CN208655889U - 基于矩形贴片阵列的5g毫米波手机天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种结构简单、实现较高覆盖效率并且能提高增益的基于矩形贴片阵列的5G毫米波手机天线，该小型化高增益贴片阵列天线包括移动终端基板、介质基底、基底上等间隔横向排列的四个相同辐射体和超薄塑料外壳；所述辐射体成平面状印制于介质基板上表面，相邻辐射体之间间距相同且关于介质基底纵向中心线对称；所述介质基底印刷在移动终端基板上表面左上角；所述超薄塑料外壳放置在移动终端基板外侧。该天线结构简单，紧凑合理，易于加工，方便放置于移动终端顶部，采用该小型化贴片阵列手机天线能满足5G时代移动终端高增益的需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于矩形贴片阵列的5G毫米波手机天线，属于贴片阵列天线在毫米波频段手机天线应用领域。
背景技术
最近十几年不断发展的移动通信技术为全球的经济社会发现做出了巨大的贡献。移动通信技术和其他技术革命相辅相成。各种依赖于移动通信的服务需要更快的传输速率，推动着无限技术不断发展进步。自从1983年开始，无线通信系统迅速地由模拟移动通信系统(第一代无线通信技术，1G)发展到了数字移动通信系统(第二代无线通信技术，2G)，而后又发展到了主要基于宽带码分多址的第三代(3G)无线通信系统。3G通信系统使得多媒体数据的传输成为了现实。为了能够进一步提高传输速率，多输入多输出(MIMO)和正交频分复用技术得到了极大的关注，并成为了第四代长期演进(4G-LTE)无线通信系统的关键技术。我们可以预见的是，未来会出现更高的对移动通信流量、成本、性能的要求。根据2015年国际电联ITU-R M.2370报告，2020年到2030年间，全球无线通信流量的增幅约为10至100倍。这些要求催生了工业界和学术界对于第五代(5G)移动通信的研发热潮。
根据IMT2020定义的三大使用场景，5G移动终端属于增强型移动宽带这一使用场景范畴。目前，大量关于5G技术的研究聚焦在网络技术和通信技术层面，关于5G移动终端天线的研究并不是很多，尚处于研究的初级阶段。目前已有的关于5G移动终端天线的研究主要集中于以下几个方面：移动终端毫米波天线设计，人体对毫米波通信的影响，毫米波天线对人体的辐射。毫米波天线阵列的设计研究主要聚焦于波束扫描功能的实现以及天线与射频前段的集成。目前，并没有很多关于5G移动终端毫米波天线的研究。由于5G频段及相关通信标准尚未完全落地，目前的毫米波移动终端天线更多的从系统的层面考虑什么样的天线能够满足毫米波天线波束扫描的要求，以及什么样的指标可以用来表征5G移动终端毫米波天线的性能方面，由于毫米波频段的自由空间損耗远大于当前的移动终端频段，比如15GHz时的自由空间损耗要比3GHz时高 14dBm。另外一方面，由于波长的减小，天线的物理尺寸也相应地减小，将毫米波天线阵列集成在移动终端中也变得更为可行。使用天线阵列可以提供额外的阵列增益，并且可以通过波束扫描实现信号的全向覆盖。对毫米波信道探测和建模的结果显示，在基站和移动终端同时使用具有波束扫描功能的天线，可以提高信道的可靠性并减小不可见信道对通信链路的影响。对于集成在移动终端中可以进行波束扫描的毫米波天线阵列而言，由于天线单元方向图的限制，其总扫描方向图能够覆盖的空间角总是有限的，能否实现全空间覆盖的波束扫描变得尤为关键。
经过实验验证，贴片天线阵列有较好的覆盖效率，贴片天线的波束能够覆盖更广的一个范围。由于单个天线阵列很难实现全向覆盖，提出使用贴片天线构成的多个子阵列结构。每个子阵列均能覆盖一定的空间角。切换不同子阵列可以实现全向覆盖，也提出了使用槽天线单元构成的多个子阵列结构。该移动终端模型利用槽天线的方向图可调性，实现了不同子阵列方向图的互补。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、实现较高覆盖效率的贴片阵列小型化高增益手机天线系统。
