技术领域

[0001] 本发明涉及天线技术领域， 尤其涉及一种基于金属机身的毫米波阵列天线 系统 背景技术

[0002] 目前， 全球对于第五代 （5G) 无线通信技术的研发正在逐渐升温， 世界各国和 各主流标准化组织都已经看到了 5G技术发展的迫切性， 并且制定了相应的研发 推进计划， 成为移动通信领域的研究热点。 比如， 2013年初欧盟在第 7框架计划 启动了面向 5G研发的 METIS项目； 2016年 7月 15日， 美国联邦通信委员会 （FCC ) 定义了如下用于 5G的毫米波频段： 28GHz (27.5-28.35GHz) ， 37GHz (37-38. 6GHz) 和 39GHz (38.6-40GHz) 。 目前， 国际上许多著名移动终端设备厂商已 经计划将实现 5G功能作为其新一代移动终端产品的标准配置� �� 并预期在 2020年 实现 5G的商品化。

[0003] 为了实现上述目的， 设计出适合于手机终端的行之有效的毫米波天 线阵列是必 不可少的重要环节。 此外， 为了增强手持设备的质感和强度， 金属机身已经被 广泛地应用在手持设备中。 虽然适用于金属机身的 2G、 3G和 4G天线设计已经成 熟， 但是由于 5G毫米波天线阵列的特殊性， 如何设计出适合于金属机身的 5G毫 米波天线阵列将是我们所要面临并急需解决的 首要问题。

技术问题

[0004] 本发明所要解决的技术问题是： 提供一种用于第五代无线通信， 适用于金属机 身的毫米波阵列天线系统。

问题的解决方案

技术解决方案

[0005] 为了解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案为：

[0006] 一种基于金属机身的毫米波阵列天线系统， 包括金属机身和阵列天线， 所述阵 列天线设在所述金属机身上； 所述阵列天线包括两个以上缝隙天线， 所述缝隙 天线嵌设在所述金属机身内。

发明的有益效果

有益效果

[0007] 本发明的有益效果在于： 在金属机身上幵设缝隙作为天线的辐射单元， 通过多 个辐射单元形成适用于毫米波的天线阵列， 克服了金属机身对无线信号的屏蔽 作用； 由于幵设的缝隙天线较小， 所以并不会影响金属机身的整体性， 也可以 在缝隙天线中填充低损耗材料来保持其美观性 和完整性。

对附图的简要说明

附图说明

[0008] 图 1为本发明实施例一的 T形缝隙天线阵列的结构示意图；

[0009] 图 2为本发明实施例一的 T形缝隙天线的幵路形式馈电示意图；

[0010] 图 3为图 2所示的 T形缝隙天线的幵路形式馈电侧视图；

[0011] 图 4为本发明实施例一的 T形缝隙天线的短路形式馈电示意图；

[0012] 图 5为图 3所示的 T形缝隙天线的短路形式馈点侧视图；

[0013] 图 6为本发明实施例一的 T形缝隙天线阵列的 S参数图；

[0014] 图 7a为图 1所示的 T形天线阵列在工作频率为 28GHz、 扫描角度 （theta) 为 0度 条件下天线阵列的 3维远场辐射图；

[0015] 图 7b为图 1所示的 T形天线阵列在工作频率为 28GHz、 扫描角度 （theta) 为 20度 条件下天线阵列的 3维远场辐射图；

[0016] 图 7c为图 1所示的 T形天线阵列在工作频率为 28GHz、 扫描角度 （theta) 为 40度 条件下天线阵列的 3维远场辐射图；

[0017] 图 8为图 1所示的 T形天线阵列 XZ平面内不同扫描角度 （theta) 情况下的天线增 益特性曲线；

[0018] 图 9为本发明实施例二的 T形缝隙天线阵列在手机终端上应用吋的结构� �意图； [0019] 图 10a为图 9所示的 T形缝隙天线阵列在工作频率为 28GHz、 扫描角度 （theta) 为 0度条件下天线阵列的 3维远场辐射图；

[0020] 图 10b为图 9所示的 T形缝隙天线阵列在工作频率为 28GHz、 扫描角度 （theta) 为 20度条件下天线阵列的 3维远场辐射图； [0021] 图 10c为图 9所示的 T形缝隙天线阵列在工作频率为 28GHz、 扫描角度 （theta) 为 40度条件下天线阵列的 3维远场辐射图；

