CN109698400A - 一种集成在手机金属侧边框的宽频5g天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线技术领域，具体公开了一种集成在手机金属侧边框的宽频5G天线，包括金属外壳、手机主板和至少一个天线单元，所述金属外壳包括金属背盖和金属侧边框，所述天线单元包括集成在金属侧边框上的反射腔、印刷在手机主板上的对称振子以及和对称振子集成在一起的巴伦，所述反射腔为金属侧边框的外侧面向内凹陷形成的腔体，本发明提供的集成在手机金属侧边框的宽频5G天线可以在金属壳手机上与现有的2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT天线良好兼容，不仅阻抗带宽达到了宽频天线的水平，同时也具有较高的增益和较宽的波束扫描范围，符合5G毫米波通信的要求。

Description

一种集成在手机金属侧边框的宽频5G天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及了一种集成在手机金属侧边框的宽频5G天线。
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
针对上述技术问题，本发明提供了一种实现5G天线与现有的2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT等天线兼容的、集成在手机金属侧边框的宽频5G天线。
为了解决上述技术问题，本发明提供的具体方案如下：一种集成在手机金属侧边框的宽频5G天线，包括金属外壳、手机主板和至少一个天线单元，所述金属外壳包括金属背盖和金属侧边框，所述天线单元包括集成在金属侧边框上的反射腔、印刷在手机主板上的对称振子以及和对称振子集成在一起的巴伦，所述反射腔为金属侧边框的外侧面向内凹陷形成的腔体。
本发明的5G天线位于手机金属侧边框上，可以与2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT天线兼容，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。
优选的，所述反射腔的开口对立面设有开孔，所述开孔为凸字形，可视为两个矩形叠加在一起组合而成的形状。
优选的，所述反射腔包括上壁和下壁，所述手机主板安装在上壁和下壁之间。
优选的，所述手机主板上设有将反射腔上壁和下壁连接起来的金属过化孔，从而减少了天线的背向辐射。
优选的，所述反射腔的长度为1/2λ-λ，宽度为1/10λ-1/2λ，高度为1/3λ-2/3λ，其中λ为30GHz所对应的真空波长，该反射腔可以使5G天线产生较佳的定向辐射。
优选的，所述反射腔内填充有低损耗的材料，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。
优选的，所述对称振子的长度为14/100λ-20/100λ，宽度为4/100λ-12/100λ，能够方便地改变天线的工作频带和阻抗带宽。
优选的，所述巴伦包括槽线和馈线，所述馈线设置在槽线的上端。
优选的，所述槽线的长度为8/100λ-16/100λ，宽度为3/100λ-12/100λ；所述馈线为L形，包括信号输入端、中端和末端，所述信号输入端的宽度为7/100λ-9/100λ，所述中端的宽度为2/100λ-6/100λ，所述末端的宽度为2/100λ-4/100λ，该参数范围内的槽线和馈线使得反射腔和天线单元的尺寸大大缩小，从而减少占用手机空间。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的集成在手机金属侧边框的宽频5G天线可以在金属壳手机上与现有的2G/3G/4G/GPS/WiFi/BT天线良好兼容，不仅阻抗带宽达到了宽频天线的水平，同时也具有较高的增益和较宽的波束扫描范围，符合5G毫米波通信的要求。
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为本发明宽频天线一实施例手机主板的正面示意图；
图3为本发明宽频天线一实施例手机主板的反面示意图；
图4为本发明宽频天线一实施例的侧面示意图；
图5为本发明一实施例手机主板放置在反射腔里的示意图；
图6为图5去掉手机主板后的反射腔结构示意图；
图7为本发明宽频天线另一实施例手机主板的正面示意图；
图8为本发明宽频天线另一实施例手机主板的反面示意图；
图9为本发明另一实施例手机主板放置在反射腔里的示意图；
图10为图9去掉手机主板后的反射腔结构示意图；
图11为各个天线放置的位置示意图；
图12为本发明宽频天线一实施例的1个天线单元在26GHz-32GHz的反射系数曲线图；
图13为本发明宽频天线一实施例的1个天线单元在36GHz-41GHz的反射系数曲线图；
图14为28GHz时，本发明宽频天线一实施例的天线单元间相位差为0度的波束扫描图；
图15为28GHz时，本发明宽频天线一实施例的天线单元间相位差为45度的波束扫描图；
图16为28GHz时，本发明宽频天线一实施例的为天线单元间相位差为90度的波束扫描图；
图17为28GHz时，本发明宽频天线一实施例的天线单元间相位差为135度的波束扫描图；
