CN113690575B - 一种应用于金属边框5g终端的三维波束覆盖毫米波天线 - Google Patents

一种应用于金属边框5g终端的三维波束覆盖毫米波天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于终端天线技术领域，具体涉及一种应用于金属边框5G终端的三维波束覆盖毫米波天线，属于毫米波天线领域。本发明通过利用顶部金属边框开缝做天线和在净空区布置微带线，将一套天线中的缝隙和单极子天线模式结合起来，不仅简化了天线和馈电网络的结构，还可以使毫米波天线波束同时覆盖端射和侧射方向以在法向面内实现较为均匀的辐射方向图，再利用相控阵的特点在轴向面进行一维波束扫描，从而在三维空间中实现较为均匀的波束覆盖。由此可见，本发明解决了金属边框对毫米波天线辐射遮挡问题，简化了天线结构，同时实现了终端毫米波天线所希望的全向性。

Description

一种应用于金属边框5G终端的三维波束覆盖毫米波天线
技术领域
本发明涉及通信设备技术领域，尤其涉及一种应用于金属边框5G终端的毫米波天线。
背景技术
第五代通信技术(5G)包括sub-6GHz频段和毫米波频段，由于毫米波频谱资源丰富，传输速率快，非常适合人口密集型场景，如大型体育馆等，但现在国内市面上的5G终端设备大多只支持sub-6GHz频段，因此在5G终端中集成设计毫米波天线是很有意义的。对于毫米波频段来说，一般需要通过组阵来提高天线增益以弥补路径损耗，这样会导致其波束宽度比较窄。然而对于终端设备来说，我们希望毫米波天线的波束在三维空间中具有较好的辐射均匀性，以应对不确定的来波方向。
近年来，由于金属边框不仅可以提供足够的机械强度来延长终端设备的使用寿命，而且还具有良好的手感和漂亮的外观，因此，金属边框智能机等移动终端越来越受到用户的追捧和喜爱。但是，金属边框的存在必定会阻挡毫米波天线的能量向外辐射，使毫米波天线的增益和方向图都急剧恶化。
2016年，奥尔堡大学的张帅教授在IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters期刊题为“A Switchable 3-D-Coverage-Phased Array Antenna Package for 5GMobile Terminals”的论文里提出一种实现终端毫米波天线三维波束覆盖的方法，布置三套天线，其波束分别朝向侧射上、端射、侧射下三个方向，通过控制多个二极管的“通/断”状态来选择所需要的天线。这种方法需要二或三套天线，以至于天线结构和馈电网络都较为复杂，并且需要加入多个二极管，会引入额外的损耗。若用这种方法来实现三维波束覆盖，波束切换不够及时还可能会出现信号中断的情况。此外，若将其应用于流行的金属边框终端中，其天线性能必定会大幅恶化。
因此，为满足金属边框的趋势和毫米波通信的快速发展，如何在金属边框5G终端中设计出无需用二极管等开关进行波束切换即可实现三维波束覆盖的毫米波天线是有待解决的问题。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种在金属边框5G终端中可实现三维波束覆盖的毫米波天线，解决了金属边框对毫米波天线辐射性能的遮挡，实现了手机等移动终端中毫米波天线辐射方向图全向性的希望。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种应用于金属边框5G终端的三维波束覆盖毫米波天线，该天线包括：金属边框、底部介质基板、金属地板、一分八功分器、微带线，所述金属边框中的一条框边的内壁上设置有一层边框介质基板，设置有边框介质基板的框边上沿着金属边框开设有一条缝隙；所述金属边框围成的区域的底面设置底部介质基板，底部介质基板与金属边框共同构成凹槽型，底部介质基板划分为净空区和非净空区，净空区紧挨于设置有边框介质基板的框边，非净空区的下表面设置金属地板；底部介质基板的非净空区上表面设置一分八功分器，输出端口设置于净空区与非净空区的连接处，每个输出端口连接一条微带线，每条微带线沿着净空区一直延伸到边框介质板上表面，并跨过缝隙。
进一步的，所述金属边框的材料为铜。
进一步的，一分八功分器输出端口对应的8条微带线中间的间隔宽度为目标工作频率的半波长。
进一步的，所述净空区的宽度为目标工作频率处的四分之一波长，该宽度指非净空区到边框介质基板的距离。
将所述的顶部金属边框4上的所刻蚀长槽9的缝隙天线模式和净空区6微带线11的单极子天线模式进行结合，从而在法向面实现较为均匀的辐射方向图，再利用相控阵的特点在轴向面进行一维波束扫描，所述的毫米波天线7便可在三维空间中实现较为均匀的波束覆盖。
本发明的有益效果是：利用金属边框本身开缝做毫米波天线，避免金属边框对其辐射性能的遮挡；通过将一套天线中的两种天线模式进行结合，简化了天线和馈电网络的结构，降低了天线系统设计的复杂度和制作成本；利用了净空区微带线的双重功能，使毫米波天线的三维覆盖波束可同时覆盖端射和侧射方向，无需使用额外的二极管等元件进行波束切换，避免由于切换而引起的信号中断且降低了天线系统的损耗。
附图说明
图1为本实施例提供的一种用于毫米波天线设计的金属边框5G终端的结构示意图；
图2为本实施例提供的毫米波天线的具体结构示意图；
图3为本实施例提供的毫米波天线8端口反射系数仿真结果图；
图4为本实施例提供的毫米波天线8端口隔离度仿真结果图；
图5为本实施例提供的毫米波天线仿真和测量的反射系数曲线图；
