CN107069208B - 一种宽带小型化5g毫米波阵列天线 - Google Patents

一种宽带小型化5g毫米波阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种宽带小型化5G毫米波天线单元，包括天线PCB板，所述天线PCB板的上表面蚀刻形成有偶极子上臂，下表面蚀刻形成有偶极子下臂和与所述偶极子下臂连接的天线底面地板。本发明还提供了一种宽带小型化5G毫米波阵列天线，包括手持终端线路板和8个天线单元构成的天线PCB板，所述天线PCB板的天线底面地板对应与手持终端线路板连接。本发明提供的宽带小型化5G毫米波阵列天线，包含37GHz和39GHz两个频段，具有尺寸小，带宽大，增益高的特点，其可与手持终端共用PCB板，也可以独立一块天线PCB板，具有更大的灵活性。

Description

一种宽带小型化5G毫米波阵列天线
技术领域
本发明涉及天线，具体涉及的是一种工作于37GHz和39GHz宽带小型化5G毫米波阵列天线。
背景技术
随着通信技术的快速发展，以实现高速传输和万物互联为目的的第五代(5G)移动通信***技术的研究正如火如荼地在全球范围内展开。
为了满足5G高速传输的要求，毫米波将充当重要的角色，因为毫米波的带宽较宽。然而由于毫米波的直线传播及在空气中的高衰减性质，会使得其传播距离短且需要更多发射基站以防止单个基站发出的电磁波被物体阻挡时而影响通信。为了补偿毫米波频段天线的损耗，就需要对多个天线单元进行组阵以增加天线的增益。此外，移动终端设备的位置一直在变动，为了与固定位置的基站进行点对点通信，阵列天线还必须要有波束赋形的能力，使其波束可以在一定角度内进行任意切换或扫描。
2016年7月美国联邦通信委员会定义了28GHz(27.5-28.35GHz)、37GHz(37-38.6GHz)和39GHz(38.6-40GHz)为5G的毫米波频段，但是目前5G毫米波阵列天线的设计特别是能适用于手持设备的还很少。虽然文献“Design and analysis of a low-profile28GHz beam stearing antenna solution for future 5G cellular applications”(2014IEEE MTT-S International Microwave Symposium，pp.1-4)中，Wonbin Hong等人提出了用于28GHz频段的毫米波手机阵列天线以及文献“Multi-layer 5G mombile phoneantenna for multi-user MIMO communications”(201523rd Telecommunications ForumTelfor，pp.559-562)中，Naser Ojaroudiparchin等人也提出了用于28GHz频段的毫米波阵列天线。但是这都是应用于窄带的毫米波阵列天线，为此本发明有必要提出一种能同时包含37GHz和39GHz双频段的宽带小型化阵列天线。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种能同时包含37GHz和39GHz双频段的宽带小型化阵列天线。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种宽带小型化5G毫米波天线单元，包括天线PCB板，所述天线PCB板的上表面蚀刻形成有偶极子上臂，下表面蚀刻形成有偶极子下臂和与所述偶极子下臂连接的天线底面地板；所述偶极子上臂与天线底面地板通过同轴线的内外芯连接馈电。
优选地，所述偶极子上臂包括上臂第一外圆、上臂第二外圆、上臂传输线、上臂第一转换段和上臂第二转换段；所述上臂第一外圆左侧与上臂第二外圆相交，右侧与上臂传输线连接，且所述上臂传输线依次与上臂第一转换段和上臂第二转换段连接。
优选地，所述上臂第一外圆内设置有上臂第一外圆挖孔，上臂第二外圆内设置有上臂第二外圆挖孔，所述上臂第一外圆挖孔与上臂第二外圆挖孔外离。
优选地，所述偶极子下臂包括下臂第一外圆、下臂第二外圆和下臂传输线，所述下臂第一外圆右侧与下臂第二外圆相交，左侧与下臂传输线连接，且所述下臂传输线与所述上臂传输线处于同一轴线投影上。
优选地，所述下臂第二外圆内设置有下臂第一外圆挖孔，下臂第二外圆内设置有下臂第二外圆挖孔，所述下臂第一外圆挖孔与下臂第二外圆挖孔外离。
优选地，所述上臂第一外圆、上臂第二外圆在天线PCB板下表面的投影与下臂第一外圆、下臂第二外圆以下臂传输线为轴线相应对称。
优选地，所述上臂第一外圆半径为0.56mm、上臂第二外圆半径为0.3mm、上臂第一外圆挖孔半径为0.27mm、上臂第二外圆挖孔半径为0.23mm。
优选地，所述天线PCB板采用介电常数为2.2的Rogers RT5880板材制成，且所述天线PCB板的厚度为0.25mm。