[0022] 图 11为图 9所示天线阵列在 XZ平面内不同扫描角度 （theta) 情况下的天线增益 特性；

[0023] 图 12为本发明实施例二的长方形缝隙天线阵列在� ��机终端上应用的示意图； [0024] 图 13a

为图 12所示的长方形缝隙天线阵列在工作频率为 28GHz、 扫描角度 （theta) 为 0 度条件下天线阵列的 3维远场辐射图；

[0025] 图 13b为图 12所示的长方形缝隙天线阵列在工作频率为 28GHz、 扫描角度为 （th eta) 20度条件下天线阵列的 3维远场辐射图；

图 13c为图 12所示的长方形缝隙天线阵列在工作频率为 28GHz、 扫描角度为 （th eta) 40度条件下天线阵列的 3维远场辐射图；

[0027] 图 14为图 12所示的长方形缝隙天线阵列在 XZ平面内不同扫描角度 （theta) 情 况下的天线增益特性；

[0028] 图 15为本发明如图 1， 图 9和图 12所示的天线阵列在 YZ平面内的远场特性增益 分布比较图；

[0029] 图 16为本发明实施例二的 T形缝隙天线阵列全部设在后壳体上的结构示� �图； [0030] 图 17为本发明实施例二的 T形缝隙天线阵列全部设在侧壳体上的结构示� �图； [0031] 图 18为本发明如图 1、 图 16和图 17所示的天线阵列在 YZ平面内的远场特性增益 分布比较图。

[0032] 标号说明：

[0033] 1、 天线阵列； 2、 缝隙天线； 3、 第一缝隙分支； 4、 第二缝隙分支；

[0034] 5、 微带线； 6、 金属后壳； 7、 电介质层； 8、 导电柱； 9、 移动终端；

[0035] 10、 金属机身； 11、 后壳体； 12、 侧壳体。

具体实施方式

[0036] 本发明最关键的构思在于:在金属机身上幵设� �隙作为天线的辐射单元， 通过 多个辐射单元形成适用于毫米波的天线阵列， 克服了金属机身对无线信号的屏 蔽作用。

[0037] 请参照图 1， 一种基于金属机身的毫米波阵列天线系统， 包括金属机身和阵列 天线， 所述阵列天线设在所述金属机身上； 所述阵列天线包括两个以上缝隙天 线， 所述缝隙天线嵌设在所述金属机身内。

[0038] 从上述描述可知， 本发明的有益效果在于： 在金属机身上幵设缝隙作为天线的 辐射单元， 通过多个辐射单元形成适用于毫米波的天线阵 列， 克服了金属机身 对无线信号的屏蔽作用； 由于幵设的缝隙天线较小， 所以并不会影响金属机身 的整体性， 也可以在缝隙天线中填充低损耗材料来保持其 美观性和完整性。

[0039] 进一步的， 所述金属机身上设有一电介质层， 所述缝隙天线通过所述电介质层 连接一微带线进行馈电。

[0040] 由上述描述可知， 当采用传统的微带线对缝隙天线进行馈电吋需 要通过一电介 质层， 馈电的方式可以是幵路的方式耦合， 也可以是短路的方式耦合。

[0041] 进一步的， 靠近所述缝隙天线一端的金属机身上设有一导 电柱， 所述微带线的 末端通过所述导电柱进行接地。

[0042] 由上述描述可知， 微带线对缝隙天线进行馈点吋可以通过一导电 柱采用短路形 式的耦合方式进行。

[0043] 进一步的， 所述金属机身包括后壳体， 所述天线阵列设于所述后壳体上。

[0044] 进一步的， 所述金属机身包括侧壳体， 所述天线阵列设于所述侧壳体上。

[0045] 进一步的， 所述金属机身包括后壳体和侧壳体， 所述缝隙天线的部分设于所述 侧壳体上， 所述缝隙天线未设于所述侧壳体上的部分设于 所述后壳体上。

[0046] 由上述描述可知， 可根据需要将缝隙天线阵列设置在侧壳体或后 壳体上； 或者 是部分位于侧壳体部分位于后壳体， 使得缝隙天线能在远场产生较均匀的辐射 分布。

[0047] 进一步的， 所述缝隙天线包括长条形的第一缝隙分支和第 二缝隙分支； 所述第 二缝隙分支的一端与第一缝隙分支的中间区域 连接， 另一端远离第一缝隙分支

