CN210167498U - 一种5g智能手机的混合天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种5G5G智能手机的混合天线阵列，该天线由一个4G的2天线阵和一个5G的6天线阵组成。4G天线可以覆盖824‑960MHz和1710‑2690MHz的两个频带，S11小于‑6dB。5G天线模块可以覆盖3300‑3600MHz及4800‑5000MHz两个频带，同时S11小于‑10dB，可以满足5G应用的要求。其中S参数、辐射效率、天线增益和辐射方向图等测量结果进一步表明，该天线完全满足MIMO***的要求，该混合天线阵对未来的4G/5G智能手机天线应用前景较好。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种5G智能手机的混合天线阵列，属于天线技术领域。
背景技术
近年来，随着4 G通信***的发展成熟，许多机构现已将重心转移到研究下一代通信（5G）。无线通信网络环境已成为各种异构网络的混合体，多模式移动终端的发展和运用引起了世界范围内对无线通信领域的兴趣。因此，多波段和多模智能手机天线是终端设备的必备条件，特别是那些使用MIMO***的设备，2017年11月，中华人民共和国工业和信息化部颁布了国内移动电话5G经营许可证，并定义了新一代移动通信的频带划分。这些频带被划分为3300-3600 MHz和4800-5000 MHz作为未来的宽频带移动业务，这使得新一代的移动通信不仅具有高频特性和较宽的宽带，而且与2G、3G和4G无线通信兼容。因此，考虑到5G未来的运行模式，基于多天线的大规模MIMO***将成为终端设备的首选。
我们知道，大多数带有双天线***设计的手机内置天线通常能够覆盖LTE/WWAN操作，但是这只考虑4G频段。另一方面，为满足未来5G应用的需求，开发了应用在5G智能手机应用程序的MIMO天线，该MIMO天线能够覆盖3300-3600MHz频段，然而，这种多模式的带宽太窄，无法覆盖新一代移动通信的4800-5000 MHz频段。
实用新型内容
针对上述现有技术存在的不足，本实用新型设计了一种结构简单、适用于4G/5G智能手机应用***的混合天线阵列。该混合天线阵列由一个2天线阵和一个6天线阵组成。其中2天线阵（1×1的MIMO结构）为4G天线模块，能够覆盖GSM850/900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100以及LTE2300/2500七个频段，至于5G天线模块，它由6个相同的天线单元组成，能够覆盖3300-3600 MHz和4800-5000 MHz两个5 G通信频段。2天线阵的每一个单元都由L形驱动条、一个寄生地枝节和一个PIN二极管组成，天线尺寸直径34 ×14 mm2。在寄生地枝节末端的PIN二极管作为一个开关来使用，通过导通及断开寄生地枝节改变天线的长度。此外，6天线阵列的每一个单元都由U形单极子天线和S形槽组成，U形单极子天线被印刷在基板的长边处，同时在其正背面位置相应印刷了S形槽。
为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：
一种5G智能手机的混合天线阵列，一种5G智能手机的混合天线阵列，所述混合天线阵列包括***基板、一个2天线阵和一个6天线阵组成，其特征在于：2天线阵包括天线1和天线2，6天线阵包括天线3、天线4、天线5、天线6、天线7、天线8；2天线阵为4G天线模块，能够覆盖GSM850/900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100以及LTE2300/2500七个频段，5G天线模块由天线3、天线4、天线5、天线6、天线7、天线8、天线8组成，天线3、天线4、天线5、天线6、天线7、天线8为6个相同的天线单元，能够覆盖3300-3600 MHz和4800-5000 MHz两个5 G通信频段。
进一步而言，所述2天线阵为1×1的MIMO结构。
进一步而言，所述PIN二极管通过偏置线提供正负电压。
进一步而言，所述6天线阵列的每一个单元都由U形单极子天线和S形槽组成，U形单极子天线被印刷在基板的长边处，同时在其正背面位置相应印刷了S形槽。
进一步而言，所述***基板是由一个0.8 mm厚的FR4制成。
进一步而言，其相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02，尺寸为140mm×65mm。
进一步而言，金属地板被印在手机外壳的后表面作为***地。
进一步而言，两个4G天线被对称的放置在***地板的短边处,而六个5G天线沿着***地板两长边处对称印刷。
进一步而言，天线的总厚度限制在5mm以内。
