CN110224216A - 基于crlh-tl结构的mimo阵列5g手机天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于CRLH‑TL结构的MIMO阵列5G手机天线，包括第一矩形介质板、两块相同的第二矩形介质板和金属地板，第一矩形介质板由接地短接线、折叠馈电线、馈电端口和第一金属化过孔组成，第二矩形介质板包括多个相同的交指结构、矩形金属板和第二金属化过孔，多个相同的交指结构由两组相同的交指线、接地线和馈电线组成，多个相同的交指结构印刷在两块相同的第二矩形介质板的内侧，两组相同的交指线分别通过接地线和馈电线相连接，两块相同的第二矩形介质板的外侧分别印刷有相对应的矩形金属板，与交指结构构成了完整的辐射结构，以实现抑制地板共模电流的作用。本发明可应用于5G手机信号的发射与接收。

Description

基于CRLH-TL结构的MIMO阵列5G手机天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基于复合左右手传输线(CRLH-TL)结构的MIMO阵列5G手机天线，可应用于5G手机信号的发射与接收。
背景技术
随着现代无线移动通信技术的飞速发展，无线移动通信即将进入5G时代。5G通信的主要特点是无线终端设备的体积越来越小，与4G相比具有更好的数据传输能力。这两个特点对终端设备的天线提出了比较大的挑战。首先无线终端设备越来越小，意味着终端天线设计的尺寸越来越小，天线的小型化是一个有待进一步改进的工作。随着终端设备的发展，终端设备的小型化是一个趋势，所以天线的小型化会是一个长时间的研究热点。5G通信提高数据传输速率的核心技术是采用大规模MIMO技术，对于移动终端设备来说，就需要放置多个天线来实现高的数据传输速率，而终端设备的MIMO天线系统除了要求天线做小之外还需要天线单元之间有比较好的隔离度，这对于提高数据传输速率至关重要。移动终端设备天线指标除了隔离度和工作频段外，还需要全向辐射和一定的辐射效率。
例如，深圳市信维通信股份有限公司在其申请的名称为“5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构及手持设备”(申请号：201810116642.6，公布号：CN 108321498A)中，提出了一种5G MIMO天线和毫米波天线阵，包括接地板、四个5G MIMO天线组和两个毫米波天线阵，接地板的每条长边上均设有两个5G MIMO天线组和一个毫米波天线阵，且接地板的同一长边中，毫米波天线阵位于两个5G MIMO天线组之间；该天线虽然解决了5G天线系统与毫米波天线系统共存的问题，但是并未考虑天线单元之间的隔离度，使得该天线集成度不高，不利于天线的小型化。
例如，瑞声精密制造科技(常州)有限公司在其申请的名称为“天线系统及移动终端”(申请号：201711478766.0，公布号：CN 108288747 A)中，提出了一种应用于5G通信系统的移动终端天线，包括后壳和相对设置的侧边框，所述侧边框为金属边框，各所述侧边框上设置有第一断缝和第二断缝，所述后壳包括相对的两个侧边缘；该天线虽然可以工作于5G通信频段，但是，因为未考虑地板共模电流对天线各单元之间隔离度的影响，因此天线单元之间的隔离度较差，使得天线单元的间距较大，不利于天线的小型化。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于CRLH-TL结构的MIMO阵列5G手机天线，用以解决手机天线单元之间隔离度较差、集成度不高的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于CRLH-TL结构的MIMO阵列5G手机天线，包括第一矩形介质板、两块相同的第二矩形介质板和金属地板，所述的第一矩形介质板由接地短接线、折叠馈电线、馈电端口和第一金属化过孔组成，所述第二矩形介质板包括多个相同的交指结构、矩形金属板和第二金属化过孔，所述的多个相同的交指结构由两组相同的交指线、接地线和馈电线组成；该两块相同的第二矩形介质板分别固定在第一矩形介质板的两侧；所述的金属地板印刷在第一矩形介质板的下表面；
其特征在于：所述的多个相同的交指结构印刷在两块相同的第二矩形介质板的内侧，相邻的交指结构间距表示为Ld，所述的两组相同的交指线分别通过接地线和馈电线相连接；所述的两块相同的第二矩形介质板的外侧分别印刷有相对应的矩形金属板，与交指结构构成了完整的辐射结构，以实现抑制地板共模电流的作用。
上述权利要求中，所述的接地短接线一端通过第一金属化过孔与金属地板相连接，另一端与接地线相连接。
