CN110416727A - 双极化毫米波天线单元、天线系统及移动终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双极化毫米波天线单元、天线系统及移动终端，双极化毫米波天线单元包括主体、第一馈电枝节、第二馈电枝节和辐射体，辐射体设于主体的顶面，第一馈电枝节设于主体的第一侧面上，第二馈电枝节设于主体的第二侧面上，第一馈电枝节和第二馈电枝节分别连通主体的底面，第一侧面与第二侧面垂直设置，主体的底面设有焊接区。本发明提供的双极化毫米波天线单元具有宽频带、双极化、低旁瓣的优点，特别适用于5G通信；天线单元可以通过表贴工艺表贴在线路板上，适用范围广、组装方便、利于提高天线系统的生产效率，同时能够满足单独测试电路初始幅度相位的需求，降低天线系统性能调试难度。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及双极化毫米波天线单元、天线系统及移动终端。
背景技术
毫米波频段因具有丰富的频谱资源，而被用来作为5G通信系统的部分通信频段。毫米波天线作为通信系统必不可少的部件，在终端应用上面临着许多设计难点。毫米波传播时衰减很大，这使得天线需要采取阵列的形式来提高天线增益；同时为了提高通信系统的吞吐率，人们也提出将在手持设备上使用双极化天线。另外，为了实现天线阵列的波束扫描，天线阵列后端通常需要集成能控制每个天线支路幅度和相位的芯片。为了获得良好的波束扫描性能，则需要知道每个天线单元馈电端的初始幅度和相位，进而通过芯片控制每路的幅度分配和相位差实现波束扫描。一个较为容易得到初始幅度和相位的方法，就是把天线和后端电路分离，测试完电路初始幅度与相位后，再把天线与电路连接上。
公布号为CN109786959A和CN105932409A的中国专利申请公开了一种宽带毫米波天线，但其并不能实现双极化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于5G通信的宽频带双极化毫米波天线单元、天线系统及移动终端。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案一为：双极化毫米波天线单元，包括主体、第一馈电枝节、第二馈电枝节和辐射体，辐射体设于主体的顶面，第一馈电枝节设于主体的第一侧面上，第二馈电枝节设于主体的第二侧面上，第一馈电枝节和第二馈电枝节分别连通主体的底面，第一侧面与第二侧面垂直设置，主体的底面设有焊接区。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案二为：天线系统，包括线路板，还包括上述双极化毫米波天线单元，所述线路板的底面设有接地层，所述线路板的顶面焊接有至少一个所述双极化毫米波天线单元。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案三为：移动终端，包括上述天线系统。
本发明的有益效果在于：天线单元具有宽频带、双极化、低旁瓣的优点，特别适用于5G通信；天线单元可以通过表贴工艺表贴在线路板上，适用范围广、组装方便、利于提高天线系统的生产效率，同时能够满足单独测试电路初始幅度相位的需求，降低天线系统性能调试难度。
附图说明
图1为本发明实施例的天线系统的整体结构的结构示意图；
图2为本发明实施例的天线单元的结构示意图；
图3为本发明实施例的天线单元的爆炸图；
图4为本发明实施例一的天线系统的电路连接关系示意图；
图5为本发明实施例的天线系统中天线单元的S参数图；
图6为本发明实施例的天线系统中天线单元在25GHz处的交叉极化方向图(第一馈电口馈电时)；
图7为本发明实施例的天线系统中天线单元在25GHz处的交叉极化方向图(第二馈电口馈电时)；
图8为本发明实施例的天线系统中天线单元在28GHz处的交叉极化方向图(第一馈电口馈电时)；
图9为本发明实施例的天线系统中天线单元在28GHz处的交叉极化方向图(第二馈电口馈电时)；
图10为本发明实施例的天线系统中天线阵列在25GHz处的3D辐射方向图(所有天线单元第一馈电口馈电时)；
图11为本发明实施例的天线系统中天线阵列在25GHz处的3D辐射方向图(所有天线单元第二馈电口馈电时)；
图12为本发明实施例的天线系统中天线阵列在28GHz处的3D辐射方向图(所有天线单元第一馈电口馈电时)；
