CN109509962A - 一种用于5g手机终端的双频mimo天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，包括边框及设在边框内的主板；所述边框沿圆周方向设有通槽，所述主板包括电路区和净空区，电路区单面覆有铜层，电路区在覆铜一面设有四组天线单元，天线单元包括耦合馈电天线和直接馈电天线；耦合馈电天线一端与电路区相连，另一端穿过通槽设置在边框外表面，边框外表面设有与耦合馈电天线相配的耦合线，耦合线连有第一接地线；直接馈电天线一端与电路区相连，另一端依次设有第二接地线、低频枝节及高频枝节，高频枝节、低频枝节及第二接地线分布于边框外表面。上述设计方案整体上实现了多天线的紧凑型布局，达到了隔离度良好的技术效果，为5G手机终端双频MIMO天线的设计提供了可行方案。

Description

一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构

技术领域

本发明涉及5G手机终端天线技术领域，特别涉及尤其涉及一种5G手机终端紧凑型双频MIMO（Multiple-input Multiple-output，多输入多输出）天线结构。

背景技术

随着第五代移动通信技术(5G)的日益推进，5G低频（Sub-6GHz）频段的发展逐渐受到重视，2018年开始，5G低频（Sub-6GHz）频段在中国被正式确定下来。鉴于技术和基础设施的不完善，手机现阶段还不会采用毫米波频段，这也意味着，基于Sub-6GHz频段的5G手机终端将会作为5G终端设备的最初体验。对于5G低频段的手机终端天线设计而言，本质上与现在的4G天线设计没有太大区别，只是天线数量会相应增加，天线之间的干扰加重。因此，如何在有限的空间内设计出结构紧凑且又互不干扰的天线是5G低频段手机终端的天线设计重点。

针对5G手机终端MIMO天线的设计，需要关注的是多天线的紧凑型布局以及如何提高天线间的隔离度。为此，近年来很多专家学者提出了多种解决方案。文章“Dual-band 8-element MIMO antenna with short neutral line for 5G mobile handset”中公开了一款应用于5G手机终端的双频8单元MIMO天线，天线由8个折叠的单极子组成，每两个放置在手机终端直角边框的两侧，两个天线单元之间通过中和线连接，以达到降低天线间耦合的目的。该天线设计方案虽很好的解决了双频工作和隔离度问题，但由于天线布局位置的不合理，在实际的工程上较难实现。文章“Two Asymmetrically Mirrored Gap-Coupled LoopAntennas as a Compact Building Block for Eight-Antenna MIMO Array in theFuture Smartphone”和文章“Compact 5G MIMO Mobile Phone Antennas with Tightly-arranged Orthogonal Mode Pairs”也分别针对5G 手机终端MIMO天线设计提出了相应的解决方案，两个技术方案都是将天线放置于手机长边框的上半部分，结构紧凑，隔离度和辐射性能良好，不需要采用任何解耦结构，不同之处在于解耦方式的不同，然而两个技术方案的天线结构都只能在Sub-6GHz单频段进行工作。

因此，以上5G手机终端天线的设计方案都存在一定的设计问题。鉴于此，本发明提出了一种用于5G手机终端的紧凑型双频8×8 MIMO天线结构，不仅保证了天线双频工作，最重要的是，通过设计不同的天线结构单元，在天线和地板上激励起正交模式的电流从而减小空间耦合和地板耦合，有效解决了天线布局过于紧凑造成隔离度差的问题。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供了一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，该天线结构通过选择合适的天线形式，使得天线结构上和地板上的电流呈现正交分布特性，减小了天线相互之间的空间耦合和地板上的电流耦合，一定程度提搞了隔离度，达到了天线结构紧凑分布且隔离度良好的技术效果。最重要的是，每一天线单元采用了耦合馈电天线和直接馈电天线的组合，进而产生了不同的谐振频率和路径，实现了天线的双频工作，为5G手机终端双频MIMO天线的设计提供了一个可行的方案。

