CN110828973A - 一种与边框分立且低剖面的宽带5g移动终端天线 - Google Patents

Abstract

一种与边框分立且低剖面的宽带5G移动终端天线，属于天线设计领域，包含天线主体、8组差分馈电金属通孔、金属短路通孔、介质板和金属地板，其中天线主体为四个带有缝隙的正方形辐射贴片，每两组差分馈电端口正交分布对辐射贴片馈电，在保证隔离度前提下减少天线所占面积，金属短路通孔增加天线带宽使所述天线覆盖n79频段，所述MIMO8天线位于移动终端后盖，不占用边框空间，无非地板高度，可以与金属边框共存，其在剖面仅为1.2mm条件下，可以覆盖5G通信sub6GHz n79频段，并且占用后盖面积较小，仅为后盖面积一半，符合移动通讯终端天线发展趋势。

Description

一种与边框分立且低剖面的宽带5G移动终端天线

技术领域

本发明属于无线通信技术的天线设计领域，涉及一种应用于移动终端的宽带低剖面5Gsub 6GHz频段MIMO天线。

背景技术

为了满足人们对更高数据率和更稳定数据传输服务的需求，移动通信系统已经经历了第二代(the second generation，2G)移动通信系统和第三代(the thirdgeneration，3G)移动通信系统，目前正在从“长期演进”(long term evolution，LTE)为标志的第四代(the fourth generation，4G)移动通信系统向第五代(the 5th generationwireless systems)移动通信系统迈进。不同移动通信系统所使用的工作频带范围不尽相同，比如2G移动通信系统的全球移动通信系统(GSM850：824-894MHz，GSM900：880-960MHz)、数字蜂窝系统(DCS：1710-1880MHz)和个人通信系统(PCS：1850-1990MHz)，3G移动通信系统的通用移动通信系统(UMTS：1920-2170MHz)，4G移动通信系统的LTE系统(LTE700：704-787MHz，LTE2300：2300-2400MHz，LTE2500：2500-2690MHz)。作为移动终端天线，覆盖全部通信系统所需频带是一种必然要求。而5G移动通信系统sub 6GHz频段(n77:3300MHz-4200MHz，n78:3300MHz-3800MHz，n79:4400MHz-5000 MHz，)的加入，更是为移动终端天线设计提出了更高的技术要求。此外，现如今移动终端具有大屏幕和窄边框的发展趋势，而在5G通信系统中，为了提高数据传输速率，移动终端需要多个天线来进行数据传输(8×8sub 6GHz频段天线，毫米波天线阵列等)，那么在有限的空间内，如何设计将所有天线安置在移动终端内，同样是现今移动终端天线的设计难题。

目前在已有的研究中，5G sub 6GHz频段移动终端天线常用的天线形式为倒F天线(inverted-F antenna，IFA)、单极子天线和槽天线等。对于IFA天线，由于高度有限，IFA天线无法实现很宽的工作带宽，并且很难与金属边框共存，这与目前移动终端的发展趋势相矛盾。例如文献[“Decoupling of Inverted-F Antennas With High-Order Modes ofGround Plane for 5G Mobile MIMO Platform”，Xing Zhao等，《IEEE Transactions onAntennas and Propagation》，第66卷，2018年9月]。对于单级子天线，它需要一定的非地板高度来容纳天线位置，并且虽然它可以与金属边框共存，但是在金属边框不开槽的情况下，单极子天线无法实现较宽的工作带宽。例如文献[“Slot antenna array for fifthgeneration metal frame mobile phone applications”，Daiwei Huang等，《International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering》，第29卷，2019年1月]采用单级子天线形式，在1mm的非地板高度下，实现了3.4-3.6GHz的工作带宽。该天线与金属边框共存且金属边框没有缝隙，但是天线带宽较窄。槽天线常与单极子天线同时应用，例如文献[“Ultra-Wideband 8-Port MIMO Antenna Array for 5G Metal-Frame Smartphones”，Xugang Zhang等，《IEEE Access》，第7卷，2019年5月]，该通过激励起槽天线和单级子天线两个工作模式，天线工作带宽得到增加，可以覆盖3.3-5.925GHz工作频带，但是天线非地板高度很大为3mm，并且需要在金属边框开缝。在文献[“An ExtremelyLow-Profile Wideband MIMO Antenna for 5G Smart-phones”，Daqing Liu等，《IEEETransactions on Antennas and Propagation》，第67卷，2019年4月]中，一种人造磁导体移动终端平面天线被提出，该天线平铺于移动终端后盖上，在不占用边框空间的前提下实现了3.3GHz-3.8GHz的带宽，但是此天线占用面积过大，需要覆盖整个移动终端后盖，并且使用了双层板材，结构复杂。本发明提出一种移动终端用5G MIMO天线，该天线为差分馈电微带贴片天线形式，位于移动终端后盖，不占用边框空间。利用正交极化的分布形式，每两个天线端口共用一个天线辐射贴片，大大降低了8个天线所占空间。此天线为单层板结构，在1.2mm的厚度下覆盖了n79：4400MHz-5000MHz工作频带。

