CN111129712A - 5g毫米波双极化天线模组及手持设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种5G毫米波双极化天线模组及手持设备，天线模组包括至少两个天线单元，所述天线单元包括第一水平金属板、第二水平金属板、第一竖直金属板、第二竖直金属板和贴片天线组件，所述第一水平金属板、第二水平金属板、第一竖直金属板和第二竖直金属板之间围成用于容纳电子元器件的金属腔，所述贴片天线组件位于所述第一竖直金属板远离金属腔的一侧，所述贴片天线组件包括依次连接的第一辐射部、第二辐射部和第三辐射部，且所述第一辐射部和第三辐射部均位于所述第二辐射部靠近第一竖直金属板的一侧。天线模组可工作在5G毫米波频段，且具有双极化的特点，应用于手持设备时不会增加手持设备的厚度，利于手持设备朝超薄化方向发展。

Description

5G毫米波双极化天线模组及手持设备
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种5G毫米波双极化天线模组及手持设备。
背景技术
第五代移动通信技术(5G)即将进入商用，根据通信频段，5G可以分为sub-6GHz和毫米波频段。其中，毫米波频段拥有丰富的频谱资源，能够极大地提高通信速率，且具有低延迟的优点。同之前已经广泛应用的低频段相比，由于毫米波传输时路径损耗较大，其传输距离较短，因此需要将多个天线单元组成阵列以提高增益并使之具有波束赋形的能力。
在技术革新的同时也给毫米波频段天线的设计带来了新的挑战。到目前为止，虽然已有一些应用于手持设备的毫米波频段天线的设计，但是大多数都存在一些问题。例如，在中国发明专利(公开号为CN109193133A和CN109193134A)中，提出了一系列在金属边框上设计的天线，然而此结构如何同射频前端集成是个挑战。在中国实用新型专利“基于矩形贴片阵列的5G毫米波手机天线”(公开号为CN208655889U)、“一种移动通讯终端四单元毫米波天线系统”(公开号为CN208460981U)和“一种紧凑型宽带毫米波天线”(公开号为CN207781866U)提出的三种设计都为宽边辐射。若放在手机中想要实现侧向辐射，不得不把天线垂直放置在手机的侧面上，这种放置方式直接影响了手机的厚度。在中国实用新型专利“一种辐射方向可控的端射毫米波天线”(公开号为CN207517869U)和“一种无线移动终端及天线”(公开号为CN108288757A)中，提出了可以实现端射的天线单元，然而此天线为单极化。双极化天线具有提高信道容量等优点，具有更大的优势。高通近期提出了一种基于矩形贴片天线的双极化毫米波天线模组，但是同样地，由于该天线的主要辐射方向垂直于贴片天线的表面，竖直放置于手机侧边，不利于手机朝超薄化方向发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种5G毫米波双极化天线模组及手持设备，可实现侧向辐射，且厚度小。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种5G毫米波双极化天线模组，包括至少两个天线单元，所述天线单元包括第一水平金属板、第二水平金属板、第一竖直金属板、第二竖直金属板和贴片天线组件，所述第一水平金属板、第二水平金属板、第一竖直金属板和第二竖直金属板之间围成用于容纳电子元器件的金属腔，所述贴片天线组件位于所述第一竖直金属板远离金属腔的一侧，所述贴片天线组件包括依次连接的第一辐射部、第二辐射部和第三辐射部，且所述第一辐射部和第三辐射部均位于所述第二辐射部靠近第一竖直金属板的一侧。
进一步的，所述天线单元还包括第一馈电结构和第二馈电结构，所述第一馈电结构的两端分别位于所述第一竖直金属板相对的两侧，所述第二馈电结构的两端分别位于所述第一竖直金属板相对的两侧。
进一步的，所述第一馈电结构包括依次连接的第一竖直部、第一水平部和第二竖直部，所述第一竖直部穿过所述第三辐射部上的通孔，所述第一水平部穿过所述第一竖直金属板上的通孔。
进一步的，所述第二馈电结构包括依次连接的第二水平部、第三水平部和第三竖直部，所述第三水平部穿过所述第一竖直金属板上的通孔，所述第二水平部靠近所述贴片天线组件设置。
进一步的，第一馈电结构的形状可以根据需要进行变换，例如，在第一竖直部远离第一水平部的一端再设置一个第四水平部，也可以将第一竖直部变换为弯折结构。
进一步的，所述第一辐射部和第三辐射部相对于所述第二辐射部对称设置。
