CN108493590B - 天线单元、mimo天线及手持设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了天线单元、MIMO天线及手持设备，包括馈电体和辐射体，所述辐射体呈旋转90°的U字型，所述辐射体包括第一水平部、第一竖直部和第二水平部，第一竖直部的两端分别与第一水平部和第二水平部相连；馈电***于所述U字型中，馈电体包括第二竖直部、第三水平部及第三竖直部，第三水平部的两端分别与第二竖直部和第三竖直部相连，且第二竖直部和第三竖直部位于第三水平部的不同侧；第三水平部和第一水平部之间具有第一缝隙，第二竖直部靠近第一竖直部设置且第二竖直部与第一竖直部之间具有第二缝隙。天线单元通过馈电体和辐射体自身结构以及第一、二缝隙，形成了两个相邻的双谐振，从而使得MIMO天线能够实现超宽带。

Description

天线单元、MIMO天线及手持设备
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及天线单元、MIMO天线及手持设备。
背景技术
第五代移动通信技术(5G)将在2020年大规模商用，在未来几年中，新的移动端天线和基站天线将有很广阔的市场。在***移动通信(4G)***中，2x2的多输入多输出(MIMO)天线已经被广泛研究并使用在手持移动设备中。根据目前各国的研究，5G技术相比目前4G技术，其峰值速率将增长数十倍，所以，2x2或者4x4的MIMO天线结构已经不能满足5G***中对传输速率和连接可靠性的要求。在5G***中，具有更多天线单元个数的MIMO天线结构，比如6x6或者8x8MIMO天线将被应用到手持设备，以实现更大的信道容量和更好的通信质量。此外，具有多天线单元的MIMO天线结构可以很好的解决多径衰落问题并提升数据吞吐量。
2017年11月9日，国家工信部公布5G频段，规划3.3GHz－3.6GHz和4.8GHz－5GHz频段作为5G***的工作频段，其中，3.3GHz-3.4GHz频段原则上限室内使用。所以，如何设计能够覆盖上述频段的多天线的MIMO天线结构，成为目前新的研究方向。此外，在手持设备日渐趋于更薄，更窄的边框(全面屏)的大环境下，设计满足天线效率和天线相互之间隔离度的多天线的MIMO天线结构变得更加复杂。
因此，有必要设计一种超宽带的天线单元的结构以及具有该天线单元的超宽带MIMO天线，从而使得装备该MIMO天线***的手持设备能够覆盖5G***6GHz以下所有工作频段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种超宽带的天线单元、具有该天线单元的超宽带MIMO天线以及具有该超宽带MIMO天线的手持设备。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：天线单元，包括馈电体和辐射体，所述辐射体呈旋转90°的U字型，所述辐射体包括第一水平部、第一竖直部和第二水平部，第一竖直部的两端分别与第一水平部和第二水平部相连；馈电***于所述U字型中，馈电体包括第二竖直部、第三水平部及第三竖直部，第三水平部的两端分别与第二竖直部和第三竖直部相连，且第二竖直部和第三竖直部位于第三水平部的不同侧；第三水平部和第一水平部之间具有第一缝隙，第二竖直部靠近第一竖直部设置且第二竖直部与第一竖直部之间具有第二缝隙。
本发明还采用以下技术方案：MIMO天线，包括接地板，具有上述天线单元，所述天线单元垂直于接地板的上表面设置且天线单元中的第一水平部与所述接地板相连，多个所述天线单元分为两个天线单元组，两个所述天线单元组分别设于接地板的两个长边上。
本发明还采用以下技术方案：手持设备，具有上述MIMO天线。
本发明的有益效果在于：天线单元通过馈电体和辐射体自身结构以及第一、二缝隙，形成了两个相邻的双谐振，从而使得天线单元具有超宽带；结构简单，加工方便、制造成本低。
附图说明
图1为本发明实施例一的天线单元的正视图；
图2为本发明实施例一的MIMO天线的结构示意图；
图3为本发明实施例一的MIMO天线的侧视图；
图4为本发明实施例一的MIMO天线中第一、二、三、四天线单元的天线S-参数图；
图5为本发明实施例一的MIMO天线的总效率随频率变化的曲线图；
图6为本发明实施例一的MIMO天线中的第一天线单元工作在频率等于3.5GHz时的电流分布图；
图7为本发明实施例一的MIMO天线中的第一天线单元工作在频率等于4.9GHz时的电流分布图；
图8为本发明实施例二的MIMO天线的侧视图；
图9为本发明实施例三的MIMO天线的侧视图。
标号说明：
1、馈电体；
11、第二竖直部；
12、第三水平部；
13、第三竖直部；
2、辐射体；
21、第一水平部；
22、第一竖直部；
23、第二水平部；
41、第一缝隙；
42、第二缝隙；
5、接地板；
6、第一天线单元；
7、第二天线单元；
8、第三天线单元；
9、第四天线单元。
