CN110137681A - 一种电容解耦的宽带5g mimo手机天线 - Google Patents

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Abstract

一种电容解耦的宽带5G MIMO手机天线，包括：金属地板、金属边框和一组及以上的集成双天线组件。所述金属地板边缘开有一个及以上的地板缝隙，地板缝隙中安装有集成双天线组件，符合一一对应关系；所述金属边框为闭合连接结构，并开有偶数个边框缝隙，每组集成双天线组件对应2个所述边框缝隙；所述集成双天线组件包含有第一馈电枝节、第二馈电枝节和解耦组件；所述解耦组件可以为集总电容或者分布式电容。本发明通过电容解耦技术设计的5G MIMO天线具有宽带、高效率、尺寸小、净空低、金属边框兼容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

一种电容解耦的宽带5G MIMO手机天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种MIMO天线，特别涉及一种电容解耦的宽带5GMIMO手机天线。
背景技术
随着移动用户数据量的爆炸式增长，人们对移动通信的速率、容量和时延都提出了更高的要求。第五代(5G)移动通信系统开始通过更多的天线(MIMO技术)或更宽的带宽(毫米波技术)来进一步提升移动通信系统的吞吐量。目前，在手机等移动终端设备中部署8个左右5G低频段的MIMO天线已经成为了业界的主流方案。在2019年4月发布的15.5.0版5G无线规范中，国际3GPP组织将全球通用5G低频段从6GHz以下(Sub-6GHz)提升到了7.125GHz以下。
随着移动终端设备对轻薄化、全面屏和金属边框的追求，极低的净空、复杂的电磁环境和宽带需求给5G MIMO天线的设计带来了空前的挑战。目前，主流的5G MIMO手机天线的技术方案面临带宽窄、金属边框不兼容且天线部署位置较多等问题。例如专利[CN108493600A]的带宽仅能覆盖3.4～3.6GHz，不能应用于金属边框环境，且8个天线需要部署在8个位置；专利[CN108565544A]将带宽提升至3.3～5GHz，但依然不能应用于金属边框环境，且需要部署8个位置。
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宽带(可以覆盖3.3～7GHz)、尺寸小、净空低、金属边框兼容且双天线集成的5G MIMO手机天线，通过电容解耦技术在宽带内消除2个集成天线单元之间的耦合，构成集成双天线组件，只需部署4个所述的集成双天线组件即可实现8单元5G MIMO系统，大大提升天线部署的空间利用率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电容解耦的宽带5G MIMO手机天线，包括：
金属地板1，其边缘开有N个地板缝隙1a；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2N个边框缝隙3，第一边框缝隙3a和第二边框缝隙3b组成一对边框缝隙3，第一边框缝隙3a和第二边框缝隙3b对称地分布于一个地板缝隙1a的两端；
N组集成双天线组件4，每组集成双天线组件4对应分布于一个地板缝隙1a中，所述集成双天线组件4包含有第一馈电枝节4a、第二馈电枝节4b和解耦组件5，解耦组件5设置在第一馈电枝节4a、第二馈电枝节4b之间。
所述每组集成双天线组件4包含有2个天线单元，但不具有正交模式特性，分别通过第一馈电枝节4a和第二馈电枝节4b进行馈电，其中，第一馈电枝节4a和第二馈电枝节4b分别由第一馈电端口6a和第二馈电端口6b激励。
所述第一馈电端口6a和第二馈电端口6b共模及差模激励时的有源阻抗匹配，形成了解耦组件5的解耦机理。在不设解耦组件5的情况下，集成双天线组件4的2个天线单元之间具有较强的耦合，无法实现隔离。
所述第一馈电枝节4a与第一馈电端口6a之间以及第二馈电枝节4b与第二馈电端口6b之间设有匹配元件，也可以不设匹配元件。
所述第一馈电枝节4a和第二馈电枝节4b通过直接馈电或耦合馈电方式将金属边框2激励起来，金属边框2作为所述集成双天线组件4的主要辐射体。
所述第一馈电枝节4a和第二馈电枝节4b为矩形，与金属边框2直接连接；或者所述第一馈电枝节4a和第二馈电枝节4b为“┌”或“┐”型，与金属边框2设有间距。
所述解耦组件5安装在集成双天线组件4的中心位置，包含集总电容或分布式电容。
所述解耦组件5包含集总电容时，每个解耦组件5由一个集总电容5a组成，集总电容5a一端与金属边框2连接，另一端与金属地板1连接，具有宽带解耦特性。
所述解耦组件5包含分布式电容时，每个解耦组件5由一个T型枝节组成，所述T型枝节包含有水平枝节5b与垂直枝节5c，垂直枝节5c一端与金属地板1连接，另一端与水平枝节5b中央位置连接，水平枝节5b与金属边框2平行，且二者之间设有间距，构成等效的分布式电容。
所述金属地板1为矩形，地板缝隙1a开在其长边边缘。
其中，解耦组件5的工作原理为：根据S参数变换公式，天线单元1和天线单元2之间的解耦可以等效为第一和第二馈电端口6a与6b共模及差模激励时的有源阻抗匹配；当第一和第二馈电端口6a与6b差模激励时，激励起半波长谐振的偶极子天线模式；当第一和第二馈电端口6a与6b共模激励时，激励起四分之一波长谐振的单极子天线模式；为了使共模与差模结构具有相同的阻抗特性，需要在集成双天线组件的中心串联电容。
