CN108321498A - 5g mimo天线和毫米波天线阵并存的天线结构及手持设备 - Google Patents

5g mimo天线和毫米波天线阵并存的天线结构及手持设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构及手持设备，包括接地板，还包括四个5G MIMO天线组和两个毫米波天线阵，接地板的每条长边上均设有两个5G MIMO天线组和一个毫米波天线阵，且接地板的同一长边中，毫米波天线阵位于两个5G MIMO天线组之间。解决了5G通信***中5G MIMO天线与毫米波天线阵共存的问题，使得天线结构能够覆盖5G部分SUB‑6频段与部分毫米波频段；5G MIMO天线覆盖广、毫米波天线阵可实现热点定向覆盖使得天线结构的性能得到大幅度提高；5G MIMO天线与毫米波天线阵均设于接地板的长边上，4G LTE等天线***可以设置在接地板的短边上，因此，本发明的天线结构还解决了5G天线***与4G天线***共存的问题；天线结构新颖、性能优良。

Description

5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构及手持设备
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其涉及5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构及手持设备。
背景技术
2020年第五代通信技术(5G)将实现大规模商用，新的通信技术对移动设备天线和基站天线带来了新的要求。5G所使用的频段分为6GHz以下(Sub-6)和毫米波。对于Sub-6MIMO频段，我国工信部已规划3.3GHz－3.6GHz为天线的工作频段之一；而毫米波天线工作频段暂未公布。美国FCC则公布了27.5GHz－28.35GHz作为5G毫米波天线工作频段之一。
经研究，在5G通信***之中，Sub-6 5G MIMO天线通信***应该用于实现较广域的覆盖，毫米波天线通信***则通过微基站的形式实现热点区域的定向覆盖。毫无疑问，为了实现5G频段的全覆盖，手持设备端需要同时支持Sub-6的MIMO***和毫米波***。到目前为止，大部分专利或文献只分别给出了单独为Sub-6的5G MIMO天线***或者单独为毫米波的天线***。比如，中国实用新型专利申请201610875334.2只阐述了5G毫米波天线的设计问题；在中国实用新型专利201621156924.1中也只是讨论了5G毫米波阵列天线在手机中的排布以及与4GLTE天线共存的问题。因此，如何在移动设备里集成具有全面覆盖5G所有频段的天线结构，也即使其能够同时支持sub-6的5G MIMO天线和毫米波天线阵列将成为现阶段的一个研究方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构及具有该天线结构的手持设备。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构，包括接地板，还包括四个5G MIMO天线组和两个毫米波天线阵，接地板的每条长边上均设有两个所述5G MIMO天线组和一个毫米波天线阵，且接地板的同一长边中，毫米波天线阵位于两个所述5G MIMO天线组之间。
为了解决上述技术问题，本发明还采用以下技术方案：手持设备，包括上述5GMIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构。
本发明的有益效果在于：解决了5G通信***中5G MIMO天线与毫米波天线阵共存的问题，使得天线结构能够覆盖5G部分SUB-6频段与部分毫米波频段；5G MIMO天线覆盖广、毫米波天线阵可实现热点定向覆盖使得天线结构的性能得到大幅度提高；5G MIMO天线与毫米波天线阵均设于接地板的长边上，4G LTE等天线***可以设置在接地板的短边上，因此，本发明的天线结构还解决了5G天线***与4G天线***共存的问题。
附图说明
图1为本发明实施例一的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构的整体示意图；
图2为本发明实施例一的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构的侧视图；
图3为本发明实施例一的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构中的毫米波天线阵的结构示意图；
图4为本发明实施例一的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构中的第一辐射枝节的结构示意图；
图5为本发明实施例一的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构中的第二辐射枝节的结构示意图；
图6为本发明实施例一的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构中的第一、二天线组件的天线S-参数图；
图7为本发明实施例一的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构中的第一、二天线组件的总效率随频率变化的曲线图；
图8为本发明实施例一的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构中的毫米波天线阵的天线S-参数图；
