CN110581354A - 双极化5g毫米波天线结构及移动设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双极化5G毫米波天线结构及移动设备，天线结构包括金属空腔、第一微带馈电线和第二微带馈电线，所述金属空腔包括依次层叠设置的第一金属空腔和第二金属空腔，所述第一金属空腔远离第二金属空腔的一面上设有缝隙；所述缝隙包括第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙，所述第二缝隙连通所述第一缝隙和第三缝隙；所述第一微带馈电线设置在所述第一金属空腔远离第二金属空腔的一面上，且所述第一微带馈电线的一端设置在所述第二缝隙的上方；所述第二微带馈电线设置在所述第二金属空腔上。本发明可提供5G通信的毫米波天线。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种双极化5G毫米波天线结构及移动设备。
背景技术
从第一代(1G)到第四代(4G)的移动通信蜂窝系统可用的频谱都部署在3GHz以下，并将进一步部署高达6GHz的频谱。第五代移动技术(5G)的目标是通过更高的传输数率、更低的时延及更强的链接健壮性等来提供更好的用户体验。因为具有的大带宽及更高的速率特性，毫米波频段很适于作为5G的高频载波。2016年7月，美国联邦通信委员会(FCC)已经为5G无线网络分配了一些毫米波频谱，包括28GHz(27.5-28.35GHz)、37GHz(37-38.6GHz)和39GHz(38.6-40GHz)频段。
为了更好地利用有限的空间资源来获得好的通信质量，在移动终端上采用双极化天线也将会是一种趋势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种双极化5G毫米波天线结构及移动设备，可提供5G通信的毫米波天线。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种双极化5G毫米波天线结构，包括金属空腔、第一微带馈电线和第二微带馈电线，所述金属空腔包括依次层叠设置的第一金属空腔和第二金属空腔，所述第一金属空腔远离第二金属空腔的一面上设有缝隙；所述缝隙包括第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙，所述第二缝隙连通所述第一缝隙和第三缝隙；所述第一微带馈电线设置在所述第一金属空腔远离第二金属空腔的一面上，且所述第一微带馈电线的一端设置在所述第二缝隙的上方；所述第二微带馈电线设置在所述第二金属空腔上。
本发明还涉及一种移动设备，包括如上所述的双极化5G毫米波天线结构。
本发明的有益效果在于：通过在金属空腔上设置缝隙，并设置两个微带馈电线，使得两个金属空腔形成了水平和垂直两个极化的谐振空腔，从而实现了双极化，且两极化间端口隔离度较好；同时，通过调整金属空腔的长度，可以调节谐振频率大小。本发明的天线结构可以很好地覆盖28GHz频段，且体积小，易加工。
附图说明
图1为本发明实施例一的一种双极化5G毫米波天线结构的结构示意图；
图2为本发明实施例二的一种双极化5G毫米波天线结构的结构示意图；
图3为图2的分解示意图；
图4为本发明实施例二的八单元天线阵列的示意图；
图5为本发明实施例二的天线S参数的示意图；
图6为水平极化天线在Phi＝0度和Phi＝90度时频率分别为27.5GHz、28GHz和28.35GHz的辐射方向图；
图7为垂直极化天线在Phi＝0度和Phi＝90度时频率分别为27.5GHz、28GHz和28.35GHz的辐射方向图。
标号说明：
1、第一金属空腔；2、第二金属空腔；3、第一微带馈电线；4、第二微带馈电线；5、第一缝隙；6、第二缝隙；7、第三缝隙；8、第三LTCC介质材料层；9、第四LTCC介质材料层；
101、第一金属层；102、第一LTCC介质材料层；103、第二金属层；104、第一过孔；
201、第二LTCC介质材料层；202、第三金属层；203、第二过孔；
301、第一微带线；302、第二微带线；
401、第三微带线；402、馈电通孔。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
