毫米波天線及其天線系統的製作方法

2023-09-20 10:24:15 2

本發明涉及天線領域，具體說的是毫米波天線及其天線系統。

背景技術：

目前，全球對於第五代(5G)無線通信技術的研發正在逐漸升溫，世界各國和個主流標準化組織都已經看到了5G技術發展的迫切性，並且制定了相應的研發推進計劃，成為移動通信領域的研究熱點。比如，2013年初歐盟在第7框架計劃啟動了面向5G研發的METIS項目。特別，在2016年7月15日，美國聯邦通信委員會(FCC)定義了如下用於5G的毫米波頻段：28GHz(27.5-28.35GHz)，37GHz(37-38.6GHz)和39GHz(38.6-40GHz)。按照目前的計劃，國際上許多著名移動終端設備廠商已經計劃將5G功能作為其新一代移動終端產品的標準配置，並將按照計劃在2020年實現5G的商品化。

為了實現上述目的，如何設計出適合於手機終端的行之有效的毫米波天線陣列是必不可少的重要環節。作為毫米波天線陣列的天線輻射單元，傳統的長方形縫隙天線，已經被應用在第五代(5G)毫米波相控天線陣列中，比如在5G手機終端上的應用。

但是，現有的縫隙天線在3維遠場輻射中仍然存在較強的非均勻分布的缺點：垂直於長方形縫隙長邊平面內的輻射強度要遠大於平行於縫隙長邊平面內的輻射強度。天線輻射體上的表面電流分布決定了該天線在3維遠場的輻射強度分布。無論縫隙天線的形狀如何，縫隙天線輻射體的表面電流都是環繞著縫隙天線的周圍分布的。對於傳統的長方形縫隙天線而言，且其電流的主要部分是沿著縫隙天線的長度方向上分布的；而且長方形縫隙天線的長寬比越大，沿著長度方向上分布的電流強度越強，沿著寬度方向上分布的電流強度越弱。也就是說長方形縫隙天線的表面電流強度具有非常明顯的電流非均勻分布的特性。這種天線表面電流的非均勻分布直接導致了該天線在3維遠場輻射的不均勻性。然而在手機終端的應用中，我們通常期待毫米波天線陣列能具有較均勻的輻射覆蓋。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：提供一種用於第五代無線通信，能夠實現均勻輻射覆蓋的毫米波天線及其天線系統。

為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：

毫米波天線，包括縫隙天線單體；所述縫隙天線單體包括縫隙天線；

所述縫隙天線包括長條形的第一縫隙分支和第二縫隙分支；所述第二縫隙分支的一端與第一縫隙分支的中間區域連接，另一端遠離第一縫隙分支，並設有天線饋電點。

本發明提供的另一個技術方案為：

毫米波天線系統，用於第五代無線通信，包括移動終端以及由兩個以上上述毫米波天線單體構成的陣列天線；所述陣列天線設置在所述移動終端的邊緣位置。

本發明的有益效果在於：區別於現有技術的長方形縫隙天線只具有沿其長度方向的分布電流，具有在遠場輻射強度不均勻的問題。本發明提供一種毫米波天線，由長條形的第一縫隙分支和第二縫隙分支構成縫隙天線，第二縫隙分支的一端與第一縫隙分支的中間區域連接，另一端遠離第一縫隙分支。本發明的天線除了具有較強的沿第二縫隙分支的長度方向上的分布電流外，還同時具有較強的沿著第一縫隙分支的長度方向的分布電流；兩個縫隙分支的分布電流是交錯輻射分布的，因此在遠場輻射分布具有較好的均勻性。進一步的，由上述毫米波天線構成的陣列天線，運用在基於第五代無線通信系統的移動終端上，不僅能夠很好的滿足第五代通信系統的28GHz毫米波要求，而且天線單元之間的互耦很小，很好的滿足天線陣列的波束成形與掃描，同時還具有良好的天線增益特性。