发明内容

本发明的目的是为第五代移动通信系统设计出一种位于移动终端后盖的MIMO微带贴片天线，此天线实现了宽带低剖面、占用空间小、不受移动终端边框影响、无非地板高度的特性，覆盖4400MHz-5000MHz工作频段。

本发明所述的一种MIMO微带贴片天线，其特征在于，含有：天线主体(1)，8组差分馈电金属通孔(2)，金属短路通孔(3)，介质板(4)，以及金属地板(5)，其中：

介质板(4)，长、宽、高度依次为150mm×72mm×1.2mm，

天线主体(1)，由4个金属正方形辐射贴片，简称贴片(1a、1b、1c、1d)沿着水平方向按序号两个一排地上下平行排列；其中每个贴片都是边长为32.6mm的正方形，上下两个或左右相邻的两个所述贴片的中心距离为36mm，上下相邻或左右相邻的两个所述贴片的边界的距离为3.4mm，从而构成两条宽度均为3.4mm的互相垂直交叉的缝隙把四个所述贴片按笛卡尔十字坐标系在空间均匀分布，

在每一个贴片内，也被两条宽度均为1.4mm且互相垂直交叉的缝隙分隔为4个形状面积均相同的小正方形，其中，两条所述互相垂直交叉的缝隙交叉于每个所述贴片的中心，它与所属介质板(4)四边的垂直距离依次为：

对于第一贴片(1a)，贴片中心与介质板(4)左右两条长边的水平距离分别为18mm和54mm，与上下两条宽边的垂直距离分别为57mm和93mm，

对于第二贴片(1b)，贴片中心与左右两条所述长边的水平距离分别为54mm和18mm，与上下两条宽边的垂直距离分别为57mm和93mm，

对于第三贴片(1c)，贴片中心与介质板(4)左右两条长边的水平距离与所述第一贴片(1a)相同，而与上下两条宽边的垂直距离分别为93mm和57mm，

对于第四贴片(1d)，贴片中心与介质板(4)左右两条长边的水平距离与所述第二贴片(1b)相同，与上下两条宽边的垂直距离与所述第三贴片(1c)相同，

8组差分馈电金属通孔(2)，共有标号(2a)-(2p)共16个差分馈电金属通孔，简称金属通孔，每个金属通孔直径均为0.8mm，其中：从第一个金属通孔(2a)起每两个为一组，共组成8组差分馈电端口，每组馈电端口加载有相位差为180°的两个信号进行差分馈电，每两组差分馈电端口对一个辐射贴片馈电，以便利用正交极化的分布方式保持高隔离度，从而实现在狭小空间内容纳8个MIMO天线，两组所述的差分馈电端口沿正方形辐射贴片两条对角线分布，每个金属通孔中心距离所在的辐射贴片中心的距离为6.36mm，

