CN109888477B - 应用于5g通信的双频双极化mimo天线系统及移动终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统及移动终端，天线系统包括天线组件，天线组件包括第一馈电结构、第二馈电结构、环形的第一辐射单元和环形的第二辐射单元，第二辐射单元位于所述第一辐射单元的内侧，所述第二辐射单元所在的平面相对于所述第一辐射单元所在的平面平行设置，第二辐射单元位于第一辐射单元的下方，且第二辐射单元的中心与所述第一辐射单元的中心在竖直方向上重合，所述第一馈电结构和第二馈电结构分别位于第二辐射单元的下方，且所述第一馈电结构所在的平面相对于所述第二馈电结构所在的平面垂直设置。天线组件的结构紧凑，且天线单元之间的隔离度好，可以很好地覆盖3.4～3.6GHz以及4.8～5GHz频段。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统及移动终端。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，第五代(5G)无线通信系统将在2020年商业化。5G无线通信系统将使用下面两个不同的主要频段：6GHz以下和6GHz以上的毫米波频段。由于6GHz以下具有可操作性强和技术成熟的优点，所以6GHz以下的5G天线系统将被优先使用。在第四代移动通信(4G)系统中，2×2的多输入多输出(MIMO)天线已经被广泛研究并使用在手持移动设备中。目前各国的研究结果表明，5G通信技术与目前的4G通信技术相比，其峰值速率将增长数十倍，所以，为了达到5G传输速率的要求，具有更多天线个数的MIMO天线系统，比如8×8的MIMO天线系统将被应用到手持设备，以实现更大的信道容量和更好的通信质量。此外，具有多天线单元的MIMO天线系统可以很好地解决多径衰落问题并提升数据吞吐量。
2017年11月9日，国家工信部公布了5G频段，规划了3.3～3.6GHz和4.8～5GHz频段作为5G系统的工作频段，其中，3.3～3.4GHz频段原则上限室内使用。
由于手持设备比如手机的空间有限，更多的天线将会使天线间的隔离度降低，影响天线的性能。降低天线之间的隔离度的问题已经被广泛地研究和讨论过，比如通过在两个相邻两个天线之间加入隔离条、在系统的PCB板上开缝隙、使用隔离网络以及在天线之间加入具有隔离效果的中和线等。无论使用上述哪种设计，都会增加天线的复杂程度和设计的难度，同时还会为后期的调试增加难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统及移动终端，天线单元间的隔离度好。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统，包括至少两个的天线组件，所述天线组件包括第一馈电结构、第二馈电结构、环形的第一辐射单元和环形的第二辐射单元，所述第二辐射单元位于所述第一辐射单元的内侧，所述第二辐射单元所在的平面相对于所述第一辐射单元所在的平面平行设置，所述第二辐射单元位于所述第一辐射单元的下方，且所述第二辐射单元的中心与所述第一辐射单元的中心在竖直方向上重合；所述第一馈电结构和第二馈电结构分别位于所述第二辐射单元的下方，且所述第一馈电结构所在的平面相对于所述第二馈电结构所在的平面垂直设置。
进一步的，所述第一辐射单元和第二辐射单元之间在水平方向上设有间隙，所述第一馈电结构和第二馈电结构均位于所述间隙的下方。
进一步的，所述第一馈电结构和第二馈电结构的形状均为T形。
进一步的，所述第一馈电结构和第二馈电结构的形状均为Y形。
进一步的，所述第一馈电结构所在的平面和第二馈电结构所在的平面分别相对于所述第一辐射单元所在的平面垂直设置。
进一步的，所述第一辐射单元和第二辐射单元的形状均为正多边形，所述正多边形的边数为4n，n为大于或等于1的整数。
进一步的，所述第一辐射单元和第二辐射单元的形状均为圆环形。
进一步的，所述天线组件的工作频率范围为3.4～3.6GHz和4.8～5GHz。
本发明采用的另一技术方案为：
一种移动终端，包括所述的应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统。
进一步的，还包括PCB板，所述第一辐射单元所在的平面相对于所述PCB板平行设置。
