一种同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线

摘要

本发明涉及一种同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线，适用于移动通信领域，包括六个天线模块，一块系统地板，一个金属边框；六个天线模块的物理尺寸相同，关于对称面镜像对称；每个天线模块均包含一个Sub6GHz天线和一个毫米波阵列；Sub6GHz天线为短路槽结构，毫米波阵列为开口槽阵列；多个Sub6GHz天线组成MIMO天线系统，每个毫米波阵列组成具有波束扫描能力的相控阵天线；本发明利用Sub6GHz天线与毫米波天线口面共用的方法减小了移动终端天线占用的体积，具有结构紧凑、天线净空小的优点，在移动终端多天线设计中具有较广应用前景。

权利要求

1.一种同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线，包括矩形的系统地板(1)，在系统地板(1)上方沿其边沿连接有竖直的金属边框(2)，其特征在于，还包括结构与尺寸完全相同的关于对称面镜像对称的六个天线模块，其中每个天线模块由刻蚀在系统地板(1)外沿的水平部分(3a)和刻蚀在金属边框(2)下沿的竖直部分(3b)组成，其中水平部分(3a)为工作在Sub6GHz频段的短路槽天线，各短路槽天线组成MIMO天线系统，竖直部分(3b)为工作在毫米波频段的开路槽阵列，所述开路槽阵列由多个相同尺寸、等间距排列的开路槽单元组成，每个开路槽阵列中的各开路槽单元组成具有波束扫描能力的相控阵天线，每个天线模块的水平部分(3a)和竖直部分(3b)共用辐射口面。

2.根据权利要求1所述同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线，其特征在于，所述Sub6GHz频段的中心工作频率为3.5GHz，工作带宽为3320‑3650MHz，毫米波频段的中心工作频率为28GHz，工作带宽为27‑29GHz。

3.根据权利要求1或2所述同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线，其特征在于，所述短路槽天线的槽长度为半个介质波长，工作在半波长模式，所述开路槽单元的槽长度为四分之一个波长，工作在四分之一波长模式，四个槽单元组成一个相控阵，实现毫米波频段的波束扫描。

4.根据权利要求1所述同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线，其特征在于，所述短路槽天线用同轴探针或微带线馈电，所述开路槽阵列与毫米波多通道收发芯片相连，实现波束扫描功能。

5.根据权利要求1所述同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线，其特征在于，所述短路槽天线的槽结构为矩形槽、蝶形槽或哑铃形槽；所述开路槽单元的槽结构为矩形槽或喇叭形槽。

6.根据权利要求1所述同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线，其特征在于，所述系统地板(1)的尺寸为手机尺寸。

7.根据权利要求1所述同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线，其特征在于，所述对称面为系统地板(1)矩形两条长边中心的连线。

8.根据权利要求7所述同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线，其特征在于，六个所述天线模块分布在系统地板(1)长边的两侧，同一侧天线模块关于系统地板(1)长边的中心镜像对称，相邻天线模块之间的间距相同；或者若干所述天线模块位于系统地板(1)的短边上。

9.根据权利要求8所述同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线，其特征在于，当六个所述天线模块分布在系统地板(1)长边的两侧时，所述相邻天线模块之间的间距均为50mm，所述短路槽天线的长度为35mm；开路槽阵列包括4个开路槽单元，开路槽单元的长度为3mm，相邻开路槽单元之间的间距为5mm，4个开路槽单元关于短路槽中心线镜像对称。

说明书

一种同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端

天线

技术领域

[0001] 本发明属于移动通信技术领域，涉及天线设计，特别涉及辐射口面共用的5G移动终端天线。

背景技术

[0002] 为了满足物联网、自动驾驶、虚拟现实等应用的需求，当前的移动通信系统正向第五代(5G)标准演进。5G移动通信的频谱可划分为sub6GHz的微波频段和毫米波频段，其中
3.5GHz频段(3400‑3600MHz)被定为5G移动通信的新增频段之一。28GHz是毫米波频段的主
流工作频段。因此，研制可同时工作在Sub6GHz频段和毫米波频段的5G天线具有重要意义。

[0003] MIMO技术具有成倍提高无线信道容量的潜能。在不增加频谱带宽的条件下，该技术在基站端和移动终端同时布置多个天线，通过提高频谱利用率的方式提高信道容量。在
Sub6GHz频段，MIMO技术被广泛使用。毫米波频段具有可用频带宽、器件尺寸小等优点，可以
使用相控阵技术实现高增益波束扫描。然而，以手机为代表的移动终端尺寸受限，同时集成
多个工作在Sub6GHz频段的MIMO天线和工作在毫米波频段的相控阵天线具有相当大的难
度。传统的方法是单独设计这两个频段的天线。但是存在天线占用空间大、手机边框开缝较
多的缺点。最近，有些研究开始将两个频段的天线联合起来设计以减小天线占用的总体空
间。比如，澳大利亚昆士兰大学的研究组在同一个短路槽上使用了两套馈电网络，分别激励
Sub6GHz频段辐射和毫米波频段辐射；北京交通大学的李雨键教授组基于SIW工艺，将常规
单极子单层金属变成双层堆叠结构，在双层结构上制作毫米波频段天线，实现了两种频段
天线的共存。然而，这两种方案主要用于验证概念，第一种方案的毫米波天线波束扫描范围
较窄，第二种方案天线占用的空间较大，而且无法与毫米波多通道芯片直接集成。