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：天线单元通过馈电体和辐射体自身结构以及第一、二缝隙，形成了两个相邻的双谐振。
请参照图1，天线单元，包括馈电体1和辐射体2，所述辐射体2呈旋转90°的U字型，所述辐射体2包括第一水平部21、第一竖直部22和第二水平部23，第一竖直部22的两端分别与第一水平部21和第二水平部23相连；馈电体1位于所述U字型中，馈电体1包括第二竖直部11、第三水平部12及第三竖直部13，第三水平部12的两端分别与第二竖直部11和第三竖直部13相连，且第二竖直部11和第三竖直部13位于第三水平部12的不同侧；第三水平部12和第一水平部21之间具有第一缝隙41，第二竖直部11靠近第一竖直部22设置且第二竖直部11与第一竖直部22之间具有第二缝隙42。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：天线单元通过馈电体和辐射体自身结构以及第一、二缝隙，形成了两个相邻的双谐振，从而使得天线单元具有超宽带；结构简单，加工方便、制造成本低。
请参照图2至图9，MIMO天线，包括接地板5，具有上述天线单元，所述天线单元垂直于接地板5的上表面设置且天线单元中的第一水平部21与所述接地板5相连，多个所述天线单元分为两个天线单元组，两个所述天线单元组分别设于接地板5的两个长边上。
由上述描述可知，MIMO天线配备多个超宽带天线单元，极大程度上提高了MIMO天线性能。
进一步的，两个天线单元组中天线单元的数目相等。
进一步的，天线单元组包括沿接地板5长边依次设置的第一天线单元6、第二天线单元7、第三天线单元8和第四天线单元9，第一天线单元6和第四天线单元9相对于经过该长边中心点且垂直于接地板5上表面的轴对称设置，第二天线单元7和第三天线单元8相对于经过该长边中心点且垂直于接地板5上表面的轴对称设置。
进一步的，第一天线单元6的辐射体的开口朝向和第二天线单元7的辐射体的开口朝向相同，第三天线单元8的辐射体的开口朝向和第四天线单元9的辐射体的开口朝向相同，第三天线单元8的辐射体的开口朝向和第一天线单元6的辐射体的开口朝向相反；第二天线单元7和第三天线单元8之间的间距大于第二天线单元7和第一天线单元6之间的间距。
进一步的，第一天线单元6的辐射体的开口朝向和第三天线单元8的辐射体的开口朝向相同，第二天线单元7的辐射体的开口朝向和第四天线单元9的辐射体的开口朝向相同，第二天线单元7的辐射体的开口朝向和第一天线单元6的辐射体的开口朝向相反；第二天线单元7和第三天线单元8之间的间距小于第二天线单元7和第一天线单元6之间的间距。
进一步的，天线单元组包括沿接地板5长边依次设置的第一天线单元6、第二天线单元7、第三天线单元8和第四天线单元9，第一天线单元6的辐射体的开口朝向、第二天线单元7的辐射体的开口朝向及第三天线单元8的辐射体的开口朝向相同，第四天线单元9的辐射体的开口朝向和第一天线单元6的辐射体的开口朝向相反；第一天线单元6和第二天线单元7之间的间距等于第二天线单元7和第三天线单元8之间的间距且小于第三天线单元8和第四天线单元9之间的间距。
由上述描述可知，天线单元中接地的辐射体整体可以起到一定程度的隔离作用，因此，辐射体开口朝向相反且两个第一竖直部相互靠近的相邻两个天线单元(“】【”形状)之间的间距可以很小；辐射体开口朝向相同的相邻两个天线单元之间(“】】”或“【【”形状)的间距可以较小；而辐射体开口朝向相反且两个第一竖直部相互远离的相邻两个天线单元之间(“【】”形状)的间距需要较大以保证相邻两个天线之间的隔离度。
手持设备，具有上述MIMO天线。
进一步的，包括壳体及设于壳体内部的PCB板，所述接地板5为所述PCB板，所述天线单元的馈电体1固定在所述壳体的内侧壁上。
实施例一
请参照图1至图9，本发明的实施例一为：如图1所示，天线单元，包括馈电体1和辐射体2，所述辐射体2呈旋转90°的U字型，所述辐射体2包括第一水平部21、第一竖直部22和第二水平部23，第一竖直部22的两端分别与第一水平部21和第二水平部23相连；馈电体1位于所述U字型中，馈电体1包括第二竖直部11、第三水平部12及第三竖直部13，第三水平部12的两端分别与第二竖直部11和第三竖直部13相连，且第二竖直部11和第三竖直部13位于第三水平部12的不同侧；第三水平部12和第一水平部21之间具有第一缝隙41，第二竖直部11靠近第一竖直部22设置且第二竖直部11与第一竖直部22之间具有第二缝隙42，第一缝隙41与第二缝隙42相连。
如图2和图3所示，一种MIMO天线，包括接地板5，具有上述天线单元，所述天线单元垂直于接地板5的上表面设置且天线单元中的第一水平部21与所述接地板5相连；天线单元中，第二竖直部11位于第三水平部12远离第一水平部21的一侧，第三竖直部13位于第三水平部12靠近第一水平部21的一侧，多个所述天线单元分为两个天线单元组，两个所述天线单元组分别设于接地板5的两个长边上，优选的，两个天线单元组中天线单元的数目相等。