本发明的有益效果在于：第一馈电结构、第一辐射单元和第二辐射单元共同构成一个天线单元，第二馈电结构、第一辐射单元和第二辐射单元共同构成另一个天线单元，两个天线单元共用两个辐射单元，使得天线组件的结构紧凑；两个馈电结构所在的平面相互垂直设置，可以使两个天线单元之间形成正交极化，天线单元之间的隔离度好，可以很好地覆盖3.4～3.6GHz以及4.8～5GHz频段。本发明的天线系统适用于手机等移动终端，其结构简单，制作方便，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例一的移动终端的结构示意图；
图2为本发明实施例一的天线组件的整体结构示意图；
图3为本发明实施例一的天线组件的俯视图；
图4为本发明实施例一的天线组件的侧视图；
图5为图1中的双频双极化MIMO天线系统的S参数图；
图6为图1中的双频双极化MIMO天线系统工作在3.4～3.6GHz时的天线效率图；
图7为图1中的双频双极化MIMO天线系统工作在4.8～5GHz时的天线效率图；
图8为本发明实施例一的天线组件工作在3.5GHz时的电流分布图(通过第一馈电结构进行馈电)；
图9为本发明实施例一的天线组件工作在3.5GHz时的电流分布图(通过第二馈电结构进行馈电)；
图10为本发明实施例一的天线组件工作在4.9GHz时的电流分布图(通过第一馈电结构进行馈电)；
图11为本发明实施例一的天线组件工作在4.9GHz时的电流分布图(通过第二馈电结构进行馈电)；
图12为本发明实施例一的天线组件工作在3.5GHz时的3D辐射图(通过第一馈电结构进行馈电)；
图13为本发明实施例一的天线组件工作在3.5GHz时的3D辐射图(通过第二馈电结构进行馈电)；
图14为本发明实施例一的天线组件工作在4.9GHz时的3D辐射图(通过第一馈电结构进行馈电)；
图15为本发明实施例一的天线组件工作在4.9GHz时的3D辐射图(通过第二馈电结构进行馈电)。
标号说明：
1、PCB板；2、天线组件；21、第一馈电结构；22、第一辐射单元；23、第二馈电结构；24、第二辐射单元；25、第一间隙；26、第二间隙。
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：第一馈电结构所在的平面相对于所述第二馈电结构所在的平面垂直设置，使两个天线单元之间可以形成正交极化，隔离度好。
请参照图1至图4，一种应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统，包括至少两个的天线组件2，所述天线组件2包括第一馈电结构21、第二馈电结构23、环形的第一辐射单元22和环形的第二辐射单元24，所述第二辐射单元24位于所述第一辐射单元22的内侧，所述第二辐射单元24所在的平面相对于所述第一辐射单元22所在的平面平行设置，所述第二辐射单元24位于所述第一辐射单元22的下方，且所述第二辐射单元24的中心与所述第一辐射单元22的中心在竖直方向上重合；所述第一馈电结构21和第二馈电结构23分别位于所述第二辐射单元24的下方，且所述第一馈电结构21所在的平面相对于所述第二馈电结构23所在的平面垂直设置。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：第一馈电结构、第一辐射单元和第二辐射单元共同构成一个天线单元，第二馈电结构、第一辐射单元和第二辐射单元共同构成另一个天线单元，两个天线单元共用两个辐射单元，使得天线组件的结构紧凑；两个馈电结构所在的平面相互垂直设置，可以使两个天线单元之间形成正交极化，天线单元之间的隔离度好，可以很好地覆盖3.4～3.6GHz以及4.8～5GHz频段。本发明的天线系统适用于手机等移动终端，其结构简单，制作方便，成本低。
由上述描述可知，第一馈电结构所在的平面垂直于第二馈电结构所在的平面，两个辐射单元之间可形成正交极化。
进一步的，所述第一辐射单元22和第二辐射单元24之间在水平方向上设有第一间隙25，所述第一馈电结构21和第二馈电结构23均位于所述第一间隙25的下方。
由上述描述可知，间隙的大小可以根据需要进行调整。
进一步的，所述第一馈电结构21和第二馈电结构23的形状均为T形。
进一步的，所述第一馈电结构21和第二馈电结构23的形状均为Y形。
由上述描述可知，第一馈电结构和第二馈电结构均为对称结构，可以提高天线性能。
进一步的，所述第一馈电结构21所在的平面和第二馈电结构23所在的平面分别相对于所述第一辐射单元22所在的平面垂直设置。
进一步的，所述第一辐射单元22和第二辐射单元24的形状均为正多边形，所述正多边形的边数为4n，n为大于或等于1的整数。
进一步的，所述第一辐射单元22和第二辐射单元24的形状均为圆环形。
由上述描述可知，第一辐射单元和第二辐射单元的形状可以根据需要进行设置。
进一步的，所述天线组件的工作频率范围为3.4～3.6GHz和4.8～5GHz。