进一步的，所述第一辐射部的形状为圆形、矩形或正多边形，所述第二辐射部为金属板或金属网结构。
进一步的，所述第二水平金属板包括第一金属部和第二金属部，所述第一金属部和第二金属部分别位于所述第一竖直金属板相对的两侧，所述贴片天线组件位于所述第一金属部的上方。
进一步的，还包括绝缘基板，所述天线单元设置于所述绝缘基板内。
进一步的，所述5G毫米波双极化天线模组LTCC工艺成型。
进一步的，在第二水平金属板远离第一水平金属板的一侧面上可以集成芯片，为天线单元进行馈电。射频芯片中包含移相器和放大器等元件，移相器可以为天线单元间提供相位差以实现波束扫描的能力，放大器可以补偿移相器的损耗，数字集成电路芯片为射频芯片供电。
本发明采用的另一技术方案为：
一种手持设备，包括所述的5G毫米波双极化天线模组。
本发明的有益效果在于：金属腔内可以根据需要设置不同的电子元器件，包括馈电线、滤波器和开关等结构；贴片天线组件为一个折叠形式的贴片天线，可以实现侧向辐射，厚度小；本发明的天线模组可工作在5G毫米波频段，且具有双极化的特点，应用于手持设备时不会增加手持设备的厚度，利于手持设备朝超薄化方向发展。
附图说明
图1为本发明实施例一的手持设备的整体结构示意图；
图2为本发明实施例一的手持设备的侧视图；
图3为本发明5G毫米波双极化天线模组的侧视图；
图4为本发明5G毫米波双极化天线模组的部分结构示意图；
图5为本发明天线单元的部分结构示意图；
图6为本发明天线单元的俯视图；
图7为本发明天线单元的侧视图；
图8为本发明天线单元的部分结构示意图；
图9为本发明天线单元的另一部分结构示意图；
图10为本发明天线单元的另一部分结构示意图。
图11为传统贴片天线与本发明贴片天线组件的对比结构示意图；
图12为传统贴片天线与本发明贴片天线组件的对比结构示意图(侧视图)；
图13为本发明天线单元在28GHz时的电流分布图(通过第一馈电结构进行馈电)；
图14为本发明天线单元在28GHz时的电流分布图(通过第二馈电结构进行馈电)；
图15为本发明天线单元的S参数图；
图16为本发明天线单元的方向图(通过第一馈电结构进行馈电)；
图17为本发明天线单元的方向图(通过第二馈电结构进行馈电)；
图18为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组在手持设备上的辐射方向图(垂直极化，扫描角为0°时)；
图19为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组在手持设备上的辐射方向图(垂直极化，扫描角为45°时)；
图20为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组在手持设备上的辐射方向图(水平极化，扫描角为0°时)；
图21为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组在手持设备上的辐射方向图(水平极化，扫描角为50°时)；
图22为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组在28GHz时的扫描方向图(垂直极化，扫描角为0～40°时)；
图23本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组在28GHz时的扫描方向图(水平极化，扫描角为0～50°时)；
图24为本发明实施例二的手持设备的整体结构示意图；
图25为本发明实施例二的5G毫米波双极化天线模组在手持设备上的辐射方向图(扫描角为0°时)；
标号说明：
100、手持设备；101、屏幕；102、PCB板；103、5G毫米波双极化天线模组；
1、绝缘基板；2、天线单元；21、第一水平金属板；22、第二水平金属板；221、第一金属部；222、第二金属部；23、第一竖直金属板；24、第二竖直金属板；25、贴片天线组件；251、第一辐射部；252、第二辐射部；253、第三辐射部；26、金属腔；27、射频芯片；28、数字集成电路芯片；29、第一馈电结构；291、第一竖直部；292、第一水平部；293、第二竖直部；294、第四水平部；30、第二馈电结构；301、第二水平部；302、第三水平部；303、第三竖直部；3、传统贴片天线。
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。
本发明最关键的构思在于：贴片天线组件包括依次连接的第一辐射部、第二辐射部和第三辐射部，第一辐射部和第三辐射部位于所述第二辐射部的同一侧，可以实现侧向辐射，厚度小。