考虑到了结构难易等要求，本实用新型提出了一种在毫米波频段应用于5G场景的矩形贴片阵列手机天线，为在5G场景下毫米波频段小型化和高覆盖效率的移动终端天线系统发展提供了重要帮助。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：所述基于矩形贴片阵列的5G毫米波手机天线，该天线包括移动终端基板(1)、Rogers RO4003介质基底(2)、在介质基底(2)上相距等间隔横向排列的第一辐射体(3)、第二辐射体(4)、第三辐射体(5)、第四辐射体(6)、超薄手机塑料外壳(7)；所述第一辐射体(3)、第二辐射体(4)、第三辐射体 (5)、第四辐射体(6)成平面状印制于绝缘介质基底(2)的上表面，相邻辐射体之间间距 8.1mm且关于绝缘介质基底(2)纵向中心线对称；所述介质基底(2)印刷在移动终端基板 (1)上表面左上角；所述超薄手机塑料外壳(7)放置在移动终端基板(1)外侧，第一辐射体(3)左侧与超薄手机塑料外壳(7)之间的间距小于2mm。
本实用新型使用矩形贴片辐射体阵列使手机天线系统具有互补的方向图和不同的极化方向，单个矩形辐射体贴片在通信频带28GHz附近S11达到-39dB以下，贴片阵列在提高增益的同时由于辐射体之间相互耦合作用S11也能达到-25dB以下,天线为平面结构介质基底与移动终端基底的厚度均在微米级，适用于超薄智能手机。
所述辐射体为矩形，所述辐射体下方中心处刻蚀有小正方形凹槽，有细长条连接凹槽处并向下延伸，延伸至与介质基底底部平齐，所述四个辐射体整体以介质基底底部平齐，以相同间隔分布在介质基底上且关于介质基底纵向中心线对称，第一辐射体(3)左侧与超薄手机塑料外壳(7)之间间距小于2mm。
作为优选，本实用新型阵列天线共有第一辐射体(3)、第二辐射体(4)、第三辐射体(5)、第四辐射体(6)四个尺寸材料都相同的矩形辐射体，以相同间距横向排列组合印刷在绝缘介质基底(2)上表面；所述第一辐射体(3)，包括：刻蚀小正方形凹槽的第一矩形贴片(31)、第一小正方形凹槽(32)，底部与介质基底底部平齐的第一细长矩形条带(33)；第一细长矩形条带(33)连接在第一矩形贴片(31)的第一小正方形凹槽(32)中心处与介质基底(2)底部；所述第一辐射体(3)的第一矩形贴片(31)的尺寸为4.1mm*2.7mm*0.3mm，第一小正方形凹槽(32)的尺寸为1mm*1mm*0.3mm，第一细长矩形条带(33)的尺寸为 0.5mm*6.65mm*0.3mm；第一辐射体(3)左侧与介质基底(2)左侧边缘距离为0.325mm；第一辐射体(3)左侧与超薄手机塑料外壳(7)之间的间距小于2mm；第四辐射体(6)左侧与介质基底(2)右侧边缘距离为0.325mm；四个辐射体尺寸、材料均相同，第一辐射体(3)中的第一细长矩形条带(33)、第二辐射体(4)中的第二细长矩形条带(43)、第三辐射体(5)中的第三细长矩形条带(53)、第四辐射体(6)中的第四细长矩形条带(63)与介质基底(2) 底部平齐，四个辐射体横向排列，相邻辐射体之间间隔距离为8.1mm且关于介质基底(2)纵向中心线对称；第一辐射体(3)的第一矩形贴片(31)、第二辐射体(4)的第二矩形贴片 (41)、第三辐射体(5)的第三矩形贴片(51)、第四辐射体(6)的第四矩形贴片(61)与介质基底(2)上侧边缘的距离均为5.65mm。
作为优选，介质基底(2)的尺寸为29mm*14mm*0.03mm，印刷于移动终端基板(1)的左上角，介质基底(2)左边缘与上边缘和移动终端基板(1)的左边缘和上边缘部分重合，介质基底(2)右边缘和移动终端基板(1)的右边缘相距33mm；绝缘介质基底(2)采用RogersRO4003材料。
