CN109004344B - 应用于5g移动端的宽带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于5G移动端的宽带天线，包括从上至下顺序设置的以下四层结构：第一层结构，包括顶层贴片结构；第二层结构，包括金属带条，金属带条用于将微波信号耦合给所述顶层贴片结构，产生两个谐振模式；第三层结构，为开设了一圆形缝隙的金属大地层；第四层结构，包括馈电结构，所述馈电结构通过穿设所述圆形缝隙的金属通孔与所述金属带条连接。本发明的宽带天线，解决了现有的天线技术难以同时解决低剖面及宽带的问题，保持天线整体剖面高度较低，实现了较宽的频谱带宽覆盖，并且频带内具有良好的辐射性能，方向图对称，交叉极化小。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种应用于5G移动端的宽带天线。
背景技术
第五代移动通信技术通过充分利用毫米波频段(例如28GHz，39GHz，以及60GHz)的带宽资源，可以实现1-10Gb/s的数据传输速率。但是在毫米波频段，电磁波的传输路径损耗显著增加。在移动端，为保证通信质量以及降低功耗，可提供定向扫描波束的相控阵列天线技术得到了最为广泛的关注。目前，移动端的相控阵天线技术有多种实现体制，考虑如图1所示的一种极具应用潜力的AiP(Antenna in Package)设计方案，射频芯片与天线分别位于介质载板的上下两个表面，芯片输出端引脚与天线的馈电输入端可以通过圆形缝隙进行高效率连接。
该方案应用于毫米波频段工作的手机移动端，其中的天线设计须充分考虑低剖面与宽带两方面的设计需求，以28GHz频段为例：1)移动端高度追求轻薄，再加上高精度芯片封装基板的加工限制，天线部分需保持很低的剖面高度，在采用低介电常数基板的前提条件下，常以0.8mm～1mm(0.06λ0～0.08λ0，λ0为设计中心频率处的空气中波长)为最大限值；2)根据5G频谱规划，天线需满足24.75-27.5GHz(相对带宽为15％)的频谱覆盖。针对该类毫米波频段的移动端AiP的天线设计，目前仅有少量前沿技术报道。例如，可以将电磁偶极子方案应用于该类天线设计，但电磁偶极子天线对于剖面高度极其敏感，在剖面高度为0.06λ0或者更低的情况下难以实现15％以上的宽带覆盖；此外也有以缝隙馈电结合寄生单元的微带贴片天线设计技术，该技术同样难以同时满足上述低剖面与宽带两个设计需求。
简而言之，毫米波频段AiP方案中的天线设计面临低剖面及宽带覆盖两方面的设计需求。目前，关于此类毫米波频段移动端AiP方案中的天线设计鲜有新颖的报道。最新的一些研究结果要么难以同时兼顾上述低剖面与宽带两方面的设计需求，要么对加工工艺要求过高，导致成本的显著增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述难以同时兼顾上述低剖面与宽带两方面的设计需求或者成本较高的缺陷，提供一种应用于5G移动端的宽带天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种应用于5G移动端的宽带天线，包括从上至下顺序设置的以下四层结构：
第一层结构，包括顶层贴片结构；
第二层结构，包括金属带条，所述金属带条用于将微波信号耦合给所述顶层贴片结构，产生两个谐振模式；
第三层结构，为开设了一圆形缝隙的金属大地层；
第四层结构，包括馈电结构，所述馈电结构通过穿设所述圆形缝隙的金属通孔与所述金属带条连接。
在本发明所述的天线中，所述顶层贴片结构包括具有预设间距的两个矩形金属贴片，所述两个矩形金属贴片沿平行于所述金属带条的方向并排设置。
在本发明所述的天线中，所述第一层结构还包括顶面设置所述顶层贴片结构的第一层介质基板，所述第二层结构还包括顶面设置所述金属带条的第二层介质基板，所述第四层结构包括底面设置所述馈电结构的第三层介质基板；
其中，第一层介质基板和第二层介质基板贴合，所述金属大地层分别与所述第二层介质基板和第三层介质基板贴合，所述金属通孔穿透所述第三层介质基板和所述第二层介质基板。
在本发明所述的天线中，所述第一层介质基板、第二层介质基板、金属大地层、第三层介质基板形状相同且均呈矩形，所述金属带条设置于第二层介质基板的中心，且金属带条的延伸方向与所述第二层介质基板的其中一对侧边平行。
在本发明所述的天线中，所述馈电结构包括微带线，所述微带线与所述金属带条平行；其中，所述微带线的首端位于所述第三层介质基板的边缘，用于连接射频芯片输出端口；所述微带线的末端位于所述圆形缝隙的正下方。
本发明的应用于5G移动端的宽带天线，具有以下有益效果：本发明的宽带天线，解决了现有的天线技术难以同时解决低剖面及宽带的问题，保持天线整体剖面高度较低，实现了较宽的频谱带宽覆盖，并且频带内具有良好的辐射性能，方向图对称，交叉极化小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是一种AiP方案的结构示意图；
图2是本发明具体实施例中提供的天线的剖面结构示意图；
图3是本发明具体实施例中提供的天线的第一层结构的平面示意图；
图4是本发明具体实施例中提供的天线的第二层结构的平面示意图；
图5是本发明具体实施例中提供的天线的第三层结构的平面示意图；
图6是本发明具体实施例中提供的天线的第四层结构的平面示意图；
图7是本发明具体实施例中提供的天线的传输响应和辐射响应示意图；