图13为本发明实施例的天线系统中天线阵列在28GHz处的3D辐射方向图(所有天线单元第二馈电口馈电时)；
图14为本发明实施例的天线系统在25GHz处xoz平面内沿Theta方向扫描角0°～50°的0度极化方向图；
图15为本发明实施例的天线系统在25GHz处xoz平面内沿Theta方向扫描角0°～50°的90度极化方向图；
图16为本发明实施例的天线系统在28GHz处xoz平面内沿Theta方向扫描角0°～50°的0度极化方向图；
图17为本发明实施例的天线系统在28GHz处xoz平面内沿Theta方向扫描角0°～50°的90度极化方向图；
图18为本发明实施例二的天线系统的电路连接关系示意图。
标号说明：
1、线路板；2、接地层；3、双极化毫米波天线单元；4、主体；5、第一馈电枝节；6、第二馈电枝节；7、辐射体；8、第一贴片；9、第二贴片；10、第一焊盘；11、第三贴片；12、第四贴片；13、第三焊盘；14、第四焊盘；
15、第一馈电口；16、第二馈电口；17、第一隔离区；18、第二隔离区；19、线路；20、双极化幅度相位控制芯片；21、单极化幅度相位控制芯片。
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。
请参照图1至图18，双极化毫米波天线单元，包括主体4、第一馈电枝节5、第二馈电枝节6和辐射体7，辐射体7设于主体4的顶面，第一馈电枝节5设于主体4的第一侧面上，第二馈电枝节6设于主体4的第二侧面上，第一馈电枝节5和第二馈电枝节6分别连通主体4的底面，第一侧面与第二侧面垂直设置，主体4的底面设有焊接区。
本发明的结构/工作原理简述如下：相互垂直的两个侧面上分别设有第一馈电枝节5和第二馈电枝节6，第一、二馈电枝节耦合激励辐射体7即可实现宽频带；第一、二馈电枝节之间具有90°夹角，使得馈电时辐射体7上的电流互相垂直，进而实现双极化。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：天线单元具有宽频带、双极化、低旁瓣的优点，特别适用于5G通信；天线单元可以通过表贴工艺表贴在线路板1上，适用范围广、组装方便、利于提高天线系统的生产效率，同时能够满足单独测试电路初始幅度相位的需求，降低天线系统性能调试难度。
进一步的，所述主体4为呈矩形体状的陶瓷体。
由上述描述可知，第一、二侧面为陶瓷体一组相邻的两个侧面。
进一步的，所述焊接区内设有第一贴片8和第二贴片9，所述第一贴片8呈L字型，第一贴片8与第二贴片9位于所述主体4的底面的一组斜对角上。
由上述描述可知，主体4能够与外部构件(如线路板1)形成稳定的连接，从而提高天线系统的结构稳定性。
进一步的，所述主体4的底面还设有与所述第一馈电枝节5导通的第三贴片11以及与所述第二馈电枝节6导通的第四贴片12。
由上述描述可知，设置第三、四贴片可令天线单元馈电更稳定。
天线系统，包括线路板1，还包括上述双极化毫米波天线单元3，所述线路板1的底面设有接地层2，所述线路板1的顶面焊接有至少一个所述双极化毫米波天线单元3。
由上述描述可知，天线系统至少具有上述双极化毫米波天线单元3的全部有益效果。
进一步的，所述线路板上设有第一焊盘10、第一馈电口15及第二馈电口16，所述第一焊盘10与所述焊接区对应设置并与所述接地层2导通；所述第一馈电口15与所述第一馈电枝节5电连接，第二馈电口16与第二馈电枝节6电连接，所述接地层2上设有第一隔离区17和第二隔离区18，所述第一馈电口15的一端位于第一隔离区17内，第二馈电口16的一端位于第二隔离区18内。
由上述描述可知，第一、二隔离区的设置可以防止出现短路现象。
进一步的，所述线路板上设有多个线路和一个双极化幅度相位控制芯片，所述第一馈电枝节及第二馈电枝节分别通过所述线路与所述双极化幅度相位控制芯片电连接。
进一步的，所述线路板上设有多个线路和两个单极化幅度相位控制芯片，所述第一馈电枝节通过所述线路与一个所述单极化幅度相位控制芯片电连接，所述第二馈电枝节通过所述线路与另一个所述单极化幅度相位控制芯片电连接。
进一步的，各个所述线路的相位相同。
移动终端，包括上述天线系统。
由上述描述可知，移动终端至少具有上述天线系统的全部有益效果。
实施例一