上述权利要求中，所述的折叠馈电线一端与馈电端口相连接，另一端与馈电线相连接。
上述权利要求中，所述的矩形金属板通过第二金属化过孔与金属地板相连接。
上述权利要求中，所述的多个相同的交指结构的数量表示为N，其中，N的取值范围为2～16；相邻的交指结构间距表示为Ld，其中，Ld的取值范围为3～10mm。
上述权利要求中，所述的折叠馈电线的长度表示为L0，宽度表示为W0，间距表示为L1，其中，L0的取值范围为3.2～4.0mm，W0的取值范围为0.1～0.3mm，L1的取值范围为0.2～0.4mm。
上述权利要求中，所述的接地短接线的长度表示为Ls，宽度表示为Ws，其中，Ls的取值范围为3.2～4.0mm，Ws的取值范围为4.0～6.0mm。
上述权利要求中，所述的交指线长度表示为Lt1，宽度表示为Wt1，交指线间的间距表示为d，其中，Lt1的取值范围为4.5～5.3mm，Wt1的取值范围为0.1～0.2mm，d的取值范围为0.05-0.15mm。
上述权利要求中，所述的矩形金属板长度表示为Lg，宽度表示为Wg，其中，Lg的取值范围为4～8mm，Wg的取值范围为1.8～2.6mm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明的天线单元采用了交指结构，该结构等效为复合左右手传输线，各单元地板采用了独立的矩形金属板，独立的矩形金属板与交指结构形成了完整的辐射结构，使得天线单元不会对整体金属地板产生影响，因此，抑制了金属地板的共模电流，克服了天线单元之间的隔离度较差的技术问题。
2、本发明天线阵列采用了多个相同的交指结构，组成了大规模MIMO阵列，克服了天线集成度不高的技术问题，实现了天线的高集成化。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明第一介质板结构示意图；
图3是本发明金属地板结构示意图；
图4是本发明第二介质板内侧结构示意图；
图5是本发明第二介质板外侧结构示意图；
图6是本发明第一介质板馈电结构示意图；
图7是本发明第二介质板内侧交指结构示意图；
图8是本发明第二介质板外侧矩形金属板结构示意图；
图9是本发明的S11参数曲线图；
图10是本发明的S22参数曲线图；
图11是本发明的S21参数曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述
实施例1
参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8
一种基于CRLH-TL结构的MIMO阵列5G手机天线，包括第一矩形介质板1、两块相同的第二矩形介质板2和金属地板3，所述的第一矩形介质板1由接地短接线11、折叠馈电线12、馈电端口13和第一金属化过孔14组成，所述第二矩形介质板2包括多个相同的交指结构21、矩形金属板22和第二金属化过孔23，所述的多个相同的交指结构21由两组相同的交指线211、接地线212和馈电线213组成；该两块相同的第二矩形介质板2分别固定在第一矩形介质板1的两侧；所述的金属地板3印刷在第一矩形介质板1的下表面；
所述的多个相同的交指结构21印刷在两块相同的第二矩形介质板2的内侧，相邻的交指结构21间距表示为Ld，所述的两组相同的交指线211分别通过接地线212和馈电线213相连接；所述的两块相同的第二矩形介质板2的外侧分别印刷有相对应的矩形金属板22，与交指结构21构成了完整的辐射结构，以实现抑制地板共模电流的作用。
本发明中的天线由两部分组成，第一部分是手机天线的介质板，由介电常数为4.4的FR4材料第一矩形介质板1、金属地板3、接地短接线11和折叠馈电线12组成，折叠馈电线12的引入是为了更好的调节天线阻抗匹配以及实现小型化。第二部分是垂直于手机介质板侧边的两块相同的第二矩形介质板2组成，两块相同的第二矩形介质板2采用了F4B介质材料，其相对介电常数是2.65，损耗正切是0.001。本发明中天线单元模型的尺寸为0.098λ×0.036λ×0.013λ(λ是中心频率为4.9GHz波长)，具有相对较小的尺寸。
本发明中的天线单元采用复合左右手传输线结构，其中等效左手电容CL由交指结构21提供，等效左手电感LL由接地短接线11提供，等效右手电容CR由两块相同的第二矩形介质板2上印刷的交指结构21和矩形金属板22之间的电容提供，等效右手电感LR由交指结构21中交指的长度提供，通过调整天线的结构参数使天线工作在零阶谐振模式，并使天线在4.9GHz频点处谐振。