图18为28GHz时，本发明宽频天线一实施例的天线单元间相位差为170度的波束扫描图；
图19为39GHz时，本发明宽频天线一实施例的天线单元间相位差为0度的波束扫描图；
图20为39GHz时，本发明宽频天线一实施例的天线单元间相位差为45度的波束扫描图；
图21为39GHz时，本发明宽频天线一实施例的天线单元间相位差为90度的波束扫描图；
图22为39GHz时，本发明宽频天线一实施例的天线单元间相位差为135度的波束扫描图；
图23为39GHz时，本发明宽频天线一实施例的天线单元间相位差为170度的波束扫描图；
图24为本发明另一实施例的整体结构示意图；
图25为图24的局部结构放大图；
其中，1为金属背盖；2为手机主板；3为巴伦；4为金属过化孔；5为对称振子；6为反射腔；7为金属侧边框；8为反射腔上的开口；9为反射腔的上半部分；10为螺丝。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的阐述。
实施例一：参照图1~4，一种集成在手机金属侧边框的宽频5G天线，包括金属外壳、手机主板和天线单元，金属外壳包括金属背盖和金属侧边框，天线单元包括集成在金属侧边框上的反射腔、印刷在手机主板上的对称振子以及和对称振子集成在一起的巴伦，反射腔为金属侧边框的外侧面向内凹陷形成的腔体，本实施例将印刷有对称振子和巴伦的手机主板安装在反射腔内，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反射腔中的填充材料以及填充方式。
实施例二，参照图1~6，本实施例类似于实施例一，进一步的，反射腔的开口对立面设有开孔，开孔为凸字形，可视为两个矩形叠加在一起组合而成的形状，其中下面的矩形的长度与反射腔的长度相等，为1/2λ-λ（其中λ为30GHz所对应的真空波长），高度与手机主板的厚度相同，上面矩形的长度为6/100λ-45/100λ，高度为1/100λ-10/100λ，此开孔是为了让手机主板可以插入反射腔内，同时使巴伦上的馈线不与反射腔短路。反射腔包括上壁和下壁，手机主板安装在上壁和下壁之间，手机主板上设有将反射腔上壁和下壁连接起来的金属过化孔，从而减少了天线的背向辐射。
本实施例天线的实施步骤可为：通过CNC(Computer numerical control，数控机床)在金属侧边框开槽形成反射腔，同时在反射腔开口对立面钻孔，孔的形状类似“凸”字，然后在反射腔内注塑低损耗的材料，接着在注塑材料的中间位置开一个长方形的孔，使得印刷有对称振子和巴伦的手机主板可以塞到反射腔内，手机主板上的金属化过孔可以将反射腔内壁开孔处的上下两壁连接起来，从而减小了天线的背向辐射。本实施例可根据应用需求选择反射腔中的填充材料以及填充方式。
实施例三：参照图1~4、24、25，本实施例类似于实施例一，在该实施例中，宽频5G天线的反射腔包括设置在手机金属侧边框的下半部分和集成在金属侧边框的上半部分，反射腔由金属侧边框上的下半部分和单独的上半部分组合而成。
本实施例天线的实施步骤可为：通过CNC(Computer numerical control，数控机床)在金属侧边框开槽形成反射腔的下半部分，同时也通过CNC形成反射腔的上半部分，在反射腔的上半部分的开口对立面钻孔，孔的形状为矩形，然后在反射腔的上半部分的腔体内和反射腔的下半部分的腔体内注塑低损耗的材料。接着将手机主板放置在手机内，使得印刷有对称振子和巴伦的部分的手机主板刚好放置在反射腔的下半部分内，然后在主板上放置反射腔的上半部分，通过螺丝将反射腔的上半部分与下半部分锁紧，形成完整的反射腔，使得印刷有对称振子和巴伦的部分的手机主板刚好被反射腔完整地包围住。手机主板上的金属化过孔可以将反射腔内壁开孔处的上下两壁连接起来，从而减小了天线的背向辐射。本实施例可根据应用需求选择反射腔中的填充材料以及填充方式。
实施例四：参照图1~6，本实施例的5G天线类似于实施例1或2或3，进一步的，反射腔的长度为1/2λ-λ，宽度为1/10λ-1/2λ，高度为1/3λ-2/3λ，其中λ为30GHz所对应的真空波长，反射腔的开口面的对立面上有开孔，其形状类似于“凸”字，可视为两个矩形叠加在一起组合而成的形状，其中下面的矩形的长度与反射腔的长度相等，为1/2λ-λ，高度为h（h为手机主板的厚度），上面矩形的长度为4/100λ-30/100λ，高度为1/100λ-20/100λ，此开孔是为了让手机主板印刷有对称振子和巴伦的部分可以插入反射腔内，同时使馈电微带线不与反射腔短路，对称振子印刷在手机主板的一侧，通过巴伦进行馈电，所述对称振子的长度为14/100λ-18/100λ，宽度为4/100λ-8/100λ，所述巴伦的槽线的长度为8/100λ-12/100λ，宽度为3/100λ-7/100λ，所述巴伦的馈线为“L”形，所述馈线分为三段，包括信号输入端、中端和末端，这三段馈线的宽度分别为7/100λ-9/100λ、2/100λ-3/100λ和2/100λ-3/100λ。
实施时，将反射腔的大小以及对称振子和巴伦的大小根据天线的工作波长设置，可以使得天线具有双频特性，其阻抗带宽分别为27.7GHz-31.9GHz和36GHz-41GHz，同时手机移动终端的正面辐射非常小。
