CN114865297B - 高隔离宽带5g mimo手机天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高隔离宽带5GMIMO手机天线,包括介质基板、天线单元、同轴馈电传输线和金属地板。介质基板由水平介质基板和两个竖直介质基板构成;天线单元由设置在竖直介质基板内侧面的辐射单元A,设置在竖直介质基板外侧面的辐射单元B和辐射单元C以及设置在水平介质基板上与辐射单元C和金属地板相接的接地点构成。本发明提供的天线通过单极子天线与耦合环天线相结合的方式拓展天线带宽,使其达到3.4~6.4GHz,可覆盖大部分5GSub‑6GHz频段;参与辐射的辐射单元C同时可作为去耦枝节实现天线单元之间的高隔离。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域,涉及一种高隔离宽带5G MIMO手机天线。
背景技术
近年来,移动智能手机已经融入了人们的日常生活当中并且发挥了非常重要的作用。从第四代(4G)移动通信起,为满足迫切的高信道容量的需求,多输入多输出(MIMO)技术成为关键技术之一。在手机MIMO天线的设计中,由于移动终端设备空间有限,MIMO技术往往面临着端口隔离度较低的问题。目前,世界各国都在进行5G的基础设施建设,在5G时代,移动终端还需覆盖6GHz以下5G的多个工作频段来满足用户需求。
所以,如何在极其有限的空间内设计出适用于5G终端的多、宽频带,高隔离度的MIMO天线,是当今研究的热点与难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种高隔离宽带5G MIMO手机天线,该天线结构在保证多天线之间隔离度的同时具有宽带辐射的特性,覆盖多个5G频段。
本发明所采用的技术方案是,高隔离宽带5G MIMO手机天线,包括水平介质基板,水平介质基板的相对两侧分别设有竖直介质基板,水平介质基板的底部设有金属地板,两个竖直介质基板上分别对称设有若干个天线单元,每个天线单元分别连接馈电传输线和接地点。
本发明的特点还在于:
每个所述天线单元包括:设置在竖直介质基板内侧面的倒U形辐射单元A、设置在竖直介质基板外侧面的倒L形辐射单元B与矩形辐射单元C,辐射单元B与辐射单元C拼接后形成倒U形结构,辐射单元A与馈电传输线连接,辐射单元C通过接地点与金属地板接通。
水平介质基板与竖直介质基板均采用厚度相同的FR-4材料。
辐射单元A、辐射单元B、辐射单元C、馈电传输线、接地点及金属地板材料均采用厚度相同的铜。
天线单元的个数为8个。
本发明的有益效果是
1.本发明的辐射单元A与同轴馈电传输线相连,作为折叠的单极子天线覆盖高频部分;辐射单元A和辐射单元B以及辐射单元C共同作用,组成环天线,覆盖天线低频部分;两者结合扩展了天线带宽;
2.本发明中接地的辐射单元C既参与辐射,也作为去耦枝节作用,天线系统内不需引入额外去耦原件即可满足MIMO天线隔离度要求;
3.本发明提出的天线结构简单,尺寸小,有利于大量天线集成。本发明能够很好的应用于3.4-6.4GHz的频段中,且在对5G Sub-6GHz频段进行良好覆盖的同时,保证了优于-15dB的隔离度,具有良好的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明高隔离度宽带MIMO手机天线的三维结构示意图;
图2为本发明高隔离度宽带MIMO手机天线的俯视结构示意图;
图3为本发明高隔离度宽带MIMO手机天线的单元结构示意图;
图4为本发明高隔离度宽带MIMO手机天线竖直介质基板的内表面结构示意图;
图5为本发明高隔离度宽带MIMO手机天线竖直介质基板的外表面结构示意图;
图6为本发明高隔离度宽带MIMO手机天线的S参数仿真图;
图7为本发明高隔离度宽带MIMO手机天线的天线单元I及天线单元II的辐射效率图;
图8为本发明高隔离度宽带MIMO手机天线的各天线单元间包络相关系数(ECC)图;
图9(a)~(f)为本发明高隔离度宽带MIMO手机天线的天线单元I及天线单元II工作在频率等于3.7GHz的方向图;
图10(a)~(f)为本发明高隔离度宽带MIMO手机天线的天线单元I及天线单元II工作在频率等于6.0GHz的方向图。
图中,1-水平介质基板,2-竖直介质基板,4-金属地板,5-馈电传输线,6-辐射单元A,7-辐射单元B,8-辐射单元C,9-接地点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明高隔离度宽带5G MIMO手机天线,如图1所示,包含水平介质基板1、两个竖直介质基板2、金属地板4、同轴馈电传输线5、辐射单元A6、辐射单元B7、辐射单元C8和接地点9。
水平介质基板1、两个竖直介质基板2均采用厚度为1mm的FR-4材料,相对介电常数为4.3,损耗角正切为0.02。
