CN109390690A - 一种应用于5g的天线单元及阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种应用于5G的天线单元及阵列天线，该天线单元中的辐射贴片由四个矩形环绕而成的金属边框，缩减了天线的尺寸，且天线能够覆盖5G的3.4GHz和4.9GHz频段。同时天线单元关于中心对称，使得微带馈线在对称位置不会改变天线所覆盖的频段，方便天线组阵。通过两个辐射单元组阵，并在接地面增加解耦网络，使天线的工作频段满足了2.98GHz‑3.78GHz和4.62GHz‑5.36GHz的双频特性，能够覆盖5G所要求的3.3GHz‑3.6GHz和4.8GHz‑5GHz工作频段；通过调节解耦网络，有效提高了天线单元间的隔离度，保证了阵列天线的工作；阵列天线结构新颖、简单，体积小，成本低。

Description

一种应用于5G的天线单元及阵列天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种双频小型化天线单元及阵列天线，尤其涉及一种应用于5G的天线单元及阵列天线。
背景技术
随着现在无线通信系统的高速发展，第五代移动通信技术(5G)的商用尽在眼前。天线作为移动通信系统中最为重要的功能组件，面向5G通信应用的终端天线的研究与设计成为近年来的热点。2017年国家工业和信息化部发布了《关于第五代移动通信系统使用3300MHz-3600MHz和4800MHz-5000MHz频段相关事宜通知》确定了我国5G商用通信频段，5G通信系统的关键器件之一就是5G天线系统。为了满足5G的高速率信息传输要求，因此需要对多个天线单元组阵形成阵列天线提升其增益，并且通过多天线实现对于信息传输容量的提升。而作为应用于终端设备的阵列天线，要求天线系统具有尺寸小、体积小、辐射特性良好的特点。通过缩小了天线单元间隔来减少阵列天线的尺寸，但随着天线单元间距的缩小，天线单元之间会产生互耦现象，影响了阵列天线的工作效率，因此需要提升天线单元间的隔离度，保证天线系统的正常工作。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种应用于5G的天线单元及阵列天线，用于提升天线增益和信道容量，同时减少天线的体积和尺寸。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种应用于5G的天线单元，该天线单元包括辐射贴片(106)、微带馈线(107)、和接地面(108)，接地面(108)印刷在介质基板(101)背面的底部且覆盖介质基板(101)背面的下边缘及左、右两侧边缘；所述介质基板(101)正面印刷有辐射贴片(106)和微带馈线(107)，所述辐射贴片(106)和微带馈线(107)相连，辐射贴片(106)在介质基板(101)正面的上部且其四周未覆盖介质基板(101)的边缘，微带馈线(107)的一端连接在辐射贴片(106)一侧的下方，其另一端延伸到介质基板(101)的下边缘处；
所述辐射贴片(106)为一号矩形贴片(102)、二号矩形贴片(103)、三号矩形贴片(104)、四号矩形贴片(105)相互连接所围成的矩形金属边框，并且矩形金属边框关于介质基板(101)的中心线对称；所述微带馈线(107)为矩形，位于矩形金属边框下方的一侧；所述的接地面(108)为矩形。
进一步，本发明设计一种应用于5G的阵列天线，该阵列天线包括两个如上所述的天线单元和一个解耦网络，两个天线单元对称且辐射贴片无电性接触的印制在介质基板(200)上；介质基板(200)正面的两侧分别为一号辐射单元(201)、二号辐射单元(202)，每个辐射单元包括一个辐射贴片和一个微带馈线，两个辐射单元的微带馈线位于介质基板(200)的内侧；解耦网络印刷在介质基板(200)的背面，其下端分别与每个天线单元的接地面相连接；所述解耦网络由三个U型金属贴片相互嵌套连接组成，且关于介质基板(200)中心线对称；