本发明最关键的构思在于：通过金属层以及设置在LTCC介质材料层中的多层过孔，形成了水平和垂直两个极化的谐振空腔。
请参阅图1，一种双极化5G毫米波天线结构，包括金属空腔、第一微带馈电线和第二微带馈电线，所述金属空腔包括依次层叠设置的第一金属空腔和第二金属空腔，所述第一金属空腔远离第二金属空腔的一面上设有缝隙；所述缝隙包括第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙，所述第二缝隙连通所述第一缝隙和第三缝隙；所述第一微带馈电线设置在所述第一金属空腔远离第二金属空腔的一面上，且所述第一微带馈电线的一端设置在所述第二缝隙的上方；所述第二微带馈电线设置在所述第二金属空腔上。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：可实现双极化，且两极化间端口隔离度较好。
进一步地，所述第一微带馈电线包括第一微带线和第二微带线，所述第一微带线由多段宽度递增或递减的阻抗变换微带线组成，所述第一微带线宽度小的一端连接所述第二微带线的一端，所述第二微带线的另一端为阻抗匹配微带线；所述第二微带线的另一端设置在所述第二缝隙的上方；
所述第二微带馈电线包括第三微带线和馈电通孔，所述第三微带线由多段宽度递增或递减的阻抗变换微带线组成，所述第三微带线设置在所述第二金属空腔远离第一金属空腔的一面上，所述第三微带线宽度小的一端连接所述馈电通孔的一端，所述馈电通孔的另一端穿过所述第二金属空腔。
由上述描述可知，通过由多段宽度递增或递减的阻抗变换微带线组成第一微带线和第三微带线，实现多级阻抗变换，可获得更大的阻抗带宽；通过将第二微带线的另一端设置在第二缝隙的上方，使得第二缝隙可在阻抗匹配微带线下方形成耦合馈电。
进一步地，所述金属空腔包括依次层叠设置的第一金属层、多层的第一LTCC介质材料层、第二金属层、多层的第二LTCC介质材料层和第三金属层；所述缝隙设置在所述第一金属层上；
每一层的第一LTCC介质材料层分别设有数量一致且相对位置一致的第一过孔，且处于同一第一LTCC介质材料层的第一过孔电连接，相邻两层的第一LTCC介质材料层的第一过孔电连接；
每一层的第二LTCC介质材料层上分别设有数量一致且相对位置一致的第二过孔，且处于同一第二LTCC介质材料层的第二过孔电连接，相邻两层的第二LTCC介质材料层的第二过孔电连接。
由上述描述可知，可实现双极化，且两极化间端口隔离度较好。
进一步地，还包括第三LTCC介质材料层和第四LTCC介质材料层；所述第三LTCC介质材料层设置在所述第一金属层远离第一LTCC介质材料层的一面上，所述第一微带馈电线设置在所述第三LTCC介质材料层远离第一金属层的一面上；所述第四LTCC介质材料层设置在所述第三金属层远离第二LTCC介质材料层的一面上，所述第三微带线设置在所述第四LTCC介质材料层远离第三金属层的一面上；所述馈电通孔依次穿过所述第四LTCC介质材料层、第三金属层和第二LTCC介质材料层，并靠近所述第二金属层或与所述第二金属层电连接。
由上述描述可知，采用LTCC介质材料，可以制作层数很高的天线，且采用高介电常数LTCC的天线可获得较小的体积。
进一步地，处于同一第一LTCC介质材料层的第一过孔呈U形设置；处于同一第二LTCC介质材料层的第二过孔呈U形设置。
进一步地，所述第一金属空腔的长度为5mm，宽度小于或等于天线工作波长的二分之一；所述第二金属空腔的长度为5.74mm，宽度小于或等于天线工作波长的二分之一。
由上述描述可知，通过调整金属空腔的长度，可以调节频率大小。
进一步地，所述第一缝隙呈圆形或方形；所述第二缝隙呈长条形，且宽度小于所述第一缝隙和第三缝隙；所述第三缝隙延伸至第一金属空腔的所述一面的边缘，且越靠近边缘，宽度越大。
进一步地，所述第一缝隙的边长或半径为0.4mm；所述第二缝隙的长度为0.6mm，宽度为0.08mm；所述第三缝隙的长度为2.3mm，最大宽度为4.8mm。
由上述描述可知，通过调整第一缝隙的大小可以调节耦合强弱，通过调整第三缝隙的最大宽度可以调节频率大小。
本发明还提出一种移动设备，包括如上所述的双极化5G毫米波天线结构。
实施例一
