CN116315638A - 一种应用于5g智能手机的8单元双频mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO阵列天线，包括：水平介质基板、竖直介质基板、辐射贴片、去耦合单元、微带线和馈电端口，所述水平介质基板底面印刷有地平面，所述辐射贴片和地平面之间通过辐射贴片的短路部分连接，所述辐射贴片印刷于左右两个竖直介质基板的内侧，所述辐射贴片通过微带线进行馈电，所述微带线印刷在水平介质基板上表面，并与辐射贴片相连，所述去耦合单元印刷左右两个竖直介质基板的外侧，并置于辐射单元之间。本发明提供一种应用于5G智能手机的8单元MIMO天线，结构简单、尺寸小、剖面低、低耦合、高增益、信道容量大。

Description

一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线。
背景技术
天线作为无线通信设备收发电磁波的关键部件已被广泛应用于军用、民用和工业生产领域。特别是随着智能手机的普及，天线已成为人们日常生活中获取和传递信息不可或缺的工具。随着人们对高质量生活需求的不断增长，天线作为各类无线通信设备中收发信息的关键部件，必将受到各个相关领域学者的持续关注。
随着人类社会的进步和发展，移动通信系统的业务量呈爆炸式增长。然而，第四代无线通信技术(4G)中的移动蜂窝系统以及与之相关的天线设备将无法满足日益增长的业务量需求。与4G系统相比，第五代移动通信技术(5G)可以提供超快的速度，超低的延时和极高的可靠性。因此，大幅度提高移动终端设备天线的信道容量变得刻不容缓。多输入多输出技术是能够实现5G超高信道容量的关键技术之一。分配给5G的新频段可以分为sub-6GHz和毫米波频段。其中，Sub-6GHz就是利用6GHz以下的带宽资源发展5G，目前我国5G的初期建设已经确认使用的Sub-6GHz频段包括3.6-3.8GHz和4.8-5.0GHz。因为Sub-6GHZ频段的波长比毫米波频段的波长长的多，所以容易解决大范围区域的信号覆盖问题。毫米波的带宽更宽、速度更快、信道容量更大，能同时满足更多人上网，但此频段覆盖面积比较小、成本较高，适合人员密集场所。
对于面向移动无线通信设备的5GMIMO阵列天线，各国学者提出了一些不同方案，如倒F天线(PIFA)、微带天线等。在《WidebandMIMOAntennaArrayDesignforFutureMobileDevicesOperatinginthe5GNRFrequencyBandsn77/n78/n79andLTEBand46》文献中，作者设计了一款8单元PIFA天线，天线单元尺寸为13.9mm×7mm；《AWidebandPIFA-Pair-BasedMIMOAntennafor5GSmartphones》文献中，作者提出一款4单元PIFA天线，天线单元尺寸为15mm×7mm；上述两款天线均为覆盖5GN76/N77/N78及LTE46的超宽带天线，且隔离度较低，但过宽带宽在实际工作中容易受到其他信号干扰；在文献《High-isolationeight-elementMIMOarrayfor5Gsmartphoneapplications》中，作者提出了一种8单元偶极子MIMO天线用于3.45GHz频段(3.3–3.6GHz)，隔离度达到了20dB，但该天线频段单一、尺寸较大。因此，设计出一种结构简单、尺寸小、剖面低、低耦合、信道容量大的双频5GMIMO阵列天线具有较高的应用价值。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线，包括：水平介质基板、竖直介质基板、辐射贴片、去耦合单元、微带线和馈电端口；
