CN212659665U - 双极化5g毫米波天线模组及具有金属框架的移动设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了双极化5G毫米波天线模组及具有金属框架的移动设备，双极化5G毫米波天线模组包括多个天线单元，所述天线单元包括基体，所述基体上设有第一金属层和第二金属层，所述第一金属层包括辐射片，所述二金属层上设有第一开槽和第二开槽，所述第一开槽与第二开槽垂直，第一开槽内设有第一馈电枝节，第二开槽内设有第二馈电枝节，第一开槽的一部分以及第二开槽的一部分分别位于所述辐射片的正下方。馈电结构简单，具有双极化的优点，EIRP有较大的提升；可采用PCB板作为基体，易于生产装配，方便后续与芯片的集成；覆盖频段广；能够与移动设备的金属壳联合设计，解决了毫米波天线在移动设备金属框架下的辐射性能影响。

Description

双极化5G毫米波天线模组及具有金属框架的移动设备

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及双极化5G毫米波天线模组及具有金属框架的移动设备。

背景技术

5G作为全球业界的研发焦点，发展5G技术、制定5G标准已经成为业界共识。国际电信联盟ITU在2015年6月召开的ITU-RWP5D第22次会议上明确了5G的三个主要应用场景：增强型移动宽带、大规模机器通信、高可靠低延时通信。这3个应用场景分别对应着不同的关键指标，其中增强型移动带宽场景下用户峰值速度为20Gbps，最低用户体验速率为100Mbps。毫米波独有的高载频、大带宽特性是实现5G超高数据传输速率的主要手段。且未来的手机中预留给5G天线的空间小，可选位置不多，所以要设计小型化的天线模组。

金属框架架构是手机结构设计中的主流方案，其能提供更好的保护、美观度、热扩散以及用户体验，但是由于金属对电磁波的屏蔽作用，会严重影响上、下天线的辐射性能，降低天线的增益，所以在移动设备(如手机)为金属框架条件下与天线模组的联合设计有重要意义。

目前已有专利或专利申请公开了一些金属框架下的5G毫米波天线设计，但其有诸多缺陷，如公开号为CN 109193133A的中国发明专利申请及公开号为CN109193134A的中国发明专利申请，其技术方案未考虑射频前端集成；如公告号为CN 209544619U的中国实用新型专利及公开号为CN 109066079A的中国发明专利申请，其馈电结构复杂并且实际生产装配难度大；如公告号为CN207517869U的中国实用新型专利、公告号为CN207781866U的中国实用新型专利、公告号为CN208460981U的中国实用新型专利、公开号为CN108288757A的中国发明专利申请，其技术方案均为单极化模组，但目前3GPP的TS38.101-2 5G终端射频技术规范中双极化在计算EIRP有明显优势。根据3GPP TS38.101-2 5G终端射频技术规范和TR38.817终端射频技术报告可知，5GmmWave天线需要覆盖N257(26.5-29.5GHz)、N258(24.25-27.25GHz)、N260(37-40GHz)及N261(27.5-28.35GHz)，而目前市面上的高通天线模组仅覆盖了N257频段(26.5-29.5GHz)。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种结构简单、覆盖频段广的双极化5G毫米波天线模组及具有金属框架的移动设备。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：双极化5G毫米波天线模组，包括多个天线单元，所述天线单元包括基体，所述基体上设有第一金属层和第二金属层，所述第一金属层包括辐射片，所述二金属层上设有第一开槽和第二开槽，所述第一开槽与第二开槽垂直，第一开槽内设有第一馈电枝节，第二开槽内设有第二馈电枝节，第一开槽的一部分以及第二开槽的一部分分别位于所述辐射片的正下方。

进一步的，所述第一馈电枝节的一部分位于所述辐射片的正下方以使所述第一开槽位于所述辐射片的正下方的部分形成呈U字型的第一缝隙。

进一步的，所述第二馈电枝节的一部分位于所述辐射片的正下方以使所述第二开槽位于所述辐射片的正下方的部分形成呈U字型的第二缝隙。

进一步的，所述基体上还设有第三金属层和匹配网络，所述第三金属层位于第二金属层远离所述第一金属层的一侧，所述匹配网络位于所述第三金属层远离所述第二金属层的一侧，所述第一馈电枝节以及第二馈电枝节分别与所述匹配网络导通。

