CN108270080A - 基于金属机身的毫米波阵列天线*** - Google Patents

基于金属机身的毫米波阵列天线*** Download PDF

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CN108270080A CN201710002349.2A CN201710002349A CN108270080A CN 108270080 A CN108270080 A CN 108270080A CN 201710002349 A CN201710002349 A CN 201710002349A CN 108270080 A CN108270080 A CN 108270080A
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Abstract

本发明公开了一种基于金属机身的毫米波阵列天线***，包括金属机身和阵列天线，所述阵列天线设在所述金属机身上；所述阵列天线包括两个以上缝隙天线，所述缝隙天线嵌设在所述金属机身内，所述缝隙天线通过在金属壳体内测布置的微带线进行耦合馈电。本发明提供的基于金属机身的毫米波阵列天线***，适用于金属机身的移动终端，并且构成天线阵列的缝隙天线的尺寸较小，不会影响移动终端的整体性。

Description

基于金属机身的毫米波阵列天线***
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于金属机身的毫米波阵列天线***。
背景技术
目前，全球对于第五代(5G)无线通信技术的研发正在逐渐升温，世界各国和各主流标准化组织都已经看到了5G技术发展的迫切性，并且制定了相应的研发推进计划，成为移动通信领域的研究热点。比如，2013年初欧盟在第7框架计划启动了面向5G研发的METIS项目；2016年7月15日，美国联邦通信委员会(FCC)定义了如下用于5G的毫米波频段：28GHz(27.5-28.35GHz)，37GHz(37-38.6GHz)和39GHz(38.6-40GHz)。目前，国际上许多著名移动终端设备厂商已经计划将实现5G功能作为其新一代移动终端产品的标准配置，并预期在2020年实现5G的商品化。
为了实现上述目的，设计出适合于手机终端的行之有效的毫米波天线阵列是必不可少的重要环节。此外，为了增强手持设备的质感和强度，金属机身已经被广泛地应用在手持设备中。虽然适用于金属机身的2G、3G和4G天线设计已经成熟，但是由于5G毫米波天线阵列的特殊性，如何设计出适合于金属机身的5G毫米波天线阵列将是我们所要面临并急需解决的首要问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于第五代无线通信，适用于金属机身的毫米波阵列天线***。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于金属机身的毫米波阵列天线***，包括金属机身和阵列天线，所述阵列天线设在所述金属机身上；所述阵列天线包括两个以上缝隙天线，所述缝隙天线嵌设在所述金属机身内。
本发明的有益效果在于：在金属机身上开设缝隙作为天线的辐射单元，通过多个辐射单元形成适用于毫米波的天线阵列，克服了金属机身对无线信号的屏蔽作用；由于开设的缝隙天线较小，所以并不会影响金属机身的整体性，也可以在缝隙天线中填充低损耗材料来保持其美观性和完整性。
附图说明
图1为本发明实施例一的T形缝隙天线阵列的结构示意图；
图2为本发明实施例一的T形缝隙天线的开路形式馈电示意图；
图3为图2所示的T形缝隙天线的开路形式馈电侧视图；
图4为本发明实施例一的T形缝隙天线的短路形式馈电示意图；
图5为图3所示的T形缝隙天线的短路形式馈点侧视图；
图6为本发明实施例一的T形缝隙天线阵列的S参数图；
图7a为图1所示的T形天线阵列在工作频率为28GHz、扫描角度(theta)为0度条件下天线阵列的3维远场辐射图；
图7b为图1所示的T形天线阵列在工作频率为28GHz、扫描角度(theta)为20度条件下天线阵列的3维远场辐射图；
图7c为图1所示的T形天线阵列在工作频率为28GHz、扫描角度(theta)为40度条件下天线阵列的3维远场辐射图；