一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，包括边框及设在边框内的主板；所述边框沿主板四周方向设有通槽，所述主板包括电路区和净空区，电路区单面覆有铜层，电路区在覆铜一面设有多组天线单元，各天线单元包括耦合馈电天线和直接馈电天线；耦合馈电天线一端与电路区相连，另一端穿过通槽设置在边框外表面，边框外表面设有与耦合馈电天线相配的耦合线，耦合线连有第一接地线；所述直接馈电天线一端通过第二馈电端口与电路区相连，另一端依次设有第二接地线、低频枝节及高频枝节，高频枝节、低频枝节及第二接地线分布于边框外表面。

进一步的，电路区在铜层一侧设有四组天线单元，四组天线单元沿边框的长边方向对称分布，相邻天线单元之间的距离不低于18mm。

进一步的，四组天线单元分布在边框的上半部分，所述天线单元与边框短边之间的距离不低于12mm。

进一步的，所述耦合馈电天线包括第一馈电端口及第一耦合馈线，第一耦合馈线设在边框外表面，第一耦合馈线为L型，第一耦合馈线一端通过第一馈电端口与电路区相连，另一端配设有耦合线；第一耦合馈线和耦合线均与通槽平行设置，第一耦合馈线和耦合线之间的距离为耦合缝隙，所述耦合线与第一接地线垂直连接。

进一步的，所述第一耦合馈线与耦合线之间的耦合缝隙为0.2-0.6mm，优选0.4mm。

进一步的，所述第一接地线与第一耦合馈线之间的距离为1.5-1.7mm。

进一步的，所述第二接地线、低频枝节及高频枝节设置在与耦合馈电天线相对应一侧，且第二接地线、低频枝节及高频枝节相互平行。

进一步的，所述用于5G手机终端的双频MIMO天线结构的工作频段为3400-3600MHz和4800-5000 MHz。

进一步的，所述电路主板为FR-4介质基板，所述FR-4介质基板的相对介电常数为4.3-4.5，损耗角正切为0.015-0.025，厚度为0.7-0.9mm。

进一步的，所述铜层边缘与边框内表面之间的距离为0.8-1.2mm，所述边框厚度为0.8-1.2mm。

本发明所起到的有益技术效果如下：

与现有技术相比较，本发明公开了一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，该天线结构在主板上设有四组天线单元，每一组天线单元均采用了耦合馈电天线和直接馈电天线的组合，耦合馈电天线和直接馈电天线在工作过程产生不同的谐振频率和路径，进而实现了天线的双频工作。最重要的是，本发明公开的双频MIMO天线结构通过选择合适的天线形式以及合理的天线布局，使得天线结构上和地板上的电流呈现出正交分布的特性，很大程度减小了天线相互之间的空间耦合和地板上的电流耦合，使各天线在其工作频段内具备有良好的阻抗匹配特性、较高的隔离特性及辐射特性。该设计方案整体上实现了多天线的紧凑型布局，达到了天线结构紧凑分布且隔离度良好的技术效果，为5G手机终端双频MIMO天线的设计提供了一个可行的方案。