进一步的，所述基体上还设有第四金属层，所述匹配网络位于所述第三金属层与第四金属层之间，所述基体上还具有围绕所述天线单元设置的隔离墙。

进一步的，所述隔离墙包括多个连通所述第一金属层与第四金属层的第一金属化孔。

进一步的，所述第三金属层与第四金属层之间还设有多个第二金属化孔，所述第二金属化孔围绕所述匹配网络设置，所述第二金属化孔连通所述第三金属层和第四金属层。

进一步的，还包括芯片组件，所述芯片组件与所述匹配网络导通。

进一步的，所述辐射片呈矩形，所述第一开槽垂直于所述辐射片的第一侧边设置，所述第二开槽垂直于所述辐射片的第二侧边设置，所述第一侧边与第二侧边相邻。

为了解决上述技术问题，本实用新型还采用以下技术方案：具有金属框架的移动设备，包括上述双极化5G毫米波天线模组。

本实用新型的有益效果在于：

(1)采用双微带耦合馈源口径天线，馈电结构简单，同时具有双极化的优点，相比于单极化天线，EIRP有较大的提升；

(2)可采用PCB板作为基体，易于生产装配，方便后续与芯片的集成，体积小、剖面低，容易放在小型移动设备(如手机)内；

(3)双极化5G毫米波天线模组能够有效覆盖N257、N258、N260和N261频段，覆盖频段广；

(4)双极化5G毫米波天线模组能够与移动设备的金属壳联合设计(即移动设备的金属壳作为第一金属层)，完美解决了毫米波天线在移动设备金属框架下的辐射性能影响，有效地保证了天线的性能。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的双极化5G毫米波天线模组的整体结构的结构示意图；

图2为本实用新型实施例一的双极化5G毫米波天线模组的俯视图(隐藏基体及隔离墙后)；

图3为本实用新型实施例一的双极化5G毫米波天线模组的透视图(隐藏基体及隔离墙后)；

图4为本实用新型实施例一的双极化5G毫米波天线模组中的第二金属层的俯视图；

图5为本实用新型实施例一的双极化5G毫米波天线模组的俯视图(隐藏基体、隔离墙及第一、二、三金属层后)；

图6为本实用新型实施例一的双极化5G毫米波天线模组的正视图(隐藏基体后)；

图7为图6中细节A的放大图；

图8为本实用新型实施例一的双极化5G毫米波天线模组中的天线单元在第一极化方向上的S参数仿真曲线图；

图9为本实用新型实施例一的双极化5G毫米波天线模组中的天线单元在第二极化方向上的S参数仿真曲线图。

标号说明：

1、基体；

2、第一金属层；21、辐射片；22、框体；

3、第二金属层；31、第一开槽；32、第二开槽；33、第一馈电枝节；34、第二馈电枝节；35、第一缝隙；36、第二缝隙；

4、第三金属层；

5、匹配网络；

6、第四金属层；

7、隔离墙；71、第一金属化孔；

8、第二金属化孔；

9、芯片组件。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1至图9，双极化5G毫米波天线模组，包括多个天线单元，所述天线单元包括基体1，所述基体1上设有第一金属层2和第二金属层3，所述第一金属层2包括辐射片21，所述二金属层上设有第一开槽31和第二开槽32，所述第一开槽31与第二开槽32垂直，第一开槽31内设有第一馈电枝节33，第二开槽32内设有第二馈电枝节34，第一开槽31的一部分以及第二开槽32的一部分分别位于所述辐射片21的正下方。

从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：

(1)采用双微带耦合馈源口径天线，馈电结构简单，同时具有双极化的优点，相比于单极化天线，EIRP有较大的提升；

(2)可采用PCB板作为基体1，易于生产装配，方便后续与芯片的集成，体积小、剖面低，容易放在小型移动设备(如手机)内；

(3)双极化5G毫米波天线模组能够有效覆盖N257、N258、N260和N261频段，覆盖频段广；

(4)双极化5G毫米波天线模组能够与移动设备的金属壳联合设计(即移动设备的金属壳作为第一金属层2)，完美解决了毫米波天线在移动设备金属框架下的辐射性能影响，有效地保证了天线的性能。

进一步的，所述第一馈电枝节33的一部分位于所述辐射片21的正下方以使所述第一开槽31位于所述辐射片21的正下方的部分形成呈U字型的第一缝隙35。

进一步的，所述第二馈电枝节34的一部分位于所述辐射片21的正下方以使所述第二开槽32位于所述辐射片21的正下方的部分形成呈U字型的第二缝隙36。

由上述描述可知，两个极化信号通过第一、二馈电枝节耦合给第一、二缝隙，再由第一、二缝隙耦合给辐射片21，实现天线辐射。

进一步的，所述基体1上还设有第三金属层4和匹配网络5，所述第三金属层4位于第二金属层3远离所述第一金属层2的一侧，所述匹配网络5位于所述第三金属层4远离所述第二金属层3的一侧，所述第一馈电枝节33以及第二馈电枝节34分别与所述匹配网络5导通。