与现有技术相比，本发明的解耦组件5通过简单的集总或分布式电容可以实现集成双天线组件4中天线单元1和天线单元2之间的宽带解耦，从而实现具有小尺寸、宽带、金属边框兼容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为实施例二的集成双天线组件示意图。
图5为实施例三的集成双天线组件示意图。
图6为实施例一集成双天线组件设有解耦组件(5)与不设解耦组件(5)的传输系数仿真结果对比图。
图7为解耦组件的工作原理示意图，包括(a)不设解耦组件且差模激励时的有源反射系数；(b)不设解耦组件且共模激励时的有源反射系数；(c)设有解耦组件且差模激励时的有源反射系数；(d)设有解耦组件且共模激励时的有源反射系数；
图8为实施例一集成双天线组件的反射系数仿真结果。
图9为实施例一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。
本发明为一种电容解耦的宽带5G MIMO手机天线。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所示为本发明的三维结构示意图，如图2所示为将图1中金属边框2展开后的平面示意图。结合图1和图2，一种8单元5G MIMO天线，其包含有：金属地板1，其长边对称地开有4个地板缝隙1a，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8个边框缝隙3；4组集成双天线组件4，其包含有第一和第二馈电枝节4a和4b以及解耦组件5。
如图3为实施例一的集成双天线组件示意图，其包含有：第一和第二馈电枝节4a和4b、集总电容5a以及第一和第二馈电端口6a和6b。进一步地，所述第一馈电枝节4a和第二馈电枝节4b为矩形，与金属边框2直接连接。进一步地，所述第一和第二馈电枝节4a和4b通过直接馈电方式将金属边框2激励起来，金属边框2作为所述集成双天线组件4的主要辐射体。进一步地，所述集总电容5a一端与金属边框2连接，另一端与金属地板1连接。
如图4为实施例二的集成双天线组件示意图，其包含有：第一和第二馈电枝节4a和4b、集总电容5a以及第一和第二馈电端口6a和6b。进一步地，所述第一馈电枝节4a和第二馈电枝节4b分别为“┌”与“┐”型，与金属边框2设有间距。进一步地，所述第一和第二馈电枝节4a和4b通过耦合馈电方式将金属边框2激励起来，金属边框2作为所述集成双天线组件4的主要辐射体。进一步地，所述集总电容5a一端与金属边框2连接，另一端与金属地板1连接。
如图5为实施例三的集成双天线组件示意图，其包含有：第一和第二馈电枝节4a和4b、T型解耦枝节5以及第一和第二馈电端口6a和6b。进一步地，所述第一馈电枝节4a和第二馈电枝节4b为矩形，与金属边框2直接连接。进一步地，所述第一和第二馈电枝节4a和4b通过直接馈电方式将金属边框2激励起来，金属边框2作为所述集成双天线组件4的主要辐射体。进一步地，所述T型解耦枝节包含有水平枝节5b与垂直枝节5c，所述水平枝节5b与金属边框2之间设有间距，构成等效的分布式电容。
本发明的关键构思在于：利用解耦组件5中的集总或分布式电容实现集成双天线组件4中天线单元1和天线单元2之间的宽带解耦。为了进一步说明解耦组件5的解耦效果，将实施例一集成双天线组件设有解耦组件与不设解耦组件时的传输系数进行对比。如图6所示，当不设解耦组件时，天线单元1和天线单元2仅在较窄的带宽(4.64～6.03GHz)内具有隔离(S21<-10dB)特性；当设有解耦组件5时，天线单元1和天线单元2在全频段(3.3～7GHz)内都具有隔离(S21<-10dB)特性。由此可见，解耦组件5对于天线单元1和天线单元2之间的隔离度具有明显的改善作用，并具有宽带解耦特性。
根据S参数变换公式，在理想情况下，两个天线单元之间的解耦(即S21＝0)可以等效为两个天线在差模和共模激励时的有源阻抗匹配(即Sdd11＝Scc11＝0)。为了进一步说明解耦组件5的解耦机理，图7给出了在设有与不设有解耦组件5的情况下，差模与共模激励时的有源反射系数对比图。在不设解耦组件的情况下：当第一与第二馈电端口差模激励时，天线工作于偶极子模式，有源阻抗匹配良好，如图7(a)所示；当第一与第二馈电端口共模激励时，天线工作于单极子模式，低频的有源阻抗匹配较差，如图7(b)所示。为了在不影响差模有源阻抗匹配的情况下改善共模有源阻抗匹配，首先，选择将调节元件放置在差模的电流零点位置，即集成双天线组件4的中心位置；其次，为了将共模时低频部分的有源阻抗从感性区往下拉，选择串联电容的方式。如图7(c)和7(d)所示即为设有解耦组件(即天线中心串联电容)后的有源阻抗，可以看到，差模阻抗匹配几乎不受影响，共模阻抗匹配得以改善。因此，图7通过差模与共模有源阻抗匹配的角度解释了解耦组件5中集总或分布式电容的解耦机理。
如图8所示为实施例一集成双天线组件的反射系数，天线单元1和天线单元2的-6dB阻抗带宽均可覆盖3.3～7GHz，且在3.3～7GHz频段内两个天线单元之间的隔离度均大于10dB(如图6所示)。如图9所示为实施例一集成双天线组件的天线效率，天线单元1和天线单元2的效率均大于50％，具有良好的辐射性能。此外，实施例一中集成双天线组件的尺寸仅为24mm×2mm，兼具尺寸小和净空低的优势。
综上所述，本发明通过电容解耦技术设计的5G MIMO天线具有宽带、高效率、尺寸小、净空低、金属边框兼容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。