另外，本发明还提供了一种宽带小型化5G毫米波阵列天线，包括手机线路板和由若干个上述天线单元构成的天线PCB板，且天线单元间距为4mm,所述天线PCB板的天线底面地板对应与手机线路板连接。
优选地，所述天线PCB板由8个天线单元构成，且所述8个天线单元共用一块PCB板的天线底面地板。
本发明提供的宽带小型化5G毫米波阵列天线，包含37GHz和39GHz两个频段，具有尺寸小，带宽大，增益高的特点，其可与手持终端共用PCB板，也可以独立一块天线PCB板，具有更大的灵活性。
附图说明
图1为本发明天线单元的透视图；
图2为本发明天线单元的正视图；
图3为本发明天线单元的回波损耗示意图；
图4为本发明天线单元在Phi＝90度时频率分别为37GHz，38.5GHz和40GHz的辐射方向图；
图5为由图1组成的8单元线性阵列天线示意图；
图6为8单元阵列天线的S参数示意图；
图7为8单元阵列天线在37GHz时沿Theta方向的扫描图；
图8为8单元阵列天线在38.5GHz时沿Theta方向的扫描图；
图9为8单元阵列天线在40GHz时沿Theta方向的扫描图。
图中标识说明：天线PCB板10、偶极子上臂20、上臂第一外圆21、上臂第一外圆挖孔211、上臂第二外圆22、上臂第二外圆挖孔221、上臂传输线23、上臂第一转换段24、上臂第二转换段25、偶极子下臂30、下臂第一外圆31、下臂第一外圆挖孔311、下臂第二外圆32、下臂第二外圆挖孔321、下臂传输线33、天线底面地板40、手机线路板50。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对目前毫米波阵列天线无法同时包含37GHz和39GHz双频段的问题，本发明提供了一种包含37GHz和39GHz两个频段的宽带小型化5G天线单元及阵列天线设计方案，该天线设计方案可以为手持设备(手机，穿戴式设备和PAD等)提供5G通信的毫米波天线阵列***。
请参阅图1、图2所示，图1为本发明天线单元的透视图；图2为本发明天线单元的正视图。本发明提供了一种宽带小型化5G毫米波天线单元，包括天线PCB板10，天线PCB板10的上表面蚀刻形成有偶极子上臂20，天线PCB板10的下表面蚀刻形成有偶极子下臂30和天线底面地板40。
天线PCB板10采用介电常数为2.2的Rogers RT5880板材制成，且其厚度为0.25mm。
偶极子上臂20设置于天线PCB板10的上表面，其包括上臂第一外圆21、上臂第二外圆22、上臂传输线23、上臂第一转换段24和上臂第二转换段25。本实施例中上臂第一外圆半径为0.56mm、上臂第二外圆半径为0.3mm。
其中上臂第一外圆21左侧与上臂第二外圆22相交，右侧与上臂传输线23连接，且上臂传输线23与上臂第一转换段24连接，上臂第一转换段24与上臂第二转换段25连接，上臂第二转换段25通过带相控阵功能的馈电网络馈电。
上臂第一外圆21内设置有上臂第一外圆挖孔211，上臂第二外圆22内设置有上臂第二外圆挖孔221，所述上臂第一外圆挖孔211与上臂第二外圆挖孔221外离。
上臂第一外圆挖孔211和上臂第二外圆挖孔221均为圆形，本实施例中上臂第一外圆挖孔半径为0.27mm、上臂第二外圆挖孔半径为0.23mm；上臂传输线23尺寸为0.74mm*0.62mm,上臂第一转换段24尺寸为0.6mm*0.34mm，上臂第二转换段25尺寸为0.25mm*0.2mm，天线底面地板40尺寸为0.86mm*4mm。
偶极子下臂30设置于天线PCB板10的下表面，且以上臂传输线23在天线PCB板10下表面的垂直投影为轴线与偶极子上臂20对称，其包括有下臂第一外圆31、下臂第二外圆32和下臂传输线33，所述下臂第一外圆31右侧与下臂第二外圆32相交，左侧与下臂传输线33连接，且所述下臂传输线33与所述上臂传输线23处于同一轴线投影上。
下臂第一外圆31半径为0.56mm、下臂第二外圆32的半径为0.3mm。
其中下臂第一外圆31内设置有第一下臂外圆挖孔311，下臂第二外圆32内设置有下臂第二外圆挖孔321，所述下臂第一外圆挖孔311与下臂第二外圆挖孔321外离。
下臂第一外圆挖孔311半径为0.27mm，下臂第二外圆挖孔321半径为0.23mm。
上臂第二外圆21、上臂第二外圆22在天线PCB板10下表面的投影与下臂第一外圆31、下臂第二外圆32以下臂传输线33为轴线相应对称。
如图3、图4所示，图3为本发明天线单元的回波损耗示意图；图4为本发明天线单元在Phi＝90度时频率分别为37GHz，38.5GHz和40GHz的辐射方向图。由图中可以看出不同频率下，天线在+Z方向的增益在5.7dBi左右，而且辐射方向图具有很好的一致性。
