CN111129713A - 一种5g毫米波双极化天线模组及终端设备 - 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，包括设有第一馈电口和第二馈电口的基体，基体内设有金属地及天线单元组，金属地将基体分隔为第一区域和第二区域，天线单元组包括第一天线单元、贴片天线和探针，贴片天线平行于金属地设置，第一天线单元包括相连的第一枝节和第二枝节，第一枝节沿基体的高度方向设置在第一区域内并位于贴片天线的一侧，第二枝节远离第一枝节的一端位于第二区域内并与第一馈电口导通；探针包括相连的第一部分和第二部分，第二部分沿基体的长度方向设置在第一区域内并位于贴片天线与金属地之间，第一部分远离第二部分的一端位于第二区域内并与第二馈电口导通。该毫米波双极化天线可以在轻薄化终端设备中实现侧向辐射。

Description

一种5G毫米波双极化天线模组及终端设备
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终端设备。
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，可以分为sub-6GHz和毫米波段。其中，毫米波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提高增益并使之具有波束赋形的能力。
技术革新的同时给毫米波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段天线的设计，但是大多数都存在一些问题。例如，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”(专利号：CN208655889)、“一种移动通讯终端四单元毫米波天线系统”(专利号：CN208460981U)和“一种紧凑型宽带毫米波天线”(专利号：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，则需要将这些天线竖直放置于手机侧边，这将限制手机的超薄设计。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”(专利号：CN207517869U)和“一种无线移动终端及天线”(专利号：CN108288757A)中，提出了可以实现端射的天线单元，然而此天线仅为单极化天线。双极化天线具有提高信道容量等优点，因此，在实际应用中，优选使用双极化天线，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，该天线同样不利于手机超超薄化方向发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于37-40GHz频段的毫米波双极化天线及终端设备，该毫米波双极化天线可以在轻薄化的终端设备中实现侧向辐射。
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，包括基体，基体的表面设有第一馈电口和第二馈电口，基体内设有金属地及至少一个天线单元组，金属地将基体分隔为第一区域和第二区域，天线单元组包括第一天线单元和第二天线单元，所述第二天线单元包括贴片天线和探针，贴片天线平行于金属地设置，第一天线单元包括相连的第一枝节和第二枝节，第一枝节沿基体的高度方向设置在第一区域内并位于贴片天线的一侧，第二枝节远离第一枝节的一端位于第二区域内并与第一馈电口导通；探针包括相连的第一部分和第二部分，第二部分沿基体的长度方向设置在第一区域内并位于贴片天线与金属地之间，第一部分远离第二部分的一端位于第二区域内并与第二馈电口导通；所述基体的底面设有与金属地导通的第一地层。
为了解决上述技术问题，本发明还采用以下技术方案：终端设备，包括PCB板，还包括上述5G毫米波双极化天线模组，所述PCB板的至少一侧设有所述5G毫米波双极化天线模组。
本发明的有益效果在于：本发明提供的天线能够实现双极化，天线单元充分地利用了基体的三维空间，放置于终端设备中可以实现侧向辐射，同时，基体占用空间小，不会限制终端设备的超薄化设计；特别适用于5G通信系统的终端设备，能够很好地覆盖n260(37-40GHz)频段。
附图说明
图1为本发明实施例一的终端设备的透视图；
图2为本发明实施例一的终端设备的侧视图；
图3为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组的结构示意图(隐藏基板后)；
图4为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组的俯视图；
图5为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组的剖视图；
图6为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组中的天线单元的部分结构示意图；
