CN214672972U - 应用于5g手机的多频带高隔离小型化mimo天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，包括介质基框、接地板和八组天线单元；介质基框的纵截面呈U型，包括基底和设置在基底两条长侧边上的两个包络边框；接地板铺设在基底的底面上；八组天线单元呈镜像对称布设在两个包络边框的内侧面；每组天线单元均包括高频谐振分支天线、低频谐振分支天线和馈电天线；馈电天线布设在基底上，且分别与高频谐振分支天线和低频谐振分支天线相连接，用于向高频谐振分支天线和低频谐振分支天线进行馈电；高频谐振分支天线的工作频段为4800‑6000MHz；低频谐振分支天线的工作频段为3300‑3800MHz。本申请在实现双频工作且不添加任何解耦网络的同时，能达到良好的隔离度。

Description

应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线

技术领域

本实用新型涉及5G手机天线技术领域，特别是一种应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线。

背景技术

随着第五代移动通信技术的日益推进，5G的发展逐渐受到重视，2018年，5G频段在中国被正式确定。鉴于技术和基础设施的不完善，目前的5G手机还不会采用毫米波频段，仍然采用Sub-6GHz的频段进行设计。这意味着，基于低频段的5G手机将会成为5G终端设备的初体验。对于5G手机天线的设计，和以往的3G、4G最本质的区别在于频段和天线数量的增加。随着天线数量的增加，天线之间会产生一定的干扰，因此，在有限的手机内部空间里设计出小型化的多频段的高隔离度的MIMO天线是5G手机天线设计的重点。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，该应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线能够保证天线双频工作，频率覆盖范围广的同时，不会占用很多手机内部空间。另外，还能在不添加任何解耦网络的同时，天线之间仍然具有良好的隔离度。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，包括介质基框、接地板和八组天线单元。

介质基框的纵截面呈U型，包括基底和设置在基底两条长侧边上的两个包络边框。

接地板铺设在基底的底面上。

八组天线单元呈镜像对称布设在两个包络边框的内侧面，每个包络边框上的四组天线单元关于包络边框的竖直中心线呈镜像对称布设。

每组天线单元均包括高频谐振分支天线、低频谐振分支天线和馈电天线。

馈电天线布设在基底顶面，且分别与高频谐振分支天线和低频谐振分支天线相连接，用于向高频谐振分支天线和低频谐振分支天线进行馈电。

高频谐振分支天线的工作频段为4800-6000MHz。低频谐振分支天线的工作频段为3300-3800MHz。

高频谐振分支天线呈“Z”字型，低频谐振分支天线呈倒“U”型，低频谐振分支天线的一个U型腿部与高频谐振分支天线的底部尾端相连接，馈电天线布设在低频谐振分支天线和高频谐振分支天线的连接处。

高频谐振分支天线包括从上至下依次首位连接的上横部、竖部和下横部。竖部垂直于接地板布设。上横部和下横部长度相等，且均垂直于竖部。

低频谐振分支天线包括长横部、垂直布设在长横部两侧的长竖部和短竖部。

长横部与上横部位于同一高度，且长横部的长度大于上横部的长度。

长竖部的高度大于高频谐振分支天线中竖部的高度，长竖部的底部侧壁与下横部的尾端垂直连接。

短竖部的高度小于长竖部的高度。

短竖部的高度等于上横部的长度。

长竖部宽度为W1，上横部、下横部、竖部、短竖部和长横部的宽度相等，均为W2，馈电天线的宽度为W3，则W1> W3 > W2。

长竖部的高度等于包络边框的高度。

每根馈电天线均与包络边框相垂直。

接地板的两端与两个包络边框的外侧端对齐，基底从两个包络边框的外侧端伸出，形成净空区，能用于安装非5G的常规天线。

每个包络边框上相邻两组天线单元之间的移动距离不低于25mm，每组天线单元沿基底长度方向的总长度尺寸不超过25mm。

介质基框为FR-4介质基板，FR-4介质基板的相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为0.8mm。

本实用新型具有如下有益效果：

1、本申请中每一组天线单元均采用高频谐振分支天线和低频谐振分支天线的组合，两个分支天线共用一个馈电端口，因而能够产生高频和低频两个谐振，从而实现天线的多频段工作。