图8为图1所示的T形天线阵列XZ平面内不同扫描角度(theta)情况下的天线增益特性曲线；
图9为本发明实施例二的T形缝隙天线阵列在手机终端上应用时的结构示意图；
图10a为图9所示的T形缝隙天线阵列在工作频率为28GHz、扫描角度(theta)为0度条件下天线阵列的3维远场辐射图；
图10b为图9所示的T形缝隙天线阵列在工作频率为28GHz、扫描角度(theta)为20度条件下天线阵列的3维远场辐射图；
图10c为图9所示的T形缝隙天线阵列在工作频率为28GHz、扫描角度(theta)为40度条件下天线阵列的3维远场辐射图；
图11为图9所示天线阵列在XZ平面内不同扫描角度(theta)情况下的天线增益特性；
图12为本发明实施例二的长方形缝隙天线阵列在手机终端上应用的示意图；
图13a为图12所示的长方形缝隙天线阵列在工作频率为28GHz、扫描角度(theta)为0度条件下天线阵列的3维远场辐射图；
图13b为图12所示的长方形缝隙天线阵列在工作频率为28GHz、扫描角度为(theta)20度条件下天线阵列的3维远场辐射图；
图13c为图12所示的长方形缝隙天线阵列在工作频率为28GHz、扫描角度为(theta)40度条件下天线阵列的3维远场辐射图；
图14为图12所示的长方形缝隙天线阵列在XZ平面内不同扫描角度(theta)情况下的天线增益特性；
图15为本发明如图1，图9和图12所示的天线阵列在YZ平面内的远场特性增益分布比较图；
图16为本发明实施例二的T形缝隙天线阵列全部设在后壳体上的结构示意图；
图17为本发明实施例二的T形缝隙天线阵列全部设在侧壳体上的结构示意图；
图18为本发明如图1、图16和图17所示的天线阵列在YZ平面内的远场特性增益分布比较图。
标号说明：
1、天线阵列；2、缝隙天线；3、第一缝隙分支；4、第二缝隙分支；
5、微带线；6、金属后壳；7、电介质层；8、导电柱；9、移动终端；
10、金属机身；11、后壳体；12、侧壳体。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、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。
本发明最关键的构思在于:在金属机身上开设缝隙作为天线的辐射单元，通过多个辐射单元形成适用于毫米波的天线阵列，克服了金属机身对无线信号的屏蔽作用。
请参照图1，一种基于金属机身的毫米波阵列天线***，包括金属机身和阵列天线，所述阵列天线设在所述金属机身上；所述阵列天线包括两个以上缝隙天线，所述缝隙天线嵌设在所述金属机身内。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：在金属机身上开设缝隙作为天线的辐射单元，通过多个辐射单元形成适用于毫米波的天线阵列，克服了金属机身对无线信号的屏蔽作用；由于开设的缝隙天线较小，所以并不会影响金属机身的整体性，也可以在缝隙天线中填充低损耗材料来保持其美观性和完整性。
进一步的，所述金属机身上设有一电介质层，所述缝隙天线通过所述电介质层连接一微带线进行馈电。
由上述描述可知，当采用传统的微带线对缝隙天线进行馈电时需要通过一电介质层，馈电的方式可以是开路的方式耦合，也可以是短路的方式耦合。
进一步的，靠近所述缝隙天线一端的金属机身上设有一导电柱，所述微带线的末端通过所述导电柱进行接地。
由上述描述可知，微带线对缝隙天线进行馈点时可以通过一导电柱采用短路形式的耦合方式进行。
进一步的，所述金属机身包括后壳体，所述天线阵列设于所述后壳体上。
进一步的，所述金属机身包括侧壳体，所述天线阵列设于所述侧壳体上。
进一步的，所述金属机身包括后壳体和侧壳体，所述缝隙天线的部分设于所述侧壳体上，所述缝隙天线未设于所述侧壳体上的部分设于所述后壳体上。
由上述描述可知，可根据需要将缝隙天线阵列设置在侧壳体或后壳体上；或者是部分位于侧壳体部分位于后壳体，使得缝隙天线能在远场产生较均匀的辐射分布。
进一步的，所述缝隙天线包括长条形的第一缝隙分支和第二缝隙分支；所述第二缝隙分支的一端与第一缝隙分支的中间区域连接，另一端远离第一缝隙分支。
由上述描述可知，缝隙天线包括长条形的第一缝隙分支和第二缝隙分支，可使其产生的环绕缝隙分支周围分布的电流具有较好的均匀性。
