半径坐标为增益；图16为八个天线单元阵列在25GHz-31GHz的反射系数曲线图，横坐标为5G天线工作频率，纵坐标为反射系数；图17-21为八个天线单元阵列，天线单元间为从0度相位差到45度相位差到90度相位差到135度相位差到170度相位差的辐射方向图；参照图17，当天线单元间的相位差为0度时，辐射方向偏0度；参照图18，当天线单元间的相位差为45度时，辐射方向偏12度；参照图19，当天线单元间的相位差为90度时，辐射方向偏23度；参照图20，当天线单元间的相位差为135度时，辐射方向偏36度；参照图21，当天线单元间的相位差为170时，辐射方向偏48度。因此，本发明实施示例7是集成在顶部金属边框的八个天线单元阵列波束扫描图，其扫描角度为-48度到48度。
实施例8：
参照图22和23，本实施例提供一种天线系统，该天线系统中的天线类似于实施例1-7的天线，天线系统包括天线11、射频前端模块（RF）12、接收处理电路（RX）13、发射处理电路（TX）14、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20和存储器21, 射频前端模块12通过天线11接收到基站传输的RF信号，射频前端模块12通过下变频产生中频信号/基带信号。中频信号/基带信号通过RX电路13的滤波、编码产生一个后处理的中频信号/基带信号，RX电路将基带信号传送给扬声器15或者传送给处理器17进行信号的下一步处理。TX电路接收到麦克风16的语音信息或处理器17的基带数据后，通过TX电路14编码、多工、或着对输出的基带信号进行数字处理，然后将后处理的基带信号/中频信号进行上变频通过天线11将RF信号发射出去，而对于2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT信号链路和5G信号链路之间的切换则是通过射频前端模块的单刀双掷开关实现，射频前端模块包括基带信号输出端口、与基带信号输出端口连接的单刀双掷开关、以及分别连接在单刀双掷开关和宽频天线之间的5G射频前端集成芯片和2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT射频前端链路，实施时分别将2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT信号和5G信号送入2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT射频前端链路和5G射频前端集成芯片，然后通过单刀双掷开关选择相应的信号，最终两路信号可共用顶部金属边框实现电磁波的辐射与接收。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种带反射腔的宽频天线，包括金属边框、馈电信号线和至少一个天线单元，其特征在于，所述天线单元包括馈电螺丝、台柱、绝缘套管和反射腔，所述反射腔为金属边框的外侧面向内凹陷形成的腔体，所述腔体包括沿金属边框从下到上方向依次分布的第一壁和第二壁，所述第一壁、台柱、第二壁和馈电信号线顺序排列且均与馈电螺丝连接，所述台柱与馈电螺丝螺纹连接，所述馈电螺丝通过绝缘套管与第二壁连接；所述台柱为导体，其下表面与第一壁相接触且台柱的下表面面积大于台柱的上表面面积；
所述金属边框为U形边框，用于设置在移动终端的顶部位置，所述天线单元沿U形边框阵列分布；
所述天线单元的工作波长为λ，所述反射腔的长度为1/2λ-λ，宽度为1/10λ-1/2λ，高度为1/8λ-1/2λ，所述台柱的长度为3/16λ-3/8λ，宽度为1/8λ-1/4λ，高度为1/15λ-1/8λ，所述台柱的长边方向与反射腔的宽边方向一致；所述反射腔的长、宽、高与台柱的长、宽、高的比例分别为：12:5、11:5、3:2；所述馈电信号线的馈电头的长度为0.08λ-0.12λ、宽度为0.08λ-0.12λ。
2.根据权利要求1所述的带反射腔的宽频天线，其特征在于，所述台柱的上表面与下表面之间的过渡部分的截面为阶梯形或直角梯形，或者所述上表面与下表面之间的过渡面为弧面或平面。
3.根据权利要求1所述的带反射腔的宽频天线，其特征在于，所述台柱的横截面为半圆形和长方形组成的拱门形状。
4.根据权利要求1所述的带反射腔的宽频天线，其特征在于，所述馈电螺丝包括螺丝头，所述螺丝头设置在馈电螺丝靠近第一壁的一端上。
5.根据权利要求1所述的带反射腔的宽频天线，其特征在于，所述反射腔内填充低损耗材料。
6.根据权利要求1所述的带反射腔的宽频天线，其特征在于，所述反射腔和台柱为数控机床在金属边框上开槽形成的相连模块。
7.一种天线系统，包括射频前端模块、主处理器以及分别连接在射频前端模块和主处理器之间的接收处理电路、发射处理电路，其特征在于，还包括如权利要求1-6任一项所述带反射腔的宽频天线，所述射频前端模块包括基带信号输出端口、与基带信号输出端口连接的信号切换开关、以及分别连接在信号切换开关和宽频天线之间的5G射频前端集成芯片和2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT射频前端链路。
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