CN111541016A - 一种用于毫米波手机终端的多模式宽带贴片天线阵列 - Google Patents

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Abstract

一种用于毫米波手机终端的多模式宽带贴片天线阵列，属于无线通信和天线技术领域。包括置于介质基板正面的金属矩形贴片、金属U形贴片、金属微带馈线，和置于其背面的金属地板。金属矩形贴片中心设有椭圆形槽，金属U形贴片置于椭圆形槽内。金属U形贴片中心线与金属矩形贴片的中心线重合。金属微带馈线与金属矩形贴片的长边相连，在金属微带馈线和金属矩形贴片连接处的两侧各挖一个矩形凹槽。所述金属微带馈线与外界馈电探针相连，馈电探针用于激励多模式宽带贴片天线。本发明能极大地拓展毫米波天线的带宽；天线阵列剖面低、体积小、而且可集成至手机金属边框和其他移动设备中；基于此得到的毫米波手机天线具有宽频带特性。

Description

一种用于毫米波手机终端的多模式宽带贴片天线阵列
技术领域
本发明属于无线通信和天线技术领域，涉及一种多模式宽频带的毫米波天线阵列，尤其涉及一种用于毫米波手机终端的多模式宽带贴片天线阵列。
背景技术
随着移动通信技术的高速发展，通信数据量不断增大，现有的4G频段的频谱已经无法满足日益增长的通信需求，越来越多的国家开始授权毫米波频段作为下一代通信的重要支撑。在5G毫米波通信的标准中，各国家和地区分配的工作频段有所不同，覆盖了从24GHz-45GHz较宽的范围，因而，宽带的天线成为毫米波通信的重要需求，然而，现有的集成于终端的毫米波天线仅能覆盖3-5GHz的带宽，距离全频段覆盖仍有很大的差距，因而设计小尺寸大带宽的毫米波天线是毫米波通信的重要挑战。
此外，对于手机终端而言，天线的集成度也至关重要。通常，手机基板的上下位置提供给Sub-6GHz天线系统，以保证较稳定的室外通信。因而，毫米波天线的配置不能影响Sub-6GHz天线的性能。与此同时，考虑到毫米波通信的路径损耗以及手机天线的应用场景，高增益和宽扫描角也是非常重要的参数。
本发明通过开槽、加载寄生结构等方式可以实现多种模式的谐振，通过激励多个频率相邻的模式，实现宽带天线。最终将天线阵列集成于手机金属边框，形成集成度高、带宽大、覆盖广的毫米波天线阵列。
发明内容
本发明的目的在于克服毫米波通信天线带宽不足的问题，提出一种多频多模的宽带贴片天线阵列，实现了大带宽、高集成度和高增益的共赢。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于毫米波手机终端的多模式宽带贴片天线阵列，该天线主要包括介质基板1、金属矩形贴片2、金属U形贴片3、金属地板5以及金属微带馈线6。
所述的金属矩形贴片2、金属U形贴片3以及金属微带馈线6置于介质基板1正面，金属地板5置于介质基板1背面。所述金属矩形贴片2为中空结构，中心设有一个椭圆形槽4，金属U形贴片3置于椭圆形槽4内，所述的椭圆形槽4的中心与金属矩形贴片2的中心重合，与矩形槽相比，使用椭圆形槽4后，经过对椭圆形槽4的尺寸调节，也可以改善天线与馈线的阻抗匹配。所述的金属U形贴片3为天线寄生结构，目的是增加天线带宽，其中心线与金属矩形贴片2的中心线重合。所述的金属微带馈线6与金属矩形贴片2的长边相连，金属微带馈线6的中心为长边的中心。在金属微带馈线6和金属矩形贴片2连接处的两侧各挖去一个矩形凹槽，通过调节凹槽的尺寸参数来改变天线的阻抗，进而实现天线与馈线的阻抗匹配。所述金属微带馈线6与外界馈电探针相连，馈电探针用于激励多模式宽带贴片天线。
所述的介质基板1的介电常数是2～5。