所述解耦网络位于接地面上部且由一号U型金属贴片(U1)、二号U型金属贴片(U2)和三号U型金属贴片(U3)相互嵌套连接组成，三个U型金属贴片的开口端均朝下；所述解耦网络与接地面相连接且均关于介质基板(200)的中心线对称布置；所述解耦网络中一号U型金属贴片(U1)的下部两端分别与两个天线单元的接地面相连接；所述解耦网络中的二号U型金属贴片(U2)位于一号U型金属贴片(U1)的上部且两者相连接，所述解耦网络的三号U型金属贴片(U3)位于二号U型金属贴片(U2)的上部且两者相连接；
两个天线单元的一号接地面(204)和二号接地面(203)相距4mm放置，印刷在介质基板(200)的背面。
与现有技术相比，本发明有益效果是：本发明的天线单元中的辐射贴片是由四个矩形环绕而成的金属边框，有效的缩减了天线的尺寸，保证了天线能够覆盖5G的3.4GHz和4.9GHz频段。同时天线单元关于中心对称，从而使得微带馈线在对称位置不会改变天线所覆盖的频段，能够方便天线组阵。通过两个辐射单元组阵，并在接地面增加解耦网络，使天线的工作频段满足了2.98GHz-3.78GHz和4.62GHz-5.36GHz的双频特性，能够覆盖5G所要求的3.3GHz-3.6GHz和4.8GHz-5GHz工作频段；通过调节解耦网络，有效提高了天线单元间的隔离度，保证了阵列天线的工作；阵列天线结构新颖、简单，体积小，成本低。
附图说明
图1是本发明应用于5G的天线单元一种实施例的正面结构示意图。
图2是本发明应用于5G的天线单元一种实施例的背面结构示意图。
图3是本发明实施例1中应用于5G的天线单元的回波损耗曲线图。
图4是本发明实施例1中应用于5G的天线单元的电压驻波比曲线图。
图5是本发明实施例1中应用于5G的天线单元在3.4GHz的辐射方向图。
图6是本发明实施例1中应用于5G的天线单元在4.9GHz的辐射方向图。
图7是本发明应用于5G的阵列天线一种实施例的正面结构示意图。
图8是本发明应用于5G的阵列天线一种实施例的背面结构示意图。
图9是本发明应用于5G的阵列天线一种实施例的解耦网络结构示意图。
图10是本发明实施例2中应用于5G的阵列天线的回波损耗曲线图。
图11是本发明实施例2中应用于5G的阵列天线的单元间正向反射曲线图。
图12是本发明实施例2中应用于5G的阵列天线的电压驻波比曲线图。
图13是本发明实施例2中应用于5G的阵列天线在3.4GHz的辐射方向图。
图14是本发明实施例2中应用于5G的阵列天线在4.9GHz的辐射方向图。
图15是本发明实施例2中应用于5G的阵列天线的峰值增益图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种应用于5G的天线单元(简称天线单元，参见图1-2)，包括辐射贴片106、微带馈线107和接地面108，接地面108印刷在介质基板101背面的底部且覆盖介质基板101背面的下边缘及左、右两侧边缘；所述介质基板101正面印刷有辐射贴片106和微带馈线107，所述辐射贴片106和微带馈线107相连，辐射贴片106在介质基板101正面的上部且其四周未覆盖介质基板101的边缘，微带馈线107的一端连接在辐射贴片106一侧的下方，其另一端延伸到介质基板101的下边缘处；
所述辐射贴片106为一号矩形贴片102、二号矩形贴片103、三号矩形贴片104、四号矩形贴片105相互连接所围成的矩形金属边框，并且矩形金属边框关于介质基板101的中心线对称；所述微带馈线107为矩形，位于矩形金属边框下方的一侧；所述的接地面108为矩形。