金属地板(5)，在每个所述馈电通孔下面，有1个对应的以馈电端口中心为圆心，直径1.6mm的非金属圆盘，用于隔离所对应的馈电金属通孔和所述金属地板(5)，

金属短路通孔(3)，共有48个直径为0.6mm的短路通孔，在每个所述辐射贴片上的四个小正方形对角线方向均匀分布有3个3.5mm等间距的所述金属短路通孔共12个，在左上角、右下角两个小正方形上，三个所述金属短路通孔沿着两个所述小正方形的右上、左下方向的对角线分布，在右上角、左下角的两个小正方形上，则沿着左上、右下方向对角线分布，各自距离所述的所在辐射贴片中心11mm。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

本发明提出的宽带低剖面MIMO 8天线，位于移动终端后盖，不占用边框空间，无非地板高度，可以与金属边框共存，其在厚度仅为1.2mm条件下，可以覆盖5G通信sub6GHz n79频段，并且占用后盖面积较小，仅为后盖面积一半，符合移动通讯终端天线发展趋势。

附图说明

图1为本发明提供的移动终端用5G MIMO 8天线正面图，单位均为毫米(mm)。

图2为本发明提供的移动终端用5G MIMO 8天线背面图，单位均为毫米(mm)。

图3为本发明提供的移动终端用5G MIMO 8天线侧面图，单位均为毫米(mm)。

图4为MIMO天线单个辐射贴片图，单位均为毫米(mm)。

图5为本发明提供MIMO天线端口仿真反射系数。

图6为本发明提供MIMO天线端口仿真效率。

图7为本发明提供MIMO天线端口仿真增益。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

本发明提出一种位于移动终端后盖的5G MIMO平面微带贴片天线，在不占用边框空间条件下实现了低剖面宽带特性。

如图1所示，为本发明提供的移动终端用5G MIMO天线整体正面示意图，如图2所示，为本发明提供的移动终端用5G MIMO天线整体背面示意图。整个天线包括天线主体(1)、8组差分馈电金属通孔(2)、金属短路通孔(3)、介质板(4)和金属地板(5)。主介质板(4)采用1.2mm厚的FR4环氧树脂板，相对介电常数4.4，损耗角正切为0.02。主介质板(4)的背面为金属地板(5)，用来模拟移动终端中除天线外的其它金属部分。天线主体(1)包括四个辐射贴片(1a、1b、1c、1d)。所述八组差分馈电金属通孔(2)为16个金属通孔，在地板上馈电通孔对应位置有16个非金属圆盘，用来将金属通孔和地板隔离开，在该位置进行馈电。所述金属短路通孔(3)每三个排成一列，将辐射贴片和金属地板相连。如图3所示，为本发明提供的移动终端用5G MIMO天线单个辐射贴片示意图，在辐射贴片横纵中心位置处各有一条缝隙将贴片分割，两组差分馈电端口正交排列，短路通孔每三个一组分为四组，平行于贴片对角线。

本发明的技术方案是这样实现的：通过差分馈电激励短路缝隙贴片，天线可以产生两个谐振模式，保证了天线在低剖面条件下的宽带辐射特性，可以覆盖5G sub6GHz n79频段。由于天线的对称分布形状特性，两个天线极化正交，保证了相当高的隔离度，因此两组差分馈电端口可以共用一个辐射贴片，大大减少了八个天线所占空间。

为了说明本发明是一种在低剖面条件下达到宽带覆盖的天线结构，下面给出一个具体仿真实例。本实例的具体实施尺寸图如图1、图2、图3和图4所示，图中所有尺寸的单位均为毫米(mm)。

以图1、图2、图3和图4所示尺寸制作的天线的反射系数的仿真结果如图5所示，仿真效率如图6所示。由图5和图6可知，该天线的-6dB阻抗带宽为4.38-5.14GHz，在4.25GHz-5.08GHz频段内天线效率大于40％，覆盖n79：4400MHz-5000MHz工作频带。

