CN113381185B - 一种基于芯片集成模块的5g移动终端mimo天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于芯片集成模块单元的5G移动终端MIMO天线，适用于移动通信领域，包括：一块介质基板、一块***金属地板及四个集成芯片模块。四个集成芯片模块的物理尺寸相同，布置于***金属地板四角，呈对称分布；每个集成芯片模块包含两个工作在3.5GHz的子天线单元和相应的两个馈电端口；而每个子天线单元由辐射缝隙和馈电微带线组成；此外在两个子天线单元之间还加入微带线枝节结构，为子天线单元间引入额外的反相耦合路径，从而达到提高子天线单元间隔离度的目标。本5G移动终端MIMO天线中使用了一体化设计的芯片集成模块，方便拆卸调换，且具有节约空间，成本低廉的优点，因此在5G手机终端中具有良好的应用前景。

Description

一种基于芯片集成模块的5G移动终端MIMO天线
技术领域：
本发明属于移动通信技术领域，涉及手机天线设计，特别涉及一种基于芯片集成模块的5G移动终端MIMO天线。
背景技术：
近年来，天线技术的进步一直与手机的发展同步。随着用户对手机通信需求的增加，诞生了5G技术。5G技术有很多优点，如高通信容量，高通信速率，低时延等。为了满足5G的目标，开发了能够有效扩大信道容量的MIMO技术。在2015年世界无线电大会上,确认3.5GHz是Sub-6GHz频段之一，这个频段也是当前的研究热点。
但是，随着5G技术的发展，越来越多的MIMO子天线单元需要被整合进移动终端的有限空间中去，随着子天线单元个数的增加，子天线单元间距更加接近，从而使得子天线之间的发生强烈的表面波和空间感应耦合，从而恶化MIMO天线阵列的频带、效率等性能。因此，如何采取合理有效的去耦措施保障天线阵列的综合性能，设计出满足实际应用需求的手持终端MIMO天线是亟待研究解决的问题。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于芯片集成模块的5G移动终端MIMO天线，其将两个工作在3.5GHz的子天线单元集成入一块芯片模块当中，通过寄生单元解耦，可实现两个子天线单元间的高隔离。
本发明所采用的技术方案有：一种基于芯片集成模块的5G移动终端MIMO天线，包括介质基板以及印刷在介质基板上表面上的***金属地板，在所述介质基板上表面的四个角落焊接有尺寸相同，镜像对称的第一集成芯片模块、第二集成芯片模块、第三集成芯片模块和第四集成芯片模块，所述第一集成芯片模块包括介质基层以及位于介质基层上的第一子天线单元和第二子天线单元，第一子天线单元由第一馈电微带线、第一辐射缝隙和第一馈电端口组成，第二子天线单元由第二馈电微带线、第二辐射缝隙和第二馈电端口组成，在所述第一子天线单元和第二子天线单元之间还引入由微带线枝节结构组成的附加去耦结构单元。
进一步地，所述第一集成芯片模块、第二集成芯片模块、第三集成芯片模块和第四集成芯片模块具有相同物理结构，尺寸均为20×5×1mm3。
进一步地，所述介质基层的厚度为1mm，介质基板的上表面设有顶部金属电路层，介质基板的下表面设有底部金属电路层。
进一步地，所述第一子天线单元和第二子天线单元的尺寸均为10×5×1mm3。
进一步地，所述第一子天线单元中第一馈电微带线和第二子天线单元中第二馈电微带线的宽为0.5mm，为“L”形状，位于顶部金属电路层上，所述第一辐射缝隙和第二辐射缝隙是在底部金属电路层上挖除宽0.5mm的弯曲缝隙而做成。
进一步地，所述第一馈电端口和第二馈电端口连接微带线进行馈电。
进一步地，所述去耦结构单元位于顶部金属电路层上，由两段对称分布的“L”形微带线枝节结构组成，分别连接第一馈电微带线和第二馈电微带线。
进一步地，所述***金属地板的整体形状为矩形，四角分布有作为第一集成芯片模块、第二集成芯片模块、第三集成芯片模块和第四集成芯片模块安装底座的挖空区域。
进一步地，所述第一集成芯片模块、第二集成芯片模块、第三集成芯片模块和第四集成芯片模块下表面的底部金属电路层与***金属地板上的安装底座焊接在一起。
本发明具有如下有益效果：
(1)集成模块芯片的尺寸很小，仅为20×5×1mm3，可有效减小MIMO天线阵列所占用的自由空间体积。
(2)两个子天线单元间的端口隔离度很高，在3400-3600MHz频段内实现了21dB 的隔离度。
(3)解耦电路尺寸较小，且相当于分布式电容，无需使用集总元件，降低了天线制作成本和解耦电路的复杂度。