所述一号矩形贴片102和三号矩形贴片104的长度和宽度相等，关于介质基板101中心线相对布置，呈对称结构；所述二号矩形贴片103和四号矩形贴片105的长度相等、宽度不等，其中宽度大的位于宽度小的下方；
进一步的，本发明提供一种应用于5G的阵列天线(简称阵列天线，参见图7-9)，该阵列天线包括两个如上所述的天线单元和一个解耦网络，两个天线单元对称且辐射贴片无电性接触的印制在介质基板200上，介质基板200正面的两侧分别为一号辐射单元201、二号辐射单元202，每个辐射单元包括一个辐射贴片和一个微带馈线，两个辐射单元的微带馈线位于介质基板200的内侧(以介质基板左、右两侧边缘方位为外)。解耦网络印刷在介质基板200的背面，其下端分别与每个天线单元的接地面相连接。所述解耦网络由三个U型金属贴片相互嵌套连接组成，且关于介质基板200中心线对称；通过解耦网络所增加的枝节，能够有效的提高天线单元间的隔离度。
所述解耦网络位于接地面上部且由一号U型金属贴片U1、二号U型金属贴片U2和三号U型金属贴片U3相互嵌套连接组成，三个U型金属贴片的开口端均朝下；所述解耦网络与接地面相连接且均关于介质基板200的中心线对称布置；所述解耦网络中一号U型金属贴片U1的下部两端分别与两个天线单元的接地面相连接；所述解耦网络中的二号U型金属贴片U2位于一号U型金属贴片U1的上部且两者相连接，所述解耦网络的三号U型金属贴片U3位于二号U型金属贴片U2的上部且两者相连接。
实施例1
本实施例1提供一种应用于5G的天线单元，包括辐射贴片106、微带馈线107和接地面108，接地面108印刷在介质基板101背面的底部且覆盖介质基板101背面的下边缘及左、右两侧边缘；所述介质基板101正面印刷有辐射贴片106和微带馈线107，所述辐射贴片106和微带馈线107相连，辐射贴片106在介质基板101正面的上部且其四周未覆盖介质基板101的边缘，微带馈线107的一端连接在辐射贴片106一侧的下方，其另一端延伸到介质基板101的下边缘处；
所述辐射贴片106为一号矩形贴片102、二号矩形贴片103、三号矩形贴片104、四号矩形贴片105相互连接所围成的矩形金属边框，并且矩形金属边框关于介质基板101的中心线对称；所述微带馈线107为矩形，位于矩形金属边框下方的一侧；所述的接地面108为矩形。
所述一号矩形贴片102和三号矩形贴片104的长度和宽度相等，关于介质基板101中心线相对布置，呈对称结构；所述二号矩形贴片103和四号矩形贴片105的长度相等、宽度不等，其中宽度大的位于宽度小的下方；
本实施例中介质基板101的形状为矩形，其材料是聚四氟乙烯(PTFE)，其介电常数是3.5，介质基板101的长宽高尺寸是19mm×34mm×1.6mm；
所述辐射贴片106为由一号矩形贴片102、二号矩形贴片103、三号矩形贴片104和四号矩形贴片105相互连接组成组成。所述一号矩形贴片102的长度ab的尺寸为20mm，宽度bd的尺寸为5mm；所述二号矩形贴片103的长度cf的尺寸为16mm，宽度fg的尺寸为0.5mm；所述三号矩形贴片104的长度gh的尺寸为20mm，宽度eg的尺寸为5mm；所述四号矩形贴片105的长度kj的尺寸为16mm，宽度hj的尺寸为1mm；
所述微带馈线107的长宽尺寸是4.5mm×11mm，所述微带馈线107中心线距离介质基板101中心线距离为4mm，所述微带馈线距离介质基板101中心线左侧4mm或右侧4mm不影响天线工作频率；
所述接地面108的长宽尺寸为19mm×11mm；
