CN110137664A - 一种双天线集成的宽带5g mimo终端天线 - Google Patents

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Abstract

一种双天线集成的宽带5G MIMO终端天线，包括：金属地板，其边缘对称地开有N个地板缝隙，N为1～4的整数；四面闭合连接的金属边框，其底边与金属地板的边缘相连接，金属边框上开有与地板缝隙一一对应的N个边框缝隙；N组集成双天线组件，分别分布于N个地板缝隙中，每组所述集成双天线组件中心对应一个边框缝隙。所述集成双天线组件包含有有第一和第二馈电枝节以及感性解耦组件。所述感性解耦组件为跨接在边框缝隙两端的集总电感或者弯折金属枝节。本发明兼具小尺寸、低净空、宽带、高效率、金属边框兼容、边框缝隙少和双天线集成等优势，适用于以手机为代表的各种小型移动终端天线。

Description

一种双天线集成的宽带5G MIMO终端天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种MIMO天线，特别涉及一种双天线集成的宽带5G MIMO终端天线。
背景技术
随着第五代(5G)移动通信技术的推进，5G天线成为了天线技术领域的研究热点之一。近期，国际3GPP组织规定5G的频段划分为：低频段的Sub-6GHz频段和高频段的毫米波频段。目前国内外较为统一的Sub-6GHz频段主要包括：n77(3.3～4.2GHz)、n78(3.3～3.8GHz)和n79(4.4～5GHz)频段。
为了提升移动通信系统的容量，5G终端设备着手在手机、平板等设备中部署8个左右Sub-6GHz频段的5G MIMO天线。出于结构强度和美观度的考虑，目前主流的终端设备都具有轻薄、全面屏和金属边框等工业设计。然而，这些工业设计属性造成的低剖面、低净空和金属边框包裹等环境给5G MIMO天线的设计带来了巨大的挑战。
目前，已有的5G MIMO终端天线设计方案几乎都没有考虑金属边框对天线的影响，因此均不能直接应用于主流的终端设备中。专利[CN108470978A]提出了一种金属边框兼容的5G MIMO终端天线设计方案，但是其天线带宽只能覆盖3.4～3.6GHz和4.8～5GHz，且8个天线需要部署在8个分隔的区域。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于设计一种小尺寸、低净空、宽带、高效、金属边框兼容且双天线集成的5G MIMO终端天线，通过电感解耦技术实现两个集成IFA天线之间的解耦，并进一步提出了一种提升带宽的方法，只需将集成IFA天线对称地部署在终端的4个区域即可实现5G 8×8 MIMO系统，将天线部署的空间利用率提升了一倍。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种双天线集成的宽带5G MIMO终端天线，包括：
金属地板1，其边缘对称地开有N个地板缝隙，N为1～4的整数，所述金属地板1上方覆盖有介质基板；
金属边框2，为四面闭合连接结构，其底边与金属地板1的边缘相连接，金属边框2上开有与地板缝隙一一对应的N个边框缝隙，且边框缝隙的中心与地板缝隙的中心位于同一平面；
N组集成双天线组件3，分别分布于N个地板缝隙中，每组集成双天线组件3中心对应一个边框缝隙；所述集成双天线组件3包含有有第一馈电枝节31、第二馈电枝节32和感性解耦组件33。
所述金属边框2在一个边框缝隙两侧的部分分别为第一金属边框21和第二金属边框22，每组集成双天线组件3中，第一馈电枝节31和第二馈电枝节32关于边框缝隙对称，分布于地板缝隙中，所述感性解耦组件33跨过该边框缝隙连接在第一金属边框21和第二金属边框22上，且所述感性解耦组件33关于该边框缝隙对称。
所述第一馈电枝节31和第二馈电枝节32通过直接馈电或耦合馈电的方式分别将第一金属边框21和第二金属边框22激励起来，分别记为天线单元一和天线单元二，所述天线单元一和天线单元二均工作于倒F天线(IFA)模式，二者通过边框缝隙分离，但不具有正交模式特性，因此当不设感性解耦组件33时两天线单元之间具有很强的耦合。
所述第一馈电枝节31和第二馈电枝节32为矩形，与金属边框2的底部直接连接；或者，所述第一馈电枝节31和第二馈电枝节32为“┌”、“┐”或“T”型，与金属边框2设有间距。
所述感性解耦组件33为一跨接在第一金属边框21和第二金属边框22之间的集总电感；或者，所述感性解耦组件33为跨接在第一金属边框21和第二金属边框22之间的弯折金属枝节，其能够等效成分布式电感，其中弯折金属枝节方案具有比集总电感方案更宽的带宽特性，其机理可以解释为：当第一馈电枝节31或第二馈电枝节32馈电时，上方弯折金属枝节构成的闭合环路被激励起来，其与边框缝隙和地板缝隙构成的整个折叠H型缝隙产生谐振，从而增大了天线的有效辐射口面，因此扩展了天线带宽。
所述弯折金属枝节包含与第一金属边框21上边沿平行的第一水平枝节331以及与第一金属边框21上边沿垂直的第一垂直枝节332和第二垂直枝节333；所述第一垂直枝节332、第一水平枝节331和第二垂直枝节333首尾相连跨接在第一金属边框21和第二金属边框22之间，位于金属地板1上方，构成闭合环路。
所述闭合环路与边框缝隙、地板缝隙一起构成折叠H型缝隙结构。
所述金属地板1为矩形，地板缝隙开在其长边边缘。
本发明中，边框缝隙的宽度可小于或者大于地板缝隙的宽度。