请参照图1，本发明采用的另一技术方案为：
一种移动终端，包括所述的应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统。
进一步的，还包括PCB板1，所述第一辐射单元22所在的平面相对于所述PCB板1平行设置。
由上述描述可知，辐射单元相对于PCB板平行设置，可以减小天线组件占用空间，有利于移动终端朝轻薄化方向发展。
请参照图1至图15，本发明的实施例一为：
一种移动终端，如图1所示，包括PCB板1和应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统，所述双频双极化MIMO天线系统包括至少两个的天线组件2，PCB板1的形状为矩形，本实施例中，PCB板1的尺寸在150mm×75mm。优选的，天线组件2设置在PCB板1上且位于PCB板1的四个角落处。
如图2至图4所示，所述天线组件2包括第一馈电结构21、第二馈电结构23、环形的第一辐射单元22和环形的第二辐射单元24，所述第二辐射单元24位于所述第一辐射单元22的内侧，所述第二辐射单元24所在的平面相对于所述第一辐射单元22所在的平面平行设置，且所述第二辐射单元24的中心与所述第一辐射单元22的中心在竖直方向上重合，所述第二辐射单元24位于所述第一辐射单元22的下方，即，第一辐射单元22与第二辐射单元24在竖直方向上存在第二间隙26，第二间隙26的大小可以根据需要进行调整。本实施例中，第一辐射单元22和第二辐射单元24均为对称结构。所述第一辐射单元22和第二辐射单元24的形状可以均为正多边形，所述正多边形的边数为4n，n为大于或等于1的整数。所述第一辐射单元22和第二辐射单元24的形状还可以均为圆环形。
本实施例中，所述第一馈电结构21和第二馈电结构23分别位于所述第二辐射单元24的下方，且所述第一馈电结构21所在的平面相对于所述第二馈电结构23所在的平面垂直设置，第一馈电结构21和第二馈电结构23均为对称结构，所述第一馈电结构21和第二馈电结构23的形状可以均为T形，所述第一馈电结构21和第二馈电结构23的形状也可以均为Y形。所述第一辐射单元22和第二辐射单元24之间在水平方向上设有第一间隙25，优选所述第一馈电结构21和第二馈电结构23均位于所述第一间隙25的下方，第一间隙25的大小可以根据需要进行设置。所述第一馈电结构21所在的平面和第二馈电结构23所在的平面分别相对于所述第一辐射单元22所在的平面垂直设置。当天线组件2设置在PCB板1上时，第一辐射单元22和第二辐射单元24可以固定在移动终端的后壳上，且为了减小天线组件2的占用空间，所述第一辐射单元22所在的平面相对于所述PCB板1平行设置。若第一辐射单元22和第二辐射单元24的形状为正方形时，两个辐射单元的边也相对于PCB板的边平行设置，可以进一步减小天线组件2的占用空间。
本实施例中，当第一辐射单元22和第二辐射单元24的形状为正多边形时，通过调节第一辐射单元22及第二辐射单元24的边长，辐射单元的宽度，第一辐射单元22和第二辐射单元24在竖直方向上的距离(即第二间隙26的大小)，以及馈电结构的分支的长度，可以得到覆盖3.4～3.6GHz及4.8～5GHz，且天线单元间隔离度良好的MIMO系统。
第一馈电结构、第一辐射单元和第二辐射单元共同构成一个天线单元，称第一天线单元(下同)，第二馈电结构、第一辐射单元和第二辐射单元共同构成另一个天线单元，称第二天线单元(下同)。
图5为图1中的双频双极化MIMO天线系统的S参数图，从图中可以看出，天线系统可以覆盖3.4～3.6GHz和4.8～5GHz两个频段，且第一天线单元和第二天线单元间的隔离度在低频和高频均优于15.8dB，具有良好的隔离性能。由于天线组件是对称结构，所以只给出了必要的S参数。
图6和图7分别给出了在3.4～3.6GHz和4.8～5GHz时天线效率图，从图中可以看出，天线在低频(3.4～3.6GHz)和高频(4.8～5GHz)上总效率均高于40％。
为了进一步说明此MIMO天线系统的工作原理，图8和图9分别给出了天线工作在低频和高频的中心频点的电流分布图。
图8和图9为天线组件工作在3.5GHz的电流分布图，从图中可以看出，第一天线单元和第二天线单元在低频工作时，电流主要分布在第一辐射单元上。当通过第一馈电结构进行馈电时，电流分布在第一辐射单元的上部和下部，电流0点出现在第一馈电结构的水平分支的中轴线上。当通过第二馈电结构进行馈电时，电流分布在第二辐射单元的左部和右部，电流0点出现在第二馈电结构的水平分支的中轴线上。当通过第一馈电结构和第二馈电结构同时馈电时，在第一辐射单元上产生的电流方向垂直，形成了正交极化。