本发明中的交指结构21和矩形金属板22组成了完整的天线结构，使得矩形金属板22上的共模电流与金属地板3隔离，抑制金属地板3上分布的共模电流，因此增加了天线单元之间的隔离度，减小了单元间距，从而实现了大规模MIMO阵列。
所述的接地短接线11一端通过第一金属化过孔14与金属地板3相连接，另一端与接地线212相连接。
所述的折叠馈电线12一端与馈电端口13相连接，另一端与馈电线213相连接。
所述的矩形金属板22通过第二金属化过孔23与金属地板3相连接。
所述的多个相同的交指结构21的数量表示为N，其中，N的取值范围为2～16；相邻的交指结构21间距表示为Ld，其中，Ld的取值范围为3～10mm。本发明中优选为N＝15，Ld＝3.25mm。
所述的折叠馈电线12的长度表示为L0，宽度表示为W0，间距表示为L1，其中，L0的取值范围为3.2～4.0mm，W0的取值范围为0.1～0.3mm，L1的取值范围为0.2～0.4mm。本发明中优选为L0＝3.6mm，W0＝0.2mm，L1＝0.3mm。
所述的接地短接线11的长度表示为Ls，宽度表示为Ws，其中，Ls的取值范围为3.2～4.0mm，Ws的取值范围为4.0～6.0mm。本发明中优选为Ls＝3.6mm，Ws＝5.0mm。
所述的交指线211长度表示为Lt1，宽度表示为Wt1，交指线211间的间距表示为d，其中，Lt1的取值范围为4.5～5.3mm，Wt1的取值范围为0.1～0.2mm，d的取值范围为0.05-0.15mm。本发明中优选为Lt1＝4.9mm，Wt1＝0.15mm，d＝0.1mm。
所述的矩形金属板22长度表示为Lg，宽度表示为Wg，其中，Lg的取值范围为4～8mm，Wg的取值范围为1.8～2.6mm。本发明中优选为Lg＝6mm，Wg＝2.2mm。
实施例2
所述的接地短接线11一端通过第一金属化过孔14与金属地板3相连接，另一端与接地线212相连接。
所述的折叠馈电线12一端与馈电端口13相连接，另一端与馈电线213相连接。
所述的矩形金属板22通过第二金属化过孔23与金属地板3相连接。
所述的多个相同的交指结构21的数量表示为N，其中，N的取值范围为2～16；相邻的交指结构21间距表示为Ld，其中，Ld的取值范围为3～10mm。本发明中为N＝16，Ld＝3mm。
所述的折叠馈电线12的长度表示为L0，宽度表示为W0，间距表示为L1，其中，L0的取值范围为3.2～4.0mm，W0的取值范围为0.1～0.3mm，L1的取值范围为0.2～0.4mm。本发明中为L0＝3.2mm，W0＝0.1mm，L1＝0.2mm。
所述的接地短接线11的长度表示为Ls，宽度表示为Ws，其中，Ls的取值范围为3.2～4.0mm，Ws的取值范围为4.0～6.0mm。本发明中为Ls＝3.2mm，Ws＝4.0mm。
所述的交指线211长度表示为Lt1，宽度表示为Wt1，交指线211间的间距表示为d，其中，Lt1的取值范围为4.5～5.3mm，Wt1的取值范围为0.1～0.2mm，d的取值范围为0.05-0.15mm。本发明中为Lt1＝4.5mm，Wt1＝0.1mm，d＝0.05mm。
所述的矩形金属板22长度表示为Lg，宽度表示为Wg，其中，Lg的取值范围为4～8mm，Wg的取值范围为1.8～2.6mm。本发明中为Lg＝4mm，Wg＝1.8mm。
实施例3
所述的接地短接线11一端通过第一金属化过孔14与金属地板3相连接，另一端与接地线212相连接。
所述的折叠馈电线12一端与馈电端口13相连接，另一端与馈电线213相连接。
所述的矩形金属板22通过第二金属化过孔23与金属地板3相连接。
所述的多个相同的交指结构21的数量表示为N，其中，N的取值范围为2～16；相邻的交指结构21间距表示为Ld，其中，Ld的取值范围为3～10mm。本发明中为N＝2，Ld＝10mm。
所述的折叠馈电线12的长度表示为L0，宽度表示为W0，间距表示为L1，其中，L0的取值范围为3.2～4.0mm，W0的取值范围为0.1～0.3mm，L1的取值范围为0.2～0.4mm。本发明中为L0＝4.0mm，W0＝0.3mm，L1＝0.4mm。
所述的接地短接线11的长度表示为Ls，宽度表示为Ws，其中，Ls的取值范围为3.2～4.0mm，Ws的取值范围为4.0～6.0mm。本发明中为Ls＝4.0mm，Ws＝6.0mm。
所述的交指线211长度表示为Lt1，宽度表示为Wt1，交指线211间的间距表示为d，其中，Lt1的取值范围为4.5～5.3mm，Wt1的取值范围为0.1～0.2mm，d的取值范围为0.05-0.15mm。本发明中为Lt1＝5.3mm，Wt1＝0.2mm，d＝0.15mm。