图6为本实施例提供的毫米波天线在φ＝0°面仿真和测量的辐射方向图，其中(a)(b)(c)分别对应28GHz、29GHz、30GHz；
图7为本实施例提供的毫米波天线在8端口不同相位梯度对应不同扫描角时的三维辐射方向图；
其中：1为底部介质基板、2为金属地板、3为金属边框、4为边框介质基板、5为铜皮、6为净空区、7为毫米波天线、8为敷铜、9为缝隙、10为微带馈线、11为净空区的微带馈线、12为馈电端口、13为一分八微带功分器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
一种具有缝隙和单极子天线模式的毫米波金属边框5G终端天线，包括底部介质基板1和金属边框3，所述的底部介质基板1的第一面设置金属地板，所述金属边框3围绕所述介质基板1的四周；所述金属边框顶部4是背面敷铜的基板，在所述顶部金属边框4的第一面开一条长缝隙9，所述顶部金属边框4的第二面上布置8条间隔宽度相等的微带线10，所述金属边框其它部分均为铜皮5；所述金属地板2的上边缘设置为长缝隙，作为手机天线的净空6，所述净空6与所述顶部金属边框4相接，所述底部介质基板1的第二面净空区6布置8条微带线11，与所述的顶部金属边框4第二面上的8条微带线10一一对应相接；所述顶部金属边框4的第二面上的8条微带线10之间的间隔宽度为目标工作频率处半波长，这样可以在顶部金属边框4上形成连接的缝隙天线阵，提供终端设备端射方向的辐射。
所述净空区6的宽度为目标工作频率处的四分之一波长，这样可以使净空区6的8条微带线11在目标工作频率处工作于单极子天线模式，形成单极子天线阵，提供终端设备侧射方向的辐射。同时，所述净空区6的8条微带线11还可以为所述的顶部金属边框4上的缝隙天线阵馈电，显示出净空区6的微带线11的双重功能。
将所述的顶部金属边框4上的所刻蚀长槽9的缝隙天线模式和净空区6微带线11的单极子天线模式进行结合，从而在法向面实现较为均匀的辐射方向图，再利用相控阵的特点在轴向面进行一维波束扫描，所述的毫米波天线7便可在三维空间中实现较为均匀的波束覆盖。
本发明实施例提供的具有金属边框毫米波天线的终端，包括手机、平板电脑等具有金属边框3的终端。为便于描述，下面以手机为例进行本发明实施例的详细阐述。
图1为本实施例提供的一种用于毫米波天线设计的金属边框5G智能机的结构示意图，包括底部介质基板1和金属边框3，金属边框3围绕在底部介质基板1的四周，金属边框3顶部为基板4，基板4第一面敷铜8，所述的金属边框3的其余部分为铜皮5。底部介质基板1的第一面设置金属地板2，金属地板2的上边缘设置长缝隙，作为手机净空6，三维波束覆盖毫米波天线7设置在顶部金属边框4和净空区6处，通过8个端口12馈电。
图2为本实施例提供的用于金属边框5G智能机的毫米波天线7的具体结构示意图，顶部金属边框4第一面的一条长缝隙9被第二面的8条微带线10馈电；介质基板1的第二面的净空区布置8条微带线11，与所述顶部金属边框4第二面的8条微带线10一一对应相接，1分8微带功分器13用于测试毫米波天线7的阻抗匹配情况和辐射方向图。
在本实施例中，底部介质基板1可谓手机的印刷电路板。通常将介质基板的背面记为介质基板的第一面，将介质基板的正面记为介质基板的第二面，但不限于此。金属地板2可为印刷在介质基板第一面的参考地，金属地板2的下边缘以及两侧与金属边框3相接。
所述的刻蚀在顶部金属边框4第一面的长缝隙9为矩形窄缝隙，所述顶部金属边框4第二面的8条等间隔宽度的微带线10周期性的为矩形窄缝隙9馈电，8条微带线10的间隔宽度约为目标频率处的二分之一波长，因此在顶部金属边框4上形成了连接的缝隙天线阵，可提供智能机端射方向辐射。
布置在介质基板1第二面净空区6的8条微带线11与所述顶部金属边框4第二面的8条微带线10一一对应相接。净空区6宽度设置约为目标频率处的四分之一波长，可以使净空区6的8条微带线具有双重功能，既可以用来为设置在顶部金属边框上连接的缝隙天线阵馈电，同时又工作于单极子天线模式，组成单极子天线阵，可提供智能机侧射方向辐射。
图3为本实施例提供的毫米波天线7的8端口12反射系数仿真结果图，本发明目标频率为29GHz，故对应的顶部金属边框第二面的8条微带线间隔为4.41mm，对应的净空6的宽度为2.6mm。选择此频率是为了方便暗室测量辐射方向图，当然，本发明目标频率不限于此。
图4为本实施例提供的毫米波天线7的8端口12隔离度仿真结果图，从中可以看出端口间隔离度均满足-10dB的要求。
图5为本实施例提供的毫米波天线7仿真和测量的反射系数曲线图，从中可以看出，毫米波天线的阻抗匹配较好。
图6为本实施例提供的毫米波天线7在φ＝0°面仿真和测量的辐射方向图，其中(a)、(b)、(c)分别对应28GHz、29GHz、30GHz，从中可以看出，辐射方向图在φ＝0°面较为均匀，同时覆盖侧射和端射方向，这正是将金属边框4上长槽9的缝隙天线模式和布置在底部介质基板1净空区6的微带线的单极子天线模式相结合的效果。
图7为本实施例提供的毫米波天线7在8端口不同相位梯度对应不同扫描角时的三维辐射方向图；从中可以看出，本实施例中的毫米波天线通过在φ＝0°面实现较为均匀的波束覆盖，再结合相控阵的一维波束扫描功能，可在整个三维空间实现较为均匀的波束覆盖，这正是智能机等终端设备所需要的。
应当理解的是，毫米波天线7可放置于手机顶部但不限于此，也可放置于手机底部或者两侧，还可沿着手机长边和短边各布置2套同样的毫米波天线7，实现4×4的毫米波MIMO天线，这需要根据实际情况具体而定。