进一步而言，6天线阵（天线3-天线8）沿着***板的两长边边缘对称印刷，同时6个尺寸为14mm×3mm矩形净空区被对称的放置在6天线阵的背面；同一条边的相邻两个5G天线模块间距为19.2mm，天线3和天线6与4G天线模块相距15mm，而天线5和天线8则距离基板短边缘34.6mm。6天线阵的每一个单元都由U形单极子天线和S形耦合槽组成；所有的6个天线阵单元都通过一个1毫米宽的微带线连接到50欧姆SMA连接器上。
本实用新型和现有技术相比所具有的优点是： 本实用新型设计了一种应用于4G/5G智能手机的混合天线阵，该天线由一个4G的2天线阵和一个5G的6天线阵组成。4G天线可以覆盖824-960MHz和1710-2690MHz的两个频带，S11小于-6dB。5G天线模块可以覆盖3300-3600MHz及4800-5000MHz两个频带，同时S11小于-10dB，可以满足5G应用的要求。其中S参数、辐射效率、天线增益和辐射方向图等测量结果进一步表明，该天线完全满足MIMO***的要求，该混合天线阵对未来的4G/5G智能手机天线应用前景较好。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1为本实用新型的天线结构图, (a)为总体结构 (b)为局部结构。
图2为本实用新型的PIN二极管处于导通状态的表面电路分布：(a) 为850MHz,(b)为1700MHz ,(c) 为2400MHz。
图3为本实用新型的PIN二极管处于断开状态的表面电路分布：(a)900MHz，(b)1700MHz，(c)2550MHz。
图4为本实用新型的模拟的S参数，(a) 为4G天线S参数，(b) 为5G天线S参数。
图5为本实用新型的天线3中L1尺寸对S参数的影响。
图6为本实用新型的L形槽对天线输入阻抗的影响。
图7为本实用新型的天线的实物图，(a) 为整体图，(b) 为局部放大图。
图8为本实用新型的测量的S参数，(a) 为4G天线单元，(b) 为 5G天线单元。
图9为本实用新型的测量的4G/5G天线单元的增益和辐射效率。
图10为4G天线辐射方向图，(a) 为850 MHz，(b) 为 2400 MHz。
图11为本实用新型的5G天线辐射方向图 (a) 为3450 MHz，(b) 为 4900 MHz。
具体实施方式
以下所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不因此而限定本实用新型的保护范围。
实施例1，如图1所示，图1给出了应用于4G/5G智能手机的混合天线阵的几何图形。在这种条件下，***基板是由一个0.8 mm厚的FR4制成，其相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02，尺寸为140mm×65mm，该基板的尺寸适用于最新型智能手机模型。金属地板被印在手机外壳的后表面作为***地。为了适合智能手机的要求,天线的总厚度限制在5mm以内，如图1（a）所示，两个4G天线被对称的放置在***地板的短边处,而六个5G天线沿着***地板两长边处对称印刷。
在本实用新型的4G天线构成中，设计的4G天线是由一对可重构的天线阵构成，可以覆盖LTE/WWAN频带，它是由2个4G天线组成，图1（b）中给出了其详细的结构和优化的尺寸。每个4G天线单元主要由L形驱动条和带有PIN二极管（产品型号：BAP64-03）的地枝节组成，PIN二极管通过偏置线提供正负电压。由于4G天线单元之间的距离较远，改善了低频段的隔离度。这个驱动条和地枝节在800MHz、1700 MHz和2400 MHz附近激发三个共振模，双天线***激发的共振模在PIN二极管处在导通状态下，可以覆盖GSM850/DCS1800/PCS1900/UMTS2100和LTE2300六个频带。此外，当PIN二极管处于断开状态时，在800 MHz和2400 MHz的共振模向高频段转移，即在900 MHz和2550 MHz两个频点，可以覆盖GSM900和LTE2500两个频带。
如图2和图3所示，在图2和3中模拟了谐振点（导通状态：850/1700/2400MHz，断开状态：900/1700/2550MHz）处的表面电流分布。由图可见，红色区域为电流分布较强的部分，而蓝色区域表示几乎没有电流分布。如图2和图3所示，850MHz和2400MHz的表面电流分布在耦合地枝节上。当PIN二极管断开时，地枝节的长度变短。这将两个较低频和更高频的共振模的向右偏移，而中频带的共振模没有变化。在这种情况下，低频和高频带宽被拓宽并且可以覆盖LTE/WWAN的所有频带。
如图4所示， 图4(a)为4G天线阵的模拟S参数。以天线1为参考，最终设计的4G天线阵结构可以得到低频段的17%（809-962MHz）的超宽带宽。与此同时，高频段的带宽约为59%（1471-2692MHz）。因此，设计的4G天线阵可以完全覆盖GSM850/900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100和LTE2300/2500七个波段，并具有较高的隔离度。