请参照图1，本发明的实施例一为：一种双极化5G毫米波天线结构，可应用于移动终端设备，如手机、穿戴式设备、平板电脑等，为移动终端设备提供5G通信的毫米波天线。
如图1所示，包括金属空腔、第一微带馈电线3和第二微带馈电线4，所述金属空腔包括依次层叠设置的第一金属空腔1和第二金属空腔2，所述第一金属空腔1远离第二金属空腔2的一面上设有缝隙；所述缝隙包括第一缝隙5、第二缝隙6和第三缝隙7，所述第二缝隙6连通所述第一缝隙5和第三缝隙7。
所述第一微带馈电线3设置在所述第一金属空腔1远离第二金属空腔2的一面上，且所述第一微带馈电线3的一端设置在所述第二缝隙5的上方；所述第二微带馈电线4设置在所述第二金属空腔2上。
进一步地，所述第一微带馈电线3包括第一微带线301和第二微带线302，所述第一微带线301由多段宽度递增或递减的阻抗变换微带线组成，所述第一微带线301宽度小的一端连接所述第二微带线302的一端，所述第二微带线302的另一端为阻抗匹配微带线；所述第二微带线302的另一端设置在所述第二缝隙6的上方；
所述第二微带馈电线4包括第三微带线401和馈电通孔402，所述第三微带线401由多段宽度递增或递减的阻抗变换微带线组成，所述第三微带线401设置在所述第二金属空腔2远离第一金属空腔1的一面上，所述第三微带线401宽度小的一端连接所述馈电通孔402的一端，所述馈电通孔402的另一端沿层叠方向穿过所述第二金属空腔2。
进一步地，图中未示出，所述第一微带线宽度大的一端连接第一馈电输入端口；所述第三微带线宽度大的一端连接第二馈电输入端口。
通过由多段宽度递增或递减的阻抗变换微带线组成第一微带线和第三微带线，实现多级阻抗变换，可获得更大的阻抗带宽。通过将第二微带线的另一端设置在第二缝隙的上方，使得第二缝隙可在阻抗匹配微带线下方形成耦合馈电。
进一步地，所述第一缝隙5呈圆形或方形；所述第二缝隙6呈长条形，且宽度小于所述第一缝隙5和第三缝隙7；所述第三缝隙7延伸至第一金属空腔1的所述一面的边缘，且越靠近边缘，宽度越大。本实施例中，第三缝隙呈三角形(优选等腰三角形)，三角形的一角与第二缝隙连接，所述一角的对边与第一金属空腔的所述一面的边缘重合。
通过调整第一缝隙的大小可以调节耦合强弱，通过调整第三缝隙的最大宽度可以调节频率大小。
优选地，所述第一缝隙5的边长或半径为0.4mm；所述第二缝隙6的长度为0.6mm，宽度为0.08mm；所述第三缝隙7的长度为2.3mm，最大宽度为4.8mm，即所述对边的长度为4.8mm，所述一角至所述对边的距离为2.3mm。
本实施例中，第一金属空腔和第二金属空腔组成了水平和垂直两个极化的谐振空腔，从而实现了双极化的天线结构。通过调整金属空腔的长度，可以调节频率大小。
优选地，所述第一金属空腔1的长度为5mm，宽度小于或等于天线工作波长的二分之一；所述第二金属空腔2的长度为5.74mm，宽度小于或等于天线工作波长的二分之一。
本实施例通过在金属空腔上设置缝隙，并设置水平极化微带馈电线和垂直极化微带馈电线，使得两个金属空腔形成了水平和垂直两个极化的谐振空腔，从而实现了双极化，且两极化间端口隔离度较好；同时，通过调整金属空腔的长度，可以调节谐振频率大小，调试方便。本实施例的天线结构可以很好地覆盖28GHz频段，且体积小，易加工。
实施例二
请参照图2～7，本实施例为实施例一的进一步拓展。
本实施例中，金属空腔由金属层、LTCC介质材料层以及设置在LTCC介质材料层上的过孔组成。LTCC即低温共烧陶瓷。
具体地，如图2～3所示，所述金属空腔包括依次层叠设置的第一金属层101、多层的第一LTCC介质材料层102、第二金属层103、多层的第二LTCC介质材料层201和第三金属层202；所述缝隙(即第一缝隙5、第二缝隙6和第三缝隙7)设置在所述第一金属层101上；每一层的第一LTCC介质材料层102分别设有数量一致且相对位置一致的第一过孔104，且处于同一第一LTCC介质材料102层的第一过孔104电连接，相邻两层的第一LTCC介质材料层102的第一过孔104电连接；每一层的第二LTCC介质材料层201上分别设有数量一致且相对位置一致的第二过孔203，且处于同一第二LTCC介质材料层201的第二过孔203电连接，相邻两层的第二LTCC介质材料层201的第二过孔203电连接。