本发明的应用为：为提高天线增益，将四个多模式宽带贴片天线单元组成一组1×4的天线阵列，其中，四个多模式宽带贴片天线阵列的排布相同；并将两组天线单元分别集成于手机金属边框的两个长边，通过相控阵实现较大的扫描角。最终设计得到的天线阵列具有工作带宽大、体积小、集成度好的优点。
本发明的工作过程为：外界馈电探针对金属微带馈线6进行馈电，射频信号由金属微带馈线6输入至金属矩形贴片2中，金属矩形贴片2可在29.6GHz工作频段激励起TM20模式；同时部分能量通过电场耦合输入到刻蚀椭圆形槽4以及金属U形贴片3，并分别在34.1GHz、38.1GHz两个工作频率处分别激励起天线的TM21模式和TM12模式。进而使天线辐射，天线在三个频率处的频带宽度分别为27.345-31.966GHz、31.996-35.375GHz、35.375-48.424GHz。通过参数优化，将三个频带重叠为大带宽匹配良好，并有相应重叠部分，覆盖28-49GHz的频带范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明所述的混合模式宽频带天线阵列单元采用金属矩形贴片2、金属U形贴片3两种结构实现三个模式混合，极大地拓展了毫米波天线的带宽；
2)本发明所述的天线阵列剖面低、体积小、而且可集成至手机金属边框和其他移动设备中；
3)基于本发明得到的毫米波手机天线具有宽频带特性。
附图说明
图1是本发明提出的多模式宽带贴片天线单元的主视图；
图2是本发明提出的多模式宽带贴片天线单元的侧视图；
图3是本发明提出的多模式宽带贴片天线单元的反射系数；
图4是本发明提出的多模式宽带贴片天线单元的二维辐射方向图；图4(a)为本发明提出的多模式宽带贴片天线单元在29.6GHz的E面方向图；图4(b)本发明提出的多模式宽带贴片天线单元在29.6GHz的H面方向图；图4(c)本发明提出的多模式宽带贴片天线单元在34.1GHz的E面方向图；图4(d)为发明提出的多模式宽带贴片天线单元在34.1GHz的H面方向图；图4(e)发明提出的多模式宽带贴片天线单元在38.1GHz的E面方向图；图4(f)发明提出的多模式宽带贴片天线单元在38.1GHz的H面的方向图；
图5是本发明中集成于手机的多模式宽带贴片天线阵列的结构示意图；
图6是本发明中集成于手机的多模式宽带贴片天线阵列的反射系数及传输系数；图6(a)为本发明提出的多模式宽带贴片天线阵列的反射系数，图6(b)为本发明提出的多模式宽带贴片天线阵列的传输系数；
图7(a)～(c)是本发明中集成于手机的多模式宽带贴片天线阵列在29.6GHz、34.1GHz和41.8GHz的波束扫描角；图7(a)为天线阵列在29.6GHz是的波束扫描角；图7(b)为天线阵列在34.1GHz是的波束扫描角；图7(c)为天线阵列在41.8GHz是的波束扫描角；
图中：介质基板1、金属矩形贴片2、金属U形贴片3、椭圆形槽4、金属地板5以及金属微带馈线6。
具体实施方式
下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。参见图1、图2，所述的多模式宽带贴片天线单元由介质基板1，金属地板5以及天线辐射单元三大部分组成，其中，天线辐射单元包括金属矩形贴片2、金属U形贴片3、椭圆形槽4、金属微带馈线6。所述的金属矩形贴片2、金属U形贴片3以及金属微带馈线6置于介质基板1正面，金属地板5置于介质基板1背面。所述金属矩形贴片2中心设有椭圆形槽4，金属U形贴片3置于椭圆形槽4内，所述的椭圆形槽4的中心与金属矩形贴片2的中心重合，与矩形槽相比，使用椭圆形槽4后，经过对椭圆形槽4的尺寸调节，可以改善天线与馈线的阻抗匹配。所述的金属U形贴片3为天线寄生结构，目的是增加天线带宽，其中心线与金属矩形贴片2的中心线重合。所述的金属微带馈线6与金属矩形贴片2的长边相连，金属微带馈线6的中心为长边的中心。在金属微带馈线6和金属矩形贴片2连接处的两侧各挖去一个矩形凹槽。
