CN108736160A - 一种辐射方向图可重构的5g终端天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种辐射方向图可重构的5G终端天线，包括两组或两组以上的具有不同辐射方向的天线阵列，还包括同时连接各天线阵列并控制切换不同天线阵列的开关。通过设置多个天线阵列，并在多个天线阵列和射频前端模块之间设置开关，通过开关切换馈电可以选择性的实现信号在所需方向的辐射，从而有效地解决毫米波5G终端天线阵列波束覆盖及波束扫描盲点问题，并结合波束扫描的方式拓展波束扫描角度，实现辐射方向图可重构的5G终端天线方案。本发明所述的天线结构充分利用了PCB板端空间，且具有小型化、加工简单、结构紧凑等优点。

Description

一种辐射方向图可重构的5G终端天线
技术领域
本发明涉及天线领域，更具体地，涉及辐射方向图可重构的5G终端天线。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的迅猛发展，上行速率20Mbit/s和下行速率100Mbit/s的4G网络技术基本上能够满足各种移动通信业务的需求。然而，伴随着移动互联网技术和物联网技术的快速发展又几乎颠覆了传统的移动通信模式，这些新兴的移动通信业务对移动通信网络的发展提出了新的需求，超高的流量密度、超高的连接数密度和超低的时延等促生了5G通信技术的研究和发展。目前，5G的标准化活动正在逐步完成，采用5G技术的设备也将在2020年左右逐步商用。提供数Gb级数据服务的5G通信将给用户带来全新的体验。
5G终端天线通过采用毫米波天线，解决了频谱带宽窄的问题；通过天线组阵和波束成型技术，解决了毫米波大气中快速衰减的问题，但天线的方向性问题依然存在。4G天线辐射方向图，为全向天线水平方向近似一个圆形，在获得适当增益的同时可以实现信号在自由空间水平方向上的全覆盖。而5G天线辐射方向图，为定向天线，信号只能在终端天线指向的特定方向范围内才可以进行信号的有效发射和接收，即使通过移相器控制相位实现波束扫描也只能在天线阵列辐射方向图的横向拓展信号辐射范围，其他方向依然是信号辐射的盲区，很难实现像4G天线那样的全向辐射特性。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种通过开关切换具有不同辐射方向图的天线阵列，实现辐射方向图可重构的5G终端天线。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种辐射方向图可重构的5G终端天线，包括两组或两组以上的天线阵列，还包括同时连接各天线阵列并控制选择切换不同天线阵列的开关。
本发明为一种工作在28GHz应用于5G辐射方向图可重构的5G终端天线，通过开关切换方案来实现两组或者多组不同的天线阵列间的切换。不同天线阵列具有不同的具有一定张角的定向辐射方向图，通过开关切换不同的天线阵列来实现不同角度的辐射方向图，通过开关控制方向图重构，从而覆盖所需要的半球以上辐射方向。
所述开关可以是单刀双掷开关(SPDT Switch)、双刀双掷开关(DPDT Switch)、单刀三掷开关(SP3T Switch)、双刀三掷开关(DP3T Switch)等不同类型的低损耗开关。
优选的，所述不同组的天线阵列穿插排列设置。结构简单，体积小，可以位于手持移动终端设备的顶部、底部或左右两侧等任何天线位置。
优选的，所述开关设置于天线阵列与射频前端模组之间。通过接入射频前端模组，可以用作发射天线也可以用作方向覆盖范围内的信号接收。
优选的，所述射频前端模组包括移相器，所述移相器一端连接于信号输入端，另一端通过收发模块连接开关。通过移相器配合每列天线阵列的设计，形成波束可扫描的相控阵天线，通过改变各天线单元的幅度和相位可以实现每列天线阵自身的波束扫描。每列天线阵列本身可以实现-90°～ +90°(Theta 面) 范围内扫描。