[0048] 由上述描述可知， 缝隙天线包括长条形的第一缝隙分支和第二缝 隙分支， 可使 其产生的环绕缝隙分支周围分布的电流具有较 好的均匀性。 [0049] 进一步的， 所述第二缝隙分支的一端与第一缝隙分支的中 点连接。

[0050] 进一步的， 所述第一缝隙分支和第二缝隙分支均为矩形分 支， 所述第一缝隙分 支的长度为所述缝隙天线工作频率所对应波长 的 1/2; 所述第二缝隙分支的长度 为所述缝隙天线工作频率所对应波长的 1/4。

[0051] 由上述描述可知， 矩形长条的结构特征能够进一步的保证由其产 生的环绕缝隙 分支周围分布的电流具有最佳的均匀分布效果 ； 第二缝隙分支相当于传统的长 方形缝隙天线， 传统的长方形缝隙分支的长度为其工作频率所 对应波长的 1/2左 右。 因此， 从天线的长度方向看， 本申请的缝隙天线相较传统的长方形缝隙天 线， 具有显著减小整体尺寸的优点， 能够更好的适用于微小型终端。

[0052] 进一步的， 所述缝隙天线为长方形缝隙天线， 所述缝隙天线的长度为所述缝隙 天线工作频率所对应波长的 1/2。

[0053] 进一步的， 相邻两个缝隙天线之间的间距为所述缝隙天线 工作频率所对应波长 的 1/2 1。

[0054] 由上述描述可知， 每个缝隙天线之间的间距满足毫米波天线阵列 的要求。

[0055] 进一步的， 所述第一缝隙分支和第二缝隙分支的宽度为 0.01-2mm。

[0056] 进一步的， 所述第一缝隙分支和第二缝隙分支的宽度为 0.5mm。

[0057] 由上述描述可知， 缝隙分支的宽度在 0.5mm吋的天线辐射效果较好。

[0058] 进一步的， 所述长方形缝隙天线的宽度为 0.01-2mm。

[0059] 进一步的， 所述长方形缝隙天线的宽度为 0.5mm。

[0060] 进一步的， 所述第一缝隙分支和第二缝隙分支垂直连接形 成一 T字形。

[0061] 进一步的， 所述第一缝隙分支与所述第二缝隙分支连接形 成一 Y字形。

[0062] 进一步的， 所述第一缝隙分支与所述第二缝隙分支连接形 成一箭头形。

[0063] 由上述描述可知， 可以将缝隙天线设计为 T字形、 Y字形或者箭头形， 都能克 服金属机身对无线信号的屏蔽作用， 实现辐射效果。

[0064] 实施例一

[0065] 请参照图 1至图 8， 本发明的实施例一为： 一种基于金属机身的毫米波阵列天线 系统， 适用于第五代无线通信系统， 将毫米波阵列天线系统应用在移动终端上 ， 能克服金属机身对无线信号的屏蔽作用， 所述终端可以是手机、 平板等有天 线需求的移动终端。

[0066] 本实施例中， 如图 1所示， 只有金属后壳 6为金属材质， 移动终端的其他壳体部 位为非金属材质。 所述毫米波天线阵列 1包括两个以上缝隙天线 2， 优选的， 本 实施例中所述天线阵列 1包括 8个缝隙天线 2。 缝隙天线 2嵌设在所述金属后壳 6内 ， 并且位于金属后壳 6的边缘位置， 当然也可以设在金属后壳 6的其他位置， 不 限于边缘位置。 所述缝隙天线 2包括分别为长条形的第一缝隙分支 3和第二缝隙 分支 4， 所述第一缝隙分支 3和第二缝隙分支 4垂直连接并形成一 T字形， 即第二 缝隙分支 4的一端与第一缝隙分支 3的中点连接， 使第一缝隙分支 3连接点两边的 辐射强度相同， 缝隙天线 2整体电流分布更均匀。