接下来，本实施例对可覆盖5G***6GHz以下所有工作频段的一种MIMO天线进行阐述，如图2和图3所示，两个天线单元组中每个天线单元组均包括四个天线单元，为方便描述，将每个天线单元组中的四个所述天线单元分别命名为第一天线单元6、第二天线单元7、第三天线单元8和第四天线单元9，第一天线单元6、第二天线单元7、第三天线单元8和第四天线单元9沿接地板5长边依次设置，且第一天线单元6和第四天线单元9相对于经过该长边中心点且垂直于接地板5上表面的轴对称设置，第二天线单元7和第三天线单元8相对于经过该长边中心点且垂直于接地板5上表面的轴对称设置。通过调节第一、二、三、四天线单元的馈电体1和与其耦合的辐射体2的尺寸以及第一、二缝隙之间的间距将能够产生覆盖3.3GHz-5GHz的谐振频率。
本实施例中，第一天线单元6的辐射体的开口朝向和第二天线单元7的辐射体的开口朝向相同，第三天线单元8的辐射体的开口朝向和第四天线单元9的辐射体的开口朝向相同，第三天线单元8的辐射体的开口朝向和第一天线单元6的辐射体的开口朝向相反；第二天线单元7和第三天线单元8之间的间距大于第二天线单元7和第一天线单元6之间的间距。
图4为第一、二、三、四天线单元的天线S-参数图，从图4中可以看出本实施例的MIMO天线的工作范围在3.3-5GHz之间，覆盖了我国5G标准规划的3.3-3.4GHz，3.4-3.6GHz以及4.8-5GHz频段，MIMO天线反射系数均优于6dB，且天线单元之间的隔离度均好于12dB。
图5为MIMO天线的总效率随频率变化的曲线图。从图5中可以看出，天线的总效率在3.3-5GHz的范围内均好于40％。
图4和图5中给出的MIMO天线指标完全可以满足6GHz以下的5G 8x8MIMO天线***在手持设备(例如手机)中使用的要求。
为了进一步地阐述本实施例MIMO天线的工作原理，可以通过观察和分析天线在频率为3.5GHz和4.9GHz工作时，天线单元上的电流分布图。为了简化，本实施例只对第一天线单元6的工作情况进行分析。图6为第一天线单元6工作在频率等于3.5GHz时的电流分布图；从图6中我们可以清楚的看到，电流峰值分布在第一天线单元6馈电体1末端(第二竖直部11)及第一天线单元6辐射体2上。图7为第一天线单元6工作在频率等于4.9GHz时电流分布图。从图7中我们可以看出，电流峰值分布在第一天线单元6馈电体1中部。本天线单元有效的利用了馈电体1和辐射体2自身结构及馈电体1与辐射体2之间的两个缝隙(第一、二缝隙)，形成了两个相邻的双谐振，这正是本MIMO天线中天线单元具有超宽带的原因。
一种具有上述MIMO天线的手持设备(图未示)，例如手机、平板电脑、扫码器等等，其包括壳体及设于壳体内部的PCB板，所述接地板5即为所述PCB板，所述天线单元的馈电体1固定在所述壳体的内侧壁上。
本实施例虽然只对6GHz以下的工作在3.3GHz-5GHz频段的5G 8x8MIMO进行了分析和描述，但是本实施例的天线设计原理(天线单元)也可以扩展到其它的工作频段以及其它的mxn(m和n为大于2的整数)MIMO天线***中。
实施例二
请参照图8，本发明的实施例二是对实施例一MIMO天线中天线单元组的一种变形，具体为：天线单元组包括沿接地板5长边依次设置的第一天线单元6、第二天线单元7、第三天线单元8和第四天线单元9，第一天线单元6和第四天线单元9相对于经过该长边中心点且垂直于接地板5上表面的轴对称设置，第二天线单元7和第三天线单元8相对于经过该长边中心点且垂直于接地板5上表面的轴对称设置。
第一天线单元6的辐射体的开口朝向和第三天线单元8的辐射体的开口朝向相同，第二天线单元7的辐射体的开口朝向和第四天线单元9的辐射体的开口朝向相同，第二天线单元7的辐射体的开口朝向和第一天线单元6的辐射体的开口朝向相反；第二天线单元7和第三天线单元8之间的间距小于第二天线单元7和第一天线单元6之间的间距。
实施例三
请参照图9，本发明的实施例二是对实施例一MIMO天线中天线单元组的另一种变形，具体为：天线单元组包括沿接地板5长边依次设置的第一天线单元6、第二天线单元7、第三天线单元8和第四天线单元9，第一天线单元6的辐射体的开口朝向、第二天线单元7的辐射体的开口朝向及第三天线单元8的辐射体的开口朝向相同，第四天线单元9的辐射体的开口朝向和第一天线单元6的辐射体的开口朝向相反；第一天线单元6和第二天线单元7之间的间距等于第二天线单元7和第三天线单元8之间的间距且小于第三天线单元8和第四天线单元9之间的间距。
综上所述，本发明提供的天线单元、MIMO天线及手持设备，天线单元通过馈电体和辐射体自身结构以及第一、二缝隙，形成了两个相邻的双谐振，从而使得天线单元具有超宽带；结构简单，加工方便、制造成本低；MIMO天线能够实现超宽带，从而覆盖第五代移动通信中6GHz下所有频段，并且天线性能满足要求；MIMO天线具有垂直放置和高度较低的特点，有利于应用在超薄全面屏手机中。
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 (9)