图8是本发明具体实施例中提供的天线的仿真方向图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”以及类似的表述只是为了说明的目的。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。
参考图2-5，本发明的一个具体实施例中的应用于5G移动端的宽带天线，包括在垂直方向上从上至下顺序设置的以下四层结构：
第一层结构1，包括第一层介质基板和设置于所述第一层介质基板顶面的顶层贴片结构5；
第二层结构2，包括第二层介质基板和设置于所述第一层介质基板顶面的金属带条6，所述金属带条6用于将微波信号耦合给所述顶层贴片结构5，产生两个谐振模式；
第三层结构3，为开设了一圆形缝隙7的金属大地层8；
第四层结构4，包括第三层介质基板和设置于所述第三层介质基板底面的馈电结构，所述馈电结构与金属通孔10连接，且金属通孔10依次穿透所述第三层介质基板、所述金属大地层8的圆形缝隙7、所述第二层介质基板后，再与所述金属带条6连接。其中，金属通孔10实际上是由金属铜柱的外表面形成。
其中，所述第一层介质基板、第二层介质基板、金属大地层8、第三层介质基板形状相同且均呈矩形，且在水平面的投影重合。第一层介质基板和第二层介质基板贴合，所述金属大地层8分别与所述第二层介质基板和第三层介质基板贴合，所述金属通孔10穿透所述第三层介质基板和所述第二层介质基板。
参考图3，具体的，所述顶层贴片结构5包括具有预设间距的两个矩形金属贴片，所述两个矩形金属贴片沿平行于所述金属带条6的方向并排设置。每一矩形金属贴片的设置方向与对应的介质基板的设置方向一致，也即矩形金属贴片的侧边与介质基板的对应侧边平行。
参考图4，所述金属带条6设置于第二层介质基板的中心，且金属带条6的延伸方向与所述第二层介质基板的其中一对侧边平行。
参考图6，所述馈电结构包括微带线9，所述微带线9与所述金属带条6平行。其中，所述微带线9的首端位于所述第三层介质基板的边缘，用于连接射频芯片输出端口；所述微带线9的末端位于所述圆形缝隙7的正下方,金属通孔10连接所述微带线9的末端和金属带条6。
本实施例由于引入窄金属带条6与具有适当间距的两个金属贴片，使两者之间处于弱耦合状态(即同等剖面高度条件下，相比于传统金属贴片，上述两者之间耦合较弱)，达到以低剖面的形式实现两者互相耦合的效果。通过微带线9对金属带条6进行馈电，而后金属带条6将微波信号耦合给两个矩形金属贴片，产生两个谐振模式，达到天线宽带工作的效果。
下面以28GHz热点频段为例说明本发明的天线的效果，可以理解的是，本发明的天线不仅限于28GHz频段，可应用于5G其他频段。天线的结构如图2-6，天线的传输响应和辐射响应如图7所示，可见其10-dB匹配带宽为16％，很好的覆盖了24.75-27.5GHz的5G热点频段。频带内增益为6.01-6.48dBi。图8是在24.75GHz与27.5GHz处的天线测试方向图，图8中左上图是24.75GHzyoz面方向图，右上图是24.75GHz xoz面方向图，左下图是27.5GHz yoz面方向图，右下图是27.5GHz xoz面方向图。可见天线的交叉极化在3-dB波束范围内优于33dB。本案例中的介质基板都是采用的是介电常数为3.4，损耗角为0.004的基板，第一层至第三层介质基板的厚度依次为：0.6mm、0.1mm、0.1mm，整个天线的金属大地层8以上的厚度为0.7mm，剖面高度为0.06λ0。
综上所述，本发明的应用于5G移动端的宽带天线，具有以下有益效果：本发明的宽带天线，解决了现有的天线技术难以同时解决低剖面及宽带的问题，保持天线整体剖面高度较低，实现了较宽的频谱带宽覆盖，并且频带内具有良好的辐射性能，方向图对称，交叉极化小。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (3)
1.一种应用于5G移动端的宽带天线，其特征在于，包括从上至下顺序设置的以下四层结构：
第一层结构，包括顶层贴片结构；
第二层结构，包括金属带条，所述金属带条用于将微波信号耦合给所述顶层贴片结构，产生两个谐振模式；
第三层结构，为开设了一圆形缝隙的金属大地层；
第四层结构，包括馈电结构，所述馈电结构通过穿设所述圆形缝隙的金属通孔与所述金属带条连接；
所述顶层贴片结构包括具有预设间距的两个矩形金属贴片，所述两个矩形金属贴片沿平行于所述金属带条的方向并排设置；
所述第一层结构还包括顶面设置所述顶层贴片结构的第一层介质基板，所述第二层结构还包括顶面设置所述金属带条的第二层介质基板，所述第四层结构包括底面设置所述馈电结构的第三层介质基板；
其中，第一层介质基板和第二层介质基板贴合，所述金属大地层分别与所述第二层介质基板和第三层介质基板贴合，所述金属通孔穿透所述第三层介质基板和所述第二层介质基板。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一层介质基板、第二层介质基板、金属大地层、第三层介质基板形状相同且均呈矩形，所述金属带条设置于第二层介质基板的中心，且金属带条的延伸方向与所述第二层介质基板的其中一对侧边平行。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈电结构包括微带线，所述微带线与所述金属带条平行；其中，所述微带线的首端位于所述第三层介质基板的边缘，可用于连接射频芯片输出端口；所述微带线的末端位于所述圆形缝隙的正下方。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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