2、两个分支天线均采用弯折技术，一个呈Z型，一个呈倒U型，从而使得天线的尺寸达到小型化，以占据更少的空间。

3、本申请在不添加任何解耦网络的前提下，使得天线之间具有良好的隔离度，使得天线系统在其工作频段内具备良好的阻抗匹配性能、较高的隔离度及辐射特性。

综上所述，本申请实现了多天线的紧凑型布局，达到了天线结构紧凑分布且具有多频段且隔离度良好的技术效果，为5G手机的多频段高隔离小型化设计提供了一个可行的方案。

附图说明

图1显示了本申请应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线的结构示意图。

图2显示了本申请中天线单元A和B的尺寸标注示意图。

图3显示了本申请中天线单元的仿真反射系数随频率变化曲线图。

图4显示了本申请中天线单元在3.5GHz频率下两个分支天线表面的电流分布图。

图5显示了本申请中天线单元在5GHz频率下两个分支天线表面的电流分布图。

图6为8个天线单元的仿真反射系数随频率变化曲线图。

图7为8个天线单元之间仿真隔离度随频率变化曲线图。

图8为8个天线单元之间的包络相关系数随频率变化曲线图。

图9为本申请中天线在工作频段内的辐射效率图。

其中有：

11.基底；12.包络边框；

20.接地板；

30.天线单元；

31. 高频谐振分支天线；32. 低频谐振分支天线；33.馈电天线；331.馈电端口。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，包括介质基框、接地板20和八组天线单元A-H。

介质基框优选为FR-4介质基板，FR-4介质基板的相对介电常数优选为4.4，损耗角正切优选为0.02，厚度优选为0.8mm。

介质基框的纵截面优选呈U型，包括基底11和设置在基底两条长侧边上的两个包络边框12。故而介质基框能作为现有手机后壳的一部分，基底的优选尺寸为150mm×75mm×0.8mm，每个包络边框的长、高、厚优选为134mm×7.2mm×0.8mm，因而，能够模拟主流手机的尺寸，且不占用过多的手机内部空间。

接地板铺设在基底的底面上，接地板的两端与两个包络边框的外侧端对齐，基底从两个包络边框的外侧端伸出8mm，形成8mm×75mm的净空区，能用于安装3G、4G、LTE等非5G的常规天线。

八组天线单元呈镜像对称布设在两个包络边框的内侧面，也即在每个包络边框上分别均匀设置四个天线单元，每个包络边框上的四组天线单元关于包络边框的竖直中心线呈镜像对称布设。

每个包络边框上相邻两组天线单元之间的移动距离不低于25mm，本实施例中优选为对称天线单元A和B、C和D、E和F、G和H之间间距（即同一部位之间的间隔）为30mm，镜像天线单元B和C、F和G之间的间距为28mm。每组天线单元沿基底长度方向的总长度尺寸不超过25mm，位于包络边框两端的天线单元和基底外侧端之间的水平距离优选为10mm。

如图2所示，每组天线单元30均优选包括高频谐振分支天线31、低频谐振分支天线32和馈电天线33。

馈电天线布设在基底顶面，为50欧姆天线馈线，优选平行于基底的宽度方向。馈电天线的内侧端连接馈电端口331， 馈电天线的外侧端分别与高频谐振分支天线和低频谐振分支天线相连接，用于向高频谐振分支天线和低频谐振分支天线进行馈电。也即使用一个馈电端口同时给高频谐振分支天线和低频谐振分支天线进行馈电，以达到双频段的目的。

高频谐振分支天线的工作频段为4800-6000MHz，对应5G新频段中4.8GHz-4.9GHz以及LTE46频段，能实现高频谐振。高频谐振分支天线的形状优选呈“Z”字型，沿基底长度方向的总长度尺寸优选6.62mm-13.89mm，其包括从上至下依次首位连接的上横部、竖部和下横部。竖部垂直于接地板布设。上横部和下横部长度相等，且均垂直于竖部。

低频谐振分支天线的工作频段为3300-3800MHz，对应n78频段，能实现低频谐振。低频谐振分支天线的形状优选呈倒“U”型，沿基底长度方向的总长度尺寸优选9.93mm-20.83mm，其包括长横部、垂直布设在长横部两侧的长竖部和短竖部。

低频谐振分支天线的一个U型腿部（也即长竖部的底部侧壁）与高频谐振分支天线的底部尾端（也即下横部的尾端）相连接，馈电天线布设在低频谐振分支天线和高频谐振分支天线的连接处，且优选与包络边框相垂直。

长横部与上横部位于同一高度，也即位于包络边框的顶部，且长横部的长度大于上横部的长度。在本实施例中，长横部的长度优选为7.1mm，上横部长度、下横部长度以及短竖部高度均为5mm。

长竖部的高度大于高频谐振分支天线中竖部的高度，长竖部优选等于包络边框的高度7.2mm，竖部优选为6mm。长竖部的底部侧壁与下横部的尾端垂直连接。

进一步，长竖部宽度优选为W1=2mm，上横部、下横部、竖部、短竖部和长横部的宽度相等，均优选为W2=1.2mm，馈电天线的宽度优选为W3=1.5mm，则W1> W3 > W2。