附圖說明

圖1為本發明的T字形縫隙天線單體的結構示意圖；

圖2為現有的長方形縫隙天線單體在28GHz的3維遠場輻射圖；

圖3為實施例一的T字形縫隙天線單體在28GHz的3維遠場輻射圖；

圖4為傳統長方形縫隙天線與本發明的T字形縫隙天線在YZ平面的天線增益分布對比圖；

圖5為實施例一的T形8x1縫隙天線陣列的3維遠場輻射圖；

圖6為傳統長方形8x1縫隙天線陣列的3維遠場輻射圖；

圖7為T字形8x1縫隙天線陣列和傳統長方形8x1縫隙天線陣列在YZ平面的天線增益分布對比圖；

圖8為實施例一中第一縫隙分支的端部朝向所述天線饋電點的方向彎折的T字形縫隙天線結構示意圖；

圖9為實施例一中第一縫隙分支的端部遠離所述天線饋電點的方向彎折的T字形縫隙天線結構示意圖；

圖10為實施例一中Y字形縫隙天線單體的結構示意圖；

圖11為實施例一中箭頭形縫隙天線單體的結構示意圖；

圖12為實施例二T字形縫隙天線8x1陣列在手機終端上應用的示意圖；

圖13為圖12應用的S-參數以及該縫隙天線單體與其它7個單體之間的互耦特性曲線；

圖14為實施例二的T字形縫隙天線8x1陣列在工作頻率為28GHz時不同掃描角theta(0度，30度和60度)的天線陣列3維遠場輻射圖；

圖15為圖14所示的不同掃描角度情況下的天線增益特性示意圖。

標號說明：

1、毫米波天線；2、縫隙天線單體；3、縫隙天線；4、第一縫隙分支；

5、第二縫隙分支；6、天線饋電點；7、金屬板；8、襯底；

9、移動終端；10、縫隙天線陣列。

具體實施方式

為詳細說明本發明的技術內容、所實現目的及效果，以下結合實施方式並配合附圖予以說明。

本發明最關鍵的構思在於：縫隙天線由長條形的第一縫隙分支和第二縫隙分支構成，第二縫隙分支的一端與第一縫隙分支的中間區域連接，另一端遠離第一縫隙分支，在遠場輻射分布具有較好的均勻性。

請參照圖1以及圖2，本發明提供毫米波天線，包括縫隙天線單體；所述縫隙天線單體包括縫隙天線；

所述縫隙天線包括長條形的第一縫隙分支和第二縫隙分支；所述第二縫隙分支的一端與第一縫隙分支的中間區域連接，另一端遠離第一縫隙分支，並設有天線饋電點。

進一步的，所述第一縫隙分支和第二縫隙分支垂直連接形成一T字形。

由上述描述可知，第一縫隙分支和第二縫隙分支相互垂直，因此兩個分支上的分布電流是相互垂直分布的，進而，T字形縫隙天線在遠場輻射分布具有很好的均勻性。

進一步的，所述第一縫隙分支和第二縫隙分支均為矩形長條分支。

由上述描述可知，矩形長條的結構特徵能夠進一步的保證由其產生的環繞縫隙分支周圍分布的電流具有最佳的均勻分布效果。

進一步的，所述第一縫隙分支的端部朝向或遠離所述天線饋電點的方向彎折。

進一步的，所述第一縫隙分支與所述第二縫隙分支連接形成一Y字形。

進一步的，所述第一縫隙分支與所述第二縫隙分支連接形成一箭頭形。

由上述描述可知，還可以設置第一縫隙分支的端部具有一定弧度，或者將縫隙天線設計為Y字形或者箭頭形，同樣也能實現均勻輻射的效果。

進一步的，所述第一縫隙分支的長度為所述縫隙天線工作頻率所對應波長的1/2；所述第二縫隙分支的長度為所述縫隙天線工作頻率所對應波長的1/4。

由上述描述可知，第二縫隙分支相當於傳統的長方形縫隙天線，傳統的長方形縫隙分支的長度為其工作頻率所對應波長的1/2左右。因此，從天線的長度方向看，本申請的縫隙天線相較傳統的長方形縫隙天線，具有顯著減小整體尺寸的優點，能夠更好的適用於微小型終端。