优选的，所述天线阵列由多个天线单元组成，所述天线单元包括缝隙天线、电偶极子天线和贴片天线中的一种或多种。由这一种或多种天线组成多组天线阵列，每一组天线辐射方向图的组合构成了5G终端天线半球面以上方向的信号全覆盖。考虑开关切换后的辐射方向图要覆盖自由空间半球面以上区域，在只设置两组天线阵列的情况下，两组天线阵列中至少有一列天线阵列能够实现双向辐射。若在设置三组天线阵列的情况下，三组天线阵列中每组天线阵列波束都要在指定方向上有较好波瓣宽度。作为其中一种两组天线阵列实现方式，其中一组天线阵列形成在手机主板的顶面(Top-side Broadside)和底面(Bottom-side Broadside)的双侧辐射方向图；另一组天线阵列形成在手机主板端面的辐射方向图(End-Fire)。通过5G射频前端模组接入天线的开关(Switch),切换两组不同的天线阵列，从而来实现不同辐射方向的切换，实现可重构的5G终端天线方案。
通过缝隙天线和电偶极子天线结合的形式，结构简单、所占体积小且方便集成在手机板端。T型缝隙天线单元组成的天线阵列形成在手机主板的顶面(Top-sideBroadside)和底面(Bottom-side Broadside)的双侧辐射方向图；电偶极子单元组成的天线阵列形成在手机主板端面的辐射方向图(End-Fire)。通过5G射频前端模组接入天线的开关(Switch),切换两组不同的天线阵列，从而实现不同辐射方向的切换，实现可重构的5G终端天线方案。通过开关切换馈电可以选择性的实现信号在所需方向的辐射，从而有效地解决毫米波5G终端天线阵列波束覆盖范围较窄的缺点，并结合波束扫描等其他方式拓展波束扫描角度。
优选的，所述贴片天线包括介质板，所述介质板的顶面设有金属贴片，所述介质板的底面设有接地层，还包括同轴探针，所述同轴探针一端的内芯连接金属贴片，另一端穿过介质板并作为馈电点。
作为其中一种实现方式，于主板上、下和板端三个不同平面设置三个微带贴片天线阵列，分别实现天线阵列波束在三个方向上的信号覆盖，通过5G射频前端模组接入天线的开关(Switch)切换三组不同平面上的天线阵列，从而实现主板上、下和板端三个辐射方向的切换，实现可重构的5G终端天线方案。
优选的，所述缝隙天线包括T型缝隙天线、条形缝隙天线或共面渐变缝隙天线。利用缝隙天线形成在手机主板的顶面(Top-side Broadside)和底面(Bottom-sideBroadside)的双侧辐射方向图。
优选的，当缝隙天线为T型缝隙天线时，所述T型缝隙天线包括介质板，所述介质板顶面和底面覆有金属铜箔，金属铜箔上开设T型槽，顶面上的T型槽的纵向槽上设有金属条带，所述金属条带的下端为馈电点，所述介质板上沿T型槽周围等距分布设置有多个金属化通孔；
当缝隙天线为条形缝隙天线时，所述条形缝隙天线包括介质板，所述介质板上开设有贯穿介质板的条形金属化缝隙，所述条形金属化缝隙周围设有连接其内部镀铜层的金属层，所述条形金属化缝隙内的宽度方向连接同轴探针作为馈电点；
当缝隙天线为共面渐变缝隙天线时，所述共面渐变缝隙天线包括介质板，所述介质板顶层设有金属铜箔，所述金属铜箔开设相互对称的两个的共面缝隙，所述共面缝隙依次包括长条缝隙、长条缝隙逐渐沿宽形成的渐变缝隙以及渐变缝隙拓宽形成的区域缝隙，两个共面缝隙的对称轴为共面波导馈线，所述共面波导馈线的末端设置馈电点。
优选的，所述电偶极子天线包括上导电模块和下导电模块，所述上导电模块和下导电模块之间设有双层介质板，双层介质板之间设有馈电传输线，所述上导电模块通过金属化馈电通孔连接馈电传输线进行馈电，所述下导电模块接地。
优选的，所述电偶极子天线为SMT电偶极子、印刷金属片电偶极子或金属通孔电偶极子；形成在手机主板端面的辐射方向图(End-Fire)
当电偶极子天线为SMT电偶极子时，所述SMT电偶极子包括对称设置的第一金属块和第二金属块，所述第一金属块和第二金属块的相对面分别设有第一金属片和第二金属片，所述第一金属片和第二金属片之间设有双层介质基板，所述双层介质基板之间设有馈电传输线，所述第一金属片通过金属化馈电通孔191连接馈电传输线进行馈电，所述第二金属片接地；
