CN111916897A - 用于5g的小型化多频段天线、通信模块及终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于5G的小型化多频段天线、通信模块及终端，涉及无线通信技术领域。该天线介质基板的第一面的第一端设置有第一辐射单元，介质基板的第一面的第二端设置有馈电点，第一辐射单元通过微带馈线与馈电点连接，第一辐射单元用于使信号产生谐振，激励出多次谐振模；介质基板的第二面的第一端设置有第二辐射单元，介质基板的第二面的第二端设置有接地板，第二辐射单元与接地板连接，第二辐射单元用于对第一辐射单元进行耦合。本发明具有天线体积小、覆盖频段多、辐射性能优良的优点，能够覆盖目前主流的多种5G通信频段，并覆盖2G/3G/4G通信系统要求的频段范围，为未来兼容多种复杂通信模式提供可靠保证。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种用于5G的小型化多频段天线、通信模块及终端。
背景技术
近年来，随着移动通信技术不断的飞速发展以及人们对高速率、稳定的通信质量以及多种复杂应用场景的迫切需求，5G通信已逐渐成为各国移动通信行业的研究热点。5G无线通信系统使用的频段为6GHz以下和6GHz以上的毫米波段，3.5GHz和28GHz作为6GHz以下和6GHz以上的毫米波的主要5G频段。
然而，在未来相当长的一段时间内，2G/3G/4/5G移动通信系统将长期共存，对于移动终端来说，需要覆盖的频段越来越多，天线的设计也越发困难。实现手机天线的小型化、宽频带，已成为通信领域的一大研究热点。
目前的5G天线为了实现多频特性，通常采用两个不同长度的金属枝节条带，在一个枝节上加载一个L形谐振枝节，并将三个枝节进行折叠，使天线具有多频特性，但这种结构的天线尺寸较大，不易于集成，只是简单通过改变枝节长度改变工作频段，加工过程容易产生误差，无法满足5G天线小型化、多频段、辐射性能优良的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于5G的小型化多频段天线、通信模块及终端。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种用于5G的小型化多频段天线，包括：介质基板、接地板、微带馈线、馈电点、第一辐射单元和第二辐射单元，其中：
所述介质基板的第一面的第一端设置有所述第一辐射单元，所述介质基板的第一面的第二端设置有馈电点，所述第一辐射单元通过所述微带馈线与所述馈电点连接，所述第一辐射单元用于使信号产生谐振，激励出多次谐振模；
所述介质基板的第二面的第一端设置有第二辐射单元，所述介质基板的第二面的第二端设置有接地板，所述第二辐射单元与所述接地板连接，所述第二辐射单元用于对所述第一辐射单元进行耦合；
其中，所述第一辐射单元在所述介质基板的投影和所述第二辐射单元在所述介质基板的投影不重叠。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种5G通信模块，包括：如上述技术方案所述的用于5G的小型化多频段天线。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种5G终端，包括：如上述技术方案所述的用于5G的小型化多频段天线。
本发明的有益效果是：本发明提供的小型化多频段天线，在介质基板的正面和反面分别设置辐射单元，信号发射时，通过微带馈线馈电，信号通过第一辐射单元形成谐振，完成信号的辐射，信号接收时，信号工作流程与发射相反，从而可以通过对第一辐射单元结构的设计实现较宽的工作带宽，并在不影响第一辐射单元的前提下，通过第二辐射单元从馈电微带馈线耦合能量，从而形成低频段的谐振辐射，使得天线的工作频带可以覆盖更多的频段。
此外，双面结构可有效减少实际应用情况下有其他结构和环境等因素带来的影响，有效的保证天线性能。本发明具有天线体积小、覆盖频段多、辐射性能优良的优点，能够覆盖目前主流的多种5G通信频段，并覆盖2G/3G/4G通信系统要求的频段范围，为未来兼容多种复杂通信模式提供可靠保证。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明小型化多频段天线的实施例提供的天线结构示意图；
图2为本发明小型化多频段天线的实施例提供的天线优选尺寸示意图；
图3为本发明小型化多频段天线的实施例提供的第一辐射单元结构示意图；
图4为本发明小型化多频段天线的实施例提供的第二辐射单元和第三辐射单元结构示意图；
图5为本发明小型化多频段天线的实施例提供的回波损耗S参数示意图；
图6为本发明小型化多频段天线的实施例提供的天线在不同频点处的辐射方向示意图；
