[0001] 本发明涉及天线通信领域， 具体说的是用于第五代无线通信的双频阵列天 线。

背景技术

[0002] 在现代通讯领域， 从第一代移动通信系统 2G到第四代移动通信系统 4G LTE,主 要解决的是人与人之间的沟通， 然而第五代 （5G) 移动通信系统， 也即 5G， 将 解决人与人之外的人与物、 物与物之间的沟通， 即实现万物互联的愿望。 5G的 传输速率将是 4G的百倍以上并且支持海量的设备连接， 进而使得万物互联成为 可能， 同吋可以实现汽车的自动驾驶、 3D的虚拟现实、 远程医疗等。 可以预言 ， 第 5代移动通信系统将是面向 2020年之后的新一代移动通信系统。

[0003] 在移动终端上 5G的实施将使得移动终端设备的应用更加方便� �� 更加得心应手， 更加小型化多样化， 功能更加强大。 能否把 5G的技术在手持设备上得到良好的 应用的关键是如何设计出能适用于 5G通信的天线阵列系统。

[0004] 在 2016年 7月 15日， 美国联邦通信委员会 （FCC) 定义了用于 5G的毫米波频段 ： 除了 28GHz (27.5-28.35GHz) 的频段外， 还包含了整体工作频率范围为 37-40 GHz的 37GHz (37-38.6GHz) 和 39GHz (38.6-40GHz) 这两个频段。

[0005] 现在的低频频谱资源已非常拥挤， 很难满足未来 5G通信的需求， 因此， 幵发毫 米波作为 5G频段成为必然。 用于 5G的毫米波具有频谱资源丰富、 定向性好、 抗 干扰能力强等特点。 毫米波通信系统前端的天线尤为重要， 而且天线的增益、 带宽、 效率等性能直接决定着系统的优劣。 我们知道 5G天线必须是天线阵列， 构成这个天线阵列的馈电网络形式有如下几种 ： 串联、 并联， 以及串并联的组 合。 过去， 5G天线阵列的设计多集中在带宽较窄的 28GHz的频段上， 而无法满 足最新定义的 5G毫米波频段的要求， 因此， 有必要提供一种能够适用于 37GHz 和 39GHz的双频 5G天线阵列系统。

技术问题

[0006] 本发明所要解决的技术问题是： 提供一种第五代无线通信的双频阵列天线， 适 用于 37GHz和 39GHz, 具有带宽大、 增益和效率高、 方向性好等特点。

问题的解决方案

技术解决方案

[0007] 为了解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案为：

[0008] 用于第五代无线通信的双频阵列天线， 所述双频阵列天线的天线单体包括设置 在立体天线载体表面的第一天线辐射体和第二 天线辐射体；

[0009] 所述第一天线辐射体为一单极天线； 所述第二天线辐射体为一环绕所述第一天 线辐射体设置， 并与 PCB板的地连接的环形天线。

发明的有益效果

有益效果

[0010] 本发明的有益效果在于： 区别于现有技术的 5G天线阵列只支持 28GHz的频段

, 无法满足其它 5G毫米波频段要求的不足。 本发明通过设计阵列天线中的天线 单体包含两个特殊的天线辐射体结构， 每个辐射体产生一个相互独立的谐振， 使天线具有双谐振， 可以同吋包含 37GHz和 39GHz两个频段， 从而扩展 5G天线 的工作频段， 更好地满足 5G毫米波频段的要求。 具体的， 由第一天线辐射体构 成的单极天线直接馈电， 产生频率为 36-40GHZ范围左右的一个谐振点； 由构成 环形天线的第二天线辐射体与第一天线辐射体 耦合， 产生另一个频率为 36-40G Hz范围左右的另一个谐振点， 第一辐射体以及第二辐射体各自产生的谐振可 通 过尺寸调整实现互换和调整， 从而使天线同吋获得 37GHz和 39GHz两个频段。 由上述结构的天线单体构成的阵列天线， 其工作带宽可以将 FCC定义的 37GHz 和 39GHz的两个 5G频段完美地包含在内； 同吋， 还能具有高辐射效率和高增益 、 带宽大、 方向性好、 稳定性强等特点。

