CN110061349A - 一种基于正交模式对的宽带5g mimo手机天线 - Google Patents

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Abstract

一种基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线，包括：金属地板，其长边上开有一个及以上的地板缝隙；四面闭合连接的金属边框，其上开有偶数个边框缝隙；一组及以上的正交天线对，每组正交天线对含有2个天线单元，包括中心馈电枝节、第一和第二侧边馈电枝节、第一和第二耦合枝节。正交天线对中2个天线单元的模式正交，因此在双天线集成下可实现高隔离特性。此外，金属边框和多模式协同工作等方式被用来进一步展宽天线单元的带宽。本发明具有宽带、金属边框兼容、隔离度高、净空小和双天线集成等优点，适用于以手机为代表的各种小型移动终端的5G MIMO天线。

Description

一种基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种5G MIMO手机天线，特别涉及一种基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线。
背景技术
随着移动通信业务的快速发展，传统的***(4G)移动通信***已经无法满足日益增长的通信速率、容量、时延等需求。为了进一步提升通信速率、扩大通信容量以及降低通信时延，第五代(5G)移动通信***开始在手机、平板电脑等移动终端设备中部署6GHz以下(Sub-6GHz)频段的多输入多输出(MIMO)天线。MIMO技术通过多个隔离的收发天线，建立多条独立的数据流，因而可以在不增加带宽和发射功率的情况下成倍地提升通信***的容量。然而，手机等小型移动终端设备的尺寸受限且电磁环境复杂，天线之间的耦合会恶化MIMO***的性能，给MIMO天线的设计带来了巨大的挑战。因此，如何在近距离布局的情况下实现天线单元之间的解耦，是5G MIMO手机天线设计的关键问题。
目前，国内外较为统一的5G标准频段主要包括n77(3.3～4.2GHz)、n78(3.3～3.8GHz)和n79(4.4～5GHz)三个频段。然而，现有的5G MIMO手机天线技术，例如专利[CN108511890A]和文献[“Two Asymmetrically Mirrored Gap-Coupled Loop Antennasas a Compact Building Block for Eight-Antenna MIMO Array in the FutureSmartphone”，Kin-Lu Wong等，《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》，第65卷，2017年4月]中提出的均为窄带天线，无法完全覆盖全球通用的5G标准频段，并且没有考虑手机金属边框对天线的影响，无法直接应用在主流的金属边框智能手机中。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于金属边框环境且具有宽带辐射特性的5G MIMO手机天线，通过正交模式技术使2个集成的天线单元实现隔离，并利用金属边框和多模式协同工作等方式进一步展宽天线单元的带宽，使其能够覆盖全球通用的5G n77、n78、n79频段。将多组相同的正交模式天线对对称地部署在手机的金属地板上，即可构成5G MIMO手机天线。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线，包括：
金属地板1，其边缘开有N个地板缝隙1a，所述金属地板1上方覆盖有介质基板。
金属边框2，为四面闭合连接结构，其底边与金属地板1的边缘相连接，金属边框2上开有2N个边框缝隙3，第一边框缝隙3a和第二边框缝隙3b组成一对边框缝隙3，第一边框缝隙3a和第二边框缝隙3b沿地板缝隙1a的中心线对称分布，且与地板缝隙1a的两端有一定间距；
N组正交天线对4，每组正交天线对4对应分布于一个地板缝隙1a中，且位于第一边框缝隙3a和第二边框缝隙3b之间，所述正交天线对4包含有中心第一馈电枝节4a、侧边第一馈电枝节4b、侧边第二馈电枝节4c、第一耦合枝节4d和第二耦合枝节4e，侧边第一馈电枝节4b和第二馈电枝节4c对称地分布于中心第一馈电枝节4a的两侧，第一耦合枝节4d和第二耦合枝节4e对称地分布于中心第一馈电枝节4a的两侧，第一耦合枝节4d位于侧边第一馈电枝节4b与中心第一馈电枝节4a之间，第二耦合枝节4e位于侧边第二馈电枝节4c与中心第一馈电枝节4a之间。
所述正交天线对4蚀刻在介质基板的上方，所述第一馈电枝节4a与金属边框2直接连接，或者与金属边框2之间设有间距。
所述第一馈电枝节4a为矩形或“T”型，所述侧边第一馈电枝节4b、侧边第二馈电枝节4c、第一耦合枝节4d和第二耦合枝节4e为矩形或“┌”型或“┐”型。
所述侧边第一馈电枝节4b和侧边第二馈电枝节4c与金属边框2之间设有间距；所述第一耦合枝节4d和第二耦合枝节4e与金属边框2直接连接；所述侧边第一馈电枝节4b和第一耦合枝节4d之间设有间距；所述侧边第二馈电枝节4c和第二耦合枝节4e之间设有间距。
所述中心第一馈电枝节4a由金属地板1中的第一馈电端口5a激励；所述侧边第一馈电枝节4b和侧边第二馈电枝节4c由金属地板1中的第二馈电端口5b和第三馈电端口5c同时差分激励。
