CN109216916B - 一种5g天线单元、天线阵列及天线*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种5G天线单元，包括天线单元、天线地和介质基板，天线地包括环形地，天线单元包括缝隙天线和贴片天线，缝隙天线为环形地内沿形成的辐射缝隙，介质基板包括第一表面和与之相背的第二表面，缝隙天线设置在第一表面或第二表面上，缝隙天线在第一表面或第二表面上的正投影为A区域，贴片天线设置在A区域内，且天线地不设置在A区域内。本发明还涉及一种天线阵列和天线***。本发明天线结构简单、紧凑，剖面低，所占体积小，相对带宽达到50%左右，并在终端主板上下方向形成边射辐射，且有较高的天线定向增益和稳定的辐射方向图，非常便于集成到便携式移动终端设备。

Description

一种5G天线单元、天线阵列及天线***

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种5G天线单元、天线阵列及天线***。

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，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。

目前，可集成在移动终端装置PCB板端的毫米波天线单元通常包括单极天线monopole、偶极天线dipole、八木天线Yagi、缝隙天线slot、微带天线patch、Vivaldi天线等。其中Yagi、patch、Vivaldi天线为单向天线，相对宽度较窄。Slot天线和dipole天线在自由空间是全向的，但是当集成在板端的时候由于受到介质和接地板的影响天线辐射可能会变成单向辐射。且这些天线带宽仍无法满足多频段工作的5G业务需求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种5G天线单元、天线阵列及天线***，旨在解决现有毫米波天线单元剖面高、单向辐射和相对带宽窄的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种5G天线单元，包括天线单元、天线地和介质基板，所述天线地包括环形地，所述天线单元包括缝隙天线和贴片天线，所述缝隙天线为环形地内沿形成的辐射缝隙，所述介质基板包括第一表面和与之相背的第二表面，所述缝隙天线设置在第一表面或第二表面上，所述缝隙天线在第一表面或第二表面上的正投影为A区域，所述贴片天线设置在A区域内，且天线地不设置在A区域内。本发明天线单元的结构可以覆盖28GHz、38GHz等多个5G毫米波频段，相对带宽达到50%左右并且在介质基板上下两个方向都有信号覆盖。

进一步的，所述5G天线单元还包括与贴片天线连接的馈电线。

进一步的，所述馈电线为微带馈线或共面波导馈线。

进一步的，所述缝隙天线和贴片天线的形状为矩形、圆形、六边形、梯形或五角星形。

进一步的，所述缝隙天线设置在第一表面的中间，所述贴片天线设置在第二表面上且到缝隙天线左右两边的距离相等。

进一步的，所述缝隙天线设置在第一表面的中间，所述贴片天线设置在缝隙天线内且到缝隙天线左右两边的距离相等，所述天线地还包括附加地，所述附加地设置在第二表面上。

进一步的，所述附加地位于馈电线的一侧，且附加地一侧与缝隙天线的内沿对齐。

进一步的，所述附加地为环形，所述附加地的内沿和外沿与环形地的内沿和外沿对齐。

本发明还提供一种天线阵列，包括N个如上所述的5G天线单元，所述5G天线单元之间的间距为5G天线单元工作波长的半个波长到一个波长之间，N为大于等于2 的正整数。

进一步的，所述单元间距为5mm-10 mm。

进一步的，所述天线单元的阵列形式为直线阵列。

本发明还提供一种天线***，包括依次连接的如上所述的天线阵列、射频前端模块、接收处理电路和主处理器，所述天线***还包括发射处理电路，所述发射处理电路连接在射频前端模块和主处理器之间。

本发明还提供一种天线***，包括依次连接的如上所述的天线阵列、射频前端模块、接收处理电路和扬声器，所述天线***还包括麦克风和发射处理电路，所述发射处理电路分别与射频前端模块以及麦克风连接。

进一步的，所述射频前端模块包括N个射频单元，所述射频单元包括收发切换开关、发射线路的功率放大器、接收线路的低噪放大器、低损耗开关和移相器，所述收发切换开关分别与5G天线单元、功率放大器以及低噪放大器连接，所述低损耗开关分别与移相器、功率放大器以及低噪放大器连接。

进一步的，所述收发切换开关为单刀双掷开关，所述低损耗开关为双刀双掷开关。

本发明采用贴片天线（patch）和缝隙天线（slot）结合形式，具有低剖面，结构简单、紧凑，所占体积小，相对带宽宽等优点，可以覆盖28GHz、38GHz等多个5G毫米波频段，同时保持较高的天线定向增益和稳定的辐射方向图，非常便于集成到便携式移动终端设备。同时可以利用该天线单元组成5G天线阵列，每个天线单元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，同时实现毫米波5G通讯所需要的高增益和波束赋形、波束扫描功能。

