CN109509965A - 基于耦合式环形天线的5g宽频mimo天线系统及移动终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统及移动终端，天线系统包括至少四个的天线单元，所述天线单元包括支架、第一耦合分支、第二耦合分支、馈电分支和接地分支，所述第一耦合分支的一端与所述接地分支的一端在所述支架的厚度方向上或长度方向上重叠设置，所述第二耦合分支的一端与所述馈电分支的一端在所述支架的厚度方向上或长度方向上重叠设置。本发明使得传统的环形天线变成具有三处耦合区域的耦合式环形天线。该耦合式环形天线系统的天线效率高，隔离度好，且结构简单，易于加工制作，垂直放置高度低，有利于移动终端朝轻薄化方向发展。

Description

基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统及移动终端

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统及移动终端。

背景技术

第五代移动通信技术(5G)将在2020年大规模商用，在未来几年中，新的移动终端天线和基站天线将有很广阔的应用市场。5G分为6GHz以下(Sub-6GHz)的低频和24GHz以上的高频(这个高频通常也被称为5G的毫米波)。与目前的4G相比，5G具有很多方面的优越性，比如高的传输速率，低的延迟时间和高的可靠性等。

为了达到5G所需要的高传输速率，在5G的Sub-6GHz的应用中将采用多进多出(MIMO)的技术。MIMO天线作为MIMO无线通信系统的重要器件，有着举足轻重的地位。MIMO技术实质上是为系统提供时间分集增益和空间复用增益，获取高空间分集增益可以有效提高信道的可靠性，降低信道误码率，最后达到提高数据速率的目的。根据目前各国的研究，5G技术相比4G技术来说，其峰值速率将有20倍以上的提升，所以4G系统中使用的2个或者4个天线的MIMO天线结构已经不能满足5G系统中对传输速率和连接可靠性的要求。在5G的Sub-6GHz系统中，具有更多天线个数的MIMO天线结构，比如8个天线的MIMO天线将被应用到手持设备。因为天线占据的空间和天线的个数成正比，所以如何将多个天线放置在手持设备的有限空间内是一个需要解决的问题。此外，在手持设备日渐趋于更薄，更窄的边框(全面屏)的大环境下，设计满足天线效率和天线相互之间隔离度的MIMO天线结构变得更加复杂。

在5G Sub-6GHz系统的用于中存在的另外一个挑战就是如何设计出宽频的天线系统使其能够覆盖所有5G Sub-6GHz频段。3GPP公布了5G Sub-6GHz的三个频段为：N77 3.3～4.2GHz，N78 3.3～3.8GHz以及N79 4.4～5.0GHz。各国可以根据具体情况在上述三个频段中选取各自要使用的具体频段，比如2017年11月9日，我国国家工信部就公布下述三个频段：3.3GHz～3.4GHz，3.4～3.6GHz和4.8GHz～5GHz频段为我国5G系统的工作频段。到目前为止，虽然存在很多含有不同天线个数的MIMO的天线设计，但是大多数都是只能覆盖一个或两个5G频段。因此，设计出一种天线性能良好且能够覆盖5G系统中的Sub-6GHz所有频段(也即从3.3～5GHz)的含有多个天线个数的(如8个)MIMO天线系统显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统及移动终端，可以覆盖6GHz以下的所有5G频段，且天线性能好。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统，包括至少四个的天线单元，所述天线单元包括支架、第一耦合分支、第二耦合分支、馈电分支和接地分支，所述第一耦合分支、第二耦合分支、馈电分支和接地分支分别固定设置于所述支架上，所述第一耦合分支的一端与所述接地分支的一端在所述支架的厚度方向上或长度方向上重叠设置，所述第二耦合分支的一端与所述馈电分支的一端在所述支架的厚度方向上或长度方向上重叠设置。