图9为本发明实施例一的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构的总效率随频率变化的曲线图；
图10至图12分别为本发明实施例一的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构中的毫米波天线阵的方向图。
标号说明：
1、接地板；
11、过孔；
2、5G MIMO天线组；
21、第一天线组件；
211、水平段；
212、第一竖直段；
213、第二竖直段；
22、第二天线组件；
221、微带线；
23、金属板；
3、毫米波天线阵；
31、馈电网络；
32、振子天线；
321、第一辐射枝节；
3211、第三竖直段；
3212、第一直角三角块；
322、第二辐射枝节；
3221、第四竖直段；
3222、第二直角三角块。
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：在接地板的两个长边上分别设置5G MIMO天线和毫米波天线阵，且毫米波天线阵位于同一长边上的两个5G MIMO天线组之间。
请参照图1至图12，5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构，包括接地板1，还包括四个5G MIMO天线组2和两个毫米波天线阵3，接地板1的每条长边上均设有两个所述5G MIMO天线组2和一个毫米波天线阵3，且接地板1的同一长边中，毫米波天线阵3位于两个所述5G MIMO天线组2之间。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：解决了5G通信***中5G MIMO天线与毫米波天线阵共存的问题，使得天线结构能够覆盖5G部分SUB-6频段与部分毫米波频段；5GMIMO天线覆盖广、毫米波天线阵可实现热点定向覆盖使得天线结构的性能得到大幅度提高；5G MIMO天线与毫米波天线阵均设于接地板的长边上，4G LTE等天线***可以设置在接地板的短边上，因此，本发明的天线结构还解决了5G天线***与4G天线***共存的问题。
进一步的，毫米波天线阵3位于接地板1的长边的中点位置，接地板1同一长边上的两个所述5G MIMO天线组2到接地板1的长边的中点的距离相等；接地板1一长边上的两个5GMIMO天线组2与接地板1另一长边上的两个5GMIMO天线组2一一对应设置。
进一步的，5G MIMO天线组2包括第一天线组件21和第二天线组件22，第一天线组件21包括辐射体，第二天线组件22包括缝隙天线。
进一步的，接地板1的长边上设有金属板23，所述金属板23上设有L字型的开槽，所述开槽即为所述缝隙天线，辐射体包括水平段211、第一竖直段212和第二竖直段213，第一竖直段212的一端与水平段211的一端相连，第一竖直段212的另一端朝向接地板1延伸，第二竖直段213的一端与水平段211相连，第二竖直段213的另一端朝向接地板1延伸，水平段211的另一端连接到所述金属板23上。
由上述描述可知，第一天线组件和第二天线组件由于存在极化隔离，所以可以实现近距离的摆放，并具有良好的隔离度。辐射体为倒F天线，通过第一竖直段及水平段的长度与接地点的位置，即可以调整第一天线组件的谐振频率。
进一步的，第二天线组件22还包括微带线221，微带线221的一端连接在金属板23上，微带线221的另一端跨越所述开槽。
由上述描述可知，第二天线组件为缝隙天线，通过调节开槽形状即可以调整第二天线组件的谐振频率。
进一步的，所述毫米波天线阵3包括馈电网络31和若干个振子天线32，馈电网络31设于接地板1上，振子天线32印刷在介质基板上，振子天线32包括第一辐射枝节321和第二辐射枝节322，第一辐射枝节321与第二辐射枝节322相对设置，第一辐射枝节321与馈电网络31电连接，第二辐射枝节322与接地板1电连接。
进一步的，第一辐射枝节321包括第三竖直段3211和第一直角三角块3212，第三竖直段3211的一端与馈电网络31电连接，第三竖直段3211的另一端与第一直角三角块3212的一直角边相连，第一直角三角块3212的另一直角边平行于第三竖直段3211，第一直角三角块3212的斜边靠近所述接地板1设置；第二辐射枝节322包括第四竖直段3221和第二直角三角块3222，第四竖直段3221的一端与接地板1电连接，第四竖直段3221的另一端与第二直角三角块3222的一直角边相连，第二直角三角块3222的另一直角边平行于第四竖直段3221，第二直角三角块3222的斜边靠近所述接地板1设置；第三竖直段3211和第四竖直段3221相对设置且第一直角三角块3212与第二直角三角块3222相互远离。
进一步的，每个毫米波天线阵3中振子天线32的数量均不少于三个，相邻两个振子天线32之间的间距相等。
进一步的，每个毫米波天线阵3中振子天线32的数量均为8个。
手持设备，包括上述5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构。
实施例一
请参照图1至图12，本发明的实施例一为：一种手持设备，包括5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构，所述手持设备包括但不限于手机、扫码器和平板电脑。