附图说明

图1为本发明实施例1的5G天线单元的结构示意图；

图2为实施例1 的5G天线单元的回波损耗图；

图3为实施例1的5G天线单元的空间辐射方向图；

图4为本发明实施例2的天线阵列的结构示意图；

图5为实施例2的天线阵列的回波损耗图；

图6为实施例2的天线阵列的空间辐射方向图；

图7为本发明实施例3的5G天线单元的结构示意图；

图8为实施例3的5G天线单元的回波损耗图；

图9为本发明实施例4的天线阵列的结构示意图；

图10为实施例4的天线阵列的回波损耗图；

图11为本发明实施例5的5G天线单元的结构示意图；

图12为实施例5的5G天线单元的回波损耗图；

图13为本发明实施例6的天线阵列的结构示意图；

图14为实施例6的天线阵列的回波损耗图；

图15为本发明实施例8的天线***的结构示意图；

图16为本发明天线***中射频前端模块的结构示意图；

图17为本发明8单元天线阵列相位变化的空间波束扫描图。

附图标记说明： 1为缝隙天线，2为贴片天线， 3为介质基板，4为馈电线，5为天线地，51为环形地，52为附加地，11为天线阵列，12为射频前端模块，13为接收处理电路，14为发射处理电路，15为扬声器，16为麦克风，17为主处理器，18为输入输出接口，19为键盘，20为显示屏，21为存储器，22为低损耗材料，100a-100n为天线单元，110a-110n为收发切换开关，120a-120n为功率放大器，130a-130n为低噪放大器，140a-140n为低损耗开关，150a-150n为移相器，160a-160n为信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。

实施例1：

参照图1，在该实施例中，5G天线单元包括天线单元、天线地、介质基板和共面波导馈线，所述天线地包括环形地和附加地，所述天线单元包括缝隙天线和贴片天线，所述贴片天线与共面波导馈线连接，所述缝隙天线为环形地内沿形成的辐射缝隙，所述介质基板包括第一表面和与之相背的第二表面，所述缝隙天线设置在第一表面的正中位置，所述贴片天线设置在缝隙天线内且到缝隙天线左右两边的距离相等，所述附加地设置在第二表面靠近共面波导馈线的一侧上，所述附加地一侧与缝隙天线的内沿对齐。

参照图2，为实施例1的5G天线单元的回波损耗图，在图中可以看到-10dB带宽覆盖25.5 GHz—40 GHz，相对带宽达到50%左右。参照图3，为实施例1的5G天线单元的空间辐射方向图，在介质基板上下两个方向都有信号覆盖，单元最大增益为3.64dB。

实施例2：

参照图4，本实施例提供一种类似于实施例1的5G天线单元的8单元天线阵列，单元间距为5.7mm，约为谐振频率所对应的自由空间波长的二分之一。参照图5，为考虑了天线单元间互耦的阵列回波损耗图，在图中可以看到-10dB带宽覆盖25 GHz—40 GHz，相对带宽约为50%。参照图6，为8单元天线合成的阵列空间辐射方向图，形成介质基板上下两个方向的信号覆盖，阵列最大增益为12.8dB。

本实施例采用的贴片天线和矩形缝隙天线结合的天线单元和天线阵列，结构简单、紧凑，便于加工和精度控制；介质基板可以采用低成本的FR4介质，以便于推广应用；具有0.8mm的低剖面设计并充分利用主板板端4mm左右的空间；且相对带宽达到50%左右，可有效覆盖28GHz、38GHz等5G热点频段，并形成手机主板顶面（Top-side Broadside）和底面（Bottom-side Broadside）的双侧辐射方向图。

实施例3：

参照图7，在该实施例中，5G天线单元包括天线单元、天线地、介质基板和共面波导馈线，所述天线地包括环形地和附加地，所述天线单元包括缝隙天线和贴片天线，所述贴片天线与馈电线连接，所述缝隙天线为环形地内沿形成的辐射缝隙，所述介质基板包括第一表面和与之相背的第二表面，所述缝隙天线设置在第一表面的正中位置，所述贴片天线设置在缝隙天线内且到缝隙天线左右两边的距离相等，所述附加地为环形，设置在第二表面上，其内沿和外沿与环形地的内沿和外沿对齐。

参照图8，为实施例1的5G天线单元的回波损耗图，在图中可以看到-10dB带宽覆盖24.8GHz—38.5GHz，相对带宽接近50%。本实施例类似于实施例1的5G天线单元，能够在介质基板上下两个方向都有信号覆盖，本实施例的单元最大增益为3.2dB。

