CN112635985A - 一种集成于5g手机背盖的低剖面八端口mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线，包括上介质基板、下介质基板和位于上介质基板四个边角的天线介质板和印刷在介质板表面的金属；天线介质板上各印制有一个天线对单元；各个天线对单元的上表面印刷有天线对单元的馈线和辐射结构；天线介质板的下表面印刷有金属地板；下介质基板下方印制有一块下金属板；天线对单元通过同轴线内芯连接上表面馈线，通过同轴线外芯连接下表面金属地板，实现天线的馈电。通过在一个天线对单元中集成两个高隔离度天线，并且合理排布阵列间天线对位置，使得该天线具有小型化、低剖面、高隔离度的优点。

Description

一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域中的天线设计技术，特别涉及一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线的设计。
背景技术
随着移动通信技术的飞速发展，第五代通信技术以其信道容量大，频谱利用率高等优点，近些年来收到广泛关注，作为5G通信系统的关键技术之一，MIMO(Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出)技术是一种能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，成倍的提高系统信道容量的无线技术。由于MIMO技术具有能成倍地提高通信系统的吞吐量、传送距离和频谱利用率的优点，因此，MIMO技术在无线通信领域中具有相当重要的地位。
目前，手持终端朝着轻薄化，全面屏化的方向发展，更大的操作屏幕，更窄的手机边框使得产品更具竞争力，然而这给天线的设计带来了更大大挑战。同时，在MIMO天线阵列中，由于使用空间的受限，随着天线对单元个数的增加，天线对单元间距更加接近。过近的单元间距使得天线之间激发强烈的表面波耦合和空间感应耦合，从而恶化MIMO阵列的工作频带、效率等性能。因此，如何采取合理有效方法设计天线，使其在保证单元天线性能的同时，设计出满足实际应用需求的手持终端高隔离MIMO天线是亟待研究解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线，以解决在有限空间设计出满足频带、隔离度、效率等指标要求的多单元MIMO天线阵列问题。并且此天线具有工作在N78频段，天线对单元之间隔离度高的优点，在5G手机中具有良好的应用前景。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线，包括上介质基板、下介质基板和位于上介质基板四个边角的天线介质板和印刷在介质板表面的金属；天线介质板上各印制有一个天线对单元；各个天线对单元的上表面印刷有天线对单元的馈线和辐射结构；天线介质板的下表面印刷有金属地板；下介质基板下方印制有一块下金属板；
印制于天线介质板上的天线对单元通过同轴线内芯连接上表面馈线，通过同轴线外芯连接下表面金属地板，实现天线的馈电；并且每个天线对单元中集成两个馈线。
作为优选的方案，所述天线介质板与上介质基板保留1mm的距离。
作为优选的方案，位于所述上介质基板边角的四个天线对单元互为镜像对称。
作为优选的方案，印刷于各天线对单元上表面的馈线为两个相互垂直设置的馈线，馈线末端为扇型，馈线首端开口，开口方向分别位于天线对单元的两个边上。
作为优选的方案，在每个天线对单元上设有馈电点，馈电点位于馈线开口端，用于同轴线馈电的馈电点设置有8个。
作为优选的方案，印刷于天线对单元上表面的辐射结构包括位于天线介质板上方的低频环形辐射缝隙与高频接地辐射枝节，低频环形辐射缝隙包括在天线对单元上表面构成的矩形缝隙和位于矩形缝隙内的四个直角缝隙；
高频接地辐射枝节位于天线对单元的边缘，一对馈线分别横跨于矩形缝隙和高频接地辐射枝节之间。
作为优选的方案，所述高频接地辐射枝节通过天线对单元上的接地短路通孔接地；所述低频环形辐射缝隙和高频接地辐射枝节之间还设有内部接地枝节，内部接地枝节通过天线对单元上的金属通孔与天线介质板下表面金属地板相连。
作为优选的方案，所述下介质基板下表面的下金属板的长度小于下介质基板的长度两端各5mm。
作为优选的方案，所述上介质基板、下介质基板和位于上介质基板四个边角的天线介质板均采用FR4材质。
本发明的特点在于：