所述水平介质基板顶部印刷有地平面，所述辐射贴片和地平面之间通过辐射贴片的短路部分连接，所述辐射贴片印刷于左右两个所述竖直介质基板的内侧，所述去耦合单元印刷于左右两个所述竖直介质基板的外侧，并置于对应的相邻两个辐射单元之间；所述辐射贴片与所述去耦合单元分别位于所述竖直介质基板的内外侧；所述去耦合单元为倒L型结构，所述去耦合单元的竖直臂与地平面相连，所述去耦合单元的水平臂与竖直介质基板上部边缘齐平；所述辐射贴片为矩形结构，在矩形结构上经过开槽将所述辐射贴片分为三部分，以短路支路为起点顺时针旋转依次分为第一部分、第二部分、第三部分；所述第一部分和所述第二部分均为L型结构，所述第三部分为倒U形结构；所述第一部分与短路支路相连，并利用短路探针连接地平面。所述第三部分与微带线相连，所述微带线通过所述馈电端口连接所述地平面。
优选地，所述第一部分和所述第二部分之间以及所述第二部分和所述第三部分之间均通过缝隙槽进行隔断。
优选地，所述水平介质基板和两个所述竖直介质基板构成手机外壳的U型结构；两个所述竖直介质基板的结构相同。
优选地，所述水平介质基板和两个所述竖直介质基板的材质为环氧树脂，相对介电常数为4.4；所述竖直介质基板的厚度为0.8mm；所述水平介质基板的厚度为1.0mm。
优选地，所述辐射贴片、所述地平面、所述去耦合单元和所述微带线均为金属材料。
优选地，所述微带线为50Ω阻抗匹配微带线。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线，采用同轴馈电，利用微带线获得50Ω阻抗匹配，安装方便，并利用开槽技术减小天线体积，获得双频段的特性，并利用短路探针加载方法进一步减小天线的体积。通过缝隙加载技术将辐射面分割为三个部分之后使天线获得获得了双频段和宽带特性，阻抗带宽为3.18-3.62GHz(中心频率分别为3.25GHz)和4.73-5.31GHz(中心频率分别为5.1GHz)，相对带宽分别达到了13.53％和11.37％，因此能够应对智能手机内部复杂电磁环境对天线辐射性能的影响。此外，天线在中心频率点回波损耗的最小值分别达到了-51.2dB和-30.4dB，可见阻抗匹配良好。在上述频段内，该天线的辐射特性满足智能手机的工业应用标准，即MIMO天线阵列的回波损耗小于-6dB，电压驻波比小于3。通过调整第三部分倒U形口的长度和宽度或者第一部分的倒L形贴片长边的长度和宽度可以调整天线双频段的中心频率和带宽；去耦合单元被置于竖直介质基板的外侧，使得天线单元之间的耦合度降低，天线之间的耦合度最大值从-9dB降为-14dB。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的阵列天线单元的辐射贴片结构示意图；
图2为本发明实施例的侧视图结构示意图；
图3为本发明实施例的俯视图结构示意图；
图4为本发明实施例的三维结构示意图；
图5为本发明实施例中MIMO天线阵列在模拟手机结构仿真中的1、2、3、4天线单元的回波损耗曲线图；
图6为本发明实施例中MIMO天线阵列在模拟手机结构仿真中的各1、2、3、4天线单元的辐射效率曲线图；
图7为本发明实施例中MIMO天线阵列在模拟手机结构仿真中的单侧相邻天线单元之间的包络相关性系数(ECC)示意图；
图8为本发明实施例中MIMO天线阵列在模拟手机结构仿真中的单侧相邻天线单元之间的回波损耗曲线示意图；
图9为本发明实施例中天线在中心频率3.4GHz的电流幅值分布图；
图10为本发明实施例中天线在中心频率5.15GHz的电流幅值分布图；
图11为本发明实施例中MIMO天线阵列在3.14GHz下模拟手机结构仿真中天线阵列的辐射方向图。
图12为本发明实施例中MIMO天线阵列在5.15GHz下模拟手机结构仿真中天线阵列的辐射方向图。
附图标记说明：
1、辐射贴片短路支路；2、辐射贴片第一部分；3、辐射贴片第二部分；4、辐射贴片第三部分；5、微带线馈电；6、第一缝隙槽；7、第二缝隙槽；8、第三缝隙槽；9、第四缝隙槽；10、第五缝隙槽；11、第六缝隙槽；12、第七缝隙槽；13、竖直介质基板；14、地平面；15、水平介质基板；16、第一去耦合单元；17、第二去耦合单元；18、第三去耦合单元；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。