当电偶极子天线为印刷金属片电偶极子时，所述印刷金属片电偶极子包括依次层叠设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板，所述第一介质基板的侧边设有第一金属片，第二层介质基板的上边缘设有第二金属片，第一金属片与第二金属片连接，所述第三介质基板的下边缘设有第三金属片，所述第四介质基板的侧边设有第四金属片，所述第三金属片和第四金属片连接，所述第二介质基板和第三介质基板之间设有馈电传输线，所述第二金属块通过金属化馈电通孔191连接馈电传输线进行馈电，所述第三金属片接地；
当电偶极子天线为金属通孔电偶极子时，所述金属通孔电偶极子包括依次层叠设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板，所述第一介质基板和第四介质基板的边缘对应分别设有第一金属通孔和第二金属通孔，所述第一金属通孔上方设有第一金属板，所述第一金属通孔下方设有第二金属板，所述第一金属板和第二金属板通过第一金属通孔连接，所述第二金属通孔上方设有第三金属板，所述第二金属通孔下方设有第四金属板，所述第三金属板和第四金属板通过第二金属通孔连接，所述第二介质基板和第三介质基板之间设有馈电传输线，所述第二金属板通过金属化馈电通孔191连接馈电传输线进行馈电，所述第三金属板接地。
增加无线传输速率的方法大体上有两种，一是增加频谱利用率，二是增加频谱带宽，其中增加频谱的带宽尤为重要。与3 GHz以下频段的100 MHz左右频谱带宽相比，毫米波频段具有数GHz频谱带宽的天然优势，不过，毫米波频段在空气中衰减较大，且绕射能力弱，所以对天线的增益要求相对较高，故本申请采用天线阵列，每个天线会发出自己的振幅和相位，通过有效地控制这些天线，让发出的每个电磁波在空间互相抵消或者增强，有限的能量都集中在一个波束上进行传输，能量传输速率就得到明显提升，可以补偿毫米波快速衰减的频谱特性。
5G终端天线通过采用毫米波天线，解决了频谱带宽窄的问题；通过天线组阵和波束成型技术，解决了快速衰减的问题，并结合移相器控制相位实现波束扫描。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明提供一种辐射方向图可重构的5G终端天线，通过设置多个天线阵列，并在多个天线阵列和射频前端模块之间设置开关，通过开关切换馈电可以选择性的实现信号在所需方向的辐射，从而有效地解决毫米波5G终端天线阵列波束覆盖及波束扫描盲点问题，并结合波束扫描的方式拓展波束扫描角度。本发明所述的天线结构充分利用了PCB板端空间，且具有小型化、加工简单、结构紧凑等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1射频前端模组与天线阵列连接结构示意图。
图2为本发明实施例1的T型缝隙天线和电偶极子天线结合的天线阵列的背面结构示意图。
图3为本发明实施例1两种天线单元的结构示意图。
图4为本发明实施例1两种天线单元结构***图。
图5为本发明实施例1两种天线单元正面结构示意图。
图6为本发明实施例1两种天线单元背面结构示意图。
图7为发明实施例1中T型缝隙天线的回波损耗曲线。
图8为发明实施例1中电偶极子天线的回波损耗曲线。
图9为发明实施例1中T型缝隙天线的辐射方向图。
图10为发明实施例1中单个电偶极子天线的辐射方向图。
图11为发明实施例1中电偶极子天线阵列不同相位差下的辐射方向图。
图12为发明实施例1中T型缝隙天线阵列的不同相位差下的辐射方向图。
图13为本发明实施例2两种天线单元的结构示意图。
图14为本发明实施例2两种天线单元结构***图。
图15为本发明实施例3两种天线单元的结构示意图。
图16为本发明实施例3两种天线单元结构正面***图。
图17为本发明实施例3两种天线单元结构背面***图。
图18为本发明实施例4两种天线单元的结构示意图。
图19为本发明实施例4两种天线单元结构***图。
图20为本发明实施例4空气填充的条形缝隙天线阵列的辐射方向图。
图21为本发明实施例5两种天线单元结构***图。
图22为本发明实施例5两种天线单元结构***图。
图23为本发明实施例6射频前端模组与天线阵列连接结构示意图。
图24为本发明实施例6三组阵列天线的连接结构示意图。
图25为本发明实施例6其中一组微带贴片天线的天线阵列的结构示意图。