图7为本发明小型化多频段天线的实施例提供的天线在不同频点处的电流分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为本发明小型化多频段天线的实施例提供的天线结构示意图，该天线具有体积小、覆盖频段多、辐射性能优良的优点，能够覆盖2G/3G/4G/5G通信系统要求的频段范围，尤其适用于5G通信系统和5G通信终端，如5G手机、5G平板电脑等，该天线包括：介质基板1、接地板2、微带馈线4、馈电点7、第一辐射单元3和第二辐射单元5，其中：
介质基板1的第一面的第一端设置有第一辐射单元3，介质基板1的第一面的第二端设置有馈电点7，第一辐射单元3通过微带馈线4与馈电点7连接，第一辐射单元3用于使信号产生谐振，激励出多次谐振模；
介质基板1的第二面的第一端设置有第二辐射单元5，介质基板1的第二面的第二端设置有接地板2，第二辐射单元5与接地板2连接，第二辐射单元5用于对第一辐射单元3进行耦合；
其中，第一辐射单元3在介质基板1的投影和第二辐射单元5在介质基板1的投影不重叠。
应理解，为了保证良好的辐射效果，投影不重叠指的是沿着与介质基板1垂直的方向分别做第一辐射单元3在介质基板1的投影，以及第二辐射单元5在介质基板1的投影，二者的投影的天线部分不重叠，即对于介质基板1上任意区域的第一面和第二面的相同位置处，不会同时存在第一辐射单元3的天线和第二辐射单元5的天线，这是为了防止天线的信号串扰，应理解，辐射单元的天线是通过枝节连接的，而两个辐射单元的枝节在介质基板1上的垂直投影可能重叠。
需要说明的是，由于第一辐射单元3设置在介质基板1的正面，第二辐射单元5和接地板2设置在介质基板1的背面，为了显示清楚，对图1中的介质基板1进行了透视处理，以清楚地显示第一辐射单元3和第二辐射单元5，图1并不代表第一辐射单元3和第二辐射单元5处于介质基板1的同一面。
可选地，如图2所示，介质基板1可以为矩形，图中的数值表示长度，单位为mm，那么介质基板1的厚度可以为0.7～0.9mm，优选为0.8mm，尺寸可以为75mmx140mmx0.8 mm，这样的尺寸能够满足大部分终端的小型化需求，材料可以采用FR4(聚四氟乙烯)，相对介电常数为4.3～4.5，损耗角正切为0.015-0.025。
可选地，接地板2可以选择金属接地板，以保证良好的导电性能。
可选地，如图2所示，接地板2可以为矩形，为了保证良好的接地性能，接地板2可以与介质基板1的大半部分重叠，其尺寸可以为75mmx132mm，以覆盖除辐射单元区域外的其他区域，从而较好的提升天线的整体工作性能。
可选地，本发明采用微带线馈电的方式，微带馈线4可以为50Ω微带线，不需要设计阻抗匹配器就能与50Ω阻抗达成匹配，通过采用微带线馈电，可以便于实现小型化以及与其他设备集成。
可选地，微带线可以为矩形，尺寸可以是132mmx2mm。
应理解，为了使第一辐射单元3能够激励出多次谐振模，可以采用单极子辐射单元，单极子结构能够使天线具有良好的全向辐射性能，而第一辐射单元3和第二辐射单元5的具体结构可以采用常规的设计实现。
下面结合仿真对本发明的应用效果做进一步的描述。
基于商业仿真软件HFSS15.0对上述实施例的天线回波损耗S11参数进行仿真计算，结果如图5所示，横坐标为频率，纵坐标为分贝。
基于商业仿真软件HFSS15.0对上述实施例的天线方向图进行仿真计算，结果如图6所示。
基于商业仿真软件HFSS15.0对上述实施例的天线表面电流分布进行仿真计算，结果如7图所示。
参照图5提供的回波损耗曲线，从图中看出天线在0.49GHz～0.978GHz、1.6GHz～2.7GHz、3.15GHz～3.972GHz、4.845GHz～5.378GHz和5.675GHz～5.885GHz频段内回波损耗小于-6dB，又因为3.3GHz-3.6GHz和4.8GHz-5.0G Hz频段内回波损耗小于-6dB，这使得天线能够有效地工作在5G频段。天线可覆盖LTE700、GSM850、GSM900、DCS、CS、UMTS、LTE2300、LTE2500、LTE3400(3400-3800MHz)、WiMAX3.5GHz(3400—3650MHz)、WLAN5.2GHz和WLAN5.8GHz等多个频段，且高低频均满足设计指标要求，符合5G通信标准。
参照图6提供的本实施例天线在0.8GHz、2.6GHz、3.5GHz和4.9GHz时对应的该天线的方向图，图6中E/H指电场或磁场，从图6中可以看出本实施例的天线辐射方向图在H面和E面具有良好的方向性。从图6中可以看出，在低频段800MHz时，其方向图在垂直面具有良好全向的辐射特性，类似于半波偶极子的辐射特性。随着频率的升高，天线的辐射特性发生改变。在高频段2600MHz、3500MHz和4900MHz时，会产生高次模激励，使得天线某一方向的辐射强度增加，但是在垂直面方向仍然具有最大辐射特性，所以相比低频部分，高频段最大辐射方向的增益会增加。总体来看，此天线辐射特性表现较好，能够满足移动通信的要求。