对附图的简要说明

附图说明

[0011] 图 1为本发明天线单体的结构示意图；

[0012] 图 2为本发明天线单体与 PCB板的连接结构示意图；

[0013] 图 3为本发明双频阵列天线的整体结构示意图； [0014] 图 4为本发明天线单体的回波损耗图；

[0015] 图 5为本发明天线阵列的回波损耗图；

[0016] 图 6为本发明天线阵列的增益曲线图；

[0017] 图 7为本发明天线阵列在频率为 40GHz的三维辐射方向图；

[0018] 图 8为本发明天线阵列在频率为 37 GHz的二维辐射方向图；

[0019] 图 9为本发明天线阵列在频率为 38.5GHz的二维辐射方向图；

[0020] 图 10为本发明天线阵列在频率为 40GHz的二维辐射方向图；

[0021] 标号说明：

[0022] 天线单体 -1; 馈电网络 -2; T字形网络节点 -3; 立体天线载体 -4;

[0023] 第一天线辐射体 -5; 第二天线辐射体 -6; PCB板 -7;

[0024] 衬底 -8; PCB地板 -9; 过孔 -10; 第一焊盘 -11; 第二焊盘 -12;

[0025] 第三焊盘 -13; 第四焊盘 -14; 第五焊盘 -15; 第六焊盘 -16;

[0026] 馈电点 -17; 棱线 -18; 阵列馈电点 -19。

本发明的实施方式

[0027] 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 附图予以说明。

[0028] 本发明最关键的构思在于： 天线单体的辐射体结构包括一单级天线和一环 绕单 级天线并与 PCB板地连接后而构成的环形天线， 每个辐射体产生一个相互独立 的谐振， 使天线具有双谐振， 符合 FCC最新定义的 37GHz和 39GHz 5G毫米波的 频段要求。

[0029] 本发明涉及的技术术语解释： 1據术暴錄. 鲜暴

1拳欽纖 _: 直錄 —波暴 :天线 ；

1 形: 錢 ：是錄一灘金 导魏:欽烕一定影 爾形、誦、 f 厢威一个輝 鲁 ¾翁 '玲为输 縐翁錄翁:

1翁¾ 霧 多 天戴举暴讓凝' 乘:使其翁戴天戴:阵藉 I蝽:系统 最 系翁可;: 并纖： ¾ 翁 ：继；?；璧：舰塵鍾暨龜 ： ¾應举振 购！ ¾ ： 籍构中的 一 幾 ¾翁拳 .φ

[0030] 请参照图 1， 本发明提供一种用于第五代无线通信的双频阵 列天线， 所述双频 阵列天线的天线单体包括设置在立体天线载体 表面的第一天线辐射体和第二天 线辐射体；

[0031] 所述第一天线辐射体为一单极天线； 所述第二天线辐射体为一环绕所述第一天 线辐射体设置， 并与 PCB板的地连接的环形天线。

[0032] 从上述描述可知， 本发明的有益效果在于： 本发明的天线单体由第一天线辐射 体构成工作频率为 1/4波长的单极天线直接馈电， 产生频率为 36-40GHZ范围左右 的一个谐振点； 由将第一天线辐射体环绕其中， 并与 PCB板的地连接的第二天线 辐射体构成工作频率为 1个波长的环形天线， 同样可以产生频率为 36-40GHZ范围 左右的另一个谐振点； 通过调节第一天线辐射体和第二天线辐射体的 长度可以 使得第一天线辐射体产生的谐振频率大于或小 于第二天线辐射体产生的谐振频 率， 从而使天线同吋包含 FCC最新定义的 37GHz和 39GHz的两个 5G频段； 而且具 有尺寸小、 带宽大、 增益和效率高， 以及方向性好并性能稳定的特点。

[0033] 进一步的， 所述第二天线辐射体通过所述 PCB板上的过孔与 PCB板的地连接。

[0034] 由上述描述可知， 立体天线载体表面上的第二天线辐射体本身不 能构成完整的 环形回路， 将第二天线辐射体的两端点通过 PCB板上的过孔与地连接后才形成完 整的环形回路， 从而构成工作频率为 1个波长的环形天线， 并产生频率为 36-40G Hz范围左右的一个谐振点。

[0035] 请参阅图 2， 进一步的， 所述立体天线载体和所述 PCB板之间通过焊盘连接； 所述焊盘与所述第二辐射体天线的两端点连接 ， 所述焊盘上设置有所述过孔。

[0036] 由上述描述可知， 焊盘连接方式不仅能够提高立体天线载体和 PCB板之间的连 接稳固性， 以及安装简易型； 而且还能方便第二辐射体天线与 PCB的地连接。