以图1、图2、图3和图4所示尺寸制作的天线仿真增益结果如图7所示。由图7可知，天线在4400MHz-5000MHz增益为4.1-4.7dBi。

本发明提出的5G MIMO 8天线结构可以在低剖面小面积条件下覆盖sub 6GHzn79：4400MHz-5000MHz工作频段，且天线不占用移动终端边框空间，满足新一代移动通信系统对大屏幕多天线的移动终端天线的设计需求。

Claims (1)

1.一种与边框分立且低剖面的宽带5G移动终端天线，其特征在于，是一种具有单板结构且在1.2mm厚度下就能覆盖4400MHz-5000MHz工作频段的第五代移动通信终端用的MIMO天线，含有：天线主体(1)，8组差分馈电金属通孔(2)，金属短路通孔(3)，介质板(4)，以及金属地板(5)，其中：

介质板(4)，长、宽、高度依次为150mm×72mm×1.2mm，

天线主体(1)，由4个金属正方形辐射贴片，简称贴片(1a、1b、1c、1d)沿着水平方向按序号两个一排地上下平行排列；其中每个贴片都是边长为32.6mm的正方形，上下两个或左右相邻的两个所述贴片的中心距离为36mm，上下相邻或左右相邻的两个所述贴片的边界的距离为3.4mm，从而构成两条宽度均为3.4mm的互相垂直交叉的缝隙把四个所述贴片按笛卡尔十字坐标系在空间均匀分布，

在每一个贴片内，也被两条宽度均为1.4mm且互相垂直交叉的缝隙分隔为4个形状面积均相同的小正方形，其中，两条所述互相垂直交叉的缝隙交叉于每个所述贴片的中心，它与所属介质板(4)四边的垂直距离依次为：

对于第一贴片(1a)，贴片中心与介质板(4)左右两条长边的水平距离分别为18mm和54mm，与上下两条宽边的垂直距离分别为57mm和93mm，

对于第二贴片(1b)，贴片中心与左右两条所述长边的水平距离分别为54mm和18mm，与上下两条宽边的垂直距离分别为57mm和93mm，

对于第三贴片(1c)，贴片中心与介质板(4)左右两条长边的水平距离与所述第一贴片(1a)相同，而与上下两条宽边的垂直距离分别为93mm和57mm，

对于第四贴片(1d)，贴片中心与介质板(4)左右两条长边的水平距离与所述第二贴片(1b)相同，与上下两条宽边的垂直距离与所述第三贴片(1c)相同，

8组差分馈电金属通孔(2)，共有标号(2a)-(2p)共16个差分馈电金属通孔，简称金属通孔，每个金属通孔直径均为0.8mm，其中：从第一个金属通孔(2a)起每两个为一组，共组成8组差分馈电端口，每组馈电端口加载有相位差为180°的两个信号进行差分馈电，每两组差分馈电端口对一个辐射贴片馈电，以便利用正交极化的分布方式保持高隔离度，从而实现在狭小空间内容纳8个MIMO天线，两组所述的差分馈电端口沿正方形辐射贴片两条对角线分布，每个金属通孔中心距离所在的辐射贴片中心的距离为6.36mm，

金属地板(5)，在每个所述馈电通孔下面，有1个对应的以馈电端口中心为圆心，直径1.6mm的非金属圆盘，用于隔离所对应的馈电金属通孔和所述金属地板(5)，

金属短路通孔(3)，共有48个直径为0.6mm的短路通孔，在每个所述辐射贴片上的四个小正方形对角线方向均匀分布有3个3.5mm等间距的所述金属短路通孔共12个，在左上角、右下角两个小正方形上，三个所述金属短路通孔沿着两个所述小正方形的右上、左下方向的对角线分布，在右上角、左下角的两个小正方形上，则沿着左上、右下方向对角线分布，各自距离所述的所在辐射贴片中心11mm。

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