由上述描述可知，可通过对匹配网络5的具体构造进行设计，增加双极化5G毫米波天线模组带宽，提高双极化5G毫米波天线模组的性能。

进一步的，所述基体1上还设有第四金属层6，所述匹配网络5位于所述第三金属层4与第四金属层6之间，所述基体1上还具有围绕所述天线单元设置的隔离墙7。

由上述描述可知，隔离墙7的设置能够隔离天线单元之间的相互干扰以及外部信号对于天线单元的干扰，利于保证双极化5G毫米波天线模组的性能。

进一步的，所述隔离墙7包括多个连通所述第一金属层2与第四金属层6的第一金属化孔71。

由上述描述可知，隔离墙7的构造简单，加工便利。

进一步的，所述第三金属层4与第四金属层6之间还设有多个第二金属化孔8，所述第二金属化孔8围绕所述匹配网络5设置，所述第二金属化孔8连通所述第三金属层4和第四金属层6。

由上述描述可知，第二金属化孔8的设置能够减少匹配网络5的信号泄露、干扰。

进一步的，还包括芯片组件9，所述芯片组件9与所述匹配网络5导通。

由上述描述可知，射频芯片中包含移相器和放大器等元件，其中，移相器是为天线单元间提供相位差以实现波束扫描的能力，放大器是为了补偿移相器的损耗。

进一步的，所述辐射片21呈矩形，所述第一开槽31垂直于所述辐射片21的第一侧边设置，所述第二开槽32垂直于所述辐射片21的第二侧边设置，所述第一侧边与第二侧边相邻。

由上述描述可知，辐射片21结构简单、加工容易，辐射片21也可采用贴片的形式固定在基体1上。

具有金属框架的移动设备，包括上述双极化5G毫米波天线模组。

由上述描述可知，具有金属框架的移动设备至少具有上述双极化5G毫米波天线模组的全部有益效果。

实施例一

请参照图1至图9，本实用新型的实施例一为：具有金属框架的移动设备，例如手机、平板电脑、智能手表等，其包括金属背壳，所述金属背壳上设有双极化5G毫米波天线模组。

请结合图1至图5，所述双极化5G毫米波天线模组包括多个天线单元，所述天线单元包括基体1，所述基体1上设有第一金属层2和第二金属层3，所述第一金属层2包括辐射片21，所述二金属层上设有第一开槽31和第二开槽32，所述第一开槽31与第二开槽32垂直，第一开槽31内设有第一馈电枝节33，第二开槽32内设有第二馈电枝节34，第一开槽31的一部分以及第二开槽32的一部分分别位于所述辐射片21的正下方，所述第一馈电枝节33的一部分位于所述辐射片21的正下方以使所述第一开槽31位于所述辐射片21的正下方的部分形成呈U字型的第一缝隙35，所述第二馈电枝节34的一部分位于所述辐射片21的正下方以使所述第二开槽32位于所述辐射片21的正下方的部分形成呈U字型的第二缝隙36。本实施例中，所述天线单元的数量为四个，四个所述天线单元呈一排设置。可选的，所述基体1为多层PCB板；所述金属背壳为所述第一金属层2。

请结合图1和图5，进一步的，所述基体1上还设有第三金属层4、匹配网络5和第四金属层6，所述第三金属层4位于第二金属层3远离所述第一金属层2的一侧，所述第四金属层6位于第三金属层4远离所述第二金属层3的一侧，所述匹配网络5位于所述第三金属层4与第四金属层6之间，所述第一馈电枝节33以及第二馈电枝节34分别与所述匹配网络5导通。

请结合图1、图6和图7，为提高双极化5G毫米波天线模组的性能，所述基体1上还具有围绕所述天线单元设置的隔离墙7。具体的，所述隔离墙7包括多个连通所述第一金属层2与第四金属层6的第一金属化孔71。本实施例中，四个所述天线单元的周围分别围绕设置有所述隔离墙7。具体的，所述第一金属层2还包括围绕所述辐射片21设置的框体22，所述第一金属化孔71连接所述框体22。

如图5所示，所述第三金属层4与第四金属层6之间还设有多个第二金属化孔8，所述第二金属化孔8围绕所述匹配网络5设置，所述第二金属化孔8连通所述第三金属层4和第四金属层6。所述匹配网络5包括匹配走线，所述第二金属化孔8围绕所述匹配走线设置，所述匹配走线通过金属化孔与第一、二馈电枝节导通。通过调整所述匹配走线的宽度、弯折次数等参数，可调节双极化5G毫米波天线模组的带宽及阻抗。