附图说明：
图1为本发明MIMO芯片天线的三维结构图。
图2为本发明MIMO芯片天线中第一集成芯片模块的三维结构图。
图3为本发明MIMO芯片天线中同一天线模块内的S参数曲线。
图4为本发明MIMO芯片天线中不同天线模块之间的隔离度。
图5为本发明MIMO芯片天线中不同端口激励时的辐射效率。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明基于芯片集成模块的5G移动终端MIMO天线，包括介质基板6以及印刷在介质基板6上表面上的***金属地板5，在介质基板6上表面的四个角落焊接有尺寸相同，镜像对称的第一集成芯片模块1、第二集成芯片模块2、第三集成芯片模块3和第四集成芯片模块4，第一集成芯片模块1包括介质基层1h以及位于介质基层1h上的第一子天线单元和第二子天线单元，第一子天线单元由第一馈电微带线1a、第一辐射缝隙 1d和第一馈电端口1f组成，第二子天线单元由第二馈电微带线1b、第二辐射缝隙1c 和第二馈电端口1g组成；此外在第一子天线单元和第二子天线单元之间还引入微带线枝节结构组成的附加去耦结构单元1e，此去耦结构单元1e为第一子天线单元和第二子天线单元间引入额外的反相耦合路径，从而达到提高第一子天线单元和第二子天线单元间的间隔离度。
其中第一集成芯片模块1、第二集成芯片模块2、第三集成芯片模块3和第四集成芯片模块4具有相同物理结构，尺寸均为20×5×1mm3。
介质基层1h的厚度为1mm，介质基板1h的上表面设有顶部金属电路层，介质基板1h的下表面设有底部金属电路层。
第一子天线单元和第二子天线单元的尺寸均为10×5×1mm3。
其中第一子天线单元中第一馈电微带线1a和第二子天线单元中第二馈电微带线1b 的宽为0.5mm，为“L”形状，位于顶部金属电路层上。第一辐射缝隙1d和第二辐射缝隙1c是在底部金属电路层上挖除宽0.5mm的弯曲缝隙而做成。
第一馈电端口1f和第二馈电端口1g连接微带线进行馈电，避免了在***金属地板5 上开孔。
在第一子天线单元和第二子天线单元之间引入微带线枝节结构组成的附加去耦结构单元1e，此去耦结构单元1e位于顶部金属电路层上，由两段对称分布的“L”形微带线枝节组成，相当于加入了额外的分布式电容，分别连接第一馈电微带线1a和第二馈电微带线1b。去耦结构单元1e在第一子天线单元和第二子天线单元之间原有等效耦合路径基础上，引入额外的耦合路径，此附加耦合路径与原有路径在3.5GHz频率处等幅反相，相互抵消，以达到去耦合目标。
***金属地板5的整体形状为矩形，四角分布有大体呈矩形的不规则挖空区域，作为第一集成芯片模块1、第二集成芯片模块2、第三集成芯片模块3和第四集成芯片模块4 的安装底座。
第一集成芯片模块1、第二集成芯片模块2、第三集成芯片模块3和第四集成芯片模块4下表面的底部金属电路层与***金属地板5上的安装底座焊接在一起，达到共地目的。
下面通过一个覆盖5G Sub-6GHz应用中3.5GHz频段的8单元MIMO手机天线具体实施例予以详细说明：
本发明MIMO芯片天线的三维结构图如图1所示：包括介质基板6以及印刷在介质基板 6上表面上的***金属地板5，在介质基板6上表面四个角落焊接有尺寸相同，镜像对称的第一集成芯片模块1、第二集成芯片模块2、第三集成芯片模块3和第四集成芯片模块4；其中每个集成芯片模块包括两个子天线单元。
本发明中每个集成芯片模块的三维结构图如图2所示，最下面是一块FR-4介质基板6 (εr＝4.4，tanδ＝0.02)，体积为140×70×0.8mm3，FR-4介质基板6上表面是***金属地板5(140×70mm2)，***金属地板5四角分布有大体呈矩形的不规则挖空区域，作为集成芯片模块安装底座。
在***金属地板5上面是尺寸为20×5×1mm3的第一集成芯片模块1，第一集成芯片模块1包含厚1mm的FR-4介质基层1h，位于介质基板1h上表面的顶部金属电路层和位于介质基层1h下表面的底部金属电路层组成，并且包含两个子天线单元。
在子天线单元中，子天线单元中第一馈电微带线1a和第二馈电微带线1b为“L”形状，位于顶部金属电路层；第一辐射缝隙1d和第二辐射缝隙1c是在底部整块金属层上挖除的弯曲缝隙而做成。
在第一子天线单元和第二子天线单元之间引入微带线枝节结构组成的附加去耦结构单元1e，此去耦结构单元1e位于顶部金属电路层，由两段对称分布的“L”形微带线枝节组成，相当于加入了额外的分布式电容，连接第一馈电微带线1a和第二馈电微带线1b。附加去耦结构单元1e在天线子单元间原有等效耦合路径基础上，引入额外的耦合路径，此附加耦合路径与原有路径在3.5GHz频率处等幅反相，相互抵消，以达到去耦合目标。