1.天线单元，包括馈电体和辐射体，其特征在于：所述辐射体呈旋转90°的U字型，所述辐射体包括第一水平部、第一竖直部和第二水平部，第一竖直部的两端分别与第一水平部和第二水平部相连；馈电***于所述U字型中，馈电体包括第二竖直部、第三水平部及第三竖直部，第三水平部的两端分别与第二竖直部和第三竖直部相连，且第二竖直部和第三竖直部位于第三水平部的不同侧；第三水平部和第一水平部之间具有第一缝隙，第二竖直部靠近第一竖直部设置且第二竖直部与第一竖直部之间具有第二缝隙。
2.MIMO天线，包括接地板，其特征在于：具有多个如权利要求1所述的天线单元，所述天线单元垂直于接地板的上表面设置且天线单元中的第一水平部与所述接地板相连，多个所述天线单元分为两个天线单元组，两个所述天线单元组分别设于接地板的两个长边上。
3.根据权利要求2所述的MIMO天线，其特征在于：两个天线单元组中天线单元的数目相等。
4.根据权利要求3所述的MIMO天线，其特征在于：天线单元组包括沿接地板长边依次设置的第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元和第四天线单元，第一天线单元和第四天线单元相对于经过该长边中心点且垂直于接地板上表面的轴对称设置，第二天线单元和第三天线单元相对于经过该长边中心点且垂直于接地板上表面的轴对称设置。
5.根据权利要求4所述的MIMO天线，其特征在于：第一天线单元的辐射体的开口朝向和第二天线单元的辐射体的开口朝向相同，第三天线单元的辐射体的开口朝向和第四天线单元的辐射体的开口朝向相同，第三天线单元的辐射体的开口朝向和第一天线单元的辐射体的开口朝向相反；第二天线单元和第三天线单元之间的间距大于第二天线单元和第一天线单元之间的间距。
6.根据权利要求4所述的MIMO天线，其特征在于：第一天线单元的辐射体的开口朝向和第三天线单元的辐射体的开口朝向相同，第二天线单元的辐射体的开口朝向和第四天线单元的辐射体的开口朝向相同，第二天线单元的辐射体的开口朝向和第一天线单元的辐射体的开口朝向相反；第二天线单元和第三天线单元之间的间距小于第二天线单元和第一天线单元之间的间距。
7.根据权利要求3所述的MIMO天线，其特征在于：天线单元组包括沿接地板长边依次设置的第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元和第四天线单元，第一天线单元的辐射体的开口朝向、第二天线单元的辐射体的开口朝向及第三天线单元的辐射体的开口朝向相同，第四天线单元的辐射体的开口朝向和第一天线单元的辐射体的开口朝向相反；第一天线单元和第二天线单元之间的间距等于第二天线单元和第三天线单元之间的间距且小于第三天线单元和第四天线单元之间的间距。
8.手持设备，其特征在于：具有权利要求2-7任意一项所述的MIMO天线。
9.根据权利要求8所述的手持设备，包括壳体及设于壳体内部的PCB板，其特征在于：所述接地板为所述PCB板，所述天线单元的馈电体固定在所述壳体的内侧壁上。
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Application publication date: 20180904

Assignee: SHENZHEN XINWEI MICROELECTRONICS Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN SUNWAY COMMUNICATION Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980001310

Denomination of invention: Antenna units, MIMO antennas, and handheld devices

Granted publication date: 20200211

License type: Common License

Record date: 20240124