请参照图1至图17，本发明的实施例一为：移动终端，包括天线系统。如图1所示，所述天线系统包括线路板1，所述线路板1的底面设有接地层2，所述线路板1的顶面焊接有至少一个双极化毫米波天线单元3。
请结合图2和图3，所述双极化毫米波天线单元3包括主体4、第一馈电枝节5、第二馈电枝节6和辐射体7，辐射体7设于主体4的顶面，第一馈电枝节5设于主体4的第一侧面上，第二馈电枝节6设于主体4的第二侧面上，第一馈电枝节5和第二馈电枝节6分别连通主体4的底面，第一侧面与第二侧面垂直设置，主体4的底面设有焊接区。可选的，所述主体4为呈矩形体状的陶瓷体。
所述第一馈电枝节5呈I字型或T字型，所述第二馈电枝节6呈I字型或T字型。为降低所述主体4的高度，缩小天线单元的体积，本实施例中，所述第一馈电枝节5和第二馈电枝节6分别呈T字型。所述辐射体7为金属贴片，所述辐射体7呈圆形或正多边形。天线的谐振频率由金属贴片(辐射体7)的大小来确定，面积越大谐振频率越小，反之亦然。T字型馈电枝节的尺寸则决定了天线的匹配，控制竖向枝节的高低和水平枝节的长短可以实现天线的良好阻抗匹配。
如图3所示，所述焊接区内设有第一贴片8和第二贴片9，所述第一贴片8呈L字型，第一贴片8与第二贴片9位于所述主体4的底面的一组斜对角上。所述线路板1的顶面设有第一焊盘10，所述第一焊盘10与所述焊接区对应设置并与所述接地层2导通。详细的，所述第一焊盘10包括与所述第一贴片8对应的L形部以及与所述第二贴片9对应的矩形部，所述L形部和/或所述矩形部上分别设有与所述接地层2导通的第一金属化孔。
为提高天线系统连接和导通的稳定性，所述主体4的底面还设有与所述第一馈电枝节5导通的第三贴片11以及与所述第二馈电枝节6导通的第四贴片12。优选的，所述线路板1的顶面还设有第三焊盘13和第四焊盘14，所述第三焊盘13与第三贴片11焊接，第四焊盘14与第四贴片12焊接。本实施例中，所述第三贴片11和第四贴片12分别呈半圆形，所述第三焊盘13和第四焊盘14分别呈圆形。
请结合2和图3，进一步的，所述线路板1上还设有第一馈电口15及第二馈电口16，所述第一馈电口15与所述第一馈电枝节5电连接，第二馈电口16与第二馈电枝节6电连接，所述接地层2上设有第一隔离区17和第二隔离区18，所述第一馈电口15的一端位于第一隔离区17内，第二馈电口16的一端位于第二隔离区18内。本实施例中，所述第一馈电口15和第二馈电口16分别为设于所述线路板1上的第二金属化孔。由此可知，第三贴片11与第三焊盘13的配合可令第一馈电枝节5稳定馈电，第四贴片12与第四焊盘14的配合可令第二馈电枝节6稳定馈电。
双极化毫米波天线单元3在表贴前，可用仪器测出线路板1上各馈电口的初始相位和幅度，同时还可以单独测试每个天线单元的性能，待两者确认无误，再把天线单元表贴在PCB对应的焊盘上，有效地降低了天线系统的调试难度。
如图4所示，本实施例中，所述线路板1上设有多个线路19和一个双极化幅度相位控制芯片20，所述第一馈电枝节5及第二馈电枝节6分别通过所述线路19与所述双极化幅度相位控制芯片20电连接。双极化幅度相位控制芯片20集成了功分器、低噪声放大器、功率放大器、射频开关等元件，可实现收发双路控制切换。
如图1所示，当线路板1上双极化毫米波天线单元3的数量为多个时，多个双极化毫米波天线单元3可呈至少一排阵列。因此，各个双极化毫米波天线单元3到双极化幅度相位控制芯片20的直线距离会有所不同，本实施例中，通过在线路19上设置弯折部实现让各个线路19的相位相等。在其他实施例中，线路19也可以采用直线的形式，最后通过配置芯片各支路的幅度和相位，使得天线阵列实现波束赋形和波束扫描。
本实施例中，所述线路板1上具有呈一排设置的四个双极化毫米波天线单元3。
定义第一馈电口15馈电时得到的极化为90°极化，第二馈电口16馈电时得到的极化为0°极化，同时激励四个所述第一馈电口15即可得到天线系统90°极化方向图，同理，同时激励四个所述第二馈电口16即可得到天线系统0°极化方向图。
图5为天线系统中天线单元的S参数，图5中S11，S22表示该天线单元两个馈电口的回波损耗，其余的曲线(S21，S32，S31，S41，S42)表示该天线单元与相邻天线单元馈电口之间的隔离度，从图5中可知，天线单元在24.75GHz-28.35GHz之间回波损耗优于-10dB，满足中国5G毫米波规划频段(24.75GHz-27.5GHz)和美国5G毫米波28GHz(27.5GHz-28.35GHz)频段，且整个带宽内天线单元与相邻天线单元之间各端口的隔离度优于-13dB。