所述的多模式宽带贴片天线单元的整体尺寸为9×6×0.847mm3。金属矩形贴片2的整体尺寸为6.72×4.20×0.03mm3。金属U形贴片3的两只臂长b3为0.9mm，U形底部长a3为1.7mm，U形贴片的宽w3为0.3mm。挖去的椭圆形槽4的长轴长a2为3.19mm，短轴长b2为2.9mm。为了实现阻抗匹配，在金属微带馈线6和金属矩形贴片2连接处的两侧各挖去一个矩形凹槽的长l2、宽w2分别为0.3mm、0.1mm。介质基板1采用介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009，厚度为0.787mm，材质为Rogers RT5880。
对图1、图2所示的天线单元通过金属微带馈线6进行馈电，得到的反射系数如图3所示，从图中看出天线在29.6GHz、34.1GHz、38.1GHz频段都能产生有效谐振，其带宽分别为27.345-31.966GHz、31.996-35.375GHz、35.375-48.424GHz。整个天线单元的-10dB带宽为28-49GHz，实现了大带宽。
图4(a)～(f)为本发明提出的多模式宽带贴片天线在29.6GHz、34.1GHz、38.1GHz处的E面和H面的辐射方向图。
图5是本发明中多模式宽带贴片天线阵列的结构示意图；从图中可以看到四个天线单元以1×4的方式集成于手机长边框的中间位置，手机的整体尺寸为140×70×9mm3。
图6(a)～(b)是本发明提出的集成于手机的多模式宽带贴片天线阵列的反射系数曲线仿真结果，从图中看出天线阵列仍可以保持其-10dB带宽为28-49GHz。位于不同位置的天线反射系数变化不大，天线单元之间的端口隔离度优于15dB。
图7(a)～(c)是本发明提出的集成于手机的多模式宽带贴片天线阵列的波束扫描角图。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于毫米波手机终端的多模式宽带贴片天线阵列，其特征在于，所述的天线主要包括介质基板(1)、金属矩形贴片(2)、金属U形贴片(3)、金属地板(5)以及金属微带馈线(6)；
所述的金属矩形贴片(2)、金属U形贴片(3)以及金属微带馈线(6)置于介质基板(1)正面，金属地板(5)置于介质基板(1)背面；所述金属矩形贴片(2)中心设有一个中空的椭圆形槽(4)，金属U形贴片(3)置于椭圆形槽(4)内，所述的椭圆形槽(4)的中心与金属矩形贴片(2)的中心重合；所述的金属U形贴片(3)为天线寄生结构，用于增加天线带宽，其中心线与金属矩形贴片(2)的中心线重合；所述的金属微带馈线(6)与金属矩形贴片(2)的长边相连，金属微带馈线(6)的中心为长边的中心；在金属微带馈线(6)和金属矩形贴片(2)连接处的两侧各去除一个矩形凹槽，通过调节凹槽的尺寸参数来改变天线的阻抗，进而实现天线与馈线的阻抗匹配；所述金属微带馈线(6)与外界馈电探针相连，馈电探针用于激励多模式宽带贴片天线；
外界馈电探针对金属微带馈线(6)进行馈电，射频信号由金属微带馈线(6)输入至金属矩形贴片(2)中，同时部分能量通过电场耦合输入到刻蚀椭圆形槽(4)以及金属U形贴片(3)，进而使天线辐射，天线三个频带宽度分别为27.345-31.966GHz、31.996-35.375GHz、35.375-48.424GHz；通过参数优化，三个频带覆盖28-49GHz的频带范围。
2.根据权利要求1所述的一种用于毫米波手机终端的多模式宽带贴片天线阵列，其特征在于，所述的介质基板(1)的介电常数是2～5。
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