进一步的，所述第一耦合分支远离接地分支的一端与所述第二耦合分支远离馈电分支的一端在所述支架的厚度方向上或高度方向上重叠设置。

这里，当耦合分支分布在支架两个不同的面上时产生的重叠称为厚度方向上的重叠设置；当耦合分支分布在支架一个相同的面上时产生的重叠称为长度或高度方向上的重叠设置。也就是说，重叠设置可以由耦合分支分布在支架的两个不同的面上产生，也可以由耦合分支分布在支架的同一个面上产生。

进一步的，所述第一耦合分支和馈电分支分别设置于所述支架的一侧面上，所述第二耦合分支和接地分支分别设置于所述支架的另一侧面上；所述第一耦合分支的一端与所述第二耦合分支的一端、所述第一耦合分支的另一端与所述接地分支的一端以及所述第二耦合分支的另一端与所述馈电分支的一端均在所述支架的厚度方向上重叠设置。

进一步的，所述第一耦合分支和第二耦合分支的形状均为L形，所述接地分支的形状与所述馈电分支的形状相同。

进一步的，所述接地分支远离第一耦合分支的一端设有接地点，所述馈电分支远离第二耦合分支的一端设有馈电点。

进一步的，所述天线单元还包括微带线，所述微带线与所述馈电点电气连接。

进一步的，所述第一耦合分支与所述接地分支重叠部分的长度值和所述第二耦合分支与所述馈电分支重叠部分的长度值相等。

进一步的，所述支架的材质电介质材料。

进一步的，所述天线单元的数目为八个。

进一步的，所述天线单元的工作频率范围是3.3～5GHz。

本发明涉及的另一技术方案为：

一种移动终端，包括所述的基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统。

本发明的有益效果在于：第一耦合分支的一端与接地分支的一端以及第二耦合分支的一端与馈电分支的一端并未直接相连，而是通过部分重叠的方式使得天线单元形成三个耦合区域，可以覆盖6GHz以下的5G所有频段，且天线效率高，隔离度好，适用于手机等移动终端。本发明的天线系统，其结构简单，易于加工制作，垂直放置高度低，有利于移动终端朝轻薄化方向发展。

附图说明

图1为本发明实施例一的含有8个天线单元的5G宽频MIMO天线系统的移动终端的结构示意图；

图2为本发明实施例一的含有MIMO天线系统的移动终端的侧视图；

图3为本发明实施例一的天线单元的结构示意图；

图4为本发明实施例一的含有8个天线单元的MIMO天线系统的S-参数图；

图5为本发明实施例一的含有8个天线单元的MIMO天线系统的天线总效率图；

图6为本发明实施例一的天线单元的简化示意图；

图7为只有上边水平部耦合的环形天线单元的简化示意图；

图8为只有两边垂直部耦合的环形天线单元的简化示意图；

图9为传统的环形天线单元的简化示意图；

图10为图6～图9中的天线单元的S-参数图。

标号说明：

1、PCB板；2、天线单元；21、支架；22、第一耦合分支；221、水平部；222、垂直部；23、第二耦合分支；24、馈电分支；241、馈电点；25、接地分支；251、接地点；26、微带线；3、第一位置；4、第二位置；5、第三位置；

6、第四位置。

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：将传统的环形天线在其两侧和上部进行隔断并使得环形天线形成两个或三个耦合区域，可以覆盖6GHz以下的5G所有频段。特别，在其具有两侧的两个耦合区域后在其上部附加一个耦合区域的目的是为了更好地提升天线的性能。

请参照图2及图3，一种基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统，包括至少四个的天线单元2，所述天线单元2包括支架21、第一耦合分支22、第二耦合分支23、馈电分支24和接地分支25，所述第一耦合分支22、第二耦合分支23、馈电分支24和接地分支25分别固定设置于所述支架21上，所述第一耦合分支22的一端与所述接地分支25的一端在所述支架21的厚度方向上或长度方向上重叠设置，所述第二耦合分支23的一端与所述馈电分支24的一端在所述支架21的厚度方向上或长度方向上重叠设置。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：第一耦合分支的一端与接地分支的一端以及第二耦合分支的一端与馈电分支的一端并未直接相连，而是通过部分重叠的方式使环形天线形成三个耦合区域，可以覆盖6GHz以下的5G所有频段，且天线效率高，隔离度好，适用于手机等移动终端。本发明的天线系统，其结构简单，易于加工制作，垂直放置高度低，有利于移动终端朝轻薄化方向发展。本发明中，天线分支在厚度方向上重叠设置表示天线分支设置在支架不同的面上，天线分支在长度方向上重叠设置表示天线分支设置在支架的同一个面上。