图26为本发明实施例6微带贴片天线结构示意图。
图27为本发明实施例6微带贴片天线的仿真回波损耗图。
图28为本发明实施例6微带贴片天线的辐射方向图。
图29为本发明方案中微带贴片单元设置在手机主板上平面辐射方向图。
图30为本发明方案中微带贴片单元设置在手机板端平面辐射方向图。
图31为本发明方案中微带贴片单元设置在手机主板下平面辐射方向图。
图32为本发明方案中微带贴片阵列设置在手机主板上平面辐射方向图。
图33为本发明方案中微带贴片阵列设置在手机板端平面辐射方向图。
图34为本发明方案中微带贴片阵列设置在手机主板下平面辐射方向图。
图35为本发明方案中微带贴片阵列设置在手机主板上平面辐射方向图在不同相位时的波束扫描变化图。
图36为本发明方案中微带贴片阵列设置在手机板端平面辐射方向图在不同相位时的波束扫描变化图。
图37为本发明方案中微带贴片阵列设置在手机主板下平面辐射方向图在不同相位时的波束扫描变化图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步详细描述。
实施例1
如图1所示，一种辐射方向图可重构的5G终端天线，包括两组天线阵列，两组天线阵列均连接于开关，该开关为双刀双掷低损耗开关，通过开关切换连接不同天线阵列进行馈电，从而实现两组天线阵列间的切换。不同天线阵列具有不同的定向辐射方向图，通过开关切换不同的天线阵列来实现不同角度的辐射方向图，从而实现自由空间半球面以上区域的信号覆盖。两组天线阵列通过开关连接射频前端模组，射频前端模组包括相移器，相移器一端连接输入信号端，另一端通过收发模块连接开关。收发模块包括收发开关，收发开关连接两路选择支路，其中一路为串联的预先放大器和功率放大器，另一路为低噪声放大器，输入信号通过移相器控制天线单元的相位信息，进而实现波束在平行方向上扫描，通过两重放大器提高信号幅度，再通过低损耗开关切换天线阵列馈电，选择性的实现信号在所需方向的辐射，构成5G终端天线的半球面以上方向信号全覆盖。同样，天线阵列也可以用作方向覆盖范围内的信号接收。
如图2所示，两组天线阵列分别由T型缝隙天线1和电偶极子天线2组成，每组天线阵列分别由八个天线单元组成，两组天线阵列的八个天线单元依次穿插排列，各个天线单元的馈电点连接同一馈电网络，低损耗开关分别连接每组天线阵列的馈电网络。
如图3～6所示，本实施例采用T型缝隙天线和SMT（Surface Mount Technology 表面贴装）电偶极子天线作为两个天线阵列的天线单元，包括双层介质板，第一层介质板11和第二层介质板12，双层介质板顶面覆有上层金属铜箔171和底面覆有下层金属铜箔172，双层介质板一长边留有不设置金属铜箔的净空区域，上层金属铜箔171和下层金属铜箔172上均开设T型槽18，T型槽18包括横向槽和纵向槽， T型槽18的纵向槽上设有金属条带182，其中横向槽的宽度和金属条带182与T型槽的间距对天线的谐振有较大影响，天线由金属条带182通过共面波导馈电，能在双层介质板的上下两个方向产生较好的辐射。所述金属条带182的下端为第一馈电点183，通过调整T型槽18尺寸和金属条带182与T型槽的间距，调整天线谐振。所述双层介质板上沿T型槽18周围等距分布设置有多个金属化通孔181，金属化通孔181贯穿上层金属铜箔171、第一层介质板11、第二层介质板12和下层金属铜箔172，金属化通孔181穿过双层介质板连接双层介质板顶层和底层的上层金属铜箔171和下层金属铜箔172；净空区域的中部，即介于两个T型槽18之间的双层介质板的上下边缘处对称设置两个长方体金属块，分别为第一金属块13和第二金属块14，所述第一金属块13和第二金属块14与双层介质板之间均设有矩形金属片，即第一金属片15和第二金属片16，第一金属片15位于双层介质板的顶层，与上层金属铜箔171之间留有间隙，第二金属片16位于双层介质板的底层，下层金属铜箔172连接，上层金属铜箔171和下层金属铜箔172接地；第一金属块13和第二金属块14通过SMT方式分别与第一金属片15和第二金属片16焊接到一起，位于双层介质板的边缘位置，构成电偶极子结构。所述双层介质基板之间设有馈电传输线192，馈电传输线192的一端通过金属化馈电通孔191与第一金属片15连接，另一端为连接馈电信号端的第二馈电点193，实现电偶极子天线直接馈电。