发明内容

[0004] 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同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线，两个频段的天线共用一个辐射口面，既可减小天线
占用的空间，又可增加有效辐射口径，还可以与金属边框共形设计。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0006] 一种同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线，包括矩形的系统地板，在系统地板上方沿其边沿连接有竖直的金属边框，还包括结构与尺寸完全相同的关
于对称面镜像对称的六个天线模块，其中每个天线模块由刻蚀在系统地板外沿的水平部分
和刻蚀在金属边框下沿的竖直部分组成，其中水平部分为工作在Sub6GHz频段的短路槽天
线，各短路槽天线组成MIMO天线系统，竖直部分为工作在毫米波频段的开路槽阵列，所述开
路槽阵列由多个相同尺寸、等间距排列的开路槽单元组成，每个开路槽阵列中的各开路槽
单元组成具有波束扫描能力的相控阵天线。

[0007] 所述Sub6GHz频段的中心工作频率为3.5GHz，工作带宽为3400‑3600MHz，毫米波频段的中心工作频率为28GHz，工作带宽为27‑29GHz，每个天线模块的水平部分和竖直部分共
用辐射口面。

[0008] 所述短路槽天线的槽长度为半个介质波长，工作在半波长模式，所述开路槽单元的槽长度为四分之一个波长，工作在四分之一波长模式，四个槽单元组成一个相控阵，实现
毫米波频段的波束扫描。

[0009] 所述短路槽天线用同轴探针或微带线馈电，所述开路槽阵列与毫米波多通道收发芯片相连，实现波束扫描功能。

[0010] 所述短路槽天线的槽结构为矩形槽、蝶形槽或哑铃形槽；所述开路槽单元的槽结构为矩形槽或喇叭形槽。

[0011] 本发明可通过在Sub6GHz频段和毫米波频段分别添加滤波器提高隔离度，从而保证两个频段的天线独立工作。

[0012] 本发明所述系统地板的尺寸优选为手机尺寸，从而可用于手机。

[0013] 所述对称面为系统地板矩形两条长边中心的连线。六个所述天线模块分布在系统地板长边的两侧，同一侧天线模块关于系统地板长边的中心镜像对称，相邻天线模块之间
的间距相同；或者若干所述天线模块位于系统地板的短边上。当六个所述天线模块分布在
系统地板长边的两侧时，所述相邻天线模块之间的间距均为50mm，所述短路槽天线的长度
为35mm；开路槽阵列包括4个开路槽单元，开路槽单元的长度为3mm，相邻开路槽单元之间的
间距为5mm，4个开路槽单元关于短路槽中心线镜像对称。

[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0015] 1)Sub6GHz天线与毫米波天线阵列共用一个辐射口面，天线占用的总体尺寸较小。

[0016] 2)Sub6GHz天线利用金属边框与系统地板之间的间隙，毫米波天线阵列刻蚀在金属边框上，无需专门预留天线安装空间，终端的空间利用率高。

[0017] 3)毫米波天线阵列的天线单元为开路槽，其长度为四分之一波长，因而金属边框上的缝隙长度较短，不仅外形美观，而且降低了用户人手影响。

附图说明

[0018] 图1为本发明优选实施例的三维结构图。

[0019] 图2为具体实施方式中辐射口面共用天线的俯视图。

[0020] 图3为具体实施方式中辐射口面共用天线的侧视图。

[0021] 图4为具体实施方式中辐射口面共用天线的馈电端口布局图。

[0022] 图5为具体实施方式中辐射口面共用天线在3.5GHz频段低频段天线的反射系数和端口隔离度。

[0023] 图6为具体实施方式中辐射口面共用天线在3.5GHz频段低频段天线与高频段天线之间的端口隔离度。

[0024] 图7为具体实施方式中辐射口面共用天线在28GHz频段高频段天线的反射系数和端口隔离度。

[0025] 图8为具体实施方式中辐射口面共用天线在28GHz频段低频段天线与高频段天线之间的端口隔离度。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

[0027] 如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供了一种同时工作在Sub6GHz频段与毫米波频段的5G移动终端天线，包括系统地板1、金属边框2以及六个天线模块，其中，系统地板1
2
主体为矩形，尺寸为140×70mm ，为当前主流的手机尺寸。金属边框2沿系统地板1边沿连接
在其上方，为周向封闭的竖直边框，高度为6mm，下沿与系统地板1平齐。六个天线模块分别
为天线模块A3、天线模块B4、天线模块C5、天线模块D6、天线模块E7和天线模块F8，其结构与
尺寸完全相同，关于对称面镜像对称，布设在系统地板1与金属边框2的连接处，其中对称面
为系统地板1矩形两条长边中心的连线。