请参照图3至图10，一种5G毫米波双极化天线模组103，包括至少两个的天线单元2，所述天线单元2包括第一水平金属板21、第二水平金属板22、第一竖直金属板23、第二竖直金属板24和贴片天线组件25，所述第一水平金属板21、第二水平金属板22、第一竖直金属板23和第二竖直金属板24之间围成用于容纳电子元器件的金属腔26，所述贴片天线组件25位于所述第一竖直金属板23远离金属腔26的一侧，所述贴片天线组件25包括依次连接的第一辐射部251、第二辐射部252和第三辐射部253，且所述第一辐射部251和第三辐射部253均位于所述第二辐射部252靠近第一竖直金属板23的一侧。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：金属腔内可以根据需要设置不同的电子元器件，包括馈电线、滤波器和开关等结构；贴片天线组件为一个折叠形式的贴片天线，可以实现侧向辐射，厚度小；本发明的天线模组可工作在5G毫米波频段，且具有双极化的特点。在第二水平金属板远离第一水平金属板的一侧面上可以集成芯片，为天线单元进行馈电。射频芯片中包含移相器和放大器等元件，移相器可以为天线单元间提供相位差以实现波束扫描的能力，放大器可以补偿移相器的损耗，数字集成电路芯片为射频芯片供电。
进一步的，所述天线单元2还包括第一馈电结构29和第二馈电结构30，所述第一馈电结构29的两端分别位于所述第一竖直金属板23相对的两侧，所述第二馈电结构30的两端分别位于所述第一竖直金属板23相对的两侧。
由上述描述可知，第一馈电结构和第二馈电结构可以为馈电探针，其形状和位置可以根据具体需要进行设置和调整。
进一步的，所述第一馈电结构29包括依次连接的第一竖直部291、第一水平部292和第二竖直部293，所述第一竖直部291穿过所述第三辐射部253上的通孔，所述第一水平部292穿过所述第一竖直金属板23上的通孔。
由上述描述可知，第一竖直金属板上和第三辐射部上需设置相应的通孔供第一竖直部和第一水平部穿过，且第一竖直部与第三辐射部不接触，第一水平部与第一竖直金属板不接触。
进一步的，所述第二馈电结构30包括依次连接的第二水平部301、第三水平部302和第三竖直部303，所述第三水平部302穿过所述第一竖直金属板23上的通孔，所述第二水平部301靠近所述贴片天线组件25设置。
由上述描述可知，第一竖直金属板上需设置相应的通孔供第二水平部穿过，且第一竖直金属板与第二水平部不接触。
进一步的，第一馈电结构29的形状可以根据需要进行变换，例如，在第一竖直部远离第一水平部291的一端再设置一个第四水平部294，也可以将第一竖直部291变换为弯折结构。
进一步的，所述第一辐射部251和第三辐射部253相对于所述第二辐射部252对称设置。
进一步的，所述第一辐射部251的形状为圆形、矩形或正多边形，所述第二辐射部252为金属板或金属网结构。
由上述描述可知，第一辐射部和第三辐射部的形状可以根据需要进行选择。第二辐射部可以采用多层电路板或LTCC技术，使用金属网结构便于加工，金属网结构包括沿绝缘基板高度方向对齐设置的多个金属贴片，相邻的两个金属贴片由金属孔相导通。
进一步的，所述第二水平金属板22包括第一金属部221和第二金属部222，所述第一金属部221和第二金属部222分别位于所述第一竖直金属板23相对的两侧，所述贴片天线组件25位于所述第一金属部221的上方。
进一步的，还包括绝缘基板1，所述天线单元2设置于所述绝缘基板1内。
由上述描述可知，绝缘基板的材质可以根据需要进行选择，可以是陶瓷等。
进一步的，所述5G毫米波双极化天线模组103LTCC工艺成型。
由上述描述可知，当采取LTCC工艺成型时，第二辐射部、第一竖直金属板和第二竖直金属板可采用网状结构便于加工，天线模组也可以采用多层电路板结构。
请参照图1及图2，本发明涉及的另一技术方案为：
一种手持设备100，包括所述的5G毫米波双极化天线模组103。
由上述描述可知，将天线模组应用于手持设备时不会增加手持设备的厚度，利于手持设备朝超薄化方向发展，天线模组可以设置在手持设备的长边或短边上，手持设备可以为手机。
实施例一
请参照图1至图23，本发明的实施例一为：
一种手持设备100，如图1和图2所示，包括屏幕101、PCB板102和5G毫米波双极化天线模组103，所述5G毫米波双极化天线模组103设置于所述PCB板102远离屏幕101的一侧面上，且位于PCB板102的长边上。当然，5G毫米波双极化天线模组103的位置和数目可以根据需要进行选择，所述手持设备100可以为手机。