实施例4：

参照图9，本实施例提供一种类似于实施例3的5G天线单元的8单元天线阵列，单元间距为6.2mm，约为谐振频率所对应的自由空间波长的二分之一。参照图10，为考虑了天线单元间互耦的阵列回拨损耗图，在图中可以看到-10dB带宽覆盖24.5GHz—38GHz，相对带宽约为50%。本实施例类似于实施例2的天线阵列，能够在介质基板上下两个方向形成信号覆盖，本实施例的阵列最大增益为12.5dB。

本实施例采用的贴片天线和矩形缝隙天线结合的天线单元和天线阵列，结构简单、紧凑，便于加工和精度控制；介质基板可以采用低成本的FR4介质，以便于推广应用；具有0.8mm的低剖面设计并充分利用主板板端4mm左右的空间；且相对带宽达到50%左右，可有效覆盖28GHz、38GHz等5G热点频段，并形成手机主板顶面（Top-side Broadside）和底面（Bottom-side Broadside）的双侧辐射方向图且辐射方向图关于主板对称，信号辐射更加均匀。

实施例5：

参照图11，在该实施例中， 5G天线单元包括天线单元、天线地、介质基板和微带馈线，所述天线地包括环形地，所述天线单元包括缝隙天线和贴片天线，所述贴片天线与微带馈线连接，所述缝隙天线为环形地内沿形成的辐射缝隙，所述介质基板包括第一表面和与之相背的第二表面，所述缝隙天线设置在第一表面的正中位置，所述缝隙天线在第二表面上的正投影为A区域，所述贴片天线设置在A区域内，且到缝隙天线左右两边的距离相等。

参照图12，为实施例5的5G天线单元的回波损耗，在图中可以看到-10dB带宽覆盖24.5GHz—39.5GHz，相对带宽超过50%。本实施例类似于实施例1的5G天线单元，能够在介质基板上下两个方向都有信号覆盖，本实施例的单元最大增益为4.7dB。

实施例6：

参照图13，本实施例提供一种类似于实施例5的5G天线单元的8单元天线阵列，单元间距为5.7mm，约为谐振频率所对应的自由空间波长的二分之一。参照图14，为考虑了天线单元间互耦的阵列回拨损耗图，在图中可以看到-10dB带宽覆盖22.5GHz—38.5GHz，相对带宽超过50%。本实施例类似于实施例2的天线阵列，能够在介质基板上下两个方向形成信号覆盖，本实施例的阵列最大增益为14.1dB。

本实施例采用的贴片天线和矩形缝隙天线结合的天线单元和天线阵列，结构简单、紧凑，便于加工和精度控制；介质基板可以采用低成本的FR4介质，以便于推广应用；具有0.5mm的低剖面设计并充分利用主板板端4mm左右的空间；且相对带宽达到50%左右，可有效覆盖28GHz、38GHz等5G热点频段，并形成手机主板顶面（Top-side Broadside）和底面（Bottom-side Broadside）的双侧辐射方向图且辐射方向图关于主板对称，信号辐射更加均匀。

实施例7：

本实施例提供一种类似于实施例2、4、6的天线阵列，包括N个如上所述的5G天线单元，所述5G天线单元之间的间距为5G天线单元工作波长的半个波长到一个波长之间，N为大于等于2 的正整数，这里的半个波长到一个波长之间的单元间距约为5mm-10 mm。

实施例8：

参照图15，本实施例提供一种天线***，该天线***中的天线阵列类似于实施例2、4、6、7的天线阵列，天线***包括天线阵列11、射频（RF）前端模块12、接收处理电路（RX）13、发射处理电路（TX）14、扬声器15、麦克风16、主处理器17、输入输出接口18、键盘19、显示屏20和存储器21, RF前端模块12通过天线阵列11接收到基站传输的RF信号，RF前端模块12通过下变频产生中频信号/基带信号。中频信号/基带信号通过RX电路13的滤波、编码产生一个后处理的中频信号/基带信号，RX电路将基带信号传送给扬声器15或者传送给处理器17进行信号的下一步处理。TX电路接收到麦克风16的语音信息或处理器17的基带数据后，通过TX电路14编码、多工、或着对输出的基带信号进行数字处理，然后将后处理的基带信号/中频信号进行上变频通过天线阵列11将RF信号发射出去。