图6和图7分别为该天线系统中天线单元在25GHz处两种极化的交叉极化方向图，图8和图9分别为该天线系统中天线单元在28GHz处两种极化的交叉极化方向图，从图6至图9中可以看出在主辐射方向(Theta＝0°)上极化隔离都优于15dB。
图10和图11分别为天线系统在25GHz处的两种极化的3D辐射方向图，图12和图13分别为天线系统在28GHz处的两种极化的3D辐射方向图，从图10至图13可以看出天线的辐射方向为天线正上方。在5G毫米波天线阵列中，波束扫描是一个非常重要的功能。图14、图15、图16和图17分别给出了天线系统0°和90°极化在25GHz和28GHz，XOZ平面内沿Theta(-90°～90°)方向上扫描角0°～50°的方向图。由图可知该天线系统在高扫描角时，依然有着良好的旁瓣比和增益，该天线系统能很好的实现波束扫描功能。
实施例二
请参照图1至图3及图5至图18，本发明的实施例二是在实施例一的基础上对天线阵列与幅度相位控制芯片组成天线系统提出的另一种技术方案，与实施例一的不同之处仅在于：本实施例采用的是单极化幅度相位控制芯片21。具体来说，重点参照图18，所述线路板1上设有多个线路19和两个单极化幅度相位控制芯片21，所述第一馈电枝节5通过所述线路19与一个所述单极化幅度相位控制芯片21电连接，所述第二馈电枝节6通过所述线路19与另一个所述单极化幅度相位控制芯片21电连接。单极化幅度相位控制芯片21为现有芯片，市面上有售，厂商可以直接购买。
可选的，各个所述线路19的相位相同。
综上所述，本发明提供的双极化毫米波天线单元、天线系统及移动终端，具有宽频带、双极化、低旁瓣的优点，特别适用于5G通信；天线单元可以通过表贴工艺表贴在线路板上，适用范围广、组装方便、利于提高天线系统的生产效率，同时能够满足单独测试电路初始幅度相位的需求，降低天线系统性能调试难度。
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 (10)
1.双极化毫米波天线单元，其特征在于：包括主体、第一馈电枝节、第二馈电枝节和辐射体，辐射体设于主体的顶面，第一馈电枝节设于主体的第一侧面上，第二馈电枝节设于主体的第二侧面上，第一馈电枝节和第二馈电枝节分别连通主体的底面，第一侧面与第二侧面垂直设置，主体的底面设有焊接区。
2.根据权利要求1所述的双极化毫米波天线单元，其特征在于：所述主体为呈矩形体状的陶瓷体。
3.根据权利要求2所述的双极化毫米波天线单元，其特征在于：所述焊接区内设有第一贴片和第二贴片，所述第一贴片呈L字型，第一贴片与第二贴片位于所述主体的底面的一组斜对角上。
4.根据权利要求1所述的双极化毫米波天线单元，其特征在于：所述主体的底面还设有与所述第一馈电枝节导通的第三贴片以及与所述第二馈电枝节导通的第四贴片。
5.天线系统，包括线路板，其特征在于：还包括权利要求1-4中任意一项所述的双极化毫米波天线单元，所述线路板的底面设有接地层，所述线路板的顶面焊接有至少一个所述双极化毫米波天线单元。
6.根据权利要求5所述的天线系统，其特征在于：所述线路板上设有第一焊盘、第一馈电口及第二馈电口，所述第一焊盘与所述焊接区对应设置并与所述接地层导通；所述第一馈电口与所述第一馈电枝节电连接，第二馈电口与第二馈电枝节电连接，所述接地层上设有第一隔离区和第二隔离区，所述第一馈电口的一端位于第一隔离区内，第二馈电口的一端位于第二隔离区内。
7.根据权利要求5所述的天线系统，其特征在于：所述线路板上设有多个线路和一个双极化幅度相位控制芯片，所述第一馈电枝节及第二馈电枝节分别通过所述线路与所述双极化幅度相位控制芯片电连接。
8.根据权利要求5所述的天线系统，其特征在于：所述线路板上设有多个线路和两个单极化幅度相位控制芯片，所述第一馈电枝节通过所述线路与一个所述单极化幅度相位控制芯片电连接，所述第二馈电枝节通过所述线路与另一个所述单极化幅度相位控制芯片电连接。
9.根据权利要求7或8所述的天线系统，其特征在于：各个所述线路的相位相同。
10.移动终端，其特征在于：包括权利要求5-9任意一项所述的天线系统。
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