图3为本实施例天线单元的回波损耗曲线，从图3中看出天线单元在3.04GHz-4.94GHz和4.52GHz-5.48GHz频段内回波损耗小于-10dB，这使得天线单元能够工作在在3.04GHz-4.94GHz和4.52GHz-5.48GHz频段，3.3GHz-3.6GHz和4.8GHz-5.0GHz频段内回波损耗大于-10dB，这使得天线单元能够有效地工作在5G频段。
图4为本实施例天线单元的电压驻波比曲线图，从图中可以看出在上述回波损耗小于-10dB的频段内天线单元的电压驻波比均小于2，满足工程要求。
图5和图6分别是本实施例天线单元在频率3.4GHz和4.9GHz时对应的该天线单元的方向图，图中E/H指电场或磁场，从图中可以看出本实施例的天线单元辐射方向图在H面和E面具有良好的方向性。
本发明天线单元具有体积小，结构简单，工作频段宽，能够适用于5G系统，作为天线单元，其工作方向性良好，体积小，有利于组阵，形成阵列天线。
实施例2
本实施例提供一种应用于5G的阵列天线(参见图7-9)，该阵列天线包括两个如上所述的天线单元和一个解耦网络，两个天线单元对称且辐射贴片无电性接触的印制在介质基板200上，介质基板200正面的两侧分别为一号辐射单元201、二号辐射单元202，每个辐射单元包括一个辐射贴片和一个微带馈线，两个辐射单元的微带馈线位于介质基板200的内侧(以介质基板左、右两侧边缘方位为外)。解耦网络印刷在介质基板200的背面，其下端分别与每个天线单元的接地面相连接。所述解耦网络由三个U型金属贴片相互嵌套连接组成，且关于介质基板200中心线对称；通过解耦网络所增加的枝节，能够有效的提高天线单元间的隔离度。
所述解耦网络(参见图9)位于接地面上部且由一号U型金属贴片U1、二号U型金属贴片U2和三号U型金属贴片U3相互嵌套连接组成，三个U型金属贴片的开口端均朝下；所述解耦网络与接地面相连接且均关于介质基板200的中心线对称布置；所述解耦网络中一号U型金属贴片U1的下部两端分别与两个天线单元的接地面相连接；所述解耦网络中的二号U型金属贴片U2位于一号U型金属贴片U1的上部且两者相连接，所述解耦网络的三号U型金属贴片U3位于二号U型金属贴片U2的上部且两者相连接。通过增加解耦网络，能够有效的提高天线单元间的隔离度。
本实施例中介质基板200的形状为矩形，其材料为聚四氟乙烯(PTFE)，其介电常数是3.5，介质基板200的长宽高尺寸是42mm×34mm×1.6mm。
两个天线单元的一号接地面204和二号接地面203相距4mm放置，印刷在介质基板200的背面；所述一号辐射单元201、二号辐射单元202以及一号接地面204和二号接地面203的尺寸同实施例1；
一号U型金属贴片U1，由两个矩形贴片U101和一个矩形贴片U102构成，其中两个矩形贴片U101关于介质基板200中心线对称放置，矩形贴片U102位于两个矩形贴片U101的顶部，矩形贴片U102的两末端与两个矩形贴片U101的外侧分别对齐；矩形贴片U102的长宽尺寸为25mm×0.5mm，矩形贴片U101的长宽尺寸为0.5mm×2.1mm；两个矩形贴片U101之间的距离为24mm；右侧矩形贴片U101与一号接地面204的左上侧端点距离mn为10mm。
二号U型金属贴片U2由两个矩形贴片U201和一个矩形贴片U202构成，其中两个矩形贴片U201关于介质基板200中心线对称放置，矩形贴片U202位于两个矩形贴片U201的顶部，矩形贴片U202的两末端与两个矩形贴片U201的外侧分别对齐；右侧矩形贴片U201距离矩形贴片U101的距离op为8.9mm；矩形贴片U201的长宽尺寸为0.5mm×2mm，矩形贴片U202的长宽尺寸为7.2mm×0.4mm。