進一步的，所述縫隙天線單體還包括金屬板和襯底；所述縫隙天線設置嵌設在金屬板內，所述金屬板設置在襯底上。

由上述可知，將縫隙天線單體襯附在襯底電介質材料上，以便更好的運用於終端中。

本發明提供的另一個技術方案為：

毫米波天線系統，用於第五代無線通信，包括移動終端以及由兩個以上上述的毫米波天線單體構成的陣列天線；所述陣列天線設置在所述移動終端的邊緣位置。

從上述描述可知，本發明的有益效果在於：將本發明的毫米波縫隙天線運用在基於第五代無線通信系統的移動終端上，不僅能夠完全滿足第五代通信系統的28GHz毫米波要求，而且天線單元之間的互耦很小，很好的滿足天線陣列的波束成形與掃描，同時還具有良好的天線增益特性。

實施例一

請參照圖3-圖11，本實施例提供一種毫米波天線，適用於第五代無線通信系統，使毫米波天線陣列具有均勻的輻射覆蓋，以提高天線的工作性能。

具體的，本實施例的毫米波天線1以天線陣列的形式存在，兩個以上的縫隙天線單體2排列構成縫隙天線陣列10。縫隙天線陣列10可以採用串聯不等分功率方饋電網絡或者並聯等功率饋電網絡或者其他饋電方式進行饋電，優選的，本實施例的所述縫隙天線單元陣列通過並聯等功率饋電網絡對其進行饋電。

本實施例的毫米波天線單體包括縫隙天線3、金屬板7和襯底8；如圖1所示，所述縫隙天線3設置嵌設在金屬板7內，所述金屬板7設置在電介質襯底8材料上。優選的，所述襯底8為損耗較小的羅傑斯(Rogers)板材，以此減小襯底材料對天線的損耗；如果採用損耗較大的板材(如FR-4)，則通過把縫隙天線的縫隙正下方的FR-4材料掏空並作屏蔽處理來降低損耗。

特別的，所述縫隙天線3包括長條形的第一縫隙分支4和第二縫隙分支5；所述第二縫隙分支5的一端與第一縫隙分支4的中間區域連接，另一端遠離第一縫隙分支4，並設有天線饋電點6。優選第二縫隙分支5的一端與第一縫隙分支4的中點連接，使第一縫隙分支4連接點兩邊的輻射強度相同，縫隙天線3整體電流分布更均勻。

在一具體實施方式中，所述第一縫隙分支4和第二縫隙分支5垂直連接形成一T字形；所述第一縫隙分支4和第二縫隙分支5均為矩形長條分支；所述第一縫隙分支4的長度為所述縫隙天線工作頻率所對應波長的1/2左右；所述第二縫隙分支5的長度為所述縫隙天線3工作頻率所對應波長的1/4左右。優選的，所述第一縫隙分支4的長度為所述縫隙天線3工作頻率所對應波長的1/2；所述第二縫隙分支5的長度為所述縫隙天線工作頻率所對應波長的1/4。

天線輻射體上的表面電流分布決定了天線在3維遠場的輻射強度分布，無論縫隙天線的形狀如何，縫隙天線輻射體的表面電流都是環繞著縫隙天線的周圍分布的。本實施例以T字形縫隙天線作為毫米波陣列天線的輻射單元，它除了具有較強的沿著第二縫隙分支5的長度方向上的分布電流外，同時還具有較強的沿著第一縫隙天線分支4的長度方向的分布電流。再來，由於T字形縫隙天線的兩個分支是相互垂直的，所以在T字形縫隙天線的遠場輻射分布具有很好的均勻性，能夠很好的克服傳統長方形縫隙天線只具有沿其長度方向的分布電流，在遠程輻射強度不均勻的缺點。