所述第一馈电枝节4a和第一馈电端口5a之间连接有匹配元件6a，也可以不接匹配元件。所述侧边第一馈电枝节4b和侧边第二馈电枝节4c与第二馈电端口5b和第三馈电端口5c之间分别连接有匹配元件6b和6c，也可以不接匹配元件。
所述第二馈电端口5b和第三馈电端口5c的差分激励采用差分馈电网络或者集成巴伦芯片。
所述第一馈电端口5a激励的为天线单元一；所述第二馈电端口5b和第三馈电端口5c同时差分激励的为天线单元二，所述天线单元一和天线单元二的辐射结构集成在一起，具有正交模式特性。
所述正交模式特性是指：当第一馈电端口5a激励时，所述天线单元一在低频时工作于单极子天线模式，在高频时工作于缝隙天线的奇次模式；当第二馈电端口5b和第三馈电端口5c同时差分激励时，所述天线单元二在低频时工作于偶极子天线模式，在高频时工作于缝隙天线的偶次模式。
在低频时，单极子天线与偶极子天线的模式正交；在高频时，缝隙天线的奇次与偶次模式正交。因此，所述正交天线对的两个天线单元(天线单元一和天线单元二)在宽带内具有高隔离特性。
与现有技术相比，本发明将2个天线单元集成在一起，并通过正交模式技术实现天线单元的隔离特性，构成正交模式天线对。本发明具有宽带、金属边框兼容、隔离度高、净空小和双天线集成等优点，适用于以手机为代表的各种小型移动终端的5G MIMO天线。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为将金属边框展开后的天线平面示意图。
图3为正交天线对(4)的放大图。
图4为图2和图3所述天线结构的实施例尺寸图，单位均为毫米(mm)，其中包括(a)天线平面图和(b)正交天线对(4)的放大图。
图5为本发明在两个工作模式下低频和高频的电流分布示意图，其中包括(a)第一馈电端口激励时的低频电流分布、(b)第一馈电端口激励时的高频电流分布、(c)第二馈电端口和第三馈电端口差分激励时的低频电流分布和(d)第二馈电端口和第三馈电端口差分激励时的高频电流分布。
图6为该实施例下的天线S参数仿真结果，包括两个天线单元的反射系数以及它们之间的传输系数。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明为一种基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线。根据设计示意，给出了一个覆盖全球5G n77、n78、n79频段的8单元MIMO手机天线的具体实施例，下面结合附图予以说明：
如图1所示为本发明所述8单元5G MIMO手机天线的三维结构示意图，如图2所示为将图1中金属边框展开后的平面示意图，如图3所示为正交天线对4放大后的平面示意图。结合图1、图2和图3，所述天线包含有金属地板1、金属边框2和4组正交天线对4。所述金属地板1上开有4个矩形缝隙1a。所述金属边框2为四面闭合连接结构，其上开有8个边框缝隙3。所述正交天线对4分布在矩形缝隙1a里，其包含有中心第一馈电枝节4a、侧边第一馈电枝节4b、侧边第二馈电枝节4c、第一耦合枝节4d和第二耦合枝节4e。所述第一馈电枝节4a、第一耦合枝节4d和第二耦合枝节4e与金属边框2直接连接；所述侧边第一馈电枝节4b和侧边第二馈电枝节4c与金属边框2设有间距。其中，中心第一馈电枝节4a由第一馈电端口5a激励，第一馈电枝节4a和第一馈电端口5a之间连接有匹配元件6a；侧边第一馈电枝节4b和侧边第二馈电枝节4c由第二馈电端口5b和第三馈电端口5c同时差分激励，侧边第一馈电枝节4b和侧边第二馈电枝节4c与第二馈电端口5b和第三馈电端口5c之间分别连接有匹配元件6b和6c。
如图4所示为天线实施例尺寸图。所述介质基板采用0.8mm厚度的FR-4基板，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。所述金属地板1通过平面印刷电路(PCB)工艺蚀刻在介质基板2的下表面。所述正交天线对4的所有枝节均蚀刻在介质基板的上表面。所述金属边框2采用0.2mm厚的黄铜片，并与金属地板1通过焊接方式部分连接。所述匹配元件采用muRata 0402封装的贴片元件，其中C1＝0.5皮法，L1＝L2＝1纳亨。所述馈电端口5b和5c通过集成巴伦芯片Anaren BD3150N50100AHF提供差分激励信号，输入阻抗按50欧姆设计。
如图5所示为本发明技术方案的实现方式：当第一馈电端口5a激励时，所述天线单元一在低频时工作于单极子天线模式，在高频时工作于缝隙天线的奇次模式；当第二馈电端口5b和第三馈电端口5c差分激励时，所述天线单元二在低频时工作于偶极子天线模式，在高频时工作于缝隙天线的偶次模式。在低频时，单极子天线与偶极子天线的模式相互正交；在高频时，缝隙天线奇次模式与偶次模式相互正交。由于模式正交的天线单元理论上可达到无穷大的隔离度，因此所述正交模式天线对的两个天线单元之间可在宽带内实现高隔离特性。
以图4所示尺寸设计的天线反射系数和传输系数如图6所示，其中天线单元一的-6dB阻抗带宽为：3300-5000MHz，天线单元二的-6dB阻抗带宽至少为：3300-5500MHz，均可以完全覆盖5G n77、n78、n79频段。由于模式正交，天线单元一和二之间的隔离度在全频段内都大于20dB。因此，本发明为5G MIMO移动终端天线提供了一种兼具宽带、高隔离、低净空、金属边框兼容和双天线集成等特性的解决方案。