参照图7是天线工作在800MHz时的表面电流分布图，以第一辐射单元3采用L形单极子天线和非对称的S形枝节结构，第二辐射单元5采用矩形结构和U形结构为例，电流主要分布在耦合接地U型枝节以及L形单极子上。参照图7(b)是天线工作在2600MHz时的表面电流分布图，耦合接地枝节上的电流主要分布在折叠L枝节上，说明了折叠枝节引入了新的谐振点，影响天线的谐振特性。参照图7(a)到(d)的电流分布可知，随着频率的增加，单极子天线S型枝节所带来的影响越来越显著。
本实施例提供的小型化多频段天线，在介质基板1的正面和反面分别设置辐射单元，信号发射时，通过微带馈线4馈电，信号通过第一辐射单元3形成谐振，完成信号的辐射，信号接收时，信号工作流程与发射相反，从而可以通过对第一辐射单元3结构的设计实现较宽的工作带宽，并在不影响第一辐射单元3的前提下，通过第二辐射单元5从馈电微带馈线4耦合能量，从而形成低频段的谐振辐射，使得天线的工作频带可以覆盖更多的频段。
此外，双面结构可有效减少实际应用情况下有其他结构和环境等因素带来的影响，有效的保证天线性能。本发明具有天线体积小、覆盖频段多、辐射性能优良的优点，能够覆盖目前主流的多种5G通信频段，并覆盖2G/3G/4G通信系统要求的频段范围，为未来兼容多种复杂通信模式提供可靠保证。
可选地，在一些可能的实施方式中，如图3所示，第一辐射单元3包括：L形单极子天线31和非对称的S形枝节32，L形单极子天线31的一端通过微带馈线4与馈电点7连接，S形枝节32的一端连接在L形单极子天线31的第一段上。
其中，L形单极子天线31为主辐射天线，信号发射时，通过微带线馈电，主辐射天线通过与非对称S型结构耦合，信号在主辐射天线上形成谐振，激励其同相表面电流，完成信号的辐射。信号接收时，信号工作流程与发射相反，不再赘述。
天线的第一辐射单元3主体采用单极子天线，从而便于实现较宽的工作带宽。单极子天线右侧采用矩形结构与非对称S型枝节结构，进一步拓展其工作频带，实现3.15GHz-3.972GHz、4.845GHz-5.378GHz和5.675GHz-5.885GHz的宽频带工作。
可选地，在一些可能的实施方式中，如图3所示，L形单极子天线31的第二段与介质基板1的第一端的所在边平行，L形单极子天线31的第一段指向介质基板1的第二端。
可选地，在一些可能的实施方式中，如图3所示，S形枝节32远离L形单极子天线31的突出部为矩形33，S形枝节32靠近L形单极子天线31的突出部伸出一个突出枝节35，向L形单极子天线31的方向延伸。
可选地，该矩形33的尺寸可以为4mmx5mm，突出枝节35的宽度与S形枝节32的宽度相同，长度可以根据实际需求设置，超过L形单极子天线31的第一段即可。
可选地，在一些可能的实施方式中，如图3所示，S形枝节32的另一端向着介质基板1的第二端的方向延伸，形成突出部34。
可选地，突出部34的长度可以为4mm。
可选地，在一些可能的实施方式中，如图4所示，第二辐射单元5包括：矩形结构51和U形结构52，矩形结构51与介质基板1的第一端的所在边平行；
U形结构52的一端通过第一连接部与矩形结构51连接，U形结构的另一端通过第二连接部与接地板2连接。
在高频时，平面L型单极子天线与非对称S型枝节起到谐振作用激励出多次谐振模。在低频时，由矩形结构51和U形结构52组成的第二辐射体对平面单极子天线起耦合作用。
可选地，U形结构的长度可以为7.7mm，宽度可以为0.5mm，U形结构接地臂的缝隙宽度可以为0.5mm。
该天线的接地臂，在辐射的同时可与天线背面的阻抗匹配部分进行耦合，有效提高天线带宽和调节天线阻抗。
通过在天线背面加入双分支矩形结构51与U型结构52辐射体，其在不影响第一辐射单元3的单极子主辐射体的前提下，通过从馈电微带馈线4耦合能量，进一步形成低频段的谐振辐射，使得天线的工作频带可以覆盖0.49GHz-0.978GHz、1.6GHz-2.7GHz。这样，通过第一辐射单元3和第二辐射单元5的配合，天线的工作频带就完全可以覆盖2G/3G/4G/5G通信系统要求的频段范围。
可选地，在一些可能的实施方式中，如图1和图4所示，介质基板1的第一面的第一端还设置有第三辐射单元6，第三辐射单元6包括3块长条形结构，3块长条形结构依次首尾相连构成U形，设置在介质基板1的第一端的边缘，围住第一辐射单元3，第三辐射单元6用于调节天线的特性阻抗，增加谐振模式。
可选地，如图4所示，3块长条形结构可以设置于介质板顶部，分别为上、左、右三个部分，可以采用厚度为0.15mm的矩形折叠铜板，尺寸可以为75mm×5mm，6mm×5mm和4mm×5mm。