所述的矩形金属板22长度表示为Lg，宽度表示为Wg，其中，Lg的取值范围为4～8mm，Wg的取值范围为1.8～2.6mm。本发明中为Lg＝8mm，Wg＝2.6mm。
以下结合仿真实验对本发明作进一步详细说明：
参照图9、图10和图11
1、仿真条件和内容：
利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例中任意相邻两个单元的S参数进行仿真计算，其仿真结果如图9、图10和图11所示。
2、仿真结果分析：
图9是S11参数曲线图，其中，横坐标表示天线的工作频率，纵坐标表示天线的回波损耗。
从图9可见，S11小于-6dB的频带范围为4.75～5.08GHz。
图10是S22参数曲线图，其中，横坐标表示天线的工作频率，纵坐标表示天线的回波损耗。
从图10可见，S22小于-6dB的频带范围为4.73～5.09GHz。
图11是S21参数曲线图，其中，横坐标表示天线的工作频率，纵坐标表示天线的传输系数。
从图11可见，天线的隔离度在全频段内均大于10dB。
仿真结果说明，本发明天线可以覆盖4.8GHz～5.0GHz通信频段，且带内天线单元之间隔离度满足通信要求。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于CRLH-TL结构的MIMO阵列5G手机天线，包括第一矩形介质板(1)、两块相同的第二矩形介质板(2)和金属地板(3)，所述的第一矩形介质板(1)由接地短接线(11)、折叠馈电线(12)、馈电端口(13)和第一金属化过孔(14)组成，所述第二矩形介质板(2)包括多个相同的交指结构(21)、矩形金属板(22)和第二金属化过孔(23)，所述的多个相同的交指结构(21)由两组相同的交指线(211)、接地线(212)和馈电线(213)组成；该两块相同的第二矩形介质板(2)分别固定在第一矩形介质板(1)的两侧；所述的金属地板(3)印刷在第一矩形介质板(1)的下表面；
其特征在于：所述的多个相同的交指结构(21)印刷在两块相同的第二矩形介质板(2)的内侧，相邻的交指结构(21)间距表示为Ld，所述的两组相同的交指线(211)分别通过接地线(212)和馈电线(213)相连接；所述的两块相同的第二矩形介质板(2)的外侧分别印刷有相对应的矩形金属板(22)，与交指结构(21)构成了完整的辐射结构，以实现抑制地板共模电流的作用。
2.根据权利要求1所述的基于CRLH-TL结构的MIMO阵列5G手机天线，其特征在于：所述的接地短接线(11)一端通过第一金属化过孔(14)与金属地板(3)相连接，另一端与接地线(212)相连接。
3.根据权利要求1所述的基于CRLH-TL结构的MIMO阵列5G手机天线，其特征在于：所述的折叠馈电线(12)一端与馈电端口(13)相连接，另一端与馈电线(213)相连接。
4.根据权利要求1所述的基于CRLH-TL结构的MIMO阵列5G手机天线，其特征在于：所述的矩形金属板(22)通过第二金属化过孔(23)与金属地板(3)相连接。
5.根据权利要求1所述的基于CRLH-TL结构的MIMO阵列5G手机天线，其特征在于：所述的多个相同的交指结构(21)的数量表示为N，其中，N的取值范围为2～16；相邻的交指结构(21)间距表示为Ld，其中，Ld的取值范围为3～10mm。
6.根据权利要求1所述的基于CRLH-TL结构的MIMO阵列5G手机天线，其特征在于：所述的折叠馈电线(12)的长度表示为L0，宽度表示为W0，间距表示为L1，其中，L0的取值范围为3.2～4.0mm，W0的取值范围为0.1～0.3mm，L1的取值范围为0.2～0.4mm。
7.根据权利要求1所述的基于CRLH-TL结构的MIMO阵列5G手机天线，其特征在于：所述的接地短接线(11)的长度表示为Ls，宽度表示为Ws，其中，Ls的取值范围为3.2～4.0mm，Ws的取值范围为4.0～6.0mm。
8.根据权利要求1所述的基于CRLH-TL结构的MIMO阵列5G手机天线，其特征在于：所述的交指线(211)长度表示为Lt1，宽度表示为Wt1，交指线(211)间的间距表示为d，其中，Lt1的取值范围为4.5～5.3mm，Wt1的取值范围为0.1～0.2mm，d的取值范围为0.05-0.15mm。
9.根据权利要求1所述的基于CRLH-TL结构的MIMO阵列5G手机天线，其特征在于：所述的矩形金属板(22)长度表示为Lg，宽度表示为Wg，其中，Lg的取值范围为4～8mm，Wg的取值范围为1.8～2.6mm。
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