图7为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组中的天线单元的s参数图；
图8为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组中的天线单元的辐射方向图(通过第一馈电口激励天线单元)；
图9为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组中的天线单元的辐射方向图(通过第二馈电口激励天线单元)；
图10为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组在终端设备中，38.5GHz时3D辐射方向图(垂直极化扫描角0°时)；
图11为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组在终端设备中，38.5GHz时3D辐射方向图(垂直极化扫描角45°时)；
图12为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组在终端设备中，38.5GHz时3D辐射方向图(水平极化扫描角0°时)；
图13为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组在终端设备中，38.5GHz时3D辐射方向图(水平极化扫描角45°时)；
图14为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组在38.5GHz时，垂直极化0°～45°的扫描方向图；
图15为本发明实施例一的5G毫米波双极化天线模组在38.5GHz时，水平极化0°～45°的扫描方向图；
图16为本发明实施例二的终端设备的结构示意图；
图17为本发明实施例二的5G毫米波双极化天线模组在终端设备中，38.5GHz时3D辐射方向图(水平极化扫描角0°)。
标号说明：
1、PCB板；2、5G毫米波双极化天线模组；3、手机边框；4、缺口；5、基体；6、第一馈电口；7、第二馈电口；8、金属地；9、第一区域；10、第二区域；11、贴片天线；12、第一天线单元；13、探针；14、第一枝节；15、第二枝节；16、第一部分；17、第二部分；18、第三枝节；19、屏蔽地；20、第一地层；21、第二地层；22、数字集成电路芯片；23、射频芯片；24、天线单元组。
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17，一种5G毫米波双极化天线模组2，包括基体5，基体5内设有金属地8及至少一个天线单元组24，金属地8将基体5分隔为第一区域9和第二区域10，所述基体5的底面设有与金属地8导通的第一地层20，第一地层20于第二区域10下方处设有第一馈电口6和第二馈电口7，所述天线单元组24包括第一天线单元12和第二天线单元，所述第二天线单元包括贴片天线11和探针13，贴片天线11平行于金属地8设置，第一天线单元12包括相连的第一枝节14和第二枝节15，第一枝节14沿基体5的高度方向设置在第一区域9内并位于贴片天线11的一侧，第二枝节15穿过金属地8上的通孔，第二枝节15远离第一枝节14的一端位于第二区域10内并与第一馈电口6导通；探针13包括相连的第一部分16和第二部分17，第二部分17沿基体5的长度方向设置在第一区域9内并位于贴片天线11与金属地8之间，第一部分16远离第二部分17的一端位于第二区域10内并与第二馈电口7导通，第一部分16穿过金属地8上的通孔。
本发明的结构原理简述如下：通过第一馈电口6可激励第一天线单元12，使第一天线单元12与金属地8及第一地层20构成开路环天线，从而实现天线的垂直极化；通过第二馈电口7可激励探针13与贴片天线11实现水平极化。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的天线能够实现双极化，天线单元组24充分地利用了基体5的三维空间，放置于终端设备中可以实现侧向辐射，同时，基体5高度小，不会限制终端设备的超薄化设计；特别适用于5G通信系统的终端设备，能够很好地覆盖n260(37-40GHz)频段。
进一步的，第一天线单元12还包括沿基体5长度方向设置的第三枝节18，第一枝节14与第二枝节15通过所述第三枝节18相连。
由上述描述可知，可通过调节第二枝节15与第一地层20的距离、第二枝节15的宽度以及第三枝节18的尺寸来调节天线的阻抗匹配。
进一步的，第二区域10上表面设有与金属地8导通的第二地层21，所述第二区域10远离第一区域9的一端设有导通第一地层20和第二地层21的屏蔽地19。
由上述描述可知，金属地8、屏蔽地19、第一地层20和第二地层21，围成一个金属腔。金属腔内可以根据需要设置不同的电子元器件，例如馈电线、滤波器和开关等。
进一步的，所述基体5的材质为绝缘基材；所述贴片天线11、金属地8和屏蔽地19为金属板或金属网状结构。