本实施例中第一子天线单元和第二子天线单元的尺寸均为10×5×1mm3，第一馈电微带线1a、第二馈电微带线1b、第一辐射缝隙1d和第二辐射缝隙1c的宽度都是0.5mm。
本实施例的中心工作频率选定为3.5GHz，工作带宽为3400-3600MHz，该频段为5G移动通信在6GHz以下的新增频段。
图3为本实施例MIMO芯片天线同一集成天线模块内两个子天线单元的S参数。两个子天线单元均谐振在3.5GHz附近。S11是第一馈电端口(1f)的反射系数，其-6dB带宽约为15.7％，S22是第二馈电端口(1g)的反射系数，其-6dB带宽约为5％。两个端口重合的带宽覆盖了3400-3600MHz频带。在该频带内，两个端口的隔离度由S12表示，3.5GHz频率处隔离度达到21dB。
图4为本实施例MIMO芯片天线不同集成天线模块之间S参数。任意两个集成天线模块之间的隔离度均在13dB以上。
图5为本实施例MIMO芯片天线的总效率。在3400-3600MHz的频段范围内，第一馈电端口(1f)激励时的总效率达到60％左右，第二馈电端口(1g)激励时的总效率优于53％。
本5G移动终端MIMO天线中使用了一体化设计的芯片集成模块，方便拆卸调换，且具有节约空间，成本低廉的优点，因此在5G手机终端中具有良好的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于芯片集成模块的5G移动终端MIMO天线，其特征在于：包括介质基板(6)以及印刷在介质基板(6)上表面上的***金属地板(5)，在所述介质基板(6)上表面的四个角落焊接有尺寸相同，镜像对称的第一集成芯片模块 (1)、第二集成芯片模块(2)、第三集成芯片模块(3)和第四集成芯片模块(4)，所述第一集成芯片模块 (1)包括介质基层（1h）以及位于介质基层（1h）上的第一子天线单元和第二子天线单元，第一子天线单元由第一馈电微带线(1a)、第一辐射缝隙(1d)和第一馈电端口(1f)组成，第二子天线单元由第二馈电微带线(1b)、第二辐射缝隙(1c)和第二馈电端口(1g)组成，所述介质基层（1h）的厚度为1mm，介质基层（1h）的上表面设有顶部金属电路层，介质基层（1h）的下表面设有底部金属电路层，在所述第一子天线单元和第二子天线单元之间还引入由微带线枝节结构组成的附加去耦结构单元（1e），所述去耦结构单元（1e）位于顶部金属电路层上，由两段对称分布的“L”形微带线枝节结构组成，分别连接第一馈电微带线(1a)和第二馈电微带线(1b)，所述去耦结构单元（1e）为第一子天线单元和第二子天线单元间引入额外的反相耦合路径。
2.如权利要求1所述的基于芯片集成模块的5G移动终端MIMO天线，其特征在于：所述第一集成芯片模块(1)、第二集成芯片模块(2)、第三集成芯片模块(3)和第四集成芯片模块(4)具有相同物理结构，尺寸均为20×5×1mm3。
3.如权利要求1所述的基于芯片集成模块的5G移动终端MIMO天线，其特征在于：所述第一子天线单元和第二子天线单元的尺寸均为10×5×1mm3。
4.如权利要求1所述的基于芯片集成模块的5G移动终端MIMO天线，其特征在于：所述第一子天线单元中第一馈电微带线(1a)和第二子天线单元中第二馈电微带线(1b)的宽为0.5mm，为“L”形状，位于顶部金属电路层上，所述第一辐射缝隙(1d)和第二辐射缝隙(1c)是在底部金属电路层上挖除宽0.5mm的弯曲缝隙而做成。
5.如权利要求1所述的基于芯片集成模块的5G移动终端MIMO天线，其特征在于：所述第一馈电端口(1f)和第二馈电端口(1g)连接微带线进行馈电。
6.如权利要求1所述的基于芯片集成模块的5G移动终端MIMO天线，其特征在于：所述***金属地板(5)的整体形状为矩形，四角分布有作为第一集成芯片模块(1)、第二集成芯片模块(2)、第三集成芯片模块(3)和第四集成芯片模块(4)安装底座的挖空区域。
7.如权利要求4所述的基于芯片集成模块的5G移动终端MIMO天线，其特征在于：所述第一集成芯片模块(1)、第二集成芯片模块(2)、第三集成芯片模块(3)和第四集成芯片模块(4)下表面的底部金属电路层与***金属地板(5)上的安装底座焊接在一起。
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