本实施例的双层介质板为多层PCB压合板，综合考虑成本和功能性，采用相对介电常数为4.4的FR4双层压合PCB板。PCB板的厚度为1mm，第一层介质板11和第二层介质板12的厚度分别为0.5mm。T型槽开在双层压合PCB板的顶面和底面的金属铜箔上且关于金属条带2对称，金属化通孔181均匀的分布在T型缝隙的周围，金属化通孔181穿过双层介质板连接上层金属铜箔和下层金属铜箔，以保证T型缝隙周围参考地的连续性。金属化通孔181之间的间距需小于四分之一个波导波长，金属化通孔直径小于波导波长的八分之一。
电偶极子天线的结构中矩形金属块8位于压合PCB板4、5的边缘，金属块8的长边沿着介质板4、5的长度方向，第一金属块13的宽边沿着双层介质板的宽度方向与馈电传输线192的长度方向相同，且第一金属块13和第一金属片15、第二金属片16关于馈电传输线192对称，为了方便表面贴装和保证贴装的牢固性，第一金属块13的尺寸应小于等于第一金属片15、第二金属片16的尺寸。第一金属块13位于两个T型缝隙天线的中间且与T型槽的横向槽之间有一定间隔，以减少第一金属块13与T型缝隙天线之间的相互影响。
如图7所示，为T型缝隙天线单元的回波损耗图，天线谐振在28GHz,-10dB带宽为1GHz左右，电偶极子天线单元的回波损耗如图8所示，天线谐振在28GHz左右,-10dB带宽相对较宽，如图9所示为T型缝隙单元的辐射方向图，能在主板上下两个方向产生较好的辐射；如图10所示为电偶极子天线单元的辐射方向图，在主板端面产生较好的辐射。如图11所示，为SMT电偶极子天线阵列的辐射方向图，形成在手机主板端面的辐射方向图(End-Fire)，通过相位控制实现波束在横向范围内的扫描。再通过低插损开关切换天线阵列馈电，选择性的实现信号在所需方向的辐射，从而构成5G终端天线的半球面以上方向信号全覆盖。如图12所示，为T型缝隙天线阵列的不同相位差下的辐射方向变化图，形成在手机主板的顶面(Top-side Broadside)和底面(Bottom-side Broadside)的双侧辐射方向图，通过相位控制实现波束在纵向范围内的扫描。
实施例2
如图13、14所示，本实施例与实施例1相比，不同之处在于：本实施例中的天线阵列为以T型缝隙天线组成的天线阵列和金属通孔电偶极子组成的天线阵列。通过开关连接两个天线阵列，从而实现两组天线阵列间的切换。不同天线阵列具有不同的定向辐射方向图，通过开关切换不同的天线阵列来实现不同角度的辐射方向图，从而实现自由空间半球面以上区域的信号覆盖。
本实施例中的T型缝隙天线的结构与实施例1相同，而本实施例的电偶极子天线采用金属通孔电偶极子，包括四层介质基板，具体为依次层叠设置的第一介质基板21、第二介质基板22、第三介质基板23和第四介质基板24，其中T型缝隙天线的结构位于四层介质基板的中间两层，通过在中间两层开T型缝隙由共面波导馈电实现；电偶极子结构由两排金属化通孔构成，通过在四层介质基板的第一层介质基板21和第四层介质基板24的厚度方向打孔来实现其功能。所述第一介质基板21和第四介质基板24的边缘对应分别设有第一金属通孔25和第二金属通孔26，构成电偶极子结构。第一金属通孔25上方设有第一金属板251，第一金属通孔25下方设有第二金属板252，第一金属板251和第二金属板252通过第一金属通孔25连接，第二金属通孔26上方设有第三金属板261，第二金属通孔下方设有第四金属板262，第三金属板261和第四金属板261通过第二金属通孔26连接，第二介质基板22和第三介质基板23同时作为T型缝隙天线的双层介质板，与实施例1同样的，第二介质基板22和第三介质基板23之间设有馈电传输线，第二金属板通过金属化馈电通孔27连接馈电传输线进行馈电，第二介质基板22的上表面设有与实施例1相同的上层金属铜箔271，第三介质基板23的下表面设有与实施例1相同的下层金属铜箔271，其中第二金属板252与第二介质基板22上覆着的金属铜箔271留有缝隙，第三金属板261与第三介质基板23上覆着的金属铜箔连接。第三金属板261接地。