由上述描述可知，天线可采用多层电路板或LTCC加工工艺制造，与现有的基于金属边框的设计相比，更便于后续于芯片的集成。贴片天线11、金属地8和屏蔽地19可使用金属网结构以便于加工。金属网结构包括沿基体5高度方向对齐设置的多个金属贴片，相邻的两个金属贴片相导通。
进一步的，所述天线单元组24的数量为多个，多个所述天线单元组24阵列设置。
进一步的，所述第一地层20下方设有数字集成电路芯片22和射频芯片23。
由上述描述可知，射频芯片23为多个天线单元组24馈电。射频芯片23中包含移相器和放大器等原件，其中，移相器的作用是为天线单元组24间提供相位差以实现波束扫描的能力，放大器的作用是补偿移相器的损耗；数字集成电路芯片22的作用是为射频芯片23供电。
终端设备，包括PCB板1，还包括上述5G毫米波双极化天线模组2，所述PCB板1的至少一侧设有所述5G毫米波双极化天线模组2。
实施例一
请参照图1至图15，本发明的实施例一为：结合图1至图3，终端设备，包括PCB板1和5G毫米波双极化天线模组2，所述PCB板1的一侧设有5G毫米波双极化天线模组2；所述终端设备还包括手机边框3，所述PCB板1设于所述手机边框3内，所述手机边框3上设有容置所述5G毫米波双极化天线模组2的一部分的缺口4。
结合图3至图6，5G毫米波双极化天线模组2，包括基体5，基体5内设有金属地8及至少一个天线单元组24，金属地8将基体5分隔为第一区域9和第二区域10，所述基体5的底面设有与金属地8导通的第一地层20，第一地层20位于第二区域10下方处设有第一馈电口6和第二馈电口7，天线单元组24包括第一天线单元12和第二天线单元，所述第二天线单元包括贴片天线11和探针13，贴片天线11平行于金属地8设置，第一天线单元12包括相连的第一枝节14和第二枝节15，第一枝节14沿基体5的高度方向设置在第一区域9内并位于贴片天线11的一侧，第二枝节15远离第一枝节14的一端位于第二区域10内并与第一馈电口6导通；探针13包括相连的第一部分16和第二部分17，第二部分17沿基体5的长度方向设置在第一区域9内并位于贴片天线11与金属地8之间，第一部分16远离第二部分17的一端位于第二区域10内并与第二馈电口7导通，第一部分16穿过金属地8上的通孔。本实施例中，探针13呈L字型。
如图6所示，第一天线单元12还包括沿基体5长度方向设置的第三枝节18，第一枝节14与第二枝节15通过所述第三枝节18相连，第一枝节14与第三枝节18的连接处位于第三枝节18的中部。本实施例中，所述第二枝节15和第三枝节18构成一T字型。
结合图5和图6，基体5为多层结构，可采用多层电路板或LTCC工艺制造，为了便于加工所述贴片天线11可使用网状结构，具体的，所述贴片天线包括沿基体5高度方向对齐设置的多个金属贴片，相邻的两个金属贴片相导通。详细的，所述第二枝节15、第三枝节18、第一部分16和第二部分17分别呈矩形片状，所述第一枝节14呈圆柱状。第二枝节15到基体5底面的距离小于贴片天线11到基体5底面的距离，更具体的，所述第一枝节14与所述第二部分17既可以位于贴片天线11的同侧，也可以位于贴片天线11的异侧(本实施例中，第一枝节14与所述第二部分17位于贴片天线11的异侧)。
为方便加工，所述金属地8呈网状。所述第二区域10远离第一区域9的一端设有呈网状的屏蔽地19，所述屏蔽地19平行于所述金属地8设置。本实施例中，所述第一地层20分别导通所述金属地8及所述屏蔽地19，所述第二区域10的顶部设有分别与金属地8及屏蔽地19导通的第二地层21。如此，可使第二区域10成为一金属腔，在金属腔内可用来进行馈电线、滤波器、开关等的设计，从而减少天线所占用空间，进而使得终端设备进一步轻薄化。而且，在第一地层20、第二地层21、金属地8及屏蔽地19的屏蔽作用下，所述金属腔内的元器件能够不受外界干扰，同时也不会对天线单元组24造成干扰，从而保证了天线的性能。
结合图3和图4，所述天线单元组24的数量为多个，多个所述天线单元组24阵列设置。本实施例中，所述天线单元组24的数量为六个。
如图5所示，进一步的，所述第一地层的下表面上设有数字集成电路芯片22和射频芯片23。射频芯片激励多个天线单元组24；射频芯片23包括移相器和放大器等原件，其中移相器能够为天线单元组24间提供相位差以实现天线波束扫描的能力，放大器能够补偿移相器的损耗，数字集成电路芯片22控制射频芯片23。由此可知，本实施例的天线是能够与射频前端集成的技术方案
本实施例中，5G毫米波双极化天线模组2工作在37-40GHz，采用LTCC工艺，基体5使用介电常数为5.9的介质时，所述基体5由十个单体层叠而成，每个单体的高度均为100um。贴片天线11的沿基体5长度方向的尺寸l1大概为半波长，贴片天线11沿基体5高度的尺寸l2远小于半个波长。当通过第二馈电口7为天线单元组24馈电时，探针13可以激励贴片天线11产生TM01模式实现水平极化。当通过第一馈电口6为天线单元组24馈电时，第一天线单元12与金属地8形成一个开路环天线实现垂直极化(由于l2远小于半个波长，此时第一天线单元12并不会激励此贴片天线11)，此时影响天线单元组24工作频率的关键参数为这个环的周长(如图5中右侧虚线所示的带箭头的环)。第三枝节18离基体5底面的距离、第三枝节18的轮廓尺寸以及第二枝节15的轮廓尺寸用于调节阻抗匹配。对于水平极化而言，影响天线单元组24工作频率的关键参数为l1，同时l2对其也有些许影响，另外，探针13的轮廓尺寸及位置会影响其匹配。探针13的位置影响两个极化的隔离度。