如图1所示，所述5G MIMO天线和毫米波天线阵3并存的天线结构包括接地板1，还包括四个5G MIMO天线组2和两个毫米波天线阵3，接地板1的每条长边上均设有两个所述5GMIMO天线组2和一个毫米波天线阵3，且接地板1的同一长边中，毫米波天线阵3位于两个所述5G MIMO天线组2之间。所述接地板1为PCB板。
请结合图1和图2，详细的，毫米波天线阵3位于接地板1的长边的中点位置，接地板1同一长边上的两个所述5G MIMO天线组2到接地板1的长边的中点的距离相等；接地板1一长边上的两个5G MIMO天线组2与接地板1另一长边上的两个5G MIMO天线组2一一对应设置。
5G MIMO天线印制在FR-4板材上，本实施例中，5G MIMO天线组2包括第一天线组件21和第二天线组件22，第一天线组件21包括辐射体，第二天线组件22包括缝隙天线；同一5GMIMO天线组2中，第一天线组件21位于第二天线组件22远离毫米波天线阵3的一侧。
具体的，接地板1的长边上设有金属板23，所述金属板23上设有L字型的开槽，所述开槽即为所述缝隙天线，辐射体包括水平段211、第一竖直段212和第二竖直段213，第一竖直段212的一端与水平段211的一端相连，第一竖直段212的另一端朝向接地板1延伸，第二竖直段213的一端与水平段211相连，第二竖直段213的另一端朝向接地板1延伸，水平段211的另一端连接到所述金属板23上。第一天线组件21为倒F天线，厂商通过调节第二竖直段213、第一竖直段212的长度、水平段211的长度及接地点的位置即可以调整第一天线组件21的谐振频率。本实施例中，第二竖直段213的宽度分别比第一竖直段212的宽度及水平段211的宽度大，且第二竖直段213的长度比第一竖直段212的长度长；第二竖直段213远离水平段211的一端为第一馈电端。本实施例中，所述金属板23为一铜板，所述铜板的底端与接地板1的接地区域电连接。
更具体的，第二天线组件22还包括微带线221，微带线221的一端连接在金属板23上，微带线221的另一端为第二馈电端，第二馈电端跨越所述开槽。优选微带线221为五十欧姆馈电线。
本实施例中，第二天线组件22为缝隙天线，厂商通过调节开槽形状即可以调整第二天线组件22的谐振频率。
请结合图1和图3，所述毫米波天线阵3包括馈电网络31和若干个振子天线32，馈电网络31设于接地板1上，振子天线32印刷在介质基板(图未示)上，振子天线32包括第一辐射枝节321和第二辐射枝节322，第一辐射枝节321与第二辐射枝节322相对设置，第一辐射枝节321与馈电网络31电连接，第二辐射枝节322与接地板1电连接。馈电网络31远离振子天线32的一端为第三馈电端。
请结合图3至图5，本实施例中，第一辐射枝节321包括第三竖直段3211和第一直角三角块3212，第三竖直段3211的一端与馈电网络31电连接，第三竖直段3211的另一端与第一直角三角块3212的一直角边相连，第一直角三角块3212的另一直角边平行于第三竖直段3211，第一直角三角块3212的斜边靠近所述接地板1设置；第二辐射枝节322包括第四竖直段3221和第二直角三角块3222，第四竖直段3221的一端与接地板1电连接，第四竖直段3221的另一端与第二直角三角块3222的一直角边相连，第二直角三角块3222的另一直角边平行于第四竖直段3221，第二直角三角块3222的斜边靠近所述接地板1设置；第三竖直段3211和第四竖直段3221平行且相对设置，第一直角三角块3212与第二直角三角块3222相互远离。详细的，第四竖直段3221远离第二直角三角块3222的一端通过接地板1上的金属化过孔11接地。
厂商可以通过调节第一、二辐射枝节之间的宽度，以及第一、二直角三角块的尺寸来调整振子天线32的谐振频率。
每个毫米波天线阵3中振子天线32的数量均不少于三个，相邻两个振子天线32之间的间距相等。本实施例中，相邻两个振子天线32之间的间距为5.35mm，第一直角三角块3212的各边尺寸与第二直角三角块3222各对应边的尺寸一致，在第一直角三角块3212中，与第三竖直段3211相连的直角边的长度为1.8mm，与第三竖直段3211平行的直角边的长度为1.5mm。
每个毫米波天线阵3中振子天线32的数量可以是5个、6个、7个、9个、10个等，但出于天线性能及毫米波天线阵3尺寸的考虑，本实施例中，每个毫米波天线阵3中振子天线32的数量均为8个。
图6为第一天线组件和第二天线组件的天线S-参数图，从图6中可以看出该天线在3.3-3.6GHz之间，天线反射系数均优于-6dB，覆盖了我国5G标准规划的3.3-3.6频段，且天线之间的隔离度均好于14.9dB。
图7为第一天线组件和第二天线组件的总效率随频率变化的曲线图。从图7中可以看出，天线的总效率在3.3-3.6GHz的范围内均好于45％。图6和图7中给出的天线指标完全可以满足6GHz以下的5G 8x8MIMO天线***在手持设备中使用的要求。
图8为毫米波天线阵的S-参数，从图8中可以看出该天线在大致范围在25.2-31.8GHz之间，天线反射系数均优于-10dB，覆盖了美国FFC标准规划的27.5-28.35GHz频段，且与其它天线之间的隔离度在24-30GHz内均好于40dB。
图9为本发明天线结构的总效率随频率变化的曲线。从图9中可以看出，天线结构的总效率在27.5-28.35GHz的范围内均好于96％。