如图5所示，图5为由图1组成的8单元线性阵列天线示意图。由图中可以看出，本实施例中所述的阵列天线是一块PCB板10，这一块PCB板10上设置有8个图1所示的天线单元，该PCB板10的上表面对应形成有8个偶极子上臂，而相应地，在PCB板10的下表面对应形成有8个偶极子下臂，且每一个偶极子上臂和偶极子下臂一一对应。
另外，本实施例中PCB板10的下表面形成的天线底面地板40为一体，其可以与手机线路板50连接。
当然还有另外一种方式，PCB板10的下表面天线区域的地板净空，而手机线路板50置于PCB板10下方，天线底面地板40为手机线路板50的上层赋铜，即手机线路板50上层赋铜对应填充了PCB板10的下表面天线区域的地板，这样实际上PCB板10与手机线路板50共用了手机线路板50的上层赋铜。
本实施例中手机线路板50的尺寸为130mm*65mm，而相对于偶极子两臂形成的天线而言，其纵向(z轴)方向只有2.5mm，净空只有1.66mm，偶极子两臂整体长(x轴方向)为3.4mm，天线占用PCB板的面积较小，做在PCB板边缘时占用面积几乎可以忽略。
如图6所示，图6为8单元阵列天线的S参数示意图。图中可以看到回波损耗与单个天线时接近，与相邻阵元的隔离度最高，然后随着与之距离增加的阵元，其间的隔离度也逐渐减小。
如图7所示，图7为8单元阵列天线在37GHz时沿Theta方向的扫描图。由图中可见，和单个天线相比，阵列天线在+Z方向上的增益从5.7dBi增加到11.1dBi左右。此外，从图4中还可以看出该阵列天线在0到60度内进行扫描时副瓣不会增加太大，这样就可以和基站实现点对点的连接或通信。再有，参照图4中天线单元Phi＝90度的方向图，就可知阵列在Phi＝90度(YOZ面)时的方向图会与图4中的形状保持相似，这样手机终端的上下两面都可以和基站进行较好地通信。这样即使手持终端在移动的情况下，只要在Theta方向不停扫描即可，因为在Phi方向几乎全向覆盖了。
如图8所示，图8为8单元阵列天线在38.5GHz时沿Theta方向的扫描图。由图中可见，此阵列天线在+Z方向上的增益为11.4dBi左右，图中的方向图与图7中一样副瓣较低，主瓣可以在0到60度内很好地扫描。
如图9所示，图9为8单元阵列天线在40GHz时沿Theta方向的扫描图。由图中可见，此阵列天线在+Z方向上的增益为11.6dBi左右，图中的方向图也与图7中一样主瓣可以在0到60度内很好地扫描，副瓣也较低，但在主瓣60度时副瓣上升到0dBi以上。
从图7-9的扫描图中可以看到，随着扫描角增加，副瓣也会随着上升；随着频率的增加，在固定单元间距的情况下，天线的主瓣会变窄，副瓣会上升。这是因为频率增加，波长就减小，相同间距下对应的波长倍数就会增加，当扫描角越大时，就越有可能包含更大更多的副瓣。该天线单元和阵列也可以扩展到其它的5G毫米波工作频段。此外，从图7-9的扫描图中还可以看出，本天线设计在工作频率37-40GHz范围内都能保证在60度扫描角内很好地工作，这也是本天线设计的优点之一。
综上所述，本发明所述的天线阵列***包含37GHz和39GHz两个频段，具有尺寸小，带宽大，增益高的特点；而且既可以与手持终端共用PCB板，也可以独立一块天线PCB板，具有更大的灵活性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种宽带小型化5G毫米波阵列天线，其特征在于，包括手机线路板和由若干个天线单元构成的天线PCB板，所述天线PCB板的上表面蚀刻形成有偶极子上臂，下表面蚀刻形成有偶极子下臂和与所述偶极子下臂连接的天线底面地板；所述偶极子上臂包括上臂第一外圆、上臂第二外圆、上臂传输线、上臂第一转换段和上臂第二转换段；所述上臂第一外圆左侧与上臂第二外圆相交，右侧与上臂传输线连接，且所述上臂传输线依次与上臂第一转换段和上臂第二转换段连接；所述上臂第一外圆内设置有上臂第一外圆挖孔，上臂第二外圆内设置有上臂第二外圆挖孔，所述上臂第一外圆挖孔与上臂第二外圆挖孔外离；所述偶极子下臂包括下臂第一外圆、下臂第二外圆和下臂传输线，所述下臂第一外圆右侧与下臂第二外圆相交，左侧与下臂传输线连接，且所述下臂传输线与所述上臂传输线处于同一轴线投影上；所述下臂第一外圆内设置有下臂第一外圆挖孔，下臂第二外圆内设置有下臂第二外圆挖孔，所述下臂第一外圆挖孔与下臂第二外圆挖孔外离；所述上臂第一外圆、上臂第二外圆在天线PCB板下表面的投影与下臂第一外圆、下臂第二外圆以下臂传输线为轴线相应对称。
2.如权利要求1所述的宽带小型化5G毫米波阵列天线，其特征在于，所述上臂第一外圆半径为0.56mm、上臂第二外圆半径为0.3mm、上臂第一外圆挖孔半径为0.27mm、上臂第二外圆挖孔半径为0.23mm。
3.如权利要求1所述的宽带小型化5G毫米波阵列天线，其特征在于，所述天线PCB板采用介电常数为2.2的Rogers RT5880板材制成，且所述天线PCB板的厚度为0.25mm。
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