其中水平介质基板1的长度为L=150±0.1mm,宽度为W=73±0.1mm;竖直介质基板2的长度为L=150±0.1mm,宽度为H=7±0.1mm。
辐射单元A6、辐射单元B7、辐射单元C8、(同轴)馈电传输线5、接地点9及金属地板4材料均采用厚度为0.035的铜。
如图1及图2所示,两个竖直介质基板2分别放置在水平介质基板1长边的两侧,金属地板4设置在水平介质基板1的底面。馈电传输线5放置在水平介质基板1的顶面,馈电传输线5的起点在水平介质基板1的长边。
辐射单元A6印刷在竖直介质基板2的内表面,辐射单元B7以及辐射单元C8印刷在竖直介质基板2的外表面,辐射单元C8底部接地处理。
竖直介质基板2的内表面指的是靠近并垂直于水平介质基板1的面,竖直介质基板2的外表面指的是远离并垂直于水平介质基板1的面。
天线单元两两对应镜像对称放置,通过同轴馈电的方式工作,输入阻抗为50Ω,同轴馈电的端口设置在(同轴)馈电传输线5的末端。
如图3-图5所示,天线单元是由辐射单元A6、辐射单元B7以及辐射单元C8构成的;
辐射单元A6设置在竖直介质基板2的内表面,由第一矩形板、第二矩形板、第三矩形板依次连接构成,第一矩形板底部与水平介质基板1的顶面平齐,与同轴馈电传输线5的始端相接;第一矩形板长为L1=4.9~5.1mm,第二矩形板长为L2=2.4~2.6mm,第三矩形板长为L3=3.9~4.1mm,第一矩形板、第二矩形板、第三矩形板宽度均为H1=0.9~1.1mm。
辐射单元B7设置在竖直介质基板2的外表面,由第四矩形板,第五矩形板连接构成,第四矩形板的始端在竖直介质基板2的上沿,第五矩形板的长边上沿与竖直介质基板2的上沿平齐;第四矩形板长为L4=5.9~6.1mm,第五矩形板长为L5=14.4~14.6mm,第四矩形板宽度为H1=0.9~1.1mm,第五矩形板宽度为H2=0.4~0.6mm。
辐射单元C8设置在竖直介质基板2的外表面,由第六矩形板构成,第六矩形板的底部接接地点9,接地点9即第七矩形板,第七矩形板与金属地板4相连;第六矩形板长为L6=6.2~6.4mm,第七矩形板长为L7=1.9~2.1mm,第六矩形板、第七矩形板的宽度为H1=0.9~1.1mm。
同轴馈电传输线5的始端与水平介质基板1的长边平齐;所述同轴馈电传输线5长为Lf=9.9~10.1mm,宽为H1=0.9~1.1mm。
金属地板4(矩形)两短边与水平介质基板1的短板平齐,金属地板4两长边与水平介质基板1的长边间距相等;长为L=149.9~150.1mm,宽为W1=70.9~71.1mm。
同轴馈电传输线5、辐射单元A6、辐射单元B7、辐射单元C8、接地点9加上金属地板4可以构成一个天线系统,天线单元可以独立的完成信号的接收和发射工作,金属地板4和水平介质基板1是所有天线单元的共用结构。
如图1所示,天线单元I、II、VII、VIII与天线单元IV、III、VI、V分别两两对应镜面对称放置;
天线单元I中第一矩形与竖直介质基板2的短边距离为La1=32.4~32.6mm,天线单元I与天线单元II中第一矩形板之间间距为La2=31.9~32.1mm,天线单元II与天线单元III中第一矩形板之间间距为La3=20.9~21.1mm。
天线单元I中第六矩形板与竖直介质基板2的短边距离为Lb1=42.4~42.6mm,天线单元I与天线单元II中第六矩形板之间间距为Lb2=31.9~32.1mm,天线单元II与天线单元III中第六矩形之间间距为Lb3=0.9~1.1mm。
如图6所示,为本发明的S参数仿真图,反映了天线反射系数和传输系数。其中天线单元I与天线单元II的-6dB阻抗带宽为:3.4-6.4GHz,带宽较大,可以覆盖5G Sub-6GHz的大部分频段。且各个天线单元之间隔离度均小于-15dB,隔离度较高。
如图7所示,为本发明的天线单元I及天线单元II的辐射效率图。天线单元I在3.4-6.4GHz频段范围内辐射效率为50%~71%,天线单元II在3.4-6.4GHz频段范围内辐射效率为49%~69%,满足手机天线辐射效率达到40%的要求,天线的辐射性能良好。
如图8所示,为本发明的天线单元间包络相关系数(ECC)图。可以看到本发明的包络相关系数在工作频段内均小于0.05,符合5GMIMO的操作标准(ECC<0.5)。
如图9(a)为本发明的天线单元I工作在频率等于3.7GHz时的xoz面辐射方向图;图9(b)为本发明的天线单元II工作在频率等于3.7GHz时的xoz面辐射方向图;图9(c)为本发明的天线单元I工作在频率等于3.7GHz时的yoz面辐射方向图;如图9(d)为本发明的天线单元II工作在频率等于3.7GHz时的yoz面辐射方向图;图9(e)为本发明的天线单元I工作在频率等于3.7GHz时的xoy面辐射方向图;图9(f)为本发明的天线单元II工作在频率等于3.7GHz时的xoy面辐射方向图;