本发明通过优化设计天线对单元，实现了天线覆盖N78频段工作。天线对单元由末端为扇形的馈线、工作在低频的低频环形辐射缝隙和工作在高频的高频接地辐射枝节组成，末端为扇形的馈线对两个辐射结构进行耦合馈电。同时，为了提高天线对单元内两个天线的隔离度，将两个天线的馈电结构垂直放置，使得一个天线对单元中的两个天线在不需要任何解耦结构的情况下具有较高的隔离度，同时通过将四个天线对单元排布在上介质基板的四个边角位置，在N78频带内实现了八端口MIMO天线的高隔离度。
该天线具有小型化、覆盖N78频带工作、天线之间隔离度高的优点，适合用于5G手机。
附图说明
图1为本发明一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线的立体结构视意图；
图2为本发明一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线的侧视图；
图3为本发明一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线的天线对单元示意图；
图4为一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线的天线对单元中天线1和天线2的反射系数曲线图；
图5为一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线的天线1-4中不同天线间传输系数曲线图；
图6(a)、6(b)分别为本发明一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线的天线对单元中天线1和天线2在XOY面上的3.4GHz和3.8GHz方向图；
图7(a)、7(b)分别为本发明一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线的天线对单元中天线1和天线2在XOZ面上的3.4GHz和3.8GHz方向图；
图8为本发明一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线的天线对单元中天线1和天线2的增益曲线图；
图9为一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线的天线对单元中天线1和天线2的效率曲线图；
图中：1、上介质基板；2、下介质基板；3、第一天线介质板；4、第二天线介质板；5、第三天线介质板；6、第四天线介质板；7、天线对单元；8、末端为扇形结构的馈线；9、天线辐射结构；10、天线金属地板；11、下介质基板下表面金属板；12、天线馈电点；13、为4G天线保留的净空区域。91、低频环形辐射缝隙；92、高频接地辐射枝节；93、高频接地辐射枝节的接地短路通孔；94、金属通孔；95、内部接地枝节。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
如图1-3所示，为本发明的一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线的结构示意图。包括一块上介质基板1、一块下介质基板2以及位于上介质基板1四个边角的第一天线介质板3、第二介质板4、第三天线介质板5、第四天线介质板6和印刷在天线介质板表面的金属；其中，第一、第二、第三、第四天线介质板3、4、5、6上各有一个天线对单元7，对应各个天线对单元7的天线介质板3、4、5、6上表面印刷有八个天线的馈线8以及辐射结构9；天线介质板3、4、5、6下表面均印刷有金属地板10；下介质基板2下方印制有一块下金属板11。印制于第一、第二、第三、第四天线介质板3、4、5、6上的天线对单元7通过位于侧边的馈电点12使同轴线内芯连接第一、第二、第三、第四天线介质板3、4、5、6上表面的馈线，以及通过同轴线外芯连接第一、第二、第三、第四天线介质板3、4、5、6下表面的金属地板10，实现天线的馈电。
其中，天线对单元7位于上介质基板1四个边角，天线对单元与上介质基板之间的间距为1mm，位于上介质基板边角的四个天线对单元互为镜像对称。
位于上介质基板四个边角的四个天线对单元7印制于第一天线介质板3、第二天线介质板4、第三天线介质板5和第四天线介质板6上，印刷于各天线对单元7上表面的馈线8为两个相互垂直设置的馈线，馈线8末端为扇型，馈线8首端开口，开口方向分别位于天线对单元7的两个边上。在每个天线对单元7上设有馈电点12，馈电点12位于馈线8开口端，用于同轴线馈电的馈电点12设置有8个。