如图1所示，一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线，1、辐射贴片短路支路；2、辐射贴片第一部分；3、辐射贴片第二部分；4、辐射贴片第三部分；5、微带线馈电，构成了基本的天线单元。
所述一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线，由于竖直介质基板13及内外侧单元结构具有对称性，因此只以介质基板13及其单元的一边进行介绍。
如图2、3、4所示，一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线，包括：竖直介质基板13、水平介质基板15，地平面14，第一去耦合单元16、第二去耦合单元17、第三去耦合单元18及图1中所示的天线基本单元构成，去耦合单元在介质基板13外侧，辐射贴片在介质基板13的内侧，都与地平面14相连。
所述竖直介质基板13内侧印刷有图1所示的辐射贴片，竖直介质基板13尺寸为150mm×6mm×0.8mm，水平介质基板15尺寸为150mm×70mm×1mm，地平面14尺寸为150mm×70mm，辐射贴片(图1)尺寸为14mm×5mm，短路支路1尺寸为2.2mm×1mm，微带线馈电5尺寸为2mm×1mm，第一去耦合单元16、第二去耦合单元17、第三去耦合单元18中的水平矩形尺寸为12mm×1.5mm，竖直矩形尺寸为0.5mm×5.5mm。
所述水平介质基板15底面印刷有地平面14，并且两侧与介质基板13相连接，水平介质基板15与竖直介质基板13组成U型结构，介质基板13内侧均匀排列4对天线辐射单元(图1)，介质基板13外侧均匀放置去耦合单元，去耦合单元置于相邻天线辐射单元空隙中央。辐射单元贴片与地平面14通过金属过孔与短路支路相连。
所述辐射贴片(图1)以短路支路为起点沿顺时针方向将辐射贴片分割成为3不同的部分。三个部分2、3、4通过缝隙加载技术互不相连，第一部分2与短路支路1相连并接地平面14，第三部分4与微带线馈电5相连接。
第一去耦合单元16、第二去耦合单元17、第三去耦合单元18为倒L型结构，放置于介质基板13外侧，水平矩形(12mm×1.5mm)上边与介质基板13外侧顶端齐平，竖直矩形(0.5mm×5.5mm)底边与地平面14相连，去耦合单元16、18与17的方向不同，但结构相同。
所述辐射单元(图1)、地平面14、第一去耦合单元16、第二去耦合单元17以及第三去耦合单元18均为金属材料，竖直介质基板13和水平介质基板15均为环氧树脂(FR4)材料。
本发明的一种实施例为：
所述竖直介质基板13和水平介质基板15的形状为长方体，所用的材料为环氧树脂，相对介电常数为4.4，所述介质质基板13尺寸为150mm×6mm×0.8mm，水平介质基板15尺寸为150mm×70mm×1mm。
如图1所示，沿辐射贴片的底部按顺时针方向一共添加了8个各不相同的缝隙槽，缝隙槽为矩形，使得辐射单元分为三个部分，第一个短路支路1上方的第六缝隙槽11的尺寸为0.8mm×0.7mm，第五缝隙槽10的尺寸为4mm×0.3mm，第一缝隙槽6的尺寸为11.6mm×0.3mm，第二缝隙槽7的尺寸为2.5mm×0.3mm，第四缝隙槽9的尺寸为10.5mm×0.3mm，第七缝隙槽12的尺寸为2.1mm×0.8mm，第三缝隙槽8的尺寸为7.5mm×1mm。
如图2所示，去耦合单元16、17、18的水平矩形尺寸为12mm×1.5mm，竖直矩形尺寸为0.5mm×5.5mm，长边和短边垂直放置，组合成L型结构。
图3、图4分别为天线整体结构的俯视图与三维视图。在图4中，以一侧为例，ant1和ant4距离介质基板13两侧边缘的距离分别为15mm和16mm，ant1-ant4，相邻辐射单元的间距均约为21mm，第一去耦合单元16、第二去耦合单元17、第三去耦合单元18置于介质基板13外侧，位置为与之相邻的辐射单元之间，其作用是降低天线辐射单元之间的耦合。