作为优选，所述移动终端基板(1)的尺寸为126mm*62mm*0.03mm；超薄手机塑料外壳 (7)的尺寸为130mm*60mm*8mm，厚度为1mm。
本实用新型的有益效果：本实用新型所述基于矩形贴片阵列的5G毫米波手机天线能够在应用于5G毫米波频段，其结构简单，由于第一、第二、第三、第四辐射体以介质基底中心对称，且相邻辐射体之间等距离间隔，贴片天线的矩形辐射体具有互补的方向图和不同的极化方向以实现波束扫描的高覆盖效率以及天线的高增益性能。单层超薄辐射贴片，介质基板的上方印制矩形辐射贴片，介质基底放置在移动终端背板左上角，有利于天线系统小型化且天线系统可以进一步应用于不同尺寸基板的移动终端。绝缘介质基板的采用相对介电常数为3.55的Rogers RO4003板材，达到了减小天线尺寸的目的。
附图说明
图1为本实用新型的移动终端模型示意图；
图2为本实用新型介质基板上辐射体局部细节图；
图3为本实用新型的S11参数图；
图4为本实用新型在28GHz时实现增益方向图；
图中：1-移动终端基板，2-Rogers RO4003介质基底，3-第一辐射体，4-第二辐射体， 5-第三辐射体，6-第四辐射体，7-超薄手机塑料外壳，31-第一矩形贴片，32-第一小正方形凹槽，33-第一矩形细长条带，34-第一馈电点，41-第二矩形贴片，42-第二小正方形凹槽，43- 第二矩形细长条带，44-第二馈电点，51-第三矩形贴片，52-第三小正方形凹槽，53-第三矩形细长条带，54-第三馈电点，61-第四矩形贴片，62-第四小正方形凹槽，63-第四矩形细长条带，64-第四馈电点。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于该实施例。
附图1为基于矩形贴片阵列的5G毫米波手机天线结构示意图，包括移动终端基板(1)， Rogers RO4003介质基底(2)，第一辐射体(3)，第二辐射体(4)，第三辐射体(5)，第四辐射体(6)，超薄手机塑料外壳(7)；所述第一辐射体(3)、第二辐射体(4)，第三辐射体(5)和第四辐射体(6)印刷在介质基底(2)的上表面，均为平面结构印刷天线，且关于介质基底(2)的纵向中心线对称；第一辐射体(3)左边缘与介质基底(2)左边缘距离为 0.325mm，与超薄手机塑料外壳(7)距离小于2mm；第二辐射体(4)，第三辐射体(5)，第四辐射体(6)与第一辐射体(3)结构相同，四个辐射体横向排列，相邻辐射体之间间隔距离为8.1mm且关于介质基底(2)纵向中心线对称；第一辐射体(3)的第一矩形贴片(31)、第二辐射体(4)的第二矩形贴片(41)、第三辐射体(5)的第三矩形贴片(51)、第四辐射体 (6)的第四矩形贴片(61)与介质基底(2)上侧边缘的距离均为5.65mm。移动终端基板 (1)如图1所示，移动终端基板(1)印刷在介质基底(2)的背面，尺寸为 126mm*62mm*0.03mm；超薄手机塑料外壳(7)的尺寸为130mm*60mm*8mm，厚度为1mm。
第一辐射体(3)，包括：刻蚀小正方形凹槽的第一矩形贴片(31)、第一小正方形凹槽 (32)，底部与介质基底底部平齐的第一细长矩形条带(33)；第一细长矩形条带(33)连接在第一矩形贴片(31)的第一小正方形凹槽(32)中心处与介质基底(2)底部；所述第一辐射体(3)的第一矩形贴片(31)的尺寸为4.1mm*2.7mm*0.3mm，第一小正方形凹槽(32)的尺寸为1mm*1mm*0.3mm，第一细长矩形条带(33)的尺寸为0.5mm*6.65mm*0.3mm；