图10(a)为本发明的天线单元I工作在频率等于6.0GHz时的xoz面辐射方向图;图10(b)为本发明的天线单元II工作在频率等于6.0GHz时的xoz面辐射方向图;图10(c)为本发明的天线单元I工作在频率等于6.0GHz时的yoz面辐射方向图;图10(d)为本发明的天线单元II工作在频率等于6.0GHz时的yoz面辐射方向图;图10(e)为本发明的天线单元I工作在频率等于6.0GHz时的xoy面辐射方向图;图10(f)为本发明的天线单元II工作在频率等于6.0GHz时的xoy面辐射方向图;通过图9(a)~(f)以及图10(a)~(f)能够看出该天线具有全向性,辐射性能较好。
Claims (1)
1.高隔离宽带5G MIMO手机天线,其特征在于:包括水平介质基板(1),水平介质基板(1)的相对两侧分别设有竖直介质基板(2),水平介质基板(1)的底部设有金属地板(4),两个竖直介质基板(2)上分别对称设有若干个天线单元,每个天线单元分别连接馈电传输线(5)和接地点(9);
每个所述天线单元包括:设置在竖直介质基板(2)内侧面的倒U形辐射单元A(6)、设置在竖直介质基板(2)外侧面的倒L形辐射单元B(7)与矩形辐射单元C(8),辐射单元B(7)与辐射单元C(8)拼接后形成倒U形结构,且辐射单元B(7)与矩形辐射单元C(8)之间存在间隙,辐射单元A(6)与馈电传输线(5)连接,辐射单元C(8)通过接地点(9)与金属地板(4)接通;辐射单元A(6)与同轴馈电传输线(5)相连,作为折叠的单极子天线覆盖高频部分;辐射单元A(6)和辐射单元B(7)以及辐射单元C(8)共同作用,组成环天线,覆盖天线低频部分;
所述水平介质基板(1)与竖直介质基板(2)均采用厚度相同的FR-4材料;
所述辐射单元A(6)、辐射单元B(7)、辐射单元C(8)、馈电传输线(5)、接地点(9)及金属地板(4)材料均采用厚度相同的铜;
水平介质基板(1)的长度为L=150±0.1mm,宽度为W=73±0.1mm;竖直介质基板(2)的长度为L=150±0.1mm,宽度为H=7±0.1mm;
辐射单元A(6)设置在竖直介质基板(2)的内表面,由第一矩形板、第二矩形板、第三矩形板依次连接构成,第一矩形板底部与水平介质基板(1)的顶面平齐,与同轴馈电传输线(5)的始端相接;第一矩形板长为L1=4.9~5.1mm,第二矩形板长为L2=2.4~2.6mm,第三矩形板长为L3=3.9~4.1mm,第一矩形板、第二矩形板、第三矩形板宽度均为H1=0.9~1.1mm;
辐射单元B(7)设置在竖直介质基板(2)的外表面,由第四矩形板、第五矩形板连接构成,第四矩形板的始端在竖直介质基板(2)的上沿,第五矩形板的长边上沿与竖直介质基板(2)的上沿平齐;第四矩形板长为L4=5.9~6.1mm,第五矩形板长为L5=14.4~14.6mm,第四矩形板宽度为H1=0.9~1.1mm,第五矩形板宽度为H2=0.4~0.6mm;
辐射单元C(8)设置在竖直介质基板(2)的外表面,由第六矩形板构成,第六矩形板的底部接接地点(9),接地点(9)即第七矩形板,第七矩形板与金属地板(4)相连;第六矩形板长为L6=6.2~6.4mm,第七矩形板长为L7=1.9~2.1mm,第六矩形板、第七矩形板的宽度为H1=0.9~1.1mm;
同轴馈电传输线(5)的始端与水平介质基板(1)的长边平齐;同轴馈电传输线(5)长为Lf=9.9~10.1mm,宽为H1=0.9~1.1mm;
金属地板(4)两短边与水平介质基板(1)的短板平齐,金属地板(4)两长边与水平介质基板(1)的长边间距相等;长为L=149.9~150.1mm,宽为W1=70.9~71.1mm;
同轴馈电传输线(5)、辐射单元A(6)、辐射单元B(7)、辐射单元C(8)、接地点(9)加上金属地板(4)构成一个天线系统,天线单元可以独立的完成信号的接收和发射工作,金属地板(4)和水平介质基板(1)是所有天线单元的共用结构;
所述天线单元的个数为8个;
天线单元I、II、VII、VIII与天线单元IV、III、VI、V分别两两对应镜面对称放置;
天线单元I中第一矩形与竖直介质基板(2)的短边距离为La1=32.4~32.6mm,天线单元I与天线单元II中第一矩形板之间间距为La2=31.9~32.1mm,天线单元II与天线单元III中第一矩形板之间间距为La3=20.9~21.1mm;
天线单元I中第六矩形板与竖直介质基板(2)的短边距离为Lb1=42.4~42.6mm,天线单元I与天线单元II中第六矩形板之间间距为Lb2=31.9~32.1mm,天线单元II与天线单元III中第六矩形之间间距为Lb3=0.9~1.1mm。
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