进一步的，所述第一耦合分支22远离接地分支25的一端与所述第二耦合分支23远离馈电分支24的一端在所述支架21的厚度方向上或高度方向上重叠设置。

由上述描述可知，第一耦合分支和第二耦合分支的一端重叠设置可以进一步提高天线性能，当第一耦合分支和第二耦合分支在厚度方向上重写设置时表示两个天线分支设置在支架不同的面上，当第一耦合分支和第二耦合分支在高度方向上重叠设置时表示两个天线分支设置在支架的同一个面上。

进一步的，所述第一耦合分支22和馈电分支24分别设置于所述支架21的一侧面上，所述第二耦合分支23和接地分支25分别设置于所述支架21的另一侧面上；所述第一耦合分支22的一端与所述第二耦合分支23的一端、所述第一耦合分支22的另一端与所述接地分支25的一端以及所述第二耦合分支23的另一端与所述馈电分支24的一端均在所述支架21的厚度方向上重叠设置。

由上述描述可知，第一耦合分支与第二耦合分支、接地分支与馈电分支可以设置在不同的平面上。

进一步的，所述第一耦合分支22和第二耦合分支23的形状均为L形，所述接地分支25的形状与所述馈电分支24的形状相同。

由上述描述可知，第一耦合分支和第二耦合分支的形状、大小可以设计为完全相同，第一耦合分支和第二耦合分支的形状不限于L形，还可以是弧形等形状。

进一步的，所述接地分支25的形状与所述馈电分支24的形状相同。

进一步的，所述接地分支25远离第一耦合分支22的一端设有接地点251，所述馈电分支24远离第二耦合分支23的一端设有馈电点241。

进一步的，所述天线单元2还包括微带线26，所述微带线26与所述馈电点241电气连接。

进一步的，所述第一耦合分支22与所述接地分支25重叠部分的长度值和所述第二耦合分支23与所述馈电分支24重叠部分的长度值相等。

进一步的，所述支架21的材质为电介质材料。

由上述描述可知，支架可以为LDS支架、ABS塑料或者PCB板等。

进一步的，所述天线单元2的数目为八个。

进一步的，所述天线单元2的工作频率范围是3.3～5GHz。

由上述描述可知，天线系统可以覆盖6GHz以下的5G所有频段。

请参照图1，本发明涉及的另一技术方案为：

一种移动终端，包括所述的基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统。

请参照图1至图10，本发明的实施例一为：

一种移动终端，如图1所示，包括基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统和PCB板1，所述MIMO天线系统包括至少四个的天线单元2，本实施例中，所述天线单元2的数目为八个，所述移动终端的形状为矩形，八个天线单元2设置在移动终端的两个长边上，每一个长边上设有四个天线单元2，每一个长边上的天线单元2相对于短边对称设置。如图2所示，优选地，第一位置3和第二位置4的天线单元2的设置方向相同，第三位置5和第四位置6的天线单元2的设置方向相同，第二位置4与第三位置5的天线单元2的设置方向相反，且第二位置4的天线单元2与第三位置5的天线单元2相对于长边的中点对称设置，第一位置3的天线单元2与第四位置6的天线单元2也相对于长边的中点对称设置。上述天线单元2的放置方法只是一种优选的放置方案，使用该方案时可以使得天线单元2之间的隔离度达到优化或最佳，也可以根据需要改变天线单元2的放置方式。本实施例中，所述天线单元2相对于所述PCB板1垂直设置，当然也可以设置成其他的角度。