如图3至图7所示，所述5G毫米波双极化天线模组103包括绝缘基板1和至少两个的天线单元2，所述天线单元2设置于所述绝缘基板1内，绝缘基板1的材质可以根据需要进行选择，例如可以是陶瓷等，如采用介电常数为5.9的材质，基于LTCC工艺加工，选用100um的层厚，在28GHz，该5G毫米波双极化天线模组103需要12层，总体厚度约为1.2mm。天线单元2的数目可以根据需要进行设置，例如可以是四个。所述天线单元2包括第一水平金属板21、第二水平金属板22、第一竖直金属板23、第二竖直金属板24和贴片天线组件25，所述第一水平金属板21、第二水平金属板22、第一竖直金属板23和第二竖直金属板24之间围成用于容纳电子元器件的金属腔26，本实施例中，优选第一水平金属板21相对于第二水平金属板22平行设置，所述第一竖直金属板23相对于第二竖直金属板24平行设置，其中，基于加工需要，第一竖直金属板23和第二竖直金属板24可以采用金属网结构，金属网结构包括沿绝缘基板1高度方向对齐设置的多个金属贴片，相邻层的两个金属贴片由金属孔相导通，金属孔直径可以根据需要进行设置，例如在28GHz，直径可以是几百个微米金属孔与金属孔之间距离通常采用两倍左右的金属孔直径。在金属腔26内，可以设置馈电线、滤波器和开关等电子元器件，在第二水平金属板22远离第一水平金属板21的一侧面上可以集成射频芯片27，为天线单元2进行馈电，该射频芯片27中包含移相器和放大器等元件，移相器可以为天线单元2间提供相位差以实现波束扫描的能力，放大器可以补偿移相器的损耗，数字集成电路芯片28为射频芯片27供电。所述贴片天线组件25位于所述第一竖直金属板23远离金属腔26的一侧，所述贴片天线组件25包括依次连接的第一辐射部251、第二辐射部252和第三辐射部253，且所述第一辐射部251和第三辐射部253均位于所述第二辐射部252靠近第一竖直金属板23的一侧。所述第一辐射部251与第二辐射部252之间的夹角以及所述第三辐射部253与第二辐射部252之间的夹角可以根据需要进行设置，为了便于加工，可以都为90°。所述第一辐射部251和第三辐射部253相对于所述第二辐射部252对称设置，所述第一辐射部251和第三辐射部253的形状为圆形、矩形或正多边形，所述第二辐射部252可以为金属网结构，当然也可以采用金属片的形式，如使用多层电路板或基于LTCC工艺加工，当采用金属网结构时，金属网结构包括沿绝缘基板1高度方向对齐设置的多个金属贴片，相邻层的两个金属贴片由金属孔相导通。所述第二水平金属板22包括第一金属部221和第二金属部222，所述第一金属部221和第二金属部222分别位于所述第一竖直金属板23相对的两侧，所述贴片天线组件25位于所述第一金属部221的上方。所述天线单元2还包括第一馈电结构29和第二馈电结构30，所述第一馈电结构29的两端分别位于所述第一竖直金属板23相对的两侧，所述第二馈电结构30的两端分别位于所述第一竖直金属板23相对的两侧。本实施例中，所述第一馈电结构29包括依次连接的第一竖直部291、第一水平部292和第二竖直部293，所述第一竖直部291穿过所述第三辐射部253上的通孔，所述第一水平部292穿过所述第一竖直金属板23上的通孔，即第一竖直部291远离第二竖直部293的一端位于贴片天线组件25的内部。所述第二馈电结构30包括依次连接的第二水平部301、第三水平部302和第三竖直部303，所述第三水平部302穿过所述第一竖直金属板23上的通孔，所述第二水平部301靠近所述贴片天线组件25设置，。本实施例中，所述第一馈电结构29和第二馈电结构30均为馈电探针，其形状和位置还可以根据需要进行调整。
如图6和图7所示，l1、l2和l3的尺寸将会影响5G毫米波双极化天线模组103的工作频率，本实施例中，为了实现28GHz的5G传输，当绝缘基板采用介电常数为5.9的材质时，优选的，l1的尺寸大小约为1.7mm，2倍的l2加上l3的尺寸大小约为1.8mm。
本实施例中，第一馈电结构的形状可以根据需要进行变换，例如，图8和图9中，在第一竖直部291远离第一水平部292的一端再设置一个第四水平部294，也可以将第一竖直部291变换为弯折结构，如图10所示。
图11和图12为传统贴片天线3与本实施例的贴片天线组件25的对比示意图，两者的最大辐射方向均为z轴方向，当放置在手机中且实现侧向辐射时，x轴上的尺寸为影响手机厚度的因素之一。传统贴片天线3在x轴方向上的尺寸较大，不利于手机的超薄设计，而本实施例的贴片天线组件25可以大大减小其在x轴方向上的尺寸，利于手机的超薄设计。