印刷于天线对单元7上表面的辐射结构9包括位于天线介质板上方的低频环形辐射缝隙91与高频接地辐射枝节92，低频环形辐射缝隙91包括在天线对单元7上表面构成的矩形缝隙和位于矩形缝隙内的四个直角缝隙。高频接地辐射枝节92位于天线对单元7的边缘，一对馈线8分别横跨于矩形缝隙和高频接地辐射枝节92之间。高频接地辐射枝节92通过天线对单元7上的接地短路通孔93接地；所述低频环形辐射缝隙91和高频接地辐射枝节92之间还设有内部接地枝节95，内部接地枝节通过天线对单元7上的金属通孔94与天线介质板下表面金属地板相连。
其中低频环形辐射缝隙91是在第一、第二、第三、第四天线介质板3、4、5、6上表面印刷的金属中蚀刻环形缝隙而成，高频接地辐射枝节92则是在天线介质板上表面印刷金属而成。该天线对单元可以实现覆盖N78频段工作，工作带宽为3.3-3.8GHz。
该天线不仅天线对单元7中的两个天线不需要任何额外的解耦结构，并且八端口MIMO天线中也不需要添加任何额外去耦结构均能得到优于17dB的隔离度。
MIMO终端天线集成于手机的背盖上，不占用智能手机系统电路板的空间，并且该天线在设计时，还为4G天线预留了5mm的净空区域13。下介质基板2下表面的下金属板11的长度小于下介质基板2的长度两端各5mm，见图2所示。
该天线对单元通过将两个馈电结构垂直放置得到一个共享辐射体的双天线的天线对单元，由于集成在一个天线对单元中的两个天线具有正交性，因此一个天线对单元中的双天线在不需要任何额外解耦结构的基础上可以获得较高的隔离度。
在一个实施例中，位于上介质基板短边的两个天线对单元的距离为21mm，位于上介质基板长边的两个天线对单元的距离为96mm。
在一个实施例中，上介质基板1材质为FR4，上介质基板1大小为150mm*75mm，厚度为1.6mm；下介质基板2材质为FR4，下介质基板1大小为150mm*75mm，厚度为1mm；第一天线介质板3、第二天线介质板4、第三天线介质板5和第四天线介质板6的材质均为FR4，第一、第二、第三、第四天线介质板大小均为27mm*27mm，厚度均为1.6mm。其余天线结构参数变量如表1中所示。该八端口MIMO终端天线工作频带为3.3-3.8GHz，天线之间隔离度优于17dB。
该结构中，天线对单元由末端为扇形的馈线8和两个分别工作在低频段的低频环形辐射缝隙和工作在高频段的高频接地辐射枝节组成，末端为扇形的馈线8对两个辐射结构进行耦合馈电。同时，为了提高天线对单元中两个端口的隔离度，将天线对单元中两个天线的馈线垂直放置，从而在一个天线对单元中得到两个具有高隔离度的天线，通过合理调整天线对单元的结构和尺寸以及合理排布各个天线对单元的位置，在覆盖N78频带的同时实现了各个天线间的较高的隔离度。
其他结构尺寸见表1所示。
表1
结构 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10
尺寸(mm) 150 140 27 1 3.9 5.5 20.2 9.2 5.1 3.6
结构 L11 L12 W1 W2 W3 W4 W5 W6 W8 R1
尺寸(mm) 2.2 9.8 1.5 1.9 0.4 0.2 0.7 1.2 0.1 0.6
结构 R2 H1 H2
尺寸(mm) 0.8 6 1
结构 Ang
尺寸(°) 100
其中：L1为上、下介质基板1、2的长度，L2为下介质基板下表面金属板11的长度，L3为第一、第二、第三、第四天线介质板3、4、5、6的边长，L4为上介质基板1与一、第二、第三、第四天线介质板3、4、5、6的间距，L5为馈线8的长度，L6为低频环形辐射缝隙91中宽缝的长度，L7为低频环形辐射缝隙91的内边长，L8为低频环形辐射缝隙91中相邻宽缝的距离，L9为低频环形辐射缝隙91中宽缝与窄缝中金属的边长，L10为低频环形辐射缝隙91中的宽缝与馈线8所在缝隙的间距，L11为馈线8末端扇形结构中母线的长度，L12为高频接地辐射枝节92的枝节长度，W1为馈线8的宽度，W2为高频接地辐射枝节92之间的间距，W3为低频环形辐射缝隙91中宽缝的宽度，W4为低频环形辐射缝隙91中细缝的宽度，W5为高频接地辐射枝节92的宽度，W6为高频接地辐射枝节91与内部金属的间距，W7为金属通孔94所在枝节的宽度，W8为馈线8末端扇形缝隙的宽度，R1为高频接地辐射枝节的接地短路通孔93的直径，R2为金属通孔94的直径，H1为整个完整阵列天线的高度，H2为下介质基板2的厚度。
本发明的天线对单元通过一对末端为扇形的馈线8对两个天线馈电，实现了一个天线对单元中集成双天线在N78频带工作，同时可以在一个天线对单元中实现双天线间的高隔离度，该天线通过激励低频环形辐射缝隙91和高频接地辐射枝节92可以实现覆盖500MHz带宽的N78频段工作，且一个天线对单元中的两个天线共享辐射体，通过优化设计天线对单元，合理排布天线对单元的位置，使得该八端口MIMO天线具有小型化、低剖面、高隔离的优点。