可选地，在一些可能的实施方式中，天线的工作频段为0.49GHz～0.978GHz、1.6GHz～2.7GHz、3.15GHz～3.972GHz、4.845GHz～5.378GHz和5.675GHz～5.885GHz中的至少一个频段。
可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。
通过采用上述结构的辐射单元，使得本发明天线结构紧凑，能够有效节约安装空间，具有体积小、结构简单、工作频段宽的优点，能够适用于5G系统，同时便于调节天线的阻抗，更好地优化天线的谐振和带宽，提高天线的效率。并且本发明天线设计为非对称单极子结构，单极子结构是天线具有良好的全向辐射性能，非对称结构可使单极子天线具有更多的频点和更宽的带宽，且只会对性能产生小的影响，双面结构可有效减少实际应用情况下有其他结构和环境等因素带来的影响，有效的保证天线性能。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种5G通信模块，包括：如上述任意实施方式公开的用于5G的小型化多频段天线。
应理解，5G通信模块可以理解为包含上述天线的芯片、电路或集成的单元模块等。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种5G终端，包括：如上述任意实施方式公开的用于5G的小型化多频段天线。
应理解，5G终端可以为支持5G通信的手机、计算机、平板电脑、工业计算机、传感器等终端。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，在本发明的描述中，“第一”、“第二”等描述语仅作区分用，不应理解为指示或暗示相对重要性。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于5G的小型化多频段天线，其特征在于，包括：介质基板、接地板、微带馈线、馈电点、第一辐射单元和第二辐射单元，其中：
所述介质基板的第一面的第一端设置有所述第一辐射单元，所述介质基板的第一面的第二端设置有馈电点，所述第一辐射单元通过所述微带馈线与所述馈电点连接，所述第一辐射单元用于使信号产生谐振，激励出多次谐振模；
所述介质基板的第二面的第一端设置有第二辐射单元，所述介质基板的第二面的第二端设置有接地板，所述第二辐射单元与所述接地板连接，所述第二辐射单元用于对所述第一辐射单元进行耦合；
其中，所述第一辐射单元在所述介质基板的投影和所述第二辐射单元在所述介质基板的投影不重叠。
2.根据权利要求1所述的用于5G的小型化多频段天线，其特征在于，所述第一辐射单元包括：L形单极子天线和非对称的S形枝节，所述L形单极子天线的一端通过所述微带馈线与所述馈电点连接，所述S形枝节的一端连接在所述L形单极子天线的第一段上。
3.根据权利要求2所述的用于5G的小型化多频段天线，其特征在于，所述L形单极子天线的第二段与所述介质基板的第一端的所在边平行，所述L形单极子天线的第一段指向所述介质基板的第二端。
4.根据权利要求2所述的用于5G的小型化多频段天线，其特征在于，所述S形枝节远离所述L形单极子天线的突出部为矩形，所述S形枝节靠近所述L形单极子天线的突出部伸出一个突出枝节，向所述L形单极子天线的方向延伸。
5.根据权利要求2所述的用于5G的小型化多频段天线，其特征在于，所述S形枝节的另一端向着所述介质基板的第二端的方向延伸。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的用于5G的小型化多频段天线，其特征在于，所述第二辐射单元包括：矩形结构和U形结构，所述矩形结构与所述介质基板的第一端的所在边平行；
所述U形结构的一端通过第一连接部与所述矩形结构连接，所述U形结构的另一端通过第二连接部与所述接地板连接。
7.根据权利要求1所述的用于5G的小型化多频段天线，其特征在于，所述介质基板的第一面的第一端还设置有第三辐射单元，所述第三辐射单元包括3块长条形结构，3块所述长条形结构依次首尾相连构成U形，设置在所述介质基板的第一端的边缘，围住所述第一辐射单元，所述第三辐射单元用于调节天线的特性阻抗，增加谐振模式。
8.根据权利要求1所述的用于5G的小型化多频段天线，其特征在于，所述天线的工作频段为0.49GHz～0.978GHz、1.6GHz～2.7GHz、3.15GHz～3.972GHz、4.845GHz～5.378GHz和5.675GHz～5.885GHz中的至少一个频段。
9.一种5G通信模块，其特征在于，包括：如权利要求1至8中任一项所述的用于5G的小型化多频段天线。
10.一种5G终端，其特征在于，包括：如权利要求1至8中任一项所述的用于5G的小型化多频段天线。
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