图13和图14分别为通过第一馈电结构和第二馈电结构进行馈电的电流分布图，从图中可以看出，当通过第一馈电结构进行馈电激励时，电流集中在左右两个侧边，且主要沿x轴方向，呈现典型的TM10模式，即通过第一馈电结构进行馈电可以实现垂直极化；当通过第二馈电结构进行馈电激励时，电流集中在上下边缘，且沿着y轴方向表现为中间强两边弱，为典型的TM01模式，即通过第二馈电结构进行馈电可以实现水平极化。
图15为天线单元的S参数图，从图中可以看出，驻波损耗在28GHz频段小于-10dB，且两个馈电端口间隔离度大于16dB。
图16和图17为天线单元的方向图，从图中可以看出，该天线单元可实现定向辐射，且交叉极化良好。
图18至图21为5G毫米波双极化天线模组在手持设备上的辐射方向图(28GHz)，从图中可以看出，本实施例的5G毫米波双极化天线模组可以实现手机侧向辐射，且具备波束扫描能力。
图22至图23为5G毫米波双极化天线模组的扫描性能，从图中可以看出，垂直极化在0～±40°内，水平极化在0～±50°内，方向图增益稳定，扫描性能良好。
实施例二
请参照图24至图25，本发明的实施例二为：一种手持设备100，与实施例一的不同之处在于：如图24所示，5G毫米波双极化天线模组103的数目为三个，其中两个设置在手持设备100的长边上，一个设置在手持设备100的短边上。图25为5G毫米波双极化天线模组在手持设备上的辐射方向图，从图中可以看出，三组天线模组分别置于手机三个侧边从而可以实现多方位覆盖。
综上所述，本发明提供的一种5G毫米波双极化天线模组及手持设备，5G毫米波双极化天线模组具有双极化的有限，可以很好地实现侧向辐射，且厚度较小，利于手持设备朝超薄化方向发展，且天线模组可采用多层电路板或基于LTCC工艺成型，便于后续芯片的集成。
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)

1.一种5G毫米波双极化天线模组，包括至少两个的天线单元，其特征在于，所述天线单元包括第一水平金属板、第二水平金属板、第一竖直金属板、第二竖直金属板和贴片天线组件，所述第一水平金属板、第二水平金属板、第一竖直金属板和第二竖直金属板之间围成用于容纳电子元器件的金属腔，所述贴片天线组件位于所述第一竖直金属板远离金属腔的一侧，所述贴片天线组件包括依次连接的第一辐射部、第二辐射部和第三辐射部，且所述第一辐射部和第三辐射部均位于所述第二辐射部靠近第一竖直金属板的一侧。
2.根据权利要求1所述的5G毫米波双极化天线模组，其特征在于，所述天线单元还包括第一馈电结构和第二馈电结构，所述第一馈电结构的两端分别位于所述第一竖直金属板相对的两侧，所述第二馈电结构的两端分别位于所述第一竖直金属板相对的两侧。
3.根据权利要求2所述的5G毫米波双极化天线模组，其特征在于，所述第一馈电结构包括依次连接的第一竖直部、第一水平部和第二竖直部，所述第一竖直部穿过所述第三辐射部上的通孔，所述第一水平部穿过所述第一竖直金属板上的通孔。
4.根据权利要求2所述的5G毫米波双极化天线模组，其特征在于，所述第二馈电结构包括依次连接的第二水平部、第三水平部和第三竖直部，所述第三水平部穿过所述第一竖直金属板上的通孔，所述第二水平部靠近所述贴片天线组件设置。
5.根据权利要求1所述的5G毫米波双极化天线模组，其特征在于，所述第一辐射部和第三辐射部相对于所述第二辐射部对称设置。
6.根据权利要求5所述的5G毫米波双极化天线模组，其特征在于，所述第一辐射部的形状为圆形、矩形或正多边形，所述第二辐射部为金属板或金属网结构。
7.根据权利要求1所述的5G毫米波双极化天线模组，其特征在于，所述第二水平金属板包括第一金属部和第二金属部，所述第一金属部和第二金属部分别位于所述第一竖直金属板相对的两侧，所述贴片天线组件位于所述第一金属部的上方。
8.根据权利要求1所述的5G毫米波双极化天线模组，其特征在于，还包括绝缘基板，所述天线单元设置于所述绝缘基板内。
9.根据权利要求1所述的5G毫米波双极化天线模组，其特征在于，所述5G毫米波双极化天线模组LTCC工艺成型。
10.一种手持设备，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的5G毫米波双极化天线模组。
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