附图说明

图1为实施例1手机终端的双频MIMO天线分布示意图。

图2为实施例1天线单元的结构示意图。

图3为实施例1两组天线单元的仿真反射系数随频率变化曲线图。

图4为实施例1两组天线单元的实测反射系数随频率变化曲线图。

图5为实施例1相邻天线之间仿真隔离度随频率变化曲线图。

图6为实施例1相邻天线之间实测隔离度随频率变化曲线图。

图7为在3.5GHz频率下耦合馈电天线和直接馈电天线表面的电流分布。

图8为在4.9GHz频率下耦合馈电天线和直接馈电天线表面的电流分布。

图9为在3.5GHz频率下地表面的电流分布。

图10为在4.9GHz频率下地表面的电流分布。

图11为两组天线单元仿真总效率随频率变化曲线。

图12为两组天线单元实测总效率随频率变化曲线。

图13为实施例2天线单元的结构分布示意图。

图14为实施例3天线单元的结构分布示意图。

附图标记：

1-边框，2-主板，3-天线单元，31-第一馈电端口，32-第一耦合馈线，33-第一接地线，34-耦合线，35-直接馈电天线，36-高频枝节，37-低频枝节，38-第二接地线，39-第二馈电端口，4-铜层，5-通槽。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供了一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，具体包括边框1和设在边框1内的主板2。所述边框1设置在主板2四周，边框1由塑料材质制成。为模拟主流手机终端的尺寸，特将边框1高设为7mm，厚度设为1mm。所述主板2为FR-4介质基板，所述FR-4介质基板的相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为0.8mm。FR-4介质基板的尺寸设置为70×150mm²。上述边框1沿主板2的四周方向设有通槽5，所述通槽5可理解为净空区，即整个主板2实际上包括有电路区和净空区。净空区的设置主要为了增加天线的有效辐射，一定程度提高天线的辐射效率，同时也避免了实际手机产品中电子元件对天线产生的电磁干扰。上述电路区单面覆有铜层4，铜层4边缘与边框1内表面之间的距离为0.8-1.2mm，所述边框1厚度为0.8-1.2mm。本实施例中，铜层4边缘与边框1内表面之间的距离为1.0mm，所述边框1厚度为1.0mm ，所述铜层4边缘与边框1内表面之间的距离加上边框1厚度即组成了净空区的宽度，即所述净空区靠近主板边缘。电路区在设有铜层4的一面设有四组天线单元3，四组天线单元3沿边框1的长边方向对称分布，边框1的两个长边方向各分布有两个天线单元，相邻天线单元3之间的距离不低于18mm。本实施例中，四组天线单元3均分布在边框1的上半部分，避免手握手机时对天线性能产生不良影响。相邻天线单元3之间的距离为18mm，与边框1短边最接近的天线单元3与边框1短边之间的距离保持在12mm，该段距离主要用于布局2G天线、3G天线或4G天线。

天线单元3由耦合馈电天线和直接馈电天线35组成。耦合馈电天线一端与电路区相连，另一端穿过通槽5设置在边框1外表面，边框1外表面设有与耦合馈电天线相配的耦合线34，耦合线34连有第一接地线33。具体的，所述耦合馈电天线包括第一馈电端口31及第一耦合馈线32，第一耦合馈线32设在边框1外表面，第一耦合馈线32为L型结构，所述第一耦合馈线32一端通过第一馈电端口31与电路区相连；第一耦合馈线32的另一端和耦合线34平行设置，所述第一耦合馈线32和耦合线34均与通槽5相平行，第一耦合馈线32和耦合线34之间的距离为耦合缝隙，第一耦合馈线32与耦合线34之间的耦合缝隙为0.2-0.6mm，优选0.4mm。上述耦合线34与第一接地线33保持垂直连接，且第一接地线33与第一耦合馈线32之间的距离为1.5-1.7mm。本实施例中，所述第一耦合馈线32与耦合线34平行部分的长度为4.4mm，线宽0.5mm，第一耦合馈线32与耦合线34之间的耦合缝隙为0.4mm，耦合线34长度为17.5mm，线宽为1.2mm，耦合线34一端与第一耦合馈线32的端点保持对齐，耦合线34在距第一耦合馈线32末端1.6mm的位置处垂直设有第一接地线33，所述第一接地线33长为2.4mm，线宽为0.8mm。

所述直接馈电天线35一端通过第二馈电端口39与电路区相连，另一端依次设有第二接地线38、低频枝节37及高频枝节36，高频枝节36、低频枝节37及第二接地线38分布于边框1外表面，所述第二接地线38、低频枝节37及高频枝节36设置在与耦合馈电天线相对应一侧，两两之间保持相互平行。本实施例中，所述用于5G手机终端的双频MIMO天线结构的工作频段主要为3400-3600MHz和4800-5000MHz。所述直接馈电天线35上设置的高频枝节36和低频枝节37长度分别为11mm和16.5mm，线宽均为0.5mm。而直接馈电天线35上设置的第二接地线38长为7mm，线宽为0.8mm。所述低频枝节37设在高频枝节36和第二接地线38之间，所述高频枝节36与低频枝节37之间的距离为0.6mm，而低频枝节37与第二接地线38之间的距离为0.3mm。本实施例中公开的每一天线单元3沿边框1长边方向的整体尺寸为23.8mm。