图7至图9给出了该天线单元组24的仿真性能图，在目标工作频段37-40GHz内，驻波损耗S11和S22均小于-10dB且两个端口的隔离S21优于-12dB。该天线单元组24的方向图，定向辐射，且交叉极化良好。
申请人制作了一由六个天线单元组24组成的5G毫米波双极化天线模组2，通过使用移相器使之实现波束的扫描。同时，由于终端设备本身对天线往往也有影响，因此为了更好的评估该5G毫米波双极化天线模组，申请人将该5G毫米波双极化天线模组放置于手机中并仿真了其性能。
如图1所示，本实施例中天线被水平置于手机侧边，并位于PCB主板下方。手机边框3可以是塑料也可以是金属材质。在具体的操作中，手机边框3需要开有相应的缺口4以便把毫米波双极化天线嵌入到手机边框3中。由于本申请的毫米波双极化天线的整体厚度较小(一般小于2mm)，所以不会对手机的厚度产生影响。图10至图13，给出了该毫米波双极化天线在38.5GHz时的3D方向图，从图中可以清楚的看到，该毫米波双极化天线向手机侧向辐射，且具备波束扫描能力。图14和图15给出了该毫米波双极化天线的扫描方向图，从图中可以看出，两个极化在0～45°内，方向图增益稳定，扫描性能良好。
综上，本实施例的毫米波双极化天线适用于5G通信系统的手持设备中，能够很好地覆盖n260(37-40GHz)频段。
实施例二
请参照图16和图17，本发明的实施例二是在实施一的基础上提出的另外一种技术方案，与实施例一的不同之处在于：终端设备中，PCB板1的三侧分别设有前述5G毫米波双极化天线模组2，如此可实现多方位覆盖。
综上所述，本发明所提供的5G毫米波双极化天线模组及终端设备，能够很好的覆盖n260(37-40GHz)频段，天线性能优良；具有双极化的优点，同时天线充分地利用了终端设备的三维空间，放置于终端设备中可以实现侧向辐射且厚度较小；基于多层电路板或LTCC加工工艺，与金属边框设计相比，更便于后续于芯片的集成。
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 (9)

1.一种5G毫米波双极化天线模组，其特征在于：包括基体，基体内设有金属地及至少一个天线单元组，金属地将基体分隔为第一区域和第二区域，所述基体的底面设有与金属地导通的第一地层，第一地层位于第二区域下方处设有第一馈电口和第二馈电口，所述天线单元组包括第一天线单元和第二天线单元，所述第二天线单元包括贴片天线和探针，贴片天线平行于金属地设置，第一天线单元包括相连的第一枝节和第二枝节，第一枝节沿基体的高度方向设置在第一区域内并位于贴片天线的一侧，第二枝节穿过金属地上的通孔，第二枝节远离第一枝节的一端位于第二区域内并与第一馈电口导通；探针包括相连的第一部分和第二部分，第二部分沿基体的长度方向设置在第一区域内并位于贴片天线与金属地之间，第一部分远离第二部分的一端位于第二区域内并与第二馈电口导通；所述基体的底面设有与金属地导通的第一地层。
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：第一天线单元还包括沿基体长度方向设置的第三枝节，第一枝节与第二枝节通过所述第三枝节相连。
3.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：所述基体为多层电路板或低温共烧陶瓷，所述贴片天线为金属片或金属网状结构。
4.根据权利要求3所述的5G毫米波双极化天线模组，其特征在于：所述金属地为金属片或金属网状结构。
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：所述第二区域远离第一区域的一端设有屏蔽地。
6.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：所述第二区域的顶部设有与金属地导通的第二地层。
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：所述基体上设有数字集成电路芯片和射频芯片，射频芯片分别与第一馈电口、第二馈电口及数字集成电路芯片电连接。
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：所述天线单元组的数量为多个，多个所述天线单元组阵列设置。
9.终端设备，包括PCB板，其特征在于：还包括权利要求1-8中任意一项所述的5G毫米波双极化天线模组，所述PCB板的至少一侧设有所述5G毫米波双极化天线模组。
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