也就是说，第一金属空腔由第一金属层、设置在多层的第一LTCC介质材料层中的第一过孔以及第二金属层组成，第二金属空腔由第二金属层、设置在多层的第二LTCC介质材料层中的第二过孔以及第三金属层组成。其中，第一LTCC介质材料层的层数和第二LTCC介质材料层的层数根据LTCC高度与每层最大允许高度之比而定，一般每层最大允许高度为0.2mm。
进一步地，还包括第三LTCC介质材料层8和第四LTCC介质材料层9；所述第三LTCC介质材料层8设置在所述第一金属层101远离第一LTCC介质材料层102的一面上，所述第四LTCC介质材料层9设置在所述第三金属层202远离第二LTCC介质材料层201的一面上。也就是说，第三LTCC介质材料层8、第一金属层101、多层的第一LTCC介质材料层102、第二金属层103、多层的第二LTCC介质材料层201、第三金属层202和第四LTCC介质材料层9依次层叠设置。
所述第一微带馈电线3设置在所述第三LTCC介质材料层8远离第一金属层101的一面上；所述第三微带线401设置在所述第四LTCC介质材料层9远离第三金属层202的一面上；所述馈电通孔402依次穿过所述第四LTCC介质材料层9、第三金属层202和第二LTCC介质材料层201，并靠近所述第二金属层103或与所述第二金属层103电连接。
优选地，所述第三金属层上可设置一通孔，方便馈电通孔通过。
进一步地，处于同一第一LTCC介质材料层102的第一过孔104呈U形设置；处于同一第二LTCC介质材料层201的第二过孔203呈U形设置。
因此，第一金属空腔的长度即为第一过孔对应的U形的宽度，也即U形两侧边之间的距离；第一金属空腔的宽度即为第一过孔对应的U形的高度，也即开口与底边的距离。同理，第二金属空腔的长度即为第二过孔对应的U形的宽度，第二金属空腔的宽度即为第二过孔对应的U形的高度。图2中，多层U形的开口所组成的面即为天线的发射面。
优选地，在每一层的第一LTCC介质材料层上设置相同大小的U形的第一金属片，在第一金属片处设置第一过孔，从而实现第一过孔之间的电连接。同理，在每一层的第二LTCC介质材料层上设置相同大小的U形的第二金属片，在第二金属片处设置第二过孔，从而实现第二过孔之间的电连接。
进一步地，本实施例的天线结构可组成八单元天线阵列，如图4所示，相邻两个天线结构之间通过馈电网络连接。
本实施例中，组成空腔的过孔(包括第一过孔和第二过孔)与金属层(包括第一金属层、第二金属层和第三金属层)形成了水平和垂直两个极化的谐振空腔。水平极化的谐振空腔及设置在其上的缝隙以及水平极化微带馈电线(即第一微带馈电线)形成了水平极化天线，垂直极化的谐振空腔与垂直极化微带馈电线(即第二微带馈电线)形成了垂直极化天线。
图5为天线S参数的示意图，可以看出，其能很好地覆盖28GHz(27.5GHz～28.35GHz)工作频段，且两极化间的端口隔离低于-35dB。
图6为水平极化天线在Phi＝0度和Phi＝90度时频率分别为27.5GHz、28GHz和28.35GHz的辐射方向图，从图中可以看出，在不同频率下天线的最大增益大于4dBi，在phi＝90度的辐射方向图可以看到最大增益点位于0度到330度之间。
图7为垂直极化天线在Phi＝0度和Phi＝90度时频率分别为27.5GHz、28GHz和28.35GHz的辐射方向图，从图中可以看出，在不同频率下天线的最大增益大于4dBi，从其辐射方向图可以看到两个面的最大增益点位于0度左右。
本实施例的天线可实现双极化，且两极化间端口隔离度较好；陶瓷材料具有优良的高频、高速传输以及宽通带的特性。根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可以在很大范围内变动，采用高介电常数LTCC的天线可获得较小的体积；配合使用高电导率的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因数，增加了电路设计的灵活性；通过采用LTCC介质材料层，可以制作层数很高的天线。