实施例五：参照图7~10，本实施例的5G天线类似于实施例1，进一步的，反射腔的长度为1/2λ-λ，宽度为1/10λ-1/2λ，高度为1/3λ-2/3λ，其中λ为30GHz所对应的波长，所述反射腔的开口面的对立面上有开孔，其形状类似于“凸”字，可视为两个矩形叠加在一起组合而成的形状，其中下面的矩形的长度与反射腔的长度相等，为1/2λ-λ，高度为h（h为手机主板的厚度），上面矩形的长度为35/100λ-45/100λ，高度为1/100λ-20/100λ，此开孔是为了让手机主板印刷有对称振子和巴伦部分可以插入反射腔内，同时使馈电微带线不与反射腔短路。对称振子印刷在主板的一侧，通过巴伦进行馈电，所述对称振子的长度为16/100λ-20/100λ，宽度为8/100λ-12/100λ，所述巴伦的槽线的长度为12/100λ-16/100λ，宽度为8/100λ-12/100λ，所述巴伦的馈线为“L”形，所述馈线分为三段，从馈线末端开始到信号输入端，这三段馈线的宽度分别为7/100λ-9/100λ、4/100λ-6/100λ和2/100λ-4/100λ。
实施时，将反射腔的大小以及对称振子和巴伦的大小根据天线的工作波长设置，使得天线的阻抗带宽为单频，即24GHz-28GHz。
实施例六：本实施例的5G天线类似于实施例1~5，进一步的，参照图11，A区域为LTE分集天线、GPS、WIFI、BT天线摆放的位置， B区域为LTE主天线的摆放位置，C区域为5G 天线摆放的位置。
实施例七：本实施例类似于实施例一，进一步的，金属侧边框上设有8个天线单元，参照图12和图13所示，为一个天线单元在分别在26GHz-32GHz、36GHz-41GHz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14-23为8个天线单元阵列，分别在28GHz、39GHz时，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14，在28GHz时，当天线单元间的相位差为0度时，辐射方向偏0度；参照图15，在28GHz时，当天线单元间的相位差为45度时，辐射方向偏10度；参照图16，在28GHz时，当天线单元间的相位差为90度时，辐射方向偏21度；参照图17，在28GHz时，当天线单元间的相位差为135度时，辐射方向偏33度；参照图18，在28GHz时，当天线单元间的相位差为170时，辐射方向偏44度。参照图19，在39GHz时，当天线单元间的相位差为0度时，辐射方向偏0度；参照图20，在39GHz时，当天线单元间的相位差为45度时，辐射方向偏9度；参照图21，在39GHz时，当天线单元间的相位差为90度时，辐射方向偏14度；参照图22，在39GHz时，当天线单元间的相位差为135度时，辐射方向偏22度；参照图23，在39GHz时，当天线单元间的相位差为170时，辐射方向偏29度。因此，本实施例是集成在金属侧边框的8个天线单元阵列波束扫描图，其在28GHz时的扫描角度为-44度到44度，在39GHz时的扫描角度为-29度到29度。
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 (9)

1.一种集成在手机金属侧边框的宽频5G天线，包括金属外壳、手机主板和至少一个天线单元，所述金属外壳包括金属背盖和金属侧边框，其特征在于：所述天线单元包括集成在金属侧边框上的反射腔、印刷在手机主板上的对称振子以及和对称振子集成在一起的巴伦，所述反射腔为金属侧边框的外侧面向内凹陷形成的腔体。
2.根据权利要求1所述的集成在手机金属侧边框的宽频5G天线，其特征在于：所述反射腔的开口对立面设有开孔，所述开孔为凸字形。
3.根据权利要求2所述的集成在手机金属侧边框的宽频5G天线，其特征在于：所述反射腔包括上壁和下壁，所述手机主板安装在上壁和下壁之间。
4.根据权利要求3所述的集成在手机金属侧边框的宽频5G天线，其特征在于：所述手机主板上设有将反射腔上壁和下壁连接起来的金属过化孔。
5.根据权利要求1所述的集成在手机金属侧边框的宽频5G天线，其特征在于：所述反射腔的长度为1/2λ-λ，宽度为1/10λ-1/2λ，高度为1/3λ-2/3λ，所述λ为30GHz所对应的真空波长。
6.根据权利要求1所述的集成在手机金属侧边框的宽频5G天线，其特征在于：所述反射腔内填充有低损耗的材料。
7.根据权利要求1所述的集成在手机金属侧边框的宽频5G天线，其特征在于：所述对称振子的长度为14/100λ-20/100λ，宽度为4/100λ-12/100λ。
8.根据权利要求1所述的集成在手机金属侧边框的宽频5G天线，其特征在于：所述巴伦包括槽线和馈线，所述馈线设置在槽线的上端。
9.根据权利要求8所述的集成在手机金属侧边框的宽频5G天线，特征在于：所述槽线的长度为8/100λ-16/100λ，宽度为3/100λ-12/100λ；所述馈线为L形，包括信号输入端、中端和末端，所述信号输入端的宽度为7/100λ-9/100λ，所述中端的宽度为2/100λ-6/100λ，所述末端的宽度为2/100λ-4/100λ。
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