具體的，如圖2和圖3所示，為本實施例的T字形縫隙(T-slot)天線和傳統長方形縫隙(rectangular-slot)天線單體在工作頻率為28GHz時的3維遠場輻射圖；圖4為上述兩種天線在YZ平面的天線增益分布對比圖，與X軸的夾角為90度，其中包含三角形的曲線代表長方形縫隙天線，包含圓形的曲線代表T字形縫隙天線。從圖2、圖3以及圖4中可以明顯看出，和長方形縫隙單體天線相比，T字形縫隙單體天線的2維YZ平面和3維遠場輻射具有很好的均勻性。

由於在毫米波天線手機終端的實際應用中，天線必須是以天線陣列的形式存在的。圖5和圖6分別為T字形8x1天線陣列和長方形8x1天線陣列的3維遠場輻射圖，圖7為上述兩種8x1天線陣列在YZ平面的天線增益分布對比圖，其中包含三角形的曲線代表長方形縫隙天線，包含圓形的曲線代表T字形縫隙天線。為了保證相互比較的公平性，T字形縫隙天線陣列中的天線單元之間的距離和長方形縫隙天線陣列中的天線單元之間的距離完全相同，均為天線工作頻率(28GHz)相對應波長的1/2。從圖4、圖5和圖6中我們也可以明顯地看出，與長方形縫隙天線陣列相比，T字形縫隙天線陣列具有很好的遠場輻射均勻性。

在另一具體實施方式中，如圖8和圖9所示，為所述第一縫隙分支4的端部還可以朝向或遠離所述天線饋電點6的方向彎折，即第一縫隙分支4的兩端部可以朝上彎折一定弧度，或者朝下彎折一定弧度。

在另一具體實施方式中，如圖10所示，所述第一縫隙分支4與所述第二縫隙分支5連接形成一Y字形。

在另一具體實施方式中，如圖11所示，所述第一縫隙分支4與所述第二縫隙分支5連接形成一箭頭形。

上述具體實施方式，相較於現有傳統的長方形縫隙天線，都能在遠程輻射分布具有很好的均勻性。

實施例二

請參照圖12-圖15，本實施例在實施例一的基礎上，提供一種毫米波天線系統，基於第五代無線通信領域，實現天線輻射強度的均勻分布，以提高終端的天線性能。所述終端可以是手機、平板等有天線需求的移動終端。

具體的，將實施例一所述的縫隙天線陣列設置在移動終端9的邊緣位置，如移動終端9的上端或下端，若上、下端已經被現有的4G天線所佔據的話，則設置在左側邊或右側邊，或者其他不影響4G天線的邊緣位置。所述縫隙天線陣列和移動終端的PCB板的地相連接。所述縫隙天線陣列優選為8x1天線陣列。

如圖12所示，為T字形縫隙天線8x1陣列在手機終端上應用的示意圖；圖13為8個T字形縫隙天線單體的S-參數以及該縫隙天線單體與其它7個單體之間的互耦特性曲線，縱坐標的單位為dB。從圖13中可以看出，該天線的S-參數完全滿足28GHz毫米波的要求；而且天線單元之間的互耦小於-15dB，完全可以滿足天線陣列的波束成形與掃描。

圖14為該8x1天線陣列在工作頻率為28GHz時不同掃描角度：(1)為0度掃描角度、(2)為30度掃描角度、(3)為60度掃描角度時的天線陣列3維遠場輻射圖。從圖14中可以看出本實施例提出的縫隙天線陣列具有很好的波束掃描特性。

圖15為該天線陣列在XZ平面內不同掃描角度下的天線增益特性，當橫坐標的數值為-60時，從上往下的曲線代表的掃描角分別為60度、45度、30度、15度和0度。從圖13-圖15的結果中可以看出本實施例提出的T字形縫隙相控陣列天線系統可以完美地應用到毫米波段的5G手機終端上。

綜上所述，本發明提供的毫米波天線及其天線系統，不僅能夠實現天線陣列在遠場輻射的均勻覆蓋，增強天線陣列的工作性能；而且與傳統的縫隙天線相比，具有尺寸較小的特點，能夠更好的適用於微小移動終端的應用。

以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等同變換，或直接或間接運用在相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。