[0067] 天线阵列 1可以采用串联不等分功率馈电网络或者并联� �功率馈电网络或者其 他馈电方式进行馈电， 本实施例的所述天线阵列 1通过并联等功率馈电网络对其 进行馈电。 具体的， 本实施例通过微带线对缝隙天线进行耦合馈电 。 通过微带 线对缝隙天线进行馈电吋有两种不同的方式： 短路和幵路。 如图 2和图 3所示为 幵路的方式， 所述缝隙天线 2通过微带线 5进行耦合馈电， 在微带线 5与金属后壳 6之间设有电介质层 7， 为了满足毫米波的要求， 电介质层 7采用损耗较小的材料 ， 例如罗杰斯 （Rogers) 材料。 如图 4和图 5所示为采用短路的方式进行馈电， 在 靠近缝隙天线 2—端的金属后壳 6上设有一导电柱 8， 所述微带线 5的末端通过所 述导电柱 ₈ 与接地层连接， 同样的， 缝隙天线 2通过电介质层 7连接微带线 5进行 耦合馈电。

[0068] 本实施例中， 第一缝隙分支 3的长度为所述缝隙天线 2工作频率所对应波长的 1/ 2； 所述第二缝隙分支 4的长度为所述缝隙天线 2工作频率所对应波长的 1/4， 所述 第一缝隙分支 3和第二缝隙分支 4的宽度可根据需要设定， 优选的， 所述第一缝 隙分支 3和第二缝隙分支 4的宽度为 0.01-2mm， 进一步优选 0.5mm。 相邻两个缝隙 天线 2之间的间距为所述缝隙天线 2工作频率所对应波长的 1/2~1， 可根据具体情 况进行选择。 为了不破坏金属机身的外观， 也可以在缝隙天线 2处填充低损耗材 料。

[0069] 天线辐射体上的表面电流分布决定了天线在 3维远场的辐射强度分布， 无论缝 隙天线的形状如何， 缝隙天线辐射体的表面电流都是环绕着缝隙天 线的周围分 布的。 本实施例以 T字形缝隙天线作为毫米波阵列天线的辐射单� �， 它除了具有 较强的沿着第二缝隙分支 4的长度方向上的分布电流外， 同吋还具有较强的沿着 第一缝隙天线分支 3的长度方向的分布电流。 再者， 由于 Τ字形缝隙天线的两个 分支是相互垂直的， 所以在 Τ字形缝隙天线的远场辐射分布具有很好的均� ��性， 能够很好的克服传统长方形缝隙天线只具有沿 其长度方向的分布电流， 在远程 辐射强度不均匀的缺点。

[0070] 具体的， 如图 6所示， 为图 1所示的 Τ形缝隙天线阵列的 S参数图， 图中的八条曲 线分别对应 8个 Τ形缝隙天线 2的 S参数曲线， 其中最上面的一条曲线为其中一个 缝隙天线 2的 S参数曲线， 下面的七条曲线为其他七个缝隙天线 2与所述其中一个 缝隙天线 2耦合后的 S参数曲线。 从图中可以看出， 所述缝隙天线 2工作在 28GHz 的毫米波段内； 并且缝隙天线 2之间的互耦小于 -14.6dB， 满足天线阵列的波束成 形与扫描的要求。 图 7a、 图 7b和图 7c分别为图 6所示的天线阵列在工作频率为 28 GHz. 扫描角度 （theta, 与 Z轴夹角） 分别为 0度， 20度和 40度情况下天线阵列的 3维远场辐射图。 图 8为所述天线阵列在 XZ平面内不同扫描角度情况下的天线增 益特性曲线。 当横坐标的数值为 -90吋， 从上往下的曲线对应的扫描角分别为 50 度、 40度、 30度、 0度、 10度和 20度。 从图 7a、 图 7b、 图 7c和图 8中的结果可以看 出， 本实施例中的毫米波天线阵列具有很好的波束 成形与波束扫描的特性。