Claims (4)

1.一种应用于金属边框5G终端的三维波束覆盖毫米波天线，该天线包括：金属边框、底部介质基板、金属地板、一分八功分器、微带线，所述金属边框中的一条框边的内壁上设置有一层边框介质基板，设置有边框介质基板的框边上沿着金属边框开设有一条缝隙；所述金属边框围成的区域的底面设置底部介质基板，底部介质基板与金属边框共同构成凹槽型，底部介质基板划分为净空区和非净空区，净空区紧挨于设置有边框介质基板的框边，非净空区的下表面设置金属地板；底部介质基板的非净空区上表面设置一分八功分器，输出端口设置于净空区与非净空区的连接处，每个输出端口连接一条微带线，每条微带线沿着净空区一直延伸到边框介质基板表面，并跨过所述缝隙，在净空区形成单极子天线阵，所述介质基板表面为朝向功分器的一面。
2.如权利要求1所述的一种应用于金属边框5G终端的三维波束覆盖毫米波天线，其特征在于，所述金属边框的材料为铜。
3.如权利要求1所述的一种应用于金属边框5G终端的三维波束覆盖毫米波天线，其特征在于，一分八功分器输出端口对应的8条微带线中间的间隔宽度为目标工作频率的半波长。
4.如权利要求1所述的一种应用于金属边框5G终端的三维波束覆盖毫米波天线，其特征在于，所述净空区的宽度为目标工作频率处的四分之一波长，该宽度指非净空区到边框介质基板的距离。
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