在本实例中，天线单元的工作原理如下：

本申请中天线单元的两个天线分支产生不同的谐振频率。两个天线分支共用一个馈电端

口，其中，呈Z型的高频谐振分支天线，主要产生高频谐振。呈倒U型的低频谐振分支天线，主要用于产生低频谐振，从而实现双频工作。

进一步，本申请中的 8个天线单元之间具有良好的隔离度、并在其工作频段内具备良好的阻抗匹配性能、较高的隔离度及辐射特性，不需要增加额外的任何解耦结构，从而有利于天线实现紧凑型布局，利于实际应用。

本申请用HFSS15.0对天线进行建模仿真，由于两侧包络边框中分布的天线结构完全一样，相关测试数据也相同，故先对其中一侧包络边框中的一个天线单元进行仿真分析。通过仿真分析，得出天线单元仿真的反射系数，如图3所示，天线覆盖了预想的高频频段4.8-6.0GHz和低频频段3.3-3.8GHz。另外，天线单元分别在3.5GHz、5GHz两个频率下两分支天线表面的电流分布图，如图4和图5所示，更好的说明了天线设计的原理。

进一步，对8个天线单元进行仿真，8天线的仿真反射系数如图6所示，天线覆盖范围仍然达到预期的高频段4.8-6.0GHz和低频段3.3-3.8GHz；对8天线隔离度进行分析，8个天线单元之间的隔离度如图7所示，均大于10dB，则在不添加任何解耦网络的前提下，天线之间仍然具有良好的隔离度。

对天线的包络相关系数进行分析，得到天线之间的包络相关系数图，如图8所示，天线包络相关系数均小于0.1。

为了验证天线的辐射效率，对工作频段内天线的辐射效率进行分析，如图9所示，天线之间辐射效率均高于60%。

由上述各测试结果可以看出，本实施例提出的5G手机的双频MIMO天线在工作频段内具备良好的阻抗匹配特性、较高的隔离特性和辐射特性，在实现双频工作的基础上，保证了8×8MIMO天线的紧凑型分布，利于满足5G手机天线设计的工程需求。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，其特征在于：包括介质基框、接地板和八组天线单元；

介质基框的纵截面呈U型，包括基底和设置在基底两条长侧边上的两个包络边框；

接地板铺设在基底的底面上；

八组天线单元呈镜像对称布设在两个包络边框的内侧面；每个包络边框上的四组天线单元关于包络边框的竖直中心线呈镜像对称布设；

每组天线单元均包括高频谐振分支天线、低频谐振分支天线和馈电天线；

馈电天线布设在基底顶面，且分别与高频谐振分支天线和低频谐振分支天线相连接，用于向高频谐振分支天线和低频谐振分支天线进行馈电；

高频谐振分支天线的工作频段为4800-6000MHz；低频谐振分支天线的工作频段为3300-3800MHz。

2.根据权利要求1所述的应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，其特征在于：高频谐振分支天线呈“Z”字型，低频谐振分支天线呈倒“U”型，低频谐振分支天线的一个U型腿部与高频谐振分支天线的底部尾端相连接，馈电天线布设在低频谐振分支天线和高频谐振分支天线的连接处。

3.根据权利要求2所述的应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，其特征在于：高频谐振分支天线包括从上至下依次首位连接的上横部、竖部和下横部；竖部垂直于接地板布设；上横部和下横部长度相等，且均垂直于竖部；

低频谐振分支天线包括长横部、垂直布设在长横部两侧的长竖部和短竖部；

长横部与上横部位于同一高度，且长横部的长度大于上横部的长度；

长竖部的高度大于高频谐振分支天线中竖部的高度，长竖部的底部侧壁与下横部的尾端垂直连接；

短竖部的高度小于长竖部的高度。

4.根据权利要求3所述的应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，其特征在于：短竖部的高度等于上横部的长度。

5.根据权利要求3所述的应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，其特征在于：长竖部宽度为W1，上横部、下横部、竖部、短竖部和长横部的宽度相等，均为W2，馈电天线的宽度为W3，则W1> W3 > W2。

6.根据权利要求3所述的应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，其特征在于：长竖部的高度等于包络边框的高度。

7.根据权利要求2所述的应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，其特征在于：每根馈电天线均与包络边框相垂直。

8.根据权利要求1所述的应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，其特征在于：接地板的两端与两个包络边框的外侧端对齐，基底从两个包络边框的外侧端伸出，形成净空区，能用于安装非5G的常规天线。

9.根据权利要求1所述的应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，其特征在于：每个包络边框上相邻两组天线单元之间的移动距离不低于25mm，每组天线单元沿基底长度方向的总长度尺寸不超过25mm。

10.根据权利要求1所述的应用于5G手机的多频带高隔离小型化MIMO天线，其特征在于：介质基框为FR-4介质基板，FR-4介质基板的相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为0.8mm。

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