实施例3
如图15～17所示，本实施例与实施例1相比，不同之处在于：本实施例中的天线阵列为以T型缝隙天线组成的天线阵列和印刷金属片电偶极子组成的天线阵列。通过开关连接两个天线阵列，从而实现两组天线阵列间的切换。不同天线阵列具有不同的定向辐射方向图，通过开关切换不同的天线阵列来实现不同角度的辐射方向图，从而实现自由空间半球面以上区域的信号覆盖。
本实施例中的T型缝隙天线的结构与实施例1相同，而本实施例的电偶极子天线采用印刷金属片电偶极子，包括依次层叠设置的第一介质基板31、第二介质基板32、第三介质基板33和第四介质基板34，其中T型缝隙天线的结构设置于第二介质基板32和第三介质基板33上，通过在第二介质基板32的顶面和第三介质基板33的底面开T型缝隙由共面波导馈电实现；而印刷金属片电偶极子的结构则是通过将金属片附着在介质基板顶层和底层上侧面沿介质基板厚度方向，采用PCB包边工艺实现其功能。其中第一介质基板31的侧边设有第一金属片35，第二层介质基板32的上边缘设有第二金属片36，第一金属片35与第二金属片36连接，第三介质基板33的下边缘设有第三金属片38，第四介质基板34的侧边设有第四金属片37，第三金属片38和第四金属片37连接，第二金属片36与第二层介质基板32上覆着的金属铜箔间留有缝隙，第三金属片38与第三介质基板33上覆着的金属铜箔连接。所述第二介质基板32和第三介质基板33之间设有馈电传输线，第二金属片36通过金属化馈电通孔连接馈电传输线进行馈电，第三金属片38接地；第一金属片35、第二金属片36、第三金属片38、第四金属片37、金属化馈电通孔和馈电传输线构成电偶极子结构。馈电传输线设置于第二层介质基板32和第三介质基板33之间，一端连接金属化馈电通孔，另一端作为馈电点连接馈电信号端，实现电偶极子天线的直接馈电。
实施例4
如图18～19所示，本实施例与实施例1相比，不同之处在于：本实施例中的天线阵列为以条形缝隙天线组成的天线阵列和SMT电偶极子组成的天线阵列。通过开关连接两个天线阵列，从而实现两组天线阵列间的切换。不同天线阵列具有不同的定向辐射方向图，通过开关切换不同的天线阵列来实现不同角度的辐射方向图，从而实现自由空间半球面以上区域的信号覆盖。
本实施例包括双层介质基板，包括第一层介质基板41和第二层介质基板42，电偶极子天线的结构与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例的馈电传输线45两侧开设等距分布的金属孔44，用于连接双层介质基板上下表面的金属铜箔，而本实施例的缝隙天线采用条形缝隙天线，贯穿双层介质基板及其上下表面的金属铜箔开设条形金属化缝隙43，条形金属化缝隙43周围设有连接其内部镀铜层的金属铜箔431，条形金属化缝隙43内的宽度方向连接同轴探针432作为馈电点；条形金属化缝隙43为空气填充的条形缝隙。
图20所示，为空气填充的条型缝隙天线阵列的辐射方向图，形成在手机主板的顶面(Top-side Broadside)和底面(Bottom-side Broadside)的双侧辐射方向图，并通过相位控制实现波束在纵向范围内的扫描。
实施例5
如图21～22所示，本实施例与实施例1相比，不同之处在于：本实施例中的天线阵列为以共面渐变缝隙天线组成的天线阵列和金属通孔电偶极子组成的天线阵列。通过开关连接两个天线阵列，从而实现两组天线阵列间的切换。不同天线阵列具有不同的定向辐射方向图，通过开关切换不同的天线阵列来实现不同角度的辐射方向图，从而实现自由空间半球面以上区域的信号覆盖。