图10和图11为天线组件工作在4.9GHz的电流分布图，从图中可以看出，第一天线单元和第二天线单元在高频工作时，电流主要分布在第二辐射单元上。当通过第一馈电结构进行馈电时，电流分布在第二辐射单元的上部和下部，电流0点出现在第一馈电结构的水平分支的中轴线上。当通过第二馈电结构进行馈电时，电流分布在第二辐射单元的左部和右部，电流0点出现在第二馈电结构的水平分支的中轴线上。当通过第一馈电结构和第二馈电结构同时馈电时，在第二辐射单元上产生的电流方向垂直，形成了正交极化。
为了解释第一天线单元和第二天线单元在馈电点距离较近，天线组件共用辐射单元的情况下，依然具有很好的隔离度的原因，图12至图15给出了天线组件工作在低频和高频中心频率时的3D辐射图。从图中可以看出，第一天线单元和第二天线单元工作在低频和高频时，天线单元的主辐射方向相互垂直，所以，天线单元间能够具有很好的隔离度。
本实施例只对工作在所需的6GHz以下的工作频段的天线组件进行了分析和描述，但是本发明的天线设计原理也可以扩展到其它的5G工作频段以及其它的m×n(m和n为大于2的整数)MIMO天线系统中。同时，任何对本发明描述的天线组件相关的变形(如第一辐射单元和第二辐射单元从正方形变成圆形)都将在本发明的保护范围之内。
综上所述，本发明提供的一种应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统及移动终端，天线组件的结构紧凑，且天线单元之间的隔离度好，可以很好地覆盖3.4～3.6GHz以及4.8～5GHz频段；其结构简单，制作方便，成本低。
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 (9)
1.一种应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统，包括至少两个的天线组件，其特征在于，所述天线组件包括第一馈电结构、第二馈电结构、环形的第一辐射单元和环形的第二辐射单元，所述第二辐射单元位于所述第一辐射单元的内侧，所述第二辐射单元所在的平面相对于所述第一辐射单元所在的平面平行设置，所述第二辐射单元位于所述第一辐射单元的下方，且所述第二辐射单元的中心与所述第一辐射单元的中心在竖直方向上重合；所述第一馈电结构和第二馈电结构分别位于所述第二辐射单元的下方，且所述第一馈电结构所在的平面相对于所述第二馈电结构所在的平面垂直设置；所述第一辐射单元和第二辐射单元之间在水平方向上设有间隙；第一馈电结构和第二馈电结构均为对称结构，所述第一馈电结构所在的平面和第二馈电结构所在的平面分别相对于所述第一辐射单元所在的平面垂直设置。
2.根据权利要求1所述的应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统，其特征在于，所述第一馈电结构和第二馈电结构均位于所述间隙的下方。
3.根据权利要求1所述的应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统，其特征在于，所述第一馈电结构和第二馈电结构的形状均为T形。
4.根据权利要求1所述的应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统，其特征在于，所述第一馈电结构和第二馈电结构的形状均为Y形。
5.根据权利要求1所述的应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统，其特征在于，所述第一辐射单元和第二辐射单元的形状均为正多边形，所述正多边形的边数为4n，n为大于或等于1的整数。
6.根据权利要求1所述的应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统，其特征在于，所述第一辐射单元和第二辐射单元的形状均为圆环形。
7.根据权利要求1所述的应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统，其特征在于，所述天线组件的工作频率范围为3.4～3.6GHz和4.8～5GHz。
8.一种移动终端，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述的应用于5G通信的双频双极化MIMO天线系统。
9.根据权利要求8所述的移动终端，其特征在于，还包括PCB板，所述第一辐射单元所在的平面相对于所述PCB板平行设置。
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