在本实用新型的5G天线构成中，图1（a）给出了5G天线阵的结构及其天线尺寸。由图可知，6天线阵（天线3-天线8）沿着***板的两长边边缘对称印刷，同时6个尺寸为14mm×3mm矩形净空区被对称的放置在6天线阵的背面，满足5G天线频段的需求。同一条边的相邻两个5G天线模块间距为19.2mm，天线3和天线6与4G天线模块相距15mm，而天线5和天线8则距离基板短边缘34.6mm。6天线阵的每一个单元都由U形单极子天线和S形耦合槽组成。所有的6个天线阵单元都通过一个1毫米宽的微带线连接到50欧姆SMA连接器上。在设计的过程中，5G单极子的外形尺寸是专门为覆盖3300-3600MHz和4800-5000MHz而设计的。
如图4所示，图4 (b)为5G天线阵的模拟S参数（反射系数及隔离度），5G天线阵各单元为左右中心对称分布，为了简洁起见，只给出了右侧边缘的天线模块（天线3-天线5）的仿真结果。
如图5所示，大约在3450MHz和4900MHz处产生了的两种共振模，并且在3300-3600MHz和4800-5000MHz带宽内有较好的阻抗匹配，仿真的S11小于-10dB。此外，由于每个天线单元之间有足够的距离，在任何两个天线之间也会显示出小于-10 dB的良好隔离度。
5G天线阵的性能与其中若干个重要的天线参数有关。图1（a）中通过改变L1的长度（在天线3中）可以改变高频段谐振点偏移。如图5所示，模拟显示了S33受到天线3中L1长度的变化影响。很明显低谐振点随着L1的增加向高频偏移，而高频谐振点向低频偏移，并且高频段的带宽逐渐变得窄。因此，为了覆盖所需的高频带宽，L1的长度优化后定为10.1 mm。图6为显示为有和没有L型槽时的输入阻抗变化。对于低频带宽而言，加如L型槽可以改善阻抗匹配，在3400MHz附近激发了谐振频率，使得低频段带宽被展宽并能覆盖3300-3600MHz频带。
图1（a）给出了5G天线阵的结构及其天线尺寸。由图可知，6天线阵（天线3-天线8）沿着***板的两长边边缘对称印刷，同时6个尺寸为14mm×3mm矩形净空区被对称的放置在6天线阵的背面，满足5G天线频段的需求。同一条边的相邻两个5G天线模块间距为19.2mm，天线3和天线6与4G天线模块相距15mm，而天线5和天线8则距离基板短边缘34.6mm。6天线阵的每一个单元都由U形单极子天线和S形耦合槽组成。所有的6个天线阵单元都通过一个1毫米宽的微带线连接到50欧姆SMA连接器上。在设计的过程中，5G单极子的外形尺寸是专门为覆盖3300-3600MHz和4800-5000MHz而设计的。
图4 (b)为5G天线阵的模拟S参数（反射系数及隔离度），5G天线阵各单元为左右中心对称分布，为了简洁起见，只给出了右侧边缘的天线模块（天线3-天线5）的仿真结果。如图5所示。
大约在3450MHz和4900MHz处产生了的两种共振模，并且在3300-3600MHz和4800-5000MHz带宽内有较好的阻抗匹配，仿真的S11小于-10dB。此外，由于每个天线单元之间有足够的距离，在任何两个天线之间也会显示出小于-10 dB的良好隔离度。
5G天线阵的性能与其中若干个重要的天线参数有关。图1（a）中通过改变L1的长度（在天线3中）可以改变高频段谐振点偏移。如图5所示，模拟显示了S33受到天线3中L1长度的变化影响。很明显低谐振点随着L1的增加向高频偏移，而高频谐振点向低频偏移，并且高频段的带宽逐渐变得窄。因此，为了覆盖所需的高频带宽，L1的长度优化后定为10.1 mm。图6为显示为有和没有L型槽时的输入阻抗变化。对于低频带宽而言，加如L型槽可以改善阻抗匹配，在3400MHz附近激发了谐振频率，使得低频段带宽被展宽并能覆盖3300-3600MHz频带。
如图7所示，对这个混合天线阵原型进行制造和测试，通过运用电磁场模拟软件HFSS 17模拟仿真，并使用矢量网络分析仪（Agilent N5247A）进行实测S参数。由于该混合天线的对称性，本文只给出了天线1和天线2（4G天线模块）和天线3-天线5（5G天线模块）的S参数。最后，计算并讨论了天线增益、辐射效率和辐射方向图等天线辐射性能指标。
如图8所示，图8（a）和（b）分别给出了针对4G和5G天线模块的实际测量S参数。结果表明，所测的S参数与图4所示的仿真结果基本吻合。其中，有些个别差异可能是由于连接器连接不实、模型加工粗糙及其他不确定的因素造成的。如图8（a）所示，4G天线的理想的6-dB阻抗带宽为18%（823-968MHz）和48%（1697-2706MHz），并且在4G频段内获得了隔离度小于-10dB的更好效果。如图8（b）所示为5G天线（天线3-天线5）S参数测试结果，测量的天线5的-10dB阻抗带宽大约12%（3300-3720MHz）和40%（4750-5150MHz），而天线3-天线4同样具有更好的阻抗带宽，并且可以覆盖3300-3600MHz和4800-5000MHz这两个频带。通过测量发现5G单元之间的隔离远小于-24dB，为了简便起见，图8（b）只给出了相邻天线单元（天线3-天线5）之间的隔离，测量结果S43、S54、S53和S53远小于-10dB。