本实施例包括四层介质基板，分别为第一介质基板51、第二介质基板52、第三介质基板53和第四介质基板54，其中金属通孔电偶极子的结构基本与实施例2中的金属通孔电偶极子的结构相同，不同之处在于，馈电传输线两侧开设等距分布的金属孔57，金属孔57连接第二介质基板52顶面的第一金属层55和第三介质基板53底面的第二金属层56，即金属孔57贯彻第一金属层55、第二介质基板52、第三介质基板53和第二金属层56，馈电传输线设置于第二介质基板52和第三介质基板53之间（图中未示出，结构如实施例2）。本实施例的缝隙天线采用共面渐变缝隙天线，共面渐变缝隙天线也叫互补偶极子天线，于第一金属层55上开设相互对称的两个的共面缝隙，所述共面缝隙依次包括长条缝隙551、长条缝隙逐渐沿宽形成的渐变缝隙552以及渐变缝隙拓宽形成的区域缝隙553，两个共面缝隙的对称轴为共面波导馈线554，所述共面波导馈线554的末端设置馈电点，采用共面波导馈电的方式。第二金属层56对应区域缝隙553的位置为净空区域。
实施例6
如图23所示，与实施例1不同之处在于本实施例包括三组天线阵列，三组天线阵列均连接于开关，该开关为双刀三掷低损耗开关或单刀三掷低损耗开关，通过开关切换连接不同天线阵列进行馈电，从而实现两组天线阵列间的切换。不同天线阵列具有不同的定向辐射方向图，通过开关切换不同的天线阵列来实现不同角度的辐射方向图，从而实现自由空间半球面以上区域的信号覆盖。同样的，三组天线阵列通过开关连接射频前端模组，射频前端模组的结构与实施例1相同，输入信号通过移相器控制天线单元的相位信息，进而实现波束在平行方向上扫描，通过两重放大器提高信号幅度，再通过低损耗开关切换天线阵列馈电，选择性的实现信号在所需方向的辐射，构成5G终端天线的半球面以上方向信号全覆盖。同样，天线阵列也可以用作方向覆盖范围内的信号接收。
如图24所示，三组天线阵列均为贴片天线阵列，分别为第一天线阵列3，第二天线阵列4和第三天线阵列5，第一天线阵列3的一长边与第二天线阵列4的一长边连接并使得两个天线阵列垂直，第二天线阵列4的另一长边与第三天线阵列5的一长边连接，并使得两个天线阵列垂直，该天线阵列可设于移动终端的顶边、侧边或底边，占用体积小。如图25所示，每组贴片天线阵列包括多个贴片天线6排列而成，本实施例设置八个微带贴片天线6。如图26所示，所述贴片天线6包括介质板61，所述介质板61的顶面设有金属贴片62，所述介质板61的底面设有金属铜箔作为接地层，还包括同轴探针63，所述同轴探针63一端的内芯连接金属贴片62，另一端穿过介质板61和金属铜箔并作为馈电点。
如图27所示为微带贴片天线的仿真回波损耗图，如图28为微带贴片天线的辐射方向图。天线工作在28GHz，实现微带贴片上方具有一定张角的辐射方向图。通过天线组阵并将三组阵列天线设置在手机主板上、下、板端三个不同的平面，实现如图29～31所示的单元辐射方向图，分别为微带贴片天线单元设置在手机主板上、板端（主板末端的侧边）、主板下三个不同平面的辐射方向图，分别在手机主板上、板端、主板下三个方向产生较好的辐射。图32～34所示的阵列辐射方向图，分别为微带贴片天线阵列设置在手机主板上、板端、主板下三个不同平面的辐射方向图，分别在手机主板上、板端、主板下三个方向产生较好的辐射。再由移相器改变相位实现如图35～37所示的波束扫描图，图35～37分别为为微带贴片天线阵列设置在手机主板上、板端、主板下三个不同平面的辐射方向图，通过改变天线单元的相位实现波束扫描，从而实现信号在自由空间的覆盖。通过开关切换馈电，可以选择性的实现信号在所需方向的辐射，从而构成5G终端天线的半球面以上方向信号全覆盖。
本发明的介质板61是单层介质板，综合考虑成本和功能性，采用相对介电常数为4.4的FR4板。PCB板的厚度为1mm，矩形金属片设置于PCB板的中心，同轴探针与矩形金属片的连接点设置子矩形金属片的长度方向上，且到矩形金属片宽度方向距离相等，矩形金属片的长度约为λg/2，其中λg为电磁波在介质中的波长。
以上为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种辐射方向图可重构的5G终端天线，其特征在于：包括两组或两组以上具有不同辐射方向的天线阵列，还包括同时连接各天线阵列并控制切换不同天线阵列的开关。
2.根据权利要求1所述的辐射方向图可重构的5G终端天线，其特征在于：所述不同组的天线阵列穿插排列设置。
3.根据权利要求1所述的辐射方向图可重构的5G终端天线，其特征在于：所述开关设置于天线阵列与射频前端模组之间。