进一步的，所述第二缝隙分支的一端与第一缝隙分支的中点连接。
进一步的，所述第一缝隙分支和第二缝隙分支均为矩形分支，所述第一缝隙分支的长度为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/2；所述第二缝隙分支的长度为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/4。
由上述描述可知，矩形长条的结构特征能够进一步的保证由其产生的环绕缝隙分支周围分布的电流具有最佳的均匀分布效果；第二缝隙分支相当于传统的长方形缝隙天线，传统的长方形缝隙分支的长度为其工作频率所对应波长的1/2左右。因此，从天线的长度方向看，本申请的缝隙天线相较传统的长方形缝隙天线，具有显著减小整体尺寸的优点，能够更好的适用于微小型终端。
进一步的，所述缝隙天线为长方形缝隙天线，所述缝隙天线的长度为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/2。
进一步的，相邻两个缝隙天线之间的间距为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/2～1。
由上述描述可知，每个缝隙天线之间的间距满足毫米波天线阵列的要求。
进一步的，所述第一缝隙分支和第二缝隙分支的宽度为0.01-2mm。
进一步的，所述第一缝隙分支和第二缝隙分支的宽度为0.5mm。
由上述描述可知，缝隙分支的宽度在0.5mm时的天线辐射效果较好。
进一步的，所述长方形缝隙天线的宽度为0.01-2mm。
进一步的，所述长方形缝隙天线的宽度为0.5mm。
进一步的，所述第一缝隙分支和第二缝隙分支垂直连接形成一T字形。
进一步的，所述第一缝隙分支与所述第二缝隙分支连接形成一Y字形。
进一步的，所述第一缝隙分支与所述第二缝隙分支连接形成一箭头形。
由上述描述可知，可以将缝隙天线设计为T字形、Y字形或者箭头形，都能克服金属机身对无线信号的屏蔽作用，实现辐射效果。
实施例一
请参照图1至图8，本发明的实施例一为：一种基于金属机身的毫米波阵列天线***，适用于第五代无线通信***，将毫米波阵列天线***应用在移动终端上，能克服金属机身对无线信号的屏蔽作用，所述终端可以是手机、平板等有天线需求的移动终端。
本实施例中，如图1所示，只有金属后壳6为金属材质，移动终端的其他壳体部位为非金属材质。所述毫米波天线阵列1包括两个以上缝隙天线2，优选的，本实施例中所述天线阵列1包括8个缝隙天线2。缝隙天线2嵌设在所述金属后壳6内，并且位于金属后壳6的边缘位置，当然也可以设在金属后壳6的其他位置，不限于边缘位置。所述缝隙天线2包括分别为长条形的第一缝隙分支3和第二缝隙分支4，所述第一缝隙分支3和第二缝隙分支4垂直连接并形成一T字形，即第二缝隙分支4的一端与第一缝隙分支3的中点连接，使第一缝隙分支3连接点两边的辐射强度相同，缝隙天线2整体电流分布更均匀。
天线阵列1可以采用串联不等分功率馈电网络或者并联等功率馈电网络或者其他馈电方式进行馈电，本实施例的所述天线阵列1通过并联等功率馈电网络对其进行馈电。具体的，本实施例通过微带线对缝隙天线进行耦合馈电。通过微带线对缝隙天线进行馈电时有两种不同的方式：短路和开路。如图2和图3所示为开路的方式，所述缝隙天线2通过微带线5进行耦合馈电，在微带线5与金属后壳6之间设有电介质层7，为了满足毫米波的要求，电介质层7采用损耗较小的材料，例如罗杰斯(Rogers)材料。如图4和图5所示为采用短路的方式进行馈电，在靠近缝隙天线2一端的金属后壳6上设有一导电柱8，所述微带线5的末端通过所述导电柱8与接地层连接，同样的，缝隙天线2通过电介质层7连接微带线5进行耦合馈电。
本实施例中，第一缝隙分支3的长度为所述缝隙天线2工作频率所对应波长的1/2；所述第二缝隙分支4的长度为所述缝隙天线2工作频率所对应波长的1/4，所述第一缝隙分支3和第二缝隙分支4的宽度可根据需要设定，优选的，所述第一缝隙分支3和第二缝隙分支4的宽度为0.01-2mm，进一步优选0.5mm。相邻两个缝隙天线2之间的间距为所述缝隙天线2工作频率所对应波长的1/2～1，可根据具体情况进行选择。为了不破坏金属机身的外观，也可以在缝隙天线2处填充低损耗材料。