如图9所示，图9为混合天线阵模块中天线1、3、4及5的辐射效率和增益。由图可见，测量的天线1（4G天线）的效率在低频和高频段分别高于42%和50%，而相应的天线增益分别为从1.1~1.76dBi和2.7~3.9dBi。在3300-3600MHz和4800-5000MHz频率中，测量天线3、4及5（5G天线）的效率约为52%~65%，而相应的天线增益约为1.6~2.8 dBi。通过测量可知，该混合天线阵可以满足智能手机天线的一般要求。
如图10所示，图10为测量的4G天线在850MHz和2400MHz两个谐振点的二维辐射方向图。根据图7中天线坐标，测量了xoy面、yoz面和xoz平面上的主极化（Eθ）和交叉极化（EΦ）辐射方向图。从图10可以看出，主极化的辐射方向图变化平稳并呈现全向的辐射特性，这有利于智能手机天线的实际应用。
如图11所示，图11为测量的天线3-6在3450MHz和4900MHz的二维辐射方向图。正如预期结果一样，每一个5 G天线单元在三种主要平面上都表现出了类似的辐射特性，xoz面近双向特性，而xoy面和yoz平面在+Y（90°）方向上呈现了侧向特性。通过比较分析主极化和交叉极化辐射方向图。测试表明，在5G频段内能够全向覆盖，完全可以满足移动通信实际应用需求。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本实用新型不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本实用新型揭示的内容，在本实用新型基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，都应该在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种5G智能手机的混合天线阵列，一种5G智能手机的混合天线阵列，所述混合天线阵列包括***基板、一个2天线阵和一个6天线阵组成，其特征在于：2天线阵包括天线1和天线2，6天线阵包括天线3、天线4、天线5、天线6、天线7、天线8；2天线阵为4G天线模块，能够覆盖GSM850/900/DCS1800/PCS1900/UMTS2100以及LTE2300/2500七个频段，5G天线模块由天线3、天线4、天线5、天线6、天线7、天线8、天线8组成，天线3、天线4、天线5、天线6、天线7、天线8为6个相同的天线单元，能够覆盖3300-3600 MHz和4800-5000 MHz两个5 G通信频段；6天线阵沿着***板的两长边边缘对称印刷。
2.根据权利要求1所述的5G智能手机的混合天线阵列，其特征在于：所述2天线阵为1×1的MIMO结构。
3.根据权利要求2所述的5G智能手机的混合天线阵列，其特征在于：所述PIN二极管通过偏置线提供正负电压。
4.根据权利要求1所述的5G智能手机的混合天线阵列，其特征在于：所述6天线阵列的每一个单元都由U形单极子天线和S形槽组成，U形单极子天线被印刷在基板的长边处，同时在其正背面位置相应印刷了S形槽。
5.根据权利要求1所述的5G智能手机的混合天线阵列，其特征在于：所述***基板是由一个0.8 mm厚的FR4制成。
6.根据权利要求5所述的5G智能手机的混合天线阵列，其特征在于：其相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02，尺寸为140mm×65mm。
7.根据权利要求1所述的5G智能手机的混合天线阵列，其特征在于：金属地板被印在手机外壳的后表面作为***地。
8.根据权利要求1所述的5G智能手机的混合天线阵列，其特征在于：两个4G天线被对称的放置在***地板的短边处,而六个5G天线沿着***地板两长边处对称印刷。
9.根据权利要求1所述的5G智能手机的混合天线阵列，其特征在于：天线的总厚度限制在5mm以内。
10.根据权利要求1所述的5G智能手机的混合天线阵列，其特征在于：6天线阵沿着***板的两长边边缘对称印刷，同时6个尺寸为14mm×3mm矩形净空区被对称的放置在6天线阵的背面；同一条边的相邻两个5G天线模块间距为19.2mm，天线3和天线6与4G天线模块相距15mm，而天线5和天线8则距离基板短边缘34.6mm,6天线阵的每一个单元都由U形单极子天线和S形耦合槽组成；所有的6个天线阵单元都通过一个1毫米宽的微带线连接到50欧姆SMA连接器上。
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|---|---|---|---|---|
| CN110401013A (zh) * | 2019-03-11 | 2019-11-01 | 亳州学院 | 一种智能手机的混合天线阵列 |
| CN113690575A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-11-23 | 电子科技大学 | 一种应用于金属边框5g终端的三维波束覆盖毫米波天线 |
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