CN113178698A - 基于5g低频段的mimo天线结构及手持移动终端 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于5G低频段的MIMO天线结构及手持移动终端，包括平行设置的第一金属层和第二金属层；所述第二金属层呈矩形，且所述第二金属层靠近所述第一金属层的一面设置有一级馈电点和二级馈电点；所述一级馈电点位于所述第二金属层的中心；所述二级馈电点包括四个子馈电点，四个所述子馈电点与所述一级馈电点之间的距离相同。通过两个金属层结构上的馈电点排布，使得在不增加天线结构的基础上提高了天线的整体辐射性能；每一馈电点可以对应设置一天线以构成MIMO天线，使得天线的低频性能较高，移动终端在手握方向上辐射能量最小，从而达到抗手握的效果。解决了现有天线在5G低频段性能较差的问题。

Description

基于5G低频段的MIMO天线结构及手持移动终端
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于5G低频段的MIMO天线结构及手持移动终端。
背景技术
随着通信技术的发展，移动终端为满足各类通信要求通常具有多个天线，多个天线相互之间存在电磁干扰，对天线自身的性能影响较大。为提升天线的性能，研发人员通常改变天线的走线形式，如设计寄生单元或MIMO天线等走线形式来提高天线辐射强度，或增加匹配电路，如在馈点或地点连接LC匹配电路来提高天线的带宽。
然而随着移动终端小型化的发展趋势，改变天线的走线形式可能会占据更大的空间，使得天线净空进一步减小；同样的，增加匹配电路也会导致移动终端内电子元器件数量增加，不仅会导致移动终端的功耗增加，还会导致电磁干扰加剧。因此，现有的天线改善对策效果非常有限。
此外，针对手持移动终端，如手机，在实际使用过程中无法避免由于使用者的手握而导致的天线性能降低的问题。在使用者手握移动终端时，天线的反射系数带宽、辐射效率及隔离度等相关天线指标会明显恶化，这在5G低频段(0.6～1GHz)尤为明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于5G低频段的MIMO天线结构及手持移动终端，以至少解决现有天线在5G低频段性能较差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于5G低频段的MIMO天线结构，所述MIMO天线结构包括平行设置的第一金属层和第二金属层；所述第二金属层呈矩形，且所述第二金属层靠近所述第一金属层的一面设置有一级馈电点和二级馈电点；所述一级馈电点位于所述第二金属层的中心；所述二级馈电点包括四个子馈电点，四个所述子馈电点与所述一级馈电点之间的距离相同。
可选的，在所述的基于5G低频段的MIMO天线结构中，所述MIMO天线结构还包括四个感性金属圆柱；四个所述感性金属圆柱位于所述第一金属层和所述第二金属层之间，且连通所述第一金属层和所述第二金属层；四个所述感性金属圆柱以所述第二金属层的中心呈中心对称分布。
可选的，在所述的基于5G低频段的MIMO天线结构中，所述感性金属圆柱距所述一级馈电点的距离小于所述子馈电点距所述一级馈电点的距离。
可选的，在所述的基于5G低频段的MIMO天线结构中，所述第二金属层的两个长边上均设置有两个所述子馈电点。
可选的，在所述的基于5G低频段的MIMO天线结构中，所述MIMO天线结构还包括第一功分器、第二功分器和第三功分器；所述第一功分器的输出端连接所述第二功分器的输入端和第三功分器的输入端；所述第二功分器的输出端连接任一长边的两个所述子馈电点；所述第三功分器的输出端连接另一长边的两个所述子馈电点。
可选的，在所述的基于5G低频段的MIMO天线结构中，四个所述子馈电点的功率幅度相同，同一长边的两个所述子馈电点的相位差为180°，不同长边上靠近同一短边的两个所述子馈电点的相位相同。
可选的，在所述的基于5G低频段的MIMO天线结构中，所述第二功分器和所述第三功分器通过在所述第二金属层远离所述第一金属层一面上的金属走线实现与所述子馈电点的连接，所述金属走线的宽度为1±0.2mm。
可选的，在所述的基于5G低频段的MIMO天线结构中，所述第二金属层远离所述第一金属层的一面设置有介电常数为2.2的介质层，所述介质层的厚度为0.4±0.05mm。
可选的，在所述的基于5G低频段的MIMO天线结构中，所述第一金属层与所述第二金属层的尺寸一致。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种手持移动终端，包括如上任一项所述的基于5G低频段的MIMO天线结构。