4.根据权利要求3所述的辐射方向图可重构的5G终端天线，其特征在于：所述射频前端模组包括移相器，所述移相器一端连接于信号输入端，另一端通过收发模块连接开关。
5.根据权利要求1所述的辐射方向图可重构的5G终端天线，其特征在于：所述天线阵列由多个天线单元组成，所述天线单元包括缝隙天线、电偶极子天线和贴片天线中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的辐射方向图可重构的5G终端天线，其特征在于：所述贴片天线包括介质板，所述介质板的顶面设有金属贴片，所述介质板的底面设有接地层，还包括同轴探针，所述同轴探针一端的内芯连接金属贴片，另一端穿过介质板并作为馈电点。
7.根据权利要求5所述的辐射方向图可重构的5G终端天线，其特征在于：所述缝隙天线包括T型缝隙天线、条形缝隙天线或共面渐变缝隙天线。
8.根据权利要求7所述的辐射方向图可重构的5G终端天线，其特征在于：当缝隙天线为T型缝隙天线时，所述T型缝隙天线包括介质板，所述介质板
顶面和底面覆有金属铜箔，金属铜箔上开设T型槽，顶面上的T型槽的纵向槽上设有金属条带，所述金属条带的下端为馈电点，所述介质板上沿T型槽周围等距分布设置有多个金属化通孔；
当缝隙天线为条形缝隙天线时，所述条形缝隙天线包括介质板，所述介质板上开设有贯穿介质板的条形金属化缝隙，所述条形金属化缝隙周围设有连接其内部镀铜层的金属层，所述条形金属化缝隙内的宽度方向连接同轴探针作为馈电点；
当缝隙天线为共面渐变缝隙天线时，所述共面渐变缝隙天线包括介质板，所述介质板顶层设有金属铜箔，所述金属铜箔开设相互对称的两个的共面缝隙，所述共面缝隙依次包括长条缝隙、长条缝隙逐渐沿宽形成的渐变缝隙以及渐变缝隙拓宽形成的区域缝隙，两个共面缝隙的对称轴为共面波导馈线，所述共面波导馈线的末端设置馈电点。
9.根据权利要求5所述的辐射方向图可重构的5G终端天线，其特征在于：所述电偶极子天线包括上导电模块和下导电模块，所述上导电模块和下导电模块之间设有双层介质板，双层介质板之间设有馈电传输线，所述上导电模块通过金属化馈电通孔连接馈电传输线进行馈电，所述下导电模块接地。
10.根据权利要求5所述的辐射方向图可重构的5G终端天线，其特征在于：所述电偶极子天线为SMT电偶极子、印刷金属片电偶极子或金属通孔电偶极子；
当电偶极子天线为SMT电偶极子时，所述SMT电偶极子包括对称设置的第一金属块和第二金属块，所述第一金属块和第二金属块的相对面分别设有第一金属片和第二金属片，所述第一金属片和第二金属片之间设有双层介质基板，所述双层介质基板之间设有馈电传输线，所述第一金属片通过金属化馈电通孔191连接馈电传输线进行馈电，所述第二金属片接地；
当电偶极子天线为印刷金属片电偶极子时，所述印刷金属片电偶极子包括依次层叠设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板，所述第一介质基板的侧边设有第一金属片，第二层介质基板的上边缘设有第二金属片，第一金属片与第二金属片连接，所述第三介质基板的下边缘设有第三金属片，所述第四介质基板的侧边设有第四金属片，所述第三金属片和第四金属片连接，所述第二介质基板和第三介质基板之间设有馈电传输线，所述第二金属块通过金属化馈电通孔191连接馈电传输线进行馈电，所述第三金属片接地；
当电偶极子天线为金属通孔电偶极子时，所述金属通孔电偶极子包括依次层叠设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板，所述第一介质基板和第四介质基板的边缘对应分别设有第一金属通孔和第二金属通孔，所述第一金属通孔上方设有第一金属板，所述第一金属通孔下方设有第二金属板，所述第一金属板和第二金属板通过第一金属通孔连接，所述第二金属通孔上方设有第三金属板，所述第二金属通孔下方设有第四金属板，所述第三金属板和第四金属板通过第二金属通孔连接，所述第二介质基板和第三介质基板之间设有馈电传输线，所述第二金属板通过金属化馈电通孔191连接馈电传输线进行馈电，所述第三金属板接地。
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