如图3所示，所述天线单元2包括支架21、第一耦合分支22、第二耦合分支23、馈电分支24和接地分支25，所述第一耦合分支22、第二耦合分支23、馈电分支24和接地分支25分别固定设置于所述支架21上。本实施例中，所述第一耦合分支22的一端与所述接地分支25的一端在所述支架21的厚度方向上或长度方向上重叠设置，所述第二耦合分支23的一端与所述馈电分支24的一端在所述支架21的厚度方向上或长度方向上重叠设置。优选的，所述第一耦合分支22远离接地分支25的一端与所述第二耦合分支23远离馈电分支24的一端在所述支架21的厚度方向上或高度方向上重叠设置。进一步优选所述第一耦合分支22和馈电分支24分别设置于所述支架21的一侧面上，所述第二耦合分支23和接地分支25分别设置于所述支架21的另一侧面上；所述第一耦合分支22的一端与所述第二耦合分支23的一端、所述第一耦合分支22的另一端与所述接地分支25的一端以及所述第二耦合分支23的另一端与所述馈电分支24的一端均在所述支架21的厚度方向上重叠设置，所述支架21的材质为塑料或其它电介质材料。本实施例中，所述第一耦合分支22和第二耦合分支23的形状均为L形，且第一耦合分支22和第二耦合分支23的长度也相同，当然第一耦合分支22和第二耦合分支23也可以是其他的形状，如弧形等。当第一耦合分支22和第二耦合分支23均为L形时，所述第一耦合分支22和第二耦合分支23均包括水平部221和垂直部222，二者重叠部分的长度值小于所述水平部221的长度值。所述接地分支25的形状与所述馈电分支24的形状相同，优选的，所述第一耦合分支22与所述接地分支25重叠部分的长度值和所述第二耦合分支23与所述馈电分支24重叠部分的长度值相等，且重叠部分的长度值小于所述垂直部222的长度。本实施例中，两个垂直部222分别位于水平部221的左右两侧，三个重叠部分的长度是用于调节天线单元2的S11阻抗匹配的，可以根据具体的需要进行设置。所述接地分支25远离第一耦合分支22的一端设有接地点251，所述馈电分支24远离第二耦合分支23的一端设有馈电点241，所述天线单元2还包括微带线26，所述微带线26与所述馈电点241电气连接，微带线26固定设置于所述PCB板1上。

本实施例中，对含有8个天线单元的MIMO天线系统进行了性能测试，其中PCB板的尺寸为150mm×75mm×0.8mm，水平部的长度为21.5mm，第一耦合分支与第二耦合分支重叠部分的长度值为10mm，第一耦合分支与接地分支以及第二耦合分支与馈电分支重叠部分的长度值均为1.5mm，天线单元的高度为6mm。

图4为含有8个天线单元的MIMO天线系统的S-参数图，由于天线系统具有对称性，因此，只给出第一位置的天线单元与第二位置的天线单元的回波损耗曲线，以及只给出第一位置的天线单元与第二位置的天线单元、第二位置的天线单元与第三位置的天线单元之间的隔离度。从图4中的S11和S22曲线中我们可以看出在3.3～5GHz的频率范围内，该天线的S参数满足小于-6dB的要求；同时从S21和S32的曲线中可以看出，天线之间的最差隔离度均优于14.6dB。

图5为含有8个天线单元的MIMO天线系统中第一位置的天线单元(天线1)与第二位置的天线单元(天线2)的总效率，从图中可以看出，在整个3.3～5GHz的范围内，天线1和天线2的总效率均优于45％。

从图4和图5我们可以看出本发明的含有8个天线单元的MIMO天线系统完全满足工作在3.3～5GHz的5G MIMO天线的带宽和隔离度的技术指标要求。

为了更好地说明本发明的天线系统的工作原理，我们以第一位置的天线单元(天线1)为例对如下四种天线类型进行比较：(1)本发明的耦合式环形天线(如图6所示)；(2)只有水平部耦合的环形天线(如图7所示)；(3)只有垂直部耦合的环形天线(如图8所示)；(4)传统的环形天线(如图9所示)。值得注意的是，图6-图9只是天线单元的简化示意图，特别的，图6代表的就是图3的简化形式。