图5为本次实例一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线的单侧4个天线单元回波损耗曲线。根据8单元MIMO天线协议，要求回波损耗值小于-6dB。图5中，S11、S22、S33和S44在3.18-3.62GHz和4.73-5.31GHz频段内满足回波损耗小于-6dB的工程应用需求。可见，本实施例实现了宽带双频设计，满足了国内5G在Sub6GHz协议下的3.3-3.6GHz和4.8-5.0GHz的标准。
图6为本次实例一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线的辐射效率仿真结果，可见单侧4个天线单元的辐射效率均高于60％，效果优良。
图7为本发明实施例一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线在模拟手机结构仿真中的单侧相邻天线单元之间的包络相关性系数(ECC)，可见相邻天线单元之间的ECC均小于0.04；
图8为本发明实施例一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线在模拟手机结构仿真中的单侧相邻天线单元之间的回波损耗曲线，可见相邻天线单元之间的隔离度S21、S32和S43均小于14dB；
图9、图10分别为本实施例天线在中心频率3.4GHz与5.15GHz的电流幅值分布图，可以看出中心频率在3.4GHz时，电流主要分布在第一结构2和第二结构3中；中心频率在5.15GHz时，电流主要分布在第三结构4中。
图11、图12为本实施例天线在中心频率3.4GHz与5.15GHz的辐射方向图，图中E指电场，H指磁场，从图中可以看出本实施例的天线辐射方向图在H面中效果优良，满足移动设备在使用过程中的实际工程要求。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线，其特征在于，包括：水平介质基板、竖直介质基板、辐射贴片、去耦合单元、微带线和馈电端口；
所述水平介质基板顶部印刷有地平面，所述辐射贴片和地平面之间通过辐射贴片的短路部分连接，所述辐射贴片印刷于左右两个所述竖直介质基板的内侧，所述去耦合单元印刷于左右两个所述竖直介质基板的外侧，并置于对应的相邻两个辐射单元之间；所述辐射贴片与所述去耦合单元分别位于所述竖直介质基板的内外侧；所述去耦合单元为倒L型结构，所述去耦合单元的竖直臂与地平面相连，所述去耦合单元的水平臂与竖直介质基板上部边缘齐平；所述辐射贴片为矩形结构，在矩形结构上经过开槽将所述辐射贴片分为三部分，以短路支路为起点顺时针旋转依次分为第一部分、第二部分、第三部分；所述第一部分和所述第二部分均为L型结构，所述第三部分为倒U形结构；所述第一部分与短路支路相连，并利用短路探针连接地平面。所述第三部分与微带线相连，所述微带线通过所述馈电端口连接所述地平面。
2.根据权利要求1所述的应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分之间以及所述第二部分和所述第三部分之间均通过缝隙槽进行隔断。
3.根据权利要求1所述的应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线，其特征在于，所述水平介质基板和两个所述竖直介质基板构成手机外壳的U型结构；两个所述竖直介质基板的结构相同。
4.根据权利要求1所述的应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线，其特征在于，所述水平介质基板和两个所述竖直介质基板的材质为环氧树脂，相对介电常数为4.4；所述竖直介质基板的厚度为0.8mm；所述水平介质基板的厚度为1.0mm。
5.根据权利要求1所述的应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线，其特征在于，所述辐射贴片、所述地平面、所述去耦合单元和所述微带线均为金属材料。
6.根据权利要求1所述的应用于5G智能手机的8单元双频MIMO天线，其特征在于，所述微带线为50Ω阻抗匹配微带线。
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