本发明提供的基于5G低频段的MIMO天线结构及手持移动终端，包括平行设置的第一金属层和第二金属层；所述第二金属层呈矩形，且所述第二金属层靠近所述第一金属层的一面设置有一级馈电点和二级馈电点；所述一级馈电点位于所述第二金属层的中心；所述二级馈电点包括四个子馈电点，四个所述子馈电点与所述一级馈电点之间的距离相同。通过两个金属层结构上的馈电点排布，使得在不增加天线结构的基础上提高了天线的整体辐射性能；每一馈电点可以对应设置一天线以构成MIMO天线，使得天线的低频性能较高，移动终端在手握方向上辐射能量最小，从而达到抗手握的效果。解决了现有天线在5G低频段性能较差的问题。
附图说明
图1为本实施例提供的基于5G低频段的MIMO天线结构的立体示意图；
图2为本实施例提供的基于5G低频段的MIMO天线结构中第二金属层靠近第一金属层一面的结构示意图；
图3为本实施例提供的基于5G低频段的MIMO天线结构中第二金属层背离第一金属层一面的结构示意图；
图4为本实施例提供的基于5G低频段的MIMO天线结构中具有介质层的立体示意图；
图5为本实施例提供的基于5G低频段的MIMO天线结构中第二金属层的尺寸示意图；
图6为本实施例提供的基于5G低频段的MIMO天线结构的辐射方向图；
其中，各附图标记说明如下：
100-第一金属层；200-第二金属层；210-一级馈电点；221-第一子馈电点；222-第二子馈电点；223-第三子馈电点；224-第四子馈电点；230-感性金属圆柱；241-第一功分器；242-第二功分器；243-第三功分器；300-介质层；
L-第二金属层的长边长度；W-第二金属层的短边长度；c-子馈电点与一级馈电点之间的距离；a-感性金属圆柱与一级馈电点之间的水平距离；b-感性金属圆柱与一级馈电点之间的垂直距离。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于5G低频段的MIMO天线结构及手持移动终端作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，以便描述本发明的实施例，而不用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的结构在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本实施例提供一种基于5G低频段的MIMO天线结构，如图1和图2所示，所述MIMO天线结构包括平行设置的第一金属层100和第二金属层200；所述第二金属层200呈矩形，且所述第二金属层200靠近所述第一金属层100的一面设置有一级馈电点210和二级馈电点；所述一级馈电点210位于所述第二金属层200的中心；所述二级馈电点包括四个子馈电点(221、222、223和224)，四个所述子馈电点(221、222、223和224)与所述一级馈电点210之间的距离相同。
本实施例提供的基于5G低频段的MIMO天线结构，通过两个金属层结构上的馈电点排布，使得在不增加天线结构的基础上提高了天线的整体辐射性能；每一馈电点可以对应设置一天线以构成MIMO天线，使得天线的低频性能较高，移动终端在手握方向上辐射能量最小，从而达到抗手握的效果。解决了现有天线在5G低频段性能较差的问题。
在具体应用过程中，通过激励第一金属层100和第二金属层200固有的辐射模式来实现0.6～1GHz(5G低频段)的频段覆盖，从而为实现终端低频MIMO天线提供基础。一级馈电点210和二级馈电点(221、222、223和224)的正负极连接第一金属层100和第二金属层200，从而实现第一金属层100和第二金属层200之间的激励。由于一级馈电点210位于第二金属层200的中间，且四个子馈电点(221、222、223和224)距一级馈电点210的距离相同，如此便可以保证第二金属层200上各处的电流激励较为均衡，且以中心点中心对称。
进一步的，在本实施例中，所述MIMO天线结构还包括四个感性金属圆柱230；四个所述感性金属圆柱230位于所述第一金属层100和所述第二金属层200之间，且连通所述第一金属层100和所述第二金属层200；四个所述感性金属圆柱230以所述第二金属层200的中心呈中心对称分布。
通过四个感性金属圆柱230的感性加载，能够调节一级馈电点210和二级馈电点对应天线的辐射频段。若第二金属层200的尺寸发生改变，或二级馈电点的位置发生改变，则感性金属圆柱230的位置也需要相应调整以使馈电点处的天线频段符合要求。