[0071] 在另一具体实施方式中， 所述第一缝隙分支 3与所述第二缝隙分支 4连接形成一 Y字形。

[0072] 在另一具体实施方式中， 所述第一缝隙分支 3与所述第二缝隙分支 4连接形成一 箭头形。

[0073] 在其他具体实施方式中， 第一缝隙分支 3和第二缝隙分支 4还可以采用其他的连 接方式， 不限于上述 τ字形、 Y字形或箭头形的连接方式。

[0074] 实施例二

[0075] 请参照图 9至图 18， 本实施例在实施例一的基础上， 金属机身 10的后壳体 11和 侧壳体 12均为金属材质。

[0076] 具体的， 所述移动终端 9包括金属机身 10， 所述天线阵列 1设在所述金属机身 10 的边缘位置， 当然可以设置在金属机身 10的中间部位。 所述金属机身 10包括后 壳体 11和侧壳体 12。 如图 9所示， 为本实施例中的一种具体实施方式， 所述天线 阵列 1包括 8个 T形缝隙天线 2， 所述缝隙天线 2的第一缝隙分支 3设于所述侧壳体 1 2上， 所述第二缝隙分支 4一部分设于所述侧壳体 12上， 另一部分设于所述后壳 体 11上。 图 10a、 图 10b和图 10c分别为图 9所示的 T形缝隙天线阵列在工作频率为 28GHz. 扫描角度 （theta) 分别为 0度， 20度和 40度情况下天线阵列的 3维远场辐 射图。 图 11为图 9所示天线阵列在 XZ平面内不同扫描角度情况下的天线增益特性 。 当横坐标的数值为 -90吋， 从上往下的曲线对应的扫描角分别为 50度、 40度、 3 0度、 0度、 10度和 20度。 从图 10a、 图 10b、 图 10c和图 11中可以看出所述毫米波 天线阵列也具有很好的波束成形与波束扫描的 特性。

[0077] 本实施例的另一具体实施方式为， 如图 12所示， 将长方形缝隙天线的一部分设 在后壳体 11上， 另一部分设在侧壳体 12上， 所述长方形缝隙天线的长度为所述 长方形缝隙天线工作频率所对应波长的 1/2， 缝隙天线的宽度可根据需要进行设 定， 优选宽度为 0.01-2mm， 进一步优选 0.5mm， 相邻两个缝隙天线之间的间距为 所述缝隙天线工作频率所对应波长的 1/2~1。 此吋在后壳体 11上的缝隙天线与在 侧壳体 12上的缝隙天线垂直， 因此也能在远场产生较为均匀的辐射， 图中的天 线阵列包含了 8个长方形缝隙天线。 图 13a、 图 13b和图 13c分别为图 12所示的长方 形缝隙天线阵列在工作频率为 28GHz、 扫描角度 （theta) 分别为 0度， 20度和 40 度情况下天线阵列的 3维远场辐射图。 图 14为图 12所示天线阵列在 XZ平面内不同 扫描角度情况下的天线增益特性。 当横坐标的数值为 -90吋， 从上往下的曲线对 应的扫描角分别为 50度、 40度、 30度、 0度、 10度和 20度。 从图 13a、 图 13b、 图 1 3c和图 14中可以看出所述长方形的毫米波天线阵列也� ��有很好的波束成形与波束 扫描的特性。

[0078] 图 15为图 1、 图 9和图 12所示的天线阵列在 YZ平面内的远场特性增益分布比较 图。 图中实线表示图 1所示的天线阵列， 包含倒三角的虚线表示图 9所示的天线 阵列， 包含方形的虚线表示图 12所示的天线阵列。

[0079] 如图 16所示， 在另一具体实施方式中， T形的天线阵列 1全部位于后壳体 11上。

[0080] 如图 17所示， 在另一具体实施方式中， T形的天线阵列 1全部位于侧壳体 12上。

[0081] 图 18为图 1、 图 16与图 17所示的天线阵列在 YZ平面内的远场特性增益分布比较 图。 图中实线表示图 1所示的天线阵列， 包含正三角的虚线表示图 16所示的天线 阵列， 包含正方形的虚线表示图 17所示的天线阵列。 从图 15和图 18中可以看出 ， 由于天线阵列在金属机身上分布位置的不同， 其相应的天线阵列的远场辐射 分布也存在一定的差异。 比如， 当天线阵列 1的一部分分布在后壳体 11上， 另一 部分分布在侧壳体 12上吋， 无论天线辐射单元为长方形缝隙或者是 T字形缝隙， 天线阵列的远场辐射方向具有很高的相似性。 设计者可以利用上述的差异特点 ， 在具体的应用环境下对天线阵列的分布形式进 行相应的选择。

[0082] 虽然实施例一和实施例二以 28GHz的毫米波频段作为具体实施例进行说明， 本 发明方案中提出的缝隙天线阵列也适用于其它 毫米波频段， 在这里就不一一赘 述。

[0083] 综上所述， 本发明提供的基于金属机身的毫米波阵列天线 系统， 适用于金属机 身的移动终端， 并且构成天线阵列的缝隙天线的尺寸较小， 不会影响移动终端 的整体性。