综上所述，本发明提供的一种双极化5G毫米波天线结构及移动设备，通过在金属空腔上设置缝隙，并设置两个微带馈电线，使得两个金属空腔形成了水平和垂直两个极化的谐振空腔，从而实现了双极化，且两极化间端口隔离度较好；同时，通过调整金属空腔的长度，可以调节谐振频率大小，调试方便。通过采用LTCC介质材料层，可以制作层数很高的天线；采用高介电常数LTCC的天线可获得较小的体积；配合使用高电导率的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因数，增加了电路设计的灵活性。本发明的天线结构可以很好地覆盖28GHz频段，且体积小，易加工。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种双极化5G毫米波天线结构，其特征在于，包括金属空腔、第一微带馈电线和第二微带馈电线，所述金属空腔包括依次层叠设置的第一金属空腔和第二金属空腔，所述第一金属空腔远离第二金属空腔的一面上设有缝隙；所述缝隙包括第一缝隙、第二缝隙和第三缝隙，所述第二缝隙连通所述第一缝隙和第三缝隙；所述第一微带馈电线设置在所述第一金属空腔远离第二金属空腔的一面上，且所述第一微带馈电线的一端设置在所述第二缝隙的上方；所述第二微带馈电线设置在所述第二金属空腔上。
2.根据权利要求1所述的双极化5G毫米波天线结构，其特征在于，所述第一微带馈电线包括第一微带线和第二微带线，所述第一微带线由多段宽度递增或递减的阻抗变换微带线组成，所述第一微带线宽度小的一端连接所述第二微带线的一端，所述第二微带线的另一端为阻抗匹配微带线；所述第二微带线的另一端设置在所述第二缝隙的上方；
所述第二微带馈电线包括第三微带线和馈电通孔，所述第三微带线由多段宽度递增或递减的阻抗变换微带线组成，所述第三微带线设置在所述第二金属空腔远离第一金属空腔的一面上，所述第三微带线宽度小的一端连接所述馈电通孔的一端，所述馈电通孔的另一端穿过所述第二金属空腔。
3.根据权利要求2所述的双极化5G毫米波天线结构，其特征在于，所述金属空腔包括依次层叠设置的第一金属层、多层的第一LTCC介质材料层、第二金属层、多层的第二LTCC介质材料层和第三金属层；所述缝隙设置在所述第一金属层上；
每一层的第一LTCC介质材料层分别设有数量一致且相对位置一致的第一过孔，且处于同一第一LTCC介质材料层的第一过孔电连接，相邻两层的第一LTCC介质材料层的第一过孔电连接；
每一层的第二LTCC介质材料层上分别设有数量一致且相对位置一致的第二过孔，且处于同一第二LTCC介质材料层的第二过孔电连接，相邻两层的第二LTCC介质材料层的第二过孔电连接。
4.根据权利要求3所述的双极化5G毫米波天线结构，其特征在于，还包括第三LTCC介质材料层和第四LTCC介质材料层；所述第三LTCC介质材料层设置在所述第一金属层远离第一LTCC介质材料层的一面上，所述第一微带馈电线设置在所述第三LTCC介质材料层远离第一金属层的一面上；所述第四LTCC介质材料层设置在所述第三金属层远离第二LTCC介质材料层的一面上，所述第三微带线设置在所述第四LTCC介质材料层远离第三金属层的一面上；所述馈电通孔依次穿过所述第四LTCC介质材料层、第三金属层和第二LTCC介质材料层，并靠近所述第二金属层或与所述第二金属层电连接。
5.根据权利要求3所述的双极化5G毫米波天线结构，其特征在于，处于同一第一LTCC介质材料层的第一过孔呈U形设置；处于同一第二LTCC介质材料层的第二过孔呈U形设置。
6.根据权利要求1所述的双极化5G毫米波天线结构，其特征在于，所述第一金属空腔的长度为5mm，宽度小于或等于天线工作波长的二分之一；所述第二金属空腔的长度为5.74mm，宽度小于或等于天线工作波长的二分之一。
7.根据权利要求1所述的双极化5G毫米波天线结构，其特征在于，所述第一缝隙呈圆形或方形；所述第二缝隙呈长条形，且宽度小于所述第一缝隙和第三缝隙；所述第三缝隙延伸至第一金属空腔的所述一面的边缘，且越靠近边缘，宽度越大。
8.根据权利要求7所述的双极化5G毫米波天线结构，其特征在于，所述第一缝隙的边长或半径为0.4mm；所述第二缝隙的长度为0.6mm，宽度为0.08mm；所述第三缝隙的长度为2.3mm，最大宽度为4.8mm。
9.一种移动设备，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的双极化5G毫米波天线结构。
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