本发明的创新在于：第一，感性解耦组件33通过一种简单的跨接电感元件的方式即可实现2个集成天线单元之间的解耦；第二，本发明进一步地提出了一种提升带宽的弯折金属枝节方案，并对其辐射与解耦机理进行了解释；第三，N个双天线组件3包含有2×N个天线单元，但只需开N个边框缝隙和N个地板缝隙，可以有效减少开缝数量和天线部署的空间利用率。
综上所述，本发明提出了一种兼具小尺寸、低净空、高效、宽带、金属边框兼容、边框缝隙少等特性的集成双天线系统，适用于以手机为代表的各种小型移动终端的5G MIMO天线。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为将金属边框展开后的天线平面示意图。
图3为实施例一的集成双天线组件示意图。
图4为实施例一集成双天线组件的反射系数和传输系数仿真结果。
图5为实施例一集成双天线组件的天线效率仿真结果。
图6为实施例二的集成双天线组件示意图。
图7为实施例三的集成双天线组件示意图。
图8为实施例三中折叠H型缝隙的辐射与解耦机理示意图，包括(a)差模激励的电场分布；(b)共模激励的电场分布；(c)端口1激励的电场分布；(d)端口2激励的电场分布。
图9为实施例三集成双天线组件的反射系数和传输系数仿真结果。
图10为实施例三集成双天线组件的天线效率仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明为一种双天线集成的宽带5G MIMO终端天线。根据设计示意，给出了三个集成双天线组件的具体实施例，下面结合附图予以说明：
如图1和图2所示分别为本发明的三维结构示意图以及将金属边框2展开后的平面示意图。参照图1和图2，一种5G 8×8 MIMO天线(即N＝4)，其包含有：金属地板1，其边缘对称地开有4个地板缝隙，其上方覆盖有介质基板；四面闭合连接的金属边框2，其上开有4个边框缝隙，并与金属地板1相连接；4组集成双天线组件3，间隔分布于4个地板缝隙中，且每组集成双天线组件3的中心对应一个边框缝隙。
实施例一：
如图3为实施例一的集成双天线组件示意图，其包含有：第一馈电枝节31、第二馈电枝节32和感性解耦组件33。进一步地，所述第一馈电枝节31和第二馈电枝节32为矩形，并分别与第一金属边框21和第二金属边框22直接连接。进一步地，所述第一馈电枝节31和第二馈电枝节32通过直接馈电的方式分别将第一金属边框21和第二金属边框22激励起来。进一步地，所述感性解耦组件33为一跨接在第一金属边框21和第二金属边框22之间的集总电感，在本实施例中电感值为8.2纳亨。所述集成双天线组件的长度×净空×高度为27.8mm×1.5mm×7mm。
如图4为实施例一集成双天线组件的反射和传输系数，天线单元一和天线单元二的-6dB阻抗带宽均可覆盖3.4～4.4GHz，且在3.4～4.2GHz频段内两个天线单元之间的隔离度均大于10dB，因此该实施例下的有效带宽为3.4～4.2GHz，只能覆盖5G n77和n78的部分频段。如图5所示为实施例一集成双天线组件的天线效率，天线单元一和天线单元二在有效带宽内的效率均大于50％，具有良好的辐射性能。
实施例二：
如图6为实施例二的集成双天线组件示意图。相比于实施例一，实施例二的不同之处在于：第一，第一馈电枝节31和第二馈电枝节32从矩形变成了“┌”与“┐”型；第二，第一馈电枝节31和第二馈电枝节32与第一金属边框21和第二金属边框22的连接关系从直接连接变成了不连接并设有间距。
实施例三：
如图7为实施例三的集成双天线组件示意图。相比于实施例一，实施例三的不同之处在于：所述感性解耦组件33从跨接在第一金属边框21和第二金属边框22之间的集总电感变成了弯折金属枝节。所述弯折金属枝节包含有第一水平枝节331、第一垂直枝节332和第二垂直枝节333，首尾相连跨接在第一金属边框21和第二金属边框22之间，构成闭合环路，其可等效为分布式电感。本实施例中所述集成双天线组件的长度×净空×高度为28mm×1.8mm×7mm。
本发明的关键构思在于：所述弯折金属枝节33、第一金属边框21、第二金属边框22和金属地板1共同构成了折叠H型缝隙结构，在实现解耦的同时增大了天线的辐射口面，因此能够大大扩展天线带宽。
为了进一步理解实施例三中折叠H型缝隙的辐射与解耦机理，图8描绘了不同激励情况下折叠H型缝隙的电场分布示意图。当两个端口差模和共模激励时的电场分布分别如图8(a)和(b)所示。当单端口激励时，其电场分布可以等效成差模和共模激励电场的线性叠加，即E1＝(E差模+E共模)/2，E2＝(E共模-E差模)/2。根据上述公式，当端口1和端口2分别激励时，其场分布分别如图8(c)和(d)所示：一方面，当端口1激励时，端口2处的电场被完全抵消，因此可以实现两个集成天线之间的隔离；另一方面，当下方的缝隙在一侧激励时，上方另一侧的缝隙被激励起来，增大了天线的辐射口面，因此能够扩展带宽。
如图9为实施例三集成双天线组件的反射和传输系数，天线单元一和天线单元二的-6dB阻抗带宽均可覆盖3.3～5GHz，且在该频段内两个天线单元之间的隔离度均大于10dB，能够完全覆盖全球5G n77、n78和n79频段。相比于实施例一，实施例三将天线的有效工作带宽从800MHz提升至了1700MHz，具有显著的收益。如图10所示为实施例三集成双天线组件的天线效率，天线单元一和天线单元二在工作带宽内的效率均大于50％，具有良好的辐射性能。
综上所述，本发明利用电感解耦技术提出了一种兼具小尺寸、低净空、高效率、金属边框兼容、边框缝隙少等特性的集成双天线系统，适用于以手机为代表的各种小型移动终端天线；此外，本发明还提出了一种进一步扩展该技术带宽的方法，可以完全覆盖全球5Gn77、n78和n79频段。