实施例9：

参照图16和17，本实施例类似于实施例8，进一步的，射频（RF）前端模块用于实现波束扫描，图17为通过控制相位变化的8单元天线阵列的空间波束扫描图，所述射频前端模块包含5G天线单元100a-100n、收发切换开关110a-110n单刀双掷开关、发射线路的功率放大器120a-120n、接收线路的低噪放大器130a-130n、低损耗开关140a-140n双刀双掷开关可以切换天线工作频段或极化方式、移相器150a-150n和信号160a-160n。收发切换开关110a-110n和低损耗开关140a-140n可以控制该***中的天线单元100a-100n是接收信号，还是发射信号，当为发射信号时，信号160a-160n通过移相器150a-150n使每条链路有不同的相位信息，再通过的功率放大器120a-120n，该放大器有前置功率放大器和功率放大器两个部分组成，再到天线单元100a-100n，通过多个天线单元和每个天线单元的不同的相位可以组成不同的波束指向，进而可以时时达到最佳的波束指向，当为接收信号时，天线单元100a-100n接收到信号，通过接收线路的低噪放大器130a-130n，再到移相器150a-150n使每条链路有不同的相位信息，通过多个天线单元和每个天线单元的不同的相位可以组成不同的波束指向，进而可以时时达到最佳的波束指向，接收最强的信号，另外不同的波束指向还具有更宽区域信号覆盖的效果。上述收发切换开关可为单刀双掷开关，低损耗开关为双刀双掷开关。

本发明的天线单元、天线阵列及天线***可以以多种形式存在于移动通信网络中，该网络可以包括多个蜂窝小区、基站。

上述实施例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，且相对带宽达到50%左右，可有效覆盖28GHz、38GHz等5G热点频段，并形成手机主板顶面（Top-side Broadside）和底面（Bottom-side Broadside）的双侧辐射方向图，本发明的天线阵列体积小可以用于设置在移动终端的顶部、底部或左右两侧，与传统移动通信天线如2G、3G、4G、GPS、WiFi天线共存，不会过多占用移动通信天线的面积。上述实施例中，微带馈线或共面波导馈线都只是馈电方式的一种，用于举例说明，与本发明无关，同理，上述缝隙天线和贴片天线的形状为矩形也只是用于举例说明，实际实施时可以为其他的多边形、圆形、五角星形、或不规则形状等。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种5G天线单元，包括天线单元、天线地和介质基板，其特征在于，所述天线地包括环形地，所述天线单元包括缝隙天线和贴片天线，所述缝隙天线为环形地内沿形成的辐射缝隙，所述介质基板包括第一表面和与之相背的第二表面，所述缝隙天线设置在第一表面上，所述缝隙天线在第一表面或第二表面上的正投影为A区域，所述贴片天线设置在A区域内，且天线地不设置在A区域内；

所述缝隙天线设置在第一表面的中间，所述贴片天线设置在缝隙天线内且到缝隙天线左右两边的距离相等，所述天线地还包括附加地，所述附加地设置在第二表面上；所述附加地为环形，所述附加地的内沿和外沿与环形地的内沿和外沿对齐；所述5G天线单元还包括与贴片天线连接的馈电线，所述馈电线为共面波导馈线；贴片天线设置在第一表面上，与贴片天线相连的馈电线、与环形地构成了共面波导馈线结构。

2.根据权利要求1所述的5G天线单元，其特征在于，所述缝隙天线和贴片天线的形状为矩形、圆形、六边形、梯形或五角星形。

3.根据权利要求1所述的5G天线单元，其特征在于，所述缝隙天线设置在第一表面的中间，所述贴片天线设置在第一表面上且到缝隙天线左右两边的距离相等。

4.一种天线阵列，其特征在于，包括N个如权利要求1-3任一项所述的5G天线单元，所述5G天线单元之间的间距为5G天线单元工作波长的半个波长到一个波长之间，N为大于等于2的正整数。

5.根据权利要求4所述的天线阵列，其特征在于，所述5G天线单元之间的间距为5mm-10mm。

6.根据权利要求5所述的天线阵列，其特征在于，所述天线单元的阵列形式为直线阵列。

7.一种天线***，其特征在于，包括依次连接的如权利要求4-6任一项所述的天线阵列、射频前端模块、接收处理电路和主处理器，所述天线***还包括发射处理电路，所述发射处理电路连接在射频前端模块和主处理器之间。

8.一种天线***，其特征在于，包括依次连接的如权利要求4-6任一项所述的天线阵列、射频前端模块、接收处理电路和扬声器，所述天线***还包括麦克风和发射处理电路，所述发射处理电路分别与射频前端模块以及麦克风连接。

9.根据权利要求8所述的天线***，其特征在于，所述射频前端模块包括N个射频单元，所述射频单元包括收发切换开关、发射线路的功率放大器、接收线路的低噪放大器、低损耗开关和移相器，所述收发切换开关分别与5G天线单元、功率放大器以及低噪放大器连接，所述低损耗开关分别与移相器、功率放大器以及低噪放大器连接。

10.根据权利要求9所述的天线***，其特征在于，所述收发切换开关为单刀双掷开关，所述低损耗开关为双刀双掷开关。

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