图10至图12为毫米波天线阵的方向图，图中标记点第一位数值(x位)表示的天线的辐射角度(Theta)，0也就表示仰角90度；标记点第二位数值(y位)为天线的增益，12.6表示12.6dBi。标记1点为天线最大辐射方向上的增益值，标记2点为第一旁瓣上的最大增益值。从图10可知毫米波天线阵3在27.5GHz时，最大增益为12.6dBi，第一旁瓣电平为12.1dB；从图11可知毫米波天线阵3在28GHz时，最大增益为12.9dBi，第一旁瓣电平为11.9dB；从图12可知毫米波天线阵3在28.5GHz时，最大增益为13.2dBi，第一旁瓣电平为12.2dB。
本天线结构成功集成了Sub-6MIMO天线与毫米波天线阵3，尺寸和布局符合一般手持设备，性能符合一般需求，为Sub-6 5G MIMO天线与毫米波天线阵3并存提供了一种解决方案。
本发明解决了Sub-6的5G 5G MIMO天线和5G的毫米波天线以及目前使用的4GLTE等天线(设置在接地板1的短边上)在手持设备内的共存问题。同时设置Sub-6的5G MIMO天线和毫米波天线阵3实现了5G频段的全覆盖。
综上所述，本发明提供的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构及手持设备，解决了5G通信***中5G MIMO天线与毫米波天线阵共存的问题，使得天线结构能够覆盖5G部分SUB-6频段与部分毫米波频段；5G MIMO天线覆盖广、毫米波天线阵可实现热点定向覆盖使得天线结构的性能得到大幅度提高；5G MIMO天线与毫米波天线阵均设于接地板的长边上，4G LTE等天线***可以设置在接地板的短边上，因此，本发明的天线结构还解决了5G天线***与4G天线***共存的问题；天线结构新颖、性能优良。
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)

1.5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构，包括接地板，其特征在于：还包括四个5G MIMO天线组和两个毫米波天线阵，接地板的每条长边上均设有两个所述5G MIMO天线组和一个毫米波天线阵，且接地板的同一长边中，毫米波天线阵位于两个所述5G MIMO天线组之间。
2.根据权利要求1所述的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构，其特征在于：毫米波天线阵位于接地板的长边的中点位置，接地板同一长边上的两个所述5G MIMO天线组到接地板的长边的中点的距离相等；接地板一长边上的两个5G MIMO天线组与接地板另一长边上的两个5G MIMO天线组一一对应设置。
3.根据权利要求1所述的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构，其特征在于：5G MIMO天线组包括第一天线组件和第二天线组件，第一天线组件包括辐射体，第二天线组件包括缝隙天线。
4.根据权利要求3所述的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构，其特征在于：接地板的长边上设有金属板，所述金属板上设有L字型的开槽，所述开槽即为所述缝隙天线，辐射体包括水平段、第一竖直段和第二竖直段，第一竖直段的一端与水平段的一端相连，第一竖直段的另一端朝向接地板延伸，第二竖直段的一端与水平段相连，第二竖直段的另一端朝向接地板延伸，水平段的另一端连接到所述金属板上。
5.根据权利要求4所述的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构，其特征在于：第二天线组件还包括微带线，微带线的一端连接在金属板上，微带线的另一端跨越所述开槽。
6.根据权利要求1所述的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构，其特征在于：所述毫米波天线阵包括馈电网络和若干个振子天线，馈电网络设于接地板上，振子天线印刷在介质基板上，振子天线包括第一辐射枝节和第二辐射枝节，第一辐射枝节与第二辐射枝节相对设置，第一辐射枝节与馈电网络电连接，第二辐射枝节与接地板电连接。
7.根据权利要求6所述的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构，其特征在于：第一辐射枝节包括第三竖直段和第一直角三角块，第三竖直段的一端与馈电网络电连接，第三竖直段的另一端与第一直角三角块的一直角边相连，第一直角三角块的另一直角边平行于第三竖直段，第一直角三角块的斜边靠近所述接地板设置；第二辐射枝节包括第四竖直段和第二直角三角块，第四竖直段的一端与接地板电连接，第四竖直段的另一端与第二直角三角块的一直角边相连，第二直角三角块的另一直角边平行于第四竖直段，第二直角三角块的斜边靠近所述接地板设置；第三竖直段和第四竖直段相对设置且第一直角三角块与第二直角三角块相互远离。
8.根据权利要求7所述的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构，其特征在于：每个毫米波天线阵中振子天线的数量均不少于三个，相邻两个振子天线之间的间距相等。
9.根据权利要求8所述的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构，其特征在于：每个毫米波天线阵中振子天线的数量均为8个。
10.手持设备，其特征在于：包括权利要求1-9中任意一项所述的5G MIMO天线和毫米波天线阵并存的天线结构。
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