Claims (10)

1.一种电容解耦的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，包括：
金属地板(1)，其边缘开有N个地板缝隙(1a)；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2N个边框缝隙(3)，第一边框缝隙(3a)和第二边框缝隙(3b)组成一对边框缝隙(3)，第一边框缝隙(3a)和第二边框缝隙(3b)对称地分布于一个地板缝隙(1a)的两端；
N组集成双天线组件(4)，每组集成双天线组件(4)对应分布于一个地板缝隙(1a)中，所述集成双天线组件(4)包含有第一馈电枝节(4a)、第二馈电枝节(4b)和解耦组件(5)，解耦组件(5)设置在第一馈电枝节(4a)、第二馈电枝节(4b)之间。
2.根据权利要求1所述电容解耦的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述每组集成双天线组件(4)包含有2个天线单元，分别通过第一馈电枝节(4a)和第二馈电枝节(4b)进行馈电，其中，第一馈电枝节(4a)和第二馈电枝节(4b)分别由第一馈电端口(6a)和第二馈电端口(6b)激励。
3.根据权利要求2所述电容解耦的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述第一馈电端口(6a)和第二馈电端口(6b)共模及差模激励时的有源阻抗匹配，形成了解耦组件(5)的解耦机理。
4.根据权利要求2所述电容解耦的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述第一馈电枝节(4a)与第一馈电端口(6a)之间以及第二馈电枝节(4b)与第二馈电端口(6b)之间设有匹配元件。
5.根据权利要求1或2或3或4所述电容解耦的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述第一馈电枝节(4a)和第二馈电枝节(4b)通过直接馈电或耦合馈电方式将金属边框(2)激励起来，金属边框(2)作为所述集成双天线组件(4)的主要辐射体。
6.根据权利要求1所述电容解耦的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述第一馈电枝节(4a)和第二馈电枝节(4b)为矩形，与金属边框(2)直接连接；或者所述第一馈电枝节(4a)和第二馈电枝节(4b)为“┌”或“┐”型，与金属边框(2)设有间距。
7.根据权利要求1所述电容解耦的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述解耦组件(5)安装在集成双天线组件(4)的中心位置，包含集总电容或分布式电容。
8.根据权利要求7所述电容解耦的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述解耦组件(5)包含集总电容时，每个解耦组件(5)由一个集总电容(5a)组成，集总电容(5a)一端与金属边框(2)连接，另一端与金属地板(1)连接，具有宽带解耦特性。
9.根据权利要求7所述电容解耦的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述解耦组件(5)包含分布式电容时，每个解耦组件(5)由一个T型枝节组成，所述T型枝节包含有水平枝节(5b)与垂直枝节(5c)，垂直枝节(5c)一端与金属地板(1)连接，另一端与水平枝节(5b)中央位置连接，水平枝节(5b)与金属边框(2)平行，且二者之间设有间距，构成等效的分布式电容。
10.根据权利要求1所述电容解耦的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述集成双天线组件(4)不具有正交模式特性。
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