本实施例中，各天线单元的工作原理如下：

本技术方案采用耦合馈电天线和直接馈电天线35形成了天线单元3，其中，耦合馈电天线包括有Loop与IFA两种结构，所述Loop与IFA结构分别会产生一个谐振频率，而直接馈电天线35则是通过两条长短不同的枝节产生两段不同的谐振路径，从而耦合馈电天线和直接馈电天线35均实现了双频工作。此外，本技术方案通过选择独特的天线结构，使得天线结构上和地板上的电流呈现出正交分布特性，减小了天线相互之间的空间耦合和地板上的电流耦合，利于提高隔离度，并且整体天线结构实现了紧凑型布局，利于双频MIMO天线在5G 手机中的推广。

根据本实施例提供的技术方案中所描述的天线结构，进一步使用HFSS15.0电磁仿真进行建模仿真，并将仿真模型的各项系数与实测系数进行了详细对比。由于主板左右两侧分布的天线单元结构完全一样，相关测试数据也相同，因此，本实施例仅针对主板左侧两组天线单元的测试数据进行了具体分析，其中，距离主板上侧的短边较近的天线单元为第一组天线单元，距离主板上侧的短边较远的天线单元为第二组天线单元，第一组天线单元与第二组天线单元的检测结果如图3-12所示。图3和图4分别是本实施例中主板左侧两组天线单元的仿真与实测反射系数随频率变化曲线图，其中，S11和S22为第一组天线单元的耦合馈电天线和直接馈电天线的反射系数， S33 和S44为第二组天线单元的耦合馈电天线和直接馈电天线的反射系数。由图中可以看出，两组天线单元的仿真反射系数随频率变化曲线基本与实测反射系数随频率变化曲线相吻合。各天线单元的-6dB阻抗带宽均覆盖了Sub-6GHz频段(3400-3600MHz和4800-5000MHz)，满足5G手机终端天线的双频工作要求。图5和图6分别为相邻天线之间仿真与实测的隔离度随频率变化曲线图，S12代表第一组天线单元的耦合馈电天线和直接馈电天线之间的隔离度，S34为第二组天线单元的耦合馈电天线和直接馈电天线之间的隔离度，S23为第一组天线单元的直接馈电天线与第二组天线单元的耦合馈电天线之间的隔离度。从图中可以看出，无论是在仿真还是在实测条件下，相邻天线之间隔离度在工作频率内均大于-11dB，可以满足手机终端天线的隔离度设计要求。图7是在3.5GHz频率下耦合馈电天线和直接馈电天线表面的电流分布，图8是在4.9GHz频率下耦合馈电天线和直接馈电天线表面的电流分布，而图9和图10分别是在3.5GHz频率和4.9GHz频率下的地表面的电流分布。由图7-图10，可以看出，耦合馈电天线无论处于低频段还是高频段，工作时耦合到直接馈电天线上的电流都很小，而直接馈电天线处于低频段时的表面电流与耦合到耦合馈电天线上的电流大部分是相互正交的，同时直接馈电天线在高频段时耦合到耦合馈电天线上的电流又很小，也就是说，无论是耦合馈电天线工作还是直接馈电天线工作，彼此之间的空间耦合有明显下降，隔离度良好。另外从图9和图10中可以看出，当耦合馈电天线和直接馈电天线分别工作时，地板上激励起来的电流强度相比于天线上的电流强度要小很多，并且所述铜层和天线的连接点与接地点附近产生的电流是正交关系，可以充分说明，地板耦合也很小，进一步提高了天线结构的隔离度。此外，如图11和图12所示，参考两组天线单元的仿真总效率随频率变化曲线与两组天线单元的实测总效率随频率变化曲线，可以发现，两组天线单元总效率均保持在55%-70%左右，整体辐射性能良好。在图11和图12中，天线1指第一组天线单元中的耦合馈电天线，天线2指第一组天线单元中的直接馈电天线；而天线3指第二组天线单元中的耦合馈电天线，天线4指第二组天线单元中的直接馈电天线。由上述各测试结果可以看出，本实施例提出的5G手机终端的双频MIMO天线在工作频段内具备良好的阻抗匹配特性、较高的隔离特性和辐射特性，在实现双频工作的基础上，保证了8×8 MIMO终端天线的紧凑型分布，利于满足5G手机终端天线设计的工程需求。