如图4所示，为本实施例天线1、2的反射系数曲线图。该MIMO终端天线工作频带为3.3-3.8GHz。
如图5所示，为本实施例天线1-4中相邻单元间传输系数曲线图。天线间的隔离度为17dB。
如图6(a)、6(b)所示，分别为本实施例的天线1、2在3.4GHz和3.8GHz在XOY面上的方向图。
如图7(a)、7(b)所示，分别为本实施例的天线1、2在3.4GHz和3.8GHz在XOZ面上的方向图。
如图8所示，为本实施例的天线1、2峰值增益曲线。其峰值增益在频率带宽内在2.3-5.25dBi范围内变化。
如图9所示，为本实施例的天线对单元1、2效率曲线。其效率在频率带宽内在40％-66％范围内变化。
以上对本发明所提供的一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线进行了详细介绍，并应用了详细的结构设计参数对本发明的原理及实施方式进行了阐述及实现。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线，其特征在于，包括上介质基板(1)、下介质基板(2)和位于上介质基板(1)四个边角的天线介质板和印刷在介质板表面的金属；所述天线介质板上各印制有一个天线对单元(7)；各个天线对单元(7)的上表面印刷有天线对单元的馈线(8)和辐射结构(9)；天线介质板的下表面印刷有金属地板(10)；所述下介质基板(2)下方印制有一块下金属板(11)；
印制于天线介质板上的天线对单元(7)通过同轴线内芯连接上表面馈线(8)，通过同轴线外芯连接下表面金属地板(10)，实现天线的馈电；并且每个天线对单元(7)中集成两个馈线(8)。
2.根据权利要求1所述的一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线，其特征在于，所述天线介质板与上介质基板(1)保留1mm的距离。
3.根据权利要求1所述的一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线，其特征在于，位于所述上介质基板(1)边角的四个天线对单元(7)互为镜像对称。
4.根据权利要求1所述的一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线，其特征在于，印刷于各天线对单元(7)上表面的馈线(8)为两个相互垂直设置的馈线，馈线(8)末端为扇型，馈线(8)首端开口，开口方向分别位于天线对单元(7)的两个边上。
5.根据权利要求4所述的一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线，其特征在于，在每个天线对单元(7)上设有馈电点(12)，馈电点(12)位于馈线(8)开口端，用于同轴线馈电的馈电点(12)设置有8个。
6.根据权利要求1所述的一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线，其特征在于，印刷于天线对单元(7)上表面的辐射结构(9)包括位于天线介质板上方的低频环形辐射缝隙(91)与高频接地辐射枝节(92)，低频环形辐射缝隙(91)包括在天线对单元(7)上表面构成的矩形缝隙和位于矩形缝隙内的四个直角缝隙；
高频接地辐射枝节(92)位于天线对单元(7)的边缘，一对馈线(8)分别横跨于矩形缝隙和高频接地辐射枝节(92)之间。
7.根据权利要求6所述的一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线，其特征在于，所述高频接地辐射枝节(92)通过天线对单元(7)上的接地短路通孔(93)接地；所述低频环形辐射缝隙(91)和高频接地辐射枝节(92)之间还设有内部接地枝节(95)，内部接地枝节通过天线对单元(7)上的金属通孔(94)与天线介质板下表面金属地板相连。
8.根据权利要求1所述的一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线，其特征在于，所述下介质基板(2)下表面的下金属板(11)的长度小于下介质基板(2)的长度两端各5mm。
9.根据权利要求1所述的一种集成于5G手机背盖的低剖面八端口MIMO天线，其特征在于，所述上介质基板(1)、下介质基板(2)和位于上介质基板(1)四个边角的天线介质板均采用FR4材质。
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