三号U型金属贴片U3关于介质基板200中心线对称，由两个矩形贴片U301和一个矩形贴片U302构成，其中两个矩形贴片U301关于介质基板200中心线对称放置，矩形贴片U302位于两个矩形贴片U301的顶部，矩形贴片U302的两末端与两个矩形贴片U301的外侧分别对齐；矩形贴片U301的长宽尺寸为0.1mm×7.1mm，矩形贴片U302的长宽尺寸为7.2mm×0.3mm。
图10为本实施例阵列天线的回波损耗曲线，从图10中看出阵列天线在2.98GHz-3.78GHz和4.62GHz-5.36GHz频段内回波损耗小于-10dB，图11为本实施例阵列天线单元间正向反射曲线，从图11中看出阵列天线在3.25GHz-3.67GHz和4.82GHz-5.15GHz频段内正向反射系数低于-15dB；这使得阵列天线能够工作在在3.25GHz-3.67GHz和4.82GHz-5.15GHz频段，3.3GHz-3.6GHz和4.8GHz-5.0GHz频段内回波损耗大于-10dB，天线单元间的正向反射系数低于-15dB，这使得阵列天线能够有效地工作在5G频段；
图12为本实施例阵列天线的电压驻波比曲线图，从图中可以看出在上述回波损耗小于-10dB的频段内阵列天线的电压驻波比均小于2，满足工程要求；
图13和图14分别是本实施例阵列天线在频率3.4GHz和4.9GHz时对应的该天线的方向图，图中E/H指电场或磁场，从图中可以看出本实施例的阵列天线辐射方向图在H面具有全向性，在E面具有很好的方向性，这是由于所述阵列天线是由于两个天线单元关于中心线对称放置，当双天线工作时能够在辐射方向场上叠加，形成全向型辐射；
图15是本实施阵列天线的峰值增益图，图15中横坐标为频率，纵坐标为增益大小，从图15中可以看出阵列天线在3.4GHz-3.6GHz和4.8GHz-5GHz频段内增益均大于4.5dB，说明阵列天线在工作频段内具有较高的增益；
本发明阵列天线具有体积小，结构简单，通过解耦网络的使用，能够大大缩小天线间的距离，保证两个天线单元能够正常工作，且通过两个天线的对称放置，形成良好的全向辐射特性。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种应用于5G的天线单元，其特征在于，该天线单元包括辐射贴片(106)、微带馈线(107)和接地面(108)，接地面(108)印刷在介质基板(101)背面的底部且覆盖介质基板(101)背面的下边缘及左、右两侧边缘；所述介质基板(101)正面印刷有辐射贴片(106)和微带馈线(107)，所述辐射贴片(106)和微带馈线(107)相连，辐射贴片(106)在介质基板(101)正面的上部且其四周未覆盖介质基板(101)的边缘，微带馈线(107)的一端连接在辐射贴片(106)一侧的下方，其另一端延伸到介质基板(101)的下边缘处；
所述辐射贴片(106)为一号矩形贴片(102)、二号矩形贴片(103)、三号矩形贴片(104)、四号矩形贴片(105)相互连接所围成的矩形金属边框，并且矩形金属边框关于介质基板(101)的中心线对称；所述微带馈线(107)为矩形，位于矩形金属边框下方的一侧；所述的接地面(108)为矩形；
所述一号矩形贴片(102)和三号矩形贴片(104)的长度和宽度相等，关于介质基板(101)中心线相对布置，呈对称结构；所述二号矩形贴片(103)和四号矩形贴片(105)的长度相等、宽度不等，其中宽度大的位于宽度小的下方；
所述辐射贴片(106)为由一号矩形贴片(102)、二号矩形贴片(103)、三号矩形贴片(104)和四号矩形贴片(105)相互连接组成组成；所述一号矩形贴片(102)的长度尺寸为20mm，宽度尺寸为5mm；所述二号矩形贴片(103)的长度尺寸为16mm，宽度尺寸为0.5mm；所述三号矩形贴片(104)的长度尺寸为20mm，宽度尺寸为5mm；所述四号矩形贴片(105)的长度尺寸为16mm，宽度尺寸为1mm；