以上所述仅是本技术方案的一种实施方式，还可以针对天线的结构分布进行改进，如图13和图14所示，只要在不改变天线形式的情况下，更改耦合馈电天线和直接馈电天线的走线以及对各部分距离的调整，改进后的双频MIMO天线结构均应在本技术方案的保护范围之内。

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 (10)

1.一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，其特征在于，包括边框（1）及设在边框（1）内的主板（2）；所述边框（1）沿主板（2）四周方向设有通槽（5），所述主板（2）包括电路区和净空区，电路区单面覆有铜层（4），电路区在铜层（4）一面设有多组天线单元（3），各天线单元（3）包括耦合馈电天线和直接馈电天线（35）；耦合馈电天线一端与电路区相连，另一端穿过通槽（5）设置在边框（1）外表面，边框（1）外表面设有与耦合馈电天线相配的耦合线（34），耦合线（34）连有第一接地线（33）；所述直接馈电天线（35）一端通过第二馈电端口（39）与电路区相连，另一端依次设有第二接地线（38）、低频枝节（37）及高频枝节（36），高频枝节（36）、低频枝节（37）及第二接地线（38）分布于边框（1）外表面。

2.如权利要求1所述一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，其特征在于，电路区在铜层（4）一面设有四组天线单元（3），四组天线单元（3）沿边框（1）的长边方向对称分布，相邻天线单元（3）之间的距离不低于18mm。

3.如权利要求2所述一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，其特征在于，四组天线单元（3）分布在边框（1）的上半部分，所述天线单元（3）与边框（1）短边之间的距离不低于12mm。

4.如权利要求1所述一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，其特征在于，所述耦合馈电天线包括第一馈电端口（31）及第一耦合馈线（32），第一耦合馈线（32）设在边框（1）外表面，第一耦合馈线（32）为L型，第一耦合馈线（32）一端通过第一馈电端口（31）与电路区相连，另一端配设有耦合线（34）；第一耦合馈线（32）和耦合线（34）之间设有耦合缝隙，所述耦合线（34）与第一接地线（33）垂直连接。

5.如权利要求4所述一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，其特征在于，所述第一耦合馈线（32）与耦合线（34）之间的耦合缝隙为0.2-0.6mm。

6.如权利要求4所述一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，其特征在于，所述第一接地线（33）与第一耦合馈线（32）之间的距离为1.5-1.7mm。

7.如权利要求4-6任一项所述一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，其特征在于，所述第二接地线（38）、低频枝节（37）及高频枝节（36）设置在与耦合馈电天线相对应一侧，且第二接地线（38）、低频枝节（37）及高频枝节（36）相互平行。

8.如权利要求6所述一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，其特征在于，所述用于5G手机终端的双频MIMO天线结构的工作频段为3400-3600MHz和4800-5000MHz。

9.如权利要求1所述一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，其特征在于，所述主板（2）为FR-4介质基板，所述FR-4介质基板的相对介电常数为4.3-4.5，损耗角正切为0.015-0.025，厚度为0.7-0.9mm。

10.如权利要求1所述一种用于5G手机终端的双频MIMO天线结构，其特征在于，所述铜层（4）边缘与边框（1）内表面之间的距离为0.8-1.2mm，所述边框（1）厚度为0.8-1.2mm。