Claims (10)

1.一种基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，包括：
金属地板(1)，其边缘开有N个地板缝隙(1a)，所述金属地板(1)上方覆盖有介质基板；
金属边框(2)，为四面闭合连接结构，其底边与金属地板(1)的边缘相连接，金属边框(2)上开有2N个边框缝隙(3)，第一边框缝隙(3a)和第二边框缝隙(3b)组成一对边框缝隙(3)，第一边框缝隙(3a)和第二边框缝隙(3b)沿地板缝隙(1a)的中心线对称分布，且与地板缝隙(1a)的两端有一定间距；
N组正交天线对(4)，每组正交天线对(4)对应分布于一个地板缝隙(1a)中，且位于第一边框缝隙(3a)和第二边框缝隙(3b)之间，所述正交天线对(4)包含有中心第一馈电枝节(4a)、侧边第一馈电枝节(4b)、侧边第二馈电枝节(4c)、第一耦合枝节(4d)和第二耦合枝节(4e)，侧边第一馈电枝节(4b)和第二馈电枝节(4c)对称地分布于中心第一馈电枝节(4a)的两侧，第一耦合枝节(4d)和第二耦合枝节(4e)对称地分布于中心第一馈电枝节(4a)的两侧，第一耦合枝节(4d)位于侧边第一馈电枝节(4b)与中心第一馈电枝节(4a)之间，第二耦合枝节(4e)位于侧边第二馈电枝节(4c)与中心第一馈电枝节(4a)之间。
2.根据权利要求1所述基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述正交天线对(4)蚀刻在介质基板的上方，所述第一馈电枝节(4a)与金属边框(2)直接连接，或者与金属边框(2)之间设有间距。
3.根据权利要求1所述基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述第一馈电枝节(4a)为矩形或“T”型，所述侧边第一馈电枝节(4b)、侧边第二馈电枝节(4c)、第一耦合枝节(4d)和第二耦合枝节(4e)为矩形或“┌”型或“┐”型。
4.根据权利要求1所述基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述侧边第一馈电枝节(4b)和侧边第二馈电枝节(4c)与金属边框(2)之间设有间距；所述第一耦合枝节(4d)和第二耦合枝节(4e)与金属边框(2)直接连接；所述侧边第一馈电枝节(4b)和第一耦合枝节(4d)之间设有间距；所述侧边第二馈电枝节(4c)和第二耦合枝节(4e)之间设有间距。
5.根据权利要求1所述基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述中心第一馈电枝节(4a)由金属地板(1)中的第一馈电端口(5a)激励；所述侧边第一馈电枝节(4b)和侧边第二馈电枝节(4c)由金属地板(1)中的第二馈电端口(5b)和第三馈电端口(5c)同时差分激励。
6.根据权利要求5所述基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述第一馈电枝节(4a)和第一馈电端口(5a)之间连接有匹配元件(6a)，所述侧边第一馈电枝节(4b)和侧边第二馈电枝节(4c)与第二馈电端口(5b)和第三馈电端口(5c)之间分别连接有匹配元件(6b)和(6c)。
7.根据权利要求5所述基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述第二馈电端口(5b)和第三馈电端口(5c)的差分激励采用差分馈电网络或者集成巴伦芯片。
8.根据权利要求6所述基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述第一馈电端口(5a)激励的为天线单元一；所述第二馈电端口(5b)和第三馈电端口(5c)同时差分激励的为天线单元二，所述天线单元一和天线单元二的辐射结构集成在一起，具有正交模式特性。
9.根据权利要求8所述基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，所述正交模式特性是指：当第一馈电端口(5a)激励时，所述天线单元一在低频时工作于单极子天线模式，在高频时工作于缝隙天线的奇次模式；当第二馈电端口(5b)和第三馈电端口(5c)同时差分激励时，所述天线单元二在低频时工作于偶极子天线模式，在高频时工作于缝隙天线的偶次模式。
10.根据权利要求9所述基于正交模式对的宽带5G MIMO手机天线，其特征在于，在低频时，单极子天线与偶极子天线的模式正交；在高频时，缝隙天线的奇次与偶次模式正交。
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