图3为本实用新型的S11参数图；图4为本实用新型在28GHz时在yz平面的方向图；该移动终端天线系统的工作原理或工作过程可通过如下内容来解释。单个矩形贴片在工作频段内的S11 可达到-39dB以下，贴片的能量朝基板上方及周围辐射；当采用横向等间距排列的四个贴片天线阵列时，由于天线贴片之间的相互耦合作用，S11在工作频段达到-25dB以下，贴片辐射的能量叠加，方向性最强且主要朝基板上方辐射，由于表面波的影响，贴片天线阵列的方向图上可以观察到较强的波纹和侧瓣。扫描方向图不对称是由于天线放置在移动终端机板上时的不对称所导致的，贴片阵列天线的方向图主要是由天线谐振腔内的模式所决定，该矩形贴片阵列天线的增益较高。
以上所述实施例只是本实用新型的一种较佳方案，并非对本实用新型作任何形式上的限制，在不超过权利要求所记载的技术方案的前提下还有其他的变体及改型。
Claims (4)
1.一种基于矩形贴片阵列的5G毫米波手机天线，该天线包括：移动终端基板(1)、Rogers RO4003介质基底(2)、超薄手机塑料外壳(7)，其特征在于，在介质基底(2)上相距等间隔横向排列的第一辐射体(3)、第二辐射体(4)、第三辐射体(5)、第四辐射体(6)；所述第一辐射体(3)、第二辐射体(4)、第三辐射体(5)、第四辐射体(6)成平面状印制于绝缘介质基底(2)的上表面，相邻辐射体之间间距8.1mm且关于绝缘介质基底(2)纵向中心线对称；所述介质基底(2)印刷在移动终端基板(1)上表面左上角；所述超薄手机塑料外壳(7)放置在移动终端基板(1)外侧，第一辐射体(3)左侧与超薄手机塑料外壳(7)之间的间距小于2mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于矩形贴片阵列的5G毫米波手机天线，其特征在于，所述第一辐射体(3)，包括：刻蚀小正方形凹槽的第一矩形贴片(31)、第一小正方形凹槽(32)，底部与介质基底底部平齐的第一细长矩形条带(33)；第一细长矩形条带(33)连接在第一矩形贴片(31)的第一小正方形凹槽(32)中心处与介质基底(2)底部；所述第一辐射体(3)的第一矩形贴片(31)的尺寸为4.1mm*2.7mm*0.3mm，第一小正方形凹槽(32)的尺寸为1mm*1mm*0.3mm，第一细长矩形条带(33)的尺寸为0.5mm*6.65mm*0.3mm；第一辐射体(3)左侧与介质基底(2)左侧边缘距离为0.325mm；第一辐射体(3)左侧与超薄手机塑料外壳(7)之间的间距小于2mm；第四辐射体(6)左侧与介质基底(2)右侧边缘距离为0.325mm；四个辐射体尺寸、材料均相同，第一辐射体(3)中的第一细长矩形条带(33)、第二辐射体(4)中的第二细长矩形条带(43)、第三辐射体(5)中的第三细长矩形条带(53)、第四辐射体(6)中的第四细长矩形条带(63)与介质基底(2)底部平齐，四个辐射体横向排列，相邻辐射体之间间隔距离为8.1mm且关于介质基底(2)纵向中心线对称；第一辐射体(3)的第一矩形贴片(31)、第二辐射体(4)的第二矩形贴片(41)、第三辐射体(5)的第三矩形贴片(51)、第四辐射体(6)的第四矩形贴片(61)与介质基底(2)上侧边缘的距离均为5.65mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于矩形贴片阵列的5G毫米波手机天线，其特征在于：介质基底(2)的尺寸为29mm*14mm*0.03mm，印刷于移动终端基板(1)的左上角，介质基底(2)左边缘与上边缘和移动终端基板(1)的左边缘和上边缘部分重合，介质基底(2)右边缘和移动终端基板(1)的右边缘相距33mm；绝缘介质基底(2)采用Rogers RO4003材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于矩形贴片阵列的5G毫米波手机天线，其特征在于：所述移动终端基板(1)的尺寸为126mm*62mm*0.03mm；超薄手机塑料外壳(7)的尺寸为130mm*60mm*8mm，厚度为1mm。
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