在本实施例中，为保证天线在5G低频段的天线性能，所述感性金属圆柱230距所述一级馈电点210的距离小于所述子馈电点(221、222、223或224)距所述一级馈电点210的距离。
进一步的，在本实施例中所述第二金属层200的两个长边上均设置有两个所述子馈电点(221、222、223或224)。具体的，如图2所示，第一子馈电点221和第二子馈电点222为一组位于同一长边，第三子馈电点223和第四子馈电点224为一组同位于另一长边。由于第一子馈电点221、第二子馈电点222、第三子馈电点223和第四子馈电点224均位于第二金属层200的边缘处，且距一级馈电点210的距离相等，因此可知，四个子馈电点以一级馈电点210为中心呈中心对称。四个子馈电点位于边缘能够较好地激发第二句金属层200边缘处，从而进一步提升天线的5G低频性能。
此外，在本实施例中，如图3所示，所述MIMO天线结构还包括第一功分器241、第二功分器242和第三功分器243；所述第一功分器241的输出端连接所述第二功分器242的输入端和第三功分器243的输入端；所述第二功分器242的输出端连接任一长边的两个所述子馈电点；所述第三功分器243的输出端连接另一长边的两个所述子馈电点。
具体的，在本实施例中，第二功分器242连接第一子馈电点221和第二子馈电点222，第三功分器243连接第三子馈电点223和第四子馈电点224。较佳的，功分器连接子馈电点的走线尽可能的均匀，从而保证在连接走线上的电流损耗一致。
进一步的，在本实施例中，四个所述子馈电点的功率幅度相同，同一长边的两个所述子馈电点的相位差为180°，不同长边上靠近同一短边的两个所述子馈电点的相位相同。以图2和图3所示为例，第一功分器241的相位为0，第二功分器242和第三功分器243的相位为180°，第一馈电点221和第三馈电点223的相位为0，第二馈电点222和第四馈电点224的相位为180°。
为不破坏第一金属层100和第二金属层200之间的结构和电耦合性能，在本实施例中，所述第二功分器242和所述第三功分器243通过在所述第二金属层200远离所述第一金属层100一面上的金属走线实现与所述子馈电点的连接，所述金属走线的宽度为1±0.2mm。当然，第一功分器241也可以位于第二金属层200背离所述第一金属层100的一面，也可以位于其他部位，通过同轴线的连接实现馈电。一级馈电点210的馈电可以直接通过拉出微带线并在第二金属层200的边缘通过同轴线馈电实现。馈电的方式可以是多种的，本实施例中仅以举例说明其可实现的方式，但在不违背本发明主旨前提下的本领域技术人员所能得知的其他设计方式也应当属于本发明的保护范围。
进一步的，如图4所示，所述第二金属层200远离所述第一金属层100的一面设置有介电常数为2.2的介质层300，所述介质层300的厚度为0.4±0.05mm。在具体应用中，第一金属层100可以为屏幕下方金属结构，第二金属层200和介质层300可以视为PCB板地板金属结构，如此便可以在不增加金属层结构的基础上，利用移动终端内的现有结构便可以实现本发明的MIMO天线结构。
较佳的，所述第一金属层100与所述第二金属层200的尺寸一致。
本实施例还提供一种手持移动终端，包括如本实施例提供的基于5G低频段的MIMO天线结构。手持移动终端可以为手机、平板、智能穿戴设备等。此外，手持移动终端除了包含本发明提供的MIMO天线结构外，还可以包括其他结构，其他结构的具体设计为本领域技术人员所熟知的此处不再赘述。
以下，以一具体实施例说明本发明提供的基于5G低频段的MIMO天线结构的性能效果。在本实施例中，定义金属层的长度方向为x、宽度方向为y和高度方向为z。
如图4所示，本实施例中的MIMO天线结构包括第一金属层100、第二金属层200和介质层300，三者的尺寸一致，介质层300的介电常数为2.2。第一金属层100和第二金属层200间隔5±1mm。
如图5所示，第二金属层200的长度L为140±3mm，宽W为80±2mm。第二金属层200的中心位置设置有一级馈电点210，两个长边上分别设置有第一子馈电点221、第二子馈电点222、第三子馈电点223和第四子馈电点224，且四个子馈电点与一级馈电点210之间的距离c为38.2±0.2mm。四个感性金属圆柱230以第二金属层200的中心呈中心对称，且感性金属圆柱230与一级馈电点210之间的水平距离a为8±0.2mm，感性金属圆柱230与一级馈电点210之间的垂直距离b为9.2±0.2mm。