图10为上述四种不同天线系统的S-参数图，从图中可知，与传统的环形天线相比，当天线垂直部耦合时，图8中的环形天线在原有的第一谐振和第二谐振之间，也就是在4GHz左右产生一个新的谐振，也即在环形天线进行垂直部耦合时，在5GHz以下会有三个谐振，且每一个谐振的回波损耗均在-6dB以下，可以满足手机天线的使用需求。由于图8中的环形天线在原有的第一谐振和第二谐振之间增加了一个第三谐振(4GHz处)，使得天线频带明显变宽，实现宽频性能。为了进一步改善天线的性能，使环形天线的水平部也进行耦合，即图6中的情况。从图10的结果可以看出，当一个水平部与两个垂直部同时进行耦合时，三个谐振的回波损耗均大大降低，天线的性能大大提高。

本发明在基于传统环形天线的结构中首次产生了在传统环形天线的第一个谐振和第二个谐振之间的一个新的谐振。正是由于这个额外谐振的产生，使得本发明的耦合式环形天线具有宽频和覆盖5G Sub-6GHz所有频段的可能。

本发明的天线设计原理也可以扩展到其它的工作频段以及具有其它不同数目的天线单元的宽频MIMO天线系统中。同时，任何对本发明方案描述的天线相关的变形都将在本案的保护范围之内，例如天线的耦合分支均在同一个水平面内，而不限于本实施例的第一耦合分支和第二耦合分支在不同的平面内的情况，只要是对传统的环形天线进行改进使其具有三个分布在不同位置的耦合区域都属于本案的保护范围之内。

综上所述，本发明提供的一种基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统及移动终端，天线系统的天线效率高，隔离度好，且结构简单，易于加工制作，垂直放置高度低，有利于移动终端朝轻薄化方向发展。

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)

1.一种基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统，包括至少四个的天线单元，其特征在于，所述天线单元包括支架、第一耦合分支、第二耦合分支、馈电分支和接地分支，所述第一耦合分支、第二耦合分支、馈电分支和接地分支分别固定设置于所述支架上，所述第一耦合分支的一端与所述接地分支的一端在所述支架的厚度方向上或长度方向上重叠设置，所述第二耦合分支的一端与所述馈电分支的一端在所述支架的厚度方向上或长度方向上重叠设置。

2.根据权利要求1所述的基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统，其特征在于，所述第一耦合分支远离接地分支的一端与所述第二耦合分支远离馈电分支的一端在所述支架的厚度方向上或高度方向上重叠设置。

3.根据权利要求2所述的基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统，其特征在于，所述第一耦合分支和馈电分支分别设置于所述支架的一侧面上，所述第二耦合分支和接地分支分别设置于所述支架的另一侧面上；所述第一耦合分支的一端与所述第二耦合分支的一端、所述第一耦合分支的另一端与所述接地分支的一端以及所述第二耦合分支的另一端与所述馈电分支的一端均在所述支架的厚度方向上重叠设置。

4.根据权利要求1所述的基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统，其特征在于，所述第一耦合分支和第二耦合分支的形状均为L形，所述接地分支的形状与所述馈电分支的形状相同。

5.根据权利要求1所述的基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统，其特征在于，所述接地分支远离第一耦合分支的一端设有接地点，所述馈电分支远离第二耦合分支的一端设有馈电点。

6.根据权利要求4所述的基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统，其特征在于，所述天线单元还包括微带线，所述微带线与所述馈电点电气连接。

7.根据权利要求1所述的基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统，其特征在于，所述第一耦合分支与所述接地分支重叠部分的长度值和所述第二耦合分支与所述馈电分支重叠部分的长度值相等。

8.根据权利要求1所述的基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统，其特征在于，所述支架的材质为电介质材料。

9.根据权利要求1所述的基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统，其特征在于，所述天线单元的工作频率范围是3.3～5GHz。

10.一种移动终端，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的基于耦合式环形天线的5G宽频MIMO天线系统。