天线辐射体上的表面电流分布决定了天线在3维远场的辐射强度分布，无论缝隙天线的形状如何，缝隙天线辐射体的表面电流都是环绕着缝隙天线的周围分布的。本实施例以T字形缝隙天线作为毫米波阵列天线的辐射单元，它除了具有较强的沿着第二缝隙分支4的长度方向上的分布电流外，同时还具有较强的沿着第一缝隙天线分支3的长度方向的分布电流。再者，由于T字形缝隙天线的两个分支是相互垂直的，所以在T字形缝隙天线的远场辐射分布具有很好的均匀性，能够很好的克服传统长方形缝隙天线只具有沿其长度方向的分布电流，在远程辐射强度不均匀的缺点。
具体的，如图6所示，为图1所示的T形缝隙天线阵列的S参数图，图中的八条曲线分别对应8个T形缝隙天线2的S参数曲线，其中最上面的一条曲线为其中一个缝隙天线2的S参数曲线，下面的七条曲线为其他七个缝隙天线2与所述其中一个缝隙天线2耦合后的S参数曲线。从图中可以看出，所述缝隙天线2工作在28GHz的毫米波段内；并且缝隙天线2之间的互耦小于-14.6dB，满足天线阵列的波束成形与扫描的要求。图7a、图7b和图7c分别为图6所示的天线阵列在工作频率为28GHz、扫描角度(theta，与Z轴夹角)分别为0度，20度和40度情况下天线阵列的3维远场辐射图。图8为所述天线阵列在XZ平面内不同扫描角度情况下的天线增益特性曲线。当横坐标的数值为-90时，从上往下的曲线对应的扫描角分别为50度、40度、30度、0度、10度和20度。从图7a、图7b、图7c和图8中的结果可以看出，本实施例中的毫米波天线阵列具有很好的波束成形与波束扫描的特性。
在另一具体实施方式中，所述第一缝隙分支3与所述第二缝隙分支4连接形成一Y字形。
在另一具体实施方式中，所述第一缝隙分支3与所述第二缝隙分支4连接形成一箭头形。
在其他具体实施方式中，第一缝隙分支3和第二缝隙分支4还可以采用其他的连接方式，不限于上述T字形、Y字形或箭头形的连接方式。
实施例二
请参照图9至图18，本实施例在实施例一的基础上，金属机身10的后壳体11和侧壳体12均为金属材质。
具体的，所述移动终端9包括金属机身10，所述天线阵列1设在所述金属机身10的边缘位置，当然可以设置在金属机身10的中间部位。所述金属机身10包括后壳体11和侧壳体12。如图9所示，为本实施例中的一种具体实施方式，所述天线阵列1包括8个T形缝隙天线2，所述缝隙天线2的第一缝隙分支3设于所述侧壳体12上，所述第二缝隙分支4一部分设于所述侧壳体12上，另一部分设于所述后壳体11上。图10a、图10b和图10c分别为图9所示的T形缝隙天线阵列在工作频率为28GHz、扫描角度(theta)分别为0度，20度和40度情况下天线阵列的3维远场辐射图。图11为图9所示天线阵列在XZ平面内不同扫描角度情况下的天线增益特性。当横坐标的数值为-90时，从上往下的曲线对应的扫描角分别为50度、40度、30度、0度、10度和20度。从图10a、图10b、图10c和图11中可以看出所述毫米波天线阵列也具有很好的波束成形与波束扫描的特性。
本实施例的另一具体实施方式为，如图12所示，将长方形缝隙天线的一部分设在后壳体11上，另一部分设在侧壳体12上，所述长方形缝隙天线的长度为所述长方形缝隙天线工作频率所对应波长的1/2，缝隙天线的宽度可根据需要进行设定，优选宽度为0.01-2mm，进一步优选0.5mm，相邻两个缝隙天线之间的间距为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/2～1。此时在后壳体11上的缝隙天线与在侧壳体12上的缝隙天线垂直，因此也能在远场产生较为均匀的辐射，图中的天线阵列包含了8个长方形缝隙天线。图13a、图13b和图13c分别为图12所示的长方形缝隙天线阵列在工作频率为28GHz、扫描角度(theta)分别为0度，20度和40度情况下天线阵列的3维远场辐射图。图14为图12所示天线阵列在XZ平面内不同扫描角度情况下的天线增益特性。当横坐标的数值为-90时，从上往下的曲线对应的扫描角分别为50度、40度、30度、0度、10度和20度。从图13a、图13b、图13c和图14中可以看出所述长方形的毫米波天线阵列也具有很好的波束成形与波束扫描的特性。