一级馈电点210和四个子馈电点的馈地拓扑结构可以参见图3。第一功分器241的相位为0，第二功分器242和第三功分器243的相位为180°，第一馈电点221和第三馈电点223的相位为0，第二馈电点222和第四馈电点224的相位为180°。
对此MIMO天线结构进行CST仿真，其辐射方向图如图6所示。其中CM3为一级馈电点210所对应模式的辐射方向图，CM4为耳机馈电点所对应模式的辐射方向图。从图中可以看出，CM3和CM4两个模式均在z方向存在能量最小值点，而实际手持移动终端在使用过程中一般多通过使用者手掌触摸z方向上的上下金属结构，因此本实施例提供的MIMO天线结构具有较好的抗手握性能。
此外，对此MIMO天线结构进行仿真测试，得到MIMO天线结构在0.6～1GHz(5G低频段)内的S11＜-10dB，S21＜-20dB，正常环境下的辐射效率＞70％，手握情况下的辐射效率＞60％。而现有常规天线结构在手握情况下的辐射效率不足40％，对比而言，本实施例提供的MIMO天线结构较现有常规天线结构而言具有较高的辐射效率和抗手握性能。
综上所述，本实施例提供的基于5G低频段的MIMO天线结构及手持移动终端，包括平行设置的第一金属层和第二金属层；所述第二金属层呈矩形，且所述第二金属层靠近所述第一金属层的一面设置有一级馈电点和二级馈电点；所述一级馈电点位于所述第二金属层的中心；所述二级馈电点包括四个子馈电点，四个所述子馈电点与所述一级馈电点之间的距离相同。通过两个金属层结构上的馈电点排布，使得在不增加天线结构的基础上提高了天线的整体辐射性能；每一馈电点可以对应设置一天线以构成MIMO天线，使得天线的低频性能较高，移动终端在手握方向上辐射能量最小，从而达到抗手握的效果。解决了现有天线在5G低频段性能较差的问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于5G低频段的MIMO天线结构，其特征在于，所述MIMO天线结构包括平行设置的第一金属层和第二金属层；所述第二金属层呈矩形，且所述第二金属层靠近所述第一金属层的一面设置有一级馈电点和二级馈电点；所述一级馈电点位于所述第二金属层的中心；所述二级馈电点包括四个子馈电点，四个所述子馈电点与所述一级馈电点之间的距离相同。
2.根据权利要求1所述的基于5G低频段的MIMO天线结构，其特征在于，所述MIMO天线结构还包括四个感性金属圆柱；四个所述感性金属圆柱位于所述第一金属层和所述第二金属层之间，且连通所述第一金属层和所述第二金属层；四个所述感性金属圆柱以所述第二金属层的中心呈中心对称分布。
3.根据权利要求2所述的基于5G低频段的MIMO天线结构，其特征在于，所述感性金属圆柱距所述一级馈电点的距离小于所述子馈电点距所述一级馈电点的距离。
4.根据权利要求1所述的基于5G低频段的MIMO天线结构，其特征在于，所述第二金属层的两个长边上均设置有两个所述子馈电点。
5.根据权利要求4所述的基于5G低频段的MIMO天线结构，其特征在于，所述MIMO天线结构还包括第一功分器、第二功分器和第三功分器；所述第一功分器的输出端连接所述第二功分器的输入端和第三功分器的输入端；所述第二功分器的输出端连接任一长边的两个所述子馈电点；所述第三功分器的输出端连接另一长边的两个所述子馈电点。
6.根据权利要求5所述的基于5G低频段的MIMO天线结构，其特征在于，四个所述子馈电点的功率幅度相同，同一长边的两个所述子馈电点的相位差为180°，不同长边上靠近同一短边的两个所述子馈电点的相位相同。
7.根据权利要求5所述的基于5G低频段的MIMO天线结构，其特征在于，所述第二功分器和所述第三功分器通过在所述第二金属层远离所述第一金属层一面上的金属走线实现与所述子馈电点的连接，所述金属走线的宽度为1±0.2mm。
8.根据权利要求1所述的基于5G低频段的MIMO天线结构，其特征在于，所述第二金属层远离所述第一金属层的一面设置有介电常数为2.2的介质层，所述介质层的厚度为0.4±0.05mm。
9.根据权利要求1所述的基于5G低频段的MIMO天线结构，其特征在于，所述第一金属层与所述第二金属层的尺寸一致。
10.一种手持移动终端，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的基于5G低频段的MIMO天线结构。
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