[0028] 本实施例中，考虑到传统4G天线一般放置在系统地板1的两条短边上，为了不干扰4G天线，天线模块A3、天线模块B4、天线模块C5分布在系统地板1长边的一侧，天线模块D6、
天线模块E7和天线模块F8分布在系统地板1长边的另一侧，同一侧天线模块关于系统地板1
长边的中心镜像对称，相邻天线模块之间的间距相同，均为50mm。

[0029] 在本发明的其它可行实施例中，亦可将一个天线模块例如天线模块A3置于系统地板1的短边上。

[0030] 本发明每个天线模块由刻蚀在系统地板1外沿的水平部分3a和刻蚀在金属边框2下沿的竖直部分3b组成，其中水平部分3a为工作在Sub6GHz频段的短路槽天线，这两部分组
成一个辐射口面共用的天线模块。其中短路槽天线的长度为35mm。天线模块A3、天线模块
B4、天线模块C5、天线模块D6、天线模块E7、天线模块F8的水平部分3a组成多天线系统，用于
实现MIMO功能。

[0031] 竖直部分3b为工作在毫米波频段的开路槽阵列，开路槽阵列由多个相同尺寸、等间距排列的开路槽单元组成，本实施例中每个开路槽阵列中的开路槽单元数量为4个，开路
槽单元的槽长度为3mm，相邻开路槽单元之间的间距为5mm，4个开路槽单元关于短路槽中心
线镜像对称。4个开路槽单元组成具有波束扫描能力的相控阵天线，开路槽阵列与毫米波多
通道收发芯片相连，实现波束扫描功能。

[0032] 本发明中，短路槽天线的槽结构可以为矩形槽、蝶形槽或哑铃形槽，开路槽单元的槽结构可以为矩形槽或喇叭形槽。

[0033] 本发明中，各天线模块的短路槽天线既可用同轴探针馈电，也可用微带线馈电，短路槽天线和开路槽阵列既可以没有填充，也可以填充介质。

[0034] 本实施例的天线的馈电端口布局如图4所示。天线模块A3的短路槽天线槽内布设有馈电端口P1，4个开路槽内分别布设有馈电端口P3‑P6。馈电端口P1偏离短路槽天线的槽
中心偏移距离为14mm。馈电端口P3‑P6与各自开路槽开口的距离为1.2mm。所有6个天线模块
的馈电布局相同。这些馈电端口既可直接馈电槽天线，也可耦合馈电槽天线。在实际使用
中，这些馈电端口可用微带输入或直接与射频电路相连。为了降低加工成本，系统地板1可
印刷在FR4介质板的下表面，微带线印刷在FR4介质板的上表面，微带线末端与馈电端口P1
相连。FR4介质板的相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。

[0035] 本实施例的Sub6GHz频段的中心工作频率选定为3.5GHz，工作带宽为3400‑3600MHz，毫米波频段的中心工作频率选定为28GHz，工作带宽为27‑29GHz。这两个频段为5G
移动通信的新增频段。

[0036] 本发明的技术方案是这样实现的：本发明将3.5GHz频段天线与28GHz频段天线复用。其中，3.5GHz频段天线的辐射结构为短路槽，槽长度约为半个介质波长，工作在半波长
模式。多个3.5GHz频段天线组成MIMO多天线系统。28GHz频段天线的辐射结构为开路槽阵
列，槽长度约为四分之一个波长，工作在四分之一波长模式。四个槽单元组成一个相控阵，
实现毫米波频段的波束扫描。3.5GHz频段的短路槽与28GHz频段的开路槽阵列共用一个辐
射口面，天线总体尺寸紧凑。而且，由于28GHz频段的开路槽阵列加载在3.5GHz频段的短路
槽的一条长边上，短路槽的长度比半个波长略小。两个频段的隔离度通过馈电端口的位置
保证，还可以通过在各自频段添加滤波器进一步提高隔离度，从而保证两个频段的天线独
立工作。

[0037] 图5为本实施例辐射口面共用天线模块的MIMO天线在3.5GHz频段的S参数。天线单元谐振在3.5GHz。端口1的‑6dB阻抗带宽约为330MHz(3.32‑3.65GHz)，可覆盖了3400‑
3600MHz频带。在该频带内，MIMO天线各馈电端口之间的隔离度在16dB以上。

[0038] 图6为本实施例辐射口面共用天线模块的MIMO天线与相控阵天线之间在3.5GHz频段的端口隔离度。相控阵单元与MIMO天线单元之间的隔离度均在12dB以上。

[0039] 图7为本实施例辐射口面共用天线模块的相控阵天线在28GHz频段的S参数。在27‑29GHz频段范围内，端口3对应的反射系数均在‑12dB以下。

[0040] 图8为本实施例辐射口面共用天线模块的相控阵天线在MIMO天线与相控阵天线之间在28GHz频段的端口隔离度。相控阵单元与MIMO天线单元之间的隔离度均在15dB以上。

[0041] 综上，本发明利用Sub6GHz天线与毫米波天线口面共用的方法减小了移动终端天线占用的体积，具有结构紧凑、天线净空小的优点，在移动终端多天线设计中具有较广应用
前景。

[0042] 以上仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限定，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。