如图1所示，还包括芯片组件9，所述芯片组件9与所述匹配网络5导通，可选的，所述芯片组件9位于所述第四金属层6远离所述第三金属层4的一侧。所述芯片组件9包括射频芯片、数字集成电路芯片和电源芯片，射频芯片包含移相器和放大器等元件，其中，移相器的作用是为天线单元间提供相位差以实现波束扫描的能力，放大器的作用是补偿移相器的损耗，数字集成电路芯片为射频芯片控制，电源芯片为射频芯片提供电源。

本实施例中，所述辐射片21呈矩形，所述第一开槽31垂直于所述辐射片21的第一侧边设置，所述第二开槽32垂直于所述辐射片21的第二侧边设置，所述第一侧边与第二侧边相邻。在其他实施例中，所述辐射片21还可以是呈其他形状的，例如圆形等。

图8为双极化5G毫米波天线模组中的天线单元在第一极化方向上的S参数仿真曲线图，由图8可知，双极化5G毫米波天线模组中的天线单元第一极化的工作频率范围为22-41GHz；图9为双极化5G毫米波天线模组中的天线单元在第二极化方向上的S参数仿真曲线图，由图9可知，双极化5G毫米波天线模组中的天线单元第二极化的工作频段为双频，工作频率范围具体为24-32GHz及37-40GHz。由此可见，本双极化5G毫米波天线模组的两个极化工作频段有效的覆盖了N257、N258、N260和N261。

综上所述，本实用新型提供的双极化5G毫米波天线模组及具有金属框架的移动设备，采用双微带耦合馈源口径天线，馈电结构简单，同时具有双极化的优点，相比于单极化天线，EIRP有较大的提升；采用PCB板作为基体，易于生产装配，方便后续与芯片的集成，体积小、剖面低，容易放在小型移动设备内；双极化5G毫米波天线模组能够有效覆盖N257、N258、N260和N261频段，覆盖频段广；能够与移动设备的金属壳联合设计，完美解决了毫米波天线在移动设备金属框架下的辐射性能影响，有效地保证了天线的性能。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.双极化5G毫米波天线模组，包括多个天线单元，所述天线单元包括基体，其特征在于：所述基体上设有第一金属层和第二金属层，所述第一金属层包括辐射片，所述二金属层上设有第一开槽和第二开槽，所述第一开槽与第二开槽垂直，第一开槽内设有第一馈电枝节，第二开槽内设有第二馈电枝节，第一开槽的一部分以及第二开槽的一部分分别位于所述辐射片的正下方。

2.根据权利要求1所述的双极化5G毫米波天线模组，其特征在于：所述第一馈电枝节的一部分位于所述辐射片的正下方以使所述第一开槽位于所述辐射片的正下方的部分形成呈U字型的第一缝隙。

3.根据权利要求1所述的双极化5G毫米波天线模组，其特征在于：所述第二馈电枝节的一部分位于所述辐射片的正下方以使所述第二开槽位于所述辐射片的正下方的部分形成呈U字型的第二缝隙。

4.根据权利要求1所述的双极化5G毫米波天线模组，其特征在于：所述基体上还设有第三金属层和匹配网络，所述第三金属层位于第二金属层远离所述第一金属层的一侧，所述匹配网络位于所述第三金属层远离所述第二金属层的一侧，所述第一馈电枝节以及第二馈电枝节分别与所述匹配网络导通。

5.根据权利要求4所述的双极化5G毫米波天线模组，其特征在于：所述基体上还设有第四金属层，所述匹配网络位于所述第三金属层与第四金属层之间，所述基体上还具有围绕所述天线单元设置的隔离墙。

6.根据权利要求5所述的双极化5G毫米波天线模组，其特征在于：所述隔离墙包括多个连通所述第一金属层与第四金属层的第一金属化孔。

7.根据权利要求5所述的双极化5G毫米波天线模组，其特征在于：所述第三金属层与第四金属层之间还设有多个第二金属化孔，所述第二金属化孔围绕所述匹配网络设置，所述第二金属化孔连通所述第三金属层和第四金属层。

8.根据权利要求4所述的双极化5G毫米波天线模组，其特征在于：还包括芯片组件，所述芯片组件与所述匹配网络导通。

9.根据权利要求1所述的双极化5G毫米波天线模组，其特征在于：所述辐射片呈矩形，所述第一开槽垂直于所述辐射片的第一侧边设置，所述第二开槽垂直于所述辐射片的第二侧边设置，所述第一侧边与第二侧边相邻。

10.具有金属框架的移动设备，其特征在于：包括权利要求1-9中任意一项所述的双极化5G毫米波天线模组。

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