所述微带馈线(107)的长宽尺寸是4.5mm×11mm，所述微带馈线(107)中心线距离介质基板(101)中心线距离为4mm；所述接地面(108)的长宽尺寸为19mm×11mm。
2.根据权利要求1所述的一种应用于5G的天线单元，其特征在于，介质基板(101)的形状为矩形，长宽高尺寸是19mm×34mm×1.6mm；其材料是聚四氟乙烯，其介电常数是3.5。
3.一种应用于5G的阵列天线，其特征在于，该阵列天线包括两个如权利要求1所述的天线单元和一个解耦网络，两个天线单元对称且辐射贴片无电性接触的印制在介质基板(200)上；介质基板(200)正面的两侧分别为一号辐射单元(201)、二号辐射单元(202)，每个辐射单元包括一个辐射贴片和一个微带馈线，两个辐射单元的微带馈线位于介质基板(200)的内侧；解耦网络印刷在介质基板(200)的背面，其下端分别与每个天线单元的接地面相连接；所述解耦网络由三个U型金属贴片相互嵌套连接组成，且关于介质基板(200)中心线对称；
所述解耦网络位于接地面上部且由一号U型金属贴片(U1)、二号U型金属贴片(U2)和三号U型金属贴片(U3)相互嵌套连接组成，三个U型金属贴片的开口端均朝下；所述解耦网络与接地面相连接且均关于介质基板(200)的中心线对称布置；所述解耦网络中一号U型金属贴片(U1)的下部两端分别与两个天线单元的接地面相连接；所述解耦网络中的二号U型金属贴片(U2)位于一号U型金属贴片(U1)的上部且两者相连接，所述解耦网络的三号U型金属贴片(U3)位于二号U型金属贴片(U2)的上部且两者相连接；
两个天线单元的一号接地面(204)和二号接地面(203)相距4mm放置，印刷在介质基板(200)的背面；
一号U型金属贴片(U1)，由两个矩形贴片(U101)和一个矩形贴片(U102)构成，其中两个矩形贴片(U101)关于介质基板(200)中心线对称放置，矩形贴片(U102)位于两个矩形贴片(U101)的顶部，矩形贴片(U102)的两末端与两个矩形贴片(U101)的外侧分别对齐；矩形贴片(U102)的长宽尺寸为25mm×0.5mm，矩形贴片(U101)的长宽尺寸为0.5mm×2.1mm；两个矩形贴片(U101)之间的距离为24mm；右侧矩形贴片(U101)与一号接地面(204)的左上侧端点距离为10mm；
二号U型金属贴片(U2)由两个矩形贴片(U201)和一个矩形贴片(U202)构成，其中两个矩形贴片(U201)关于介质基板(200)中心线对称放置，矩形贴片(U202)位于两个矩形贴片(U201)的顶部，矩形贴片(U202)的两末端与两个矩形贴片(U201)的外侧分别对齐；右侧矩形贴片(U201)距离矩形贴片(U101)的距离为8.9mm；矩形贴片(U201)的长宽尺寸为0.5mm×2mm，矩形贴片(U202)的长宽尺寸为7.2mm×0.4mm；
三号U型金属贴片(U3)关于介质基板(200)中心线对称，由两个矩形贴片(U301)和一个矩形贴片(U302)构成，其中两个矩形贴片(U301)关于介质基板(200)中心线对称放置，矩形贴片(U302)位于两个矩形贴片(U301)的顶部，矩形贴片(U302)的两末端与两个矩形贴片(U301)的外侧分别对齐；矩形贴片(U301)的长宽尺寸为0.1mm×7.1mm，矩形贴片(U302)的长宽尺寸为7.2mm×0.3mm。
4.根据权利要求3所述的一种应用于5G的阵列天线，其特征在于，介质基板(200)的形状为矩形，长宽高尺寸是42mm×34mm×1.6mm；其材料为聚四氟乙烯，其介电常数是3.5。
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