图15为图1、图9和图12所示的天线阵列在YZ平面内的远场特性增益分布比较图。图中实线表示图1所示的天线阵列，包含倒三角的虚线表示图9所示的天线阵列，包含方形的虚线表示图12所示的天线阵列。
如图16所示，在另一具体实施方式中，T形的天线阵列1全部位于后壳体11上。
如图17所示，在另一具体实施方式中，T形的天线阵列1全部位于侧壳体12上。
图18为图1、图16与图17所示的天线阵列在YZ平面内的远场特性增益分布比较图。图中实线表示图1所示的天线阵列，包含正三角的虚线表示图16所示的天线阵列，包含正方形的虚线表示图17所示的天线阵列。从图15和图18中可以看出，由于天线阵列在金属机身上分布位置的不同，其相应的天线阵列的远场辐射分布也存在一定的差异。比如，当天线阵列1的一部分分布在后壳体11上，另一部分分布在侧壳体12上时，无论天线辐射单元为长方形缝隙或者是T字形缝隙，天线阵列的远场辐射方向具有很高的相似性。设计者可以利用上述的差异特点，在具体的应用环境下对天线阵列的分布形式进行相应的选择。
虽然实施例一和实施例二以28GHz的毫米波频段作为具体实施例进行说明，本发明方案中提出的缝隙天线阵列也适用于其它毫米波频段，在这里就不一一赘述。
综上所述，本发明提供的基于金属机身的毫米波阵列天线***，适用于金属机身的移动终端，并且构成天线阵列的缝隙天线的尺寸较小，不会影响移动终端的整体性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明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，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于金属机身的毫米波阵列天线***，其特征在于，包括金属机身和阵列天线，所述阵列天线设在所述金属机身上；所述阵列天线包括两个以上缝隙天线，所述缝隙天线嵌设在所述金属机身内。
2.根据权利要求1所述的基于金属机身的毫米波阵列天线***，其特征在于，所述金属机身上设有一电介质层，所述缝隙天线通过所述电介质层连接一微带线进行馈电。
3.根据权利要求2所述的基于金属机身的毫米波阵列天线***，其特征在于，靠近所述缝隙天线一端的金属机身上设有一导电柱，所述微带线的末端通过所述导电柱进行接地。
4.根据权利要求3所述的基于金属机身的毫米波阵列天线***，其特征在于，所述金属机身包括后壳体，所述天线阵列设于所述后壳体上。
5.根据权利要求3所述的基于金属机身的毫米波阵列天线***，其特征在于，所述金属机身包括侧壳体，所述天线阵列设于所述侧壳体上。
6.根据权利要求3所述的基于金属机身的毫米波阵列天线***，其特征在于，所述金属机身包括后壳体和侧壳体，所述缝隙天线的部分设于所述侧壳体上，所述缝隙天线未设于所述侧壳体上的部分设于所述后壳体上。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于金属机身的毫米波阵列天线***，其特征在于，所述缝隙天线包括长条形的第一缝隙分支和第二缝隙分支；所述第二缝隙分支的一端与第一缝隙分支的中间区域连接，另一端远离第一缝隙分支。
8.根据权利要求7所述的基于金属机身的毫米波阵列天线***，其特征在于，所述第一缝隙分支和第二缝隙分支均为矩形分支，所述第一缝隙分支的长度为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/2；所述第二缝隙分支的长度为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/4。
9.根据权利要求1-6任一项所述的基于金属机身的毫米波阵列天线***，其特征在于，所述缝隙天线为长方形缝隙天线，所述缝隙天线的长度为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/2。
10.根据权利要求1-6、8任一项所述的基于金属机身的毫米波阵列天线***，其特征在于，相邻两个缝隙天线之间的间距为所述缝隙天线工作频率所对应波长的1/2～1。
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