Claims (8)

1.一种双天线集成的宽带5G MIMO终端天线，其特征在于，包括：
金属地板(1)，其边缘对称地开有N个地板缝隙，N为1～4的整数，所述金属地板(1)上方覆盖有介质基板；
金属边框(2)，为四面闭合连接结构，其底边与金属地板(1)的边缘相连接，金属边框(2)上开有与地板缝隙一一对应的N个边框缝隙，且边框缝隙的中心与地板缝隙的中心位于同一平面；
N组集成双天线组件(3)，分别分布于N个地板缝隙中，每组集成双天线组件(3)中心对应一个边框缝隙；所述集成双天线组件(3)包含有有第一馈电枝节(31)、第二馈电枝节(32)和感性解耦组件(33)。
2.根据权利要求1所述双天线集成的宽带5G MIMO终端天线，其特征在于，所述金属边框(2)在一个边框缝隙两侧的部分分别为第一金属边框(21)和第二金属边框(22)，每组集成双天线组件(3)中，第一馈电枝节(31)和第二馈电枝节(32)关于边框缝隙对称，分布于地板缝隙中，所述感性解耦组件(33)跨过该边框缝隙连接在第一金属边框(21)和第二金属边框(22)上，且所述感性解耦组件(33)关于该边框缝隙对称。
3.根据权利要求2所述双天线集成的宽带的5G MIMO终端天线，其特征在于，所述第一馈电枝节(31)和第二馈电枝节(32)通过直接馈电或耦合馈电的方式分别将第一金属边框(21)和第二金属边框(22)激励起来，分别记为天线单元一和天线单元二，所述天线单元一和天线单元二均工作于倒F天线(IFA)模式，二者通过边框缝隙分离，但不具有正交模式特性。
4.根据权利要求1或2所述双天线集成的宽带5G MIMO终端天线，其特征在于，所述第一馈电枝节(31)和第二馈电枝节(32)为矩形，与金属边框(2)的底部直接连接；或者，所述第一馈电枝节(31)和第二馈电枝节(32)为“┌”、“┐”或“T”型，与金属边框(2)设有间距。
5.根据权利要求4所述双天线集成的宽带5G MIMO终端天线，其特征在于，所述感性解耦组件(33)为一跨接在第一金属边框(21)和第二金属边框(22)之间的集总电感；或者，所述感性解耦组件(33)为跨接在第一金属边框(21)和第二金属边框(22)之间的弯折金属枝节，其能够等效成分布式电感。
6.根据权利要求5所述双天线集成的宽带5G MIMO终端天线，其特征在于，所述弯折金属枝节包含与第一金属边框(21)上边沿平行的第一水平枝节(331)以及与第一金属边框(21)上边沿垂直的第一垂直枝节(332)和第二垂直枝节(333)；所述第一垂直枝节(332)、第一水平枝节(331)和第二垂直枝节(333)首尾相连跨接在第一金属边框(21)和第二金属边框(22)之间，位于金属地板(1)上方，构成闭合环路。
7.根据权利要求6所述双天线集成的宽带5G MIMO终端天线，其特征在于，所述闭合环路与边框缝隙、地板缝隙一起构成折叠H型缝隙结构。
8.根据权利要求1所述双天线集成的宽带5G MIMO终端天线，其特征在于，所述金属地板(1)为矩形，地板缝隙开在其长边边缘。
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