[0037] 进一步的， 所述立体天线载体的底面对应所述第二天线辐 射体的两端点分别设 置有第一焊盘和第二焊盘； 所述 PCB板的上表面对应所述第一焊盘和第二焊盘分 别设置有第三焊盘和第四焊盘； 所述两端点分别对应连接所述第一焊盘和第二 焊盘， 所述第一焊盘和第二焊盘分别对应连接第三焊 盘和第四焊盘。

[0038] 由上述描述可知， 载体和 PCB板上表面之间通过四个焊盘的焊接， 能够保证载 体连接牢固， 不易脱落； 同吋也方便载体的安装； 进一步也保证了第二辐射体 与 PCB板地连接的稳固性。

[0039] 进一步的， 所述立体天线载体的底面对应所述第一天线辐 射体的馈电点设置有 与其连接的第五焊盘； 所述 PCB板的上表面对应所述第五焊盘设置有与其连 接的 第六焊盘。

[0040] 由上述描述可知， 第五焊盘的设置不仅能够保证第一天线辐射体 的馈电连接稳 固； 而且还能进一步提升载体与 PCB板之间的连接稳固性。

[0041] 进一步的， 所述立体天线载体为矩形立体陶瓷； 所述第二天线辐射体沿所述矩 形立体陶瓷的棱线设置。

[0042] 由上述描述可知， 立体天线载体为矩形， 不仅具有良好稳固性； 而且方便辐射 体的排布设置。 将第二天线辐射体设计为沿载体的棱线走线， 不仅方便生产， 不易脱落； 而且能够有效防止辐射体之间重叠， 保证辐射体具有良好的工作性 育^ 同吋也更加美观。

[0043] 由于天线辐射体 （天线单体） 的尺寸由天线载体的电介常数决定， 载体的电介 常数越大， 波长越短进而可以减小天线的整体尺寸。 本发明的载体为陶瓷材质 ， 由于具有较理想的电介常数， 所以我们所要求的 1/4波长的单级 （monopole) 天线以及一个波长的环形 （loop) 天线的尺寸也就会变小， 从而实现天线单体整 体尺寸的缩小， 进而实现阵列天线整体尺寸的缩小， 能够更好的适用于微型通 讯设备。

[0044] 进一步的， 所述第一天线辐射体设置在所述矩形立体陶瓷 的一侧面； 所述第二 天线辐射体分布设置在所述一侧面、 矩形立体陶瓷的上表面以及与所述一侧面 相邻的侧面。

[0045] 由上述描述可知， 第一天线辐射体和第二天线辐射体的走位设置 不仅能够保证 二者形成所需谐振点； 而且不易脱落。

[0046] 请参阅图 3， 进一步的， 还包括馈电网络， 两个以上的所述天线单体与所述馈 电网络连接； 每个天线单体之间的距离为所述双频阵列天线 的工作频率的 1/2到 1 个波长之间。

[0047] 进一步的， 所述馈电网络由 2n-l个功率分配器相互级联构成； 所述天线单体的 个数为 2η个； 所述 η为正整数。

[0048] 进一步的， 所述馈电网络包含 2η-1个 Τ字形网络节点， 每个所述 Τ字形网络节点 处包含一个相对所述双频阵列天线的中心工作 频率 1/4个波长的阻抗转换器。

[0049] 由上述描述可知， 虽然也可以采取其它形式， 如串联或串并联混合等的馈电网 络， 本发明实例中采用的是并联式的微带线馈电网 络。 本发明中所述的双频阵 列天线能够克服 5G频率很高， 在空气中损耗大， 传输距离短的问题， 保证传输 距离达到标准， 增加天线的增益， 从而达到远距离传输通信的要求。

[0050] 实施例一

[0051] 请参照图 1、 图 3和图 5， 本实施例提供一种用于第五代无线通信的双频 阵列天 线， 可以同吋包含 37GHz和 39GHz两个频段的大带宽， 同吋具有增益和辐射效率 高， 方向性好等优点， 可以为移动设备提供未来 5G通信的毫米波天线阵列系统

[0052] 所述双频阵列天线包括多个的天线单体 1和馈电网络 2， 所述天线单体 1与所述 馈电网络 2连接。 每个所述天线单体 1包括立体天线载体 4和 PCB板 7; 立体天线载 体 4的表面围绕设置有第一天线辐射体 5和第二天线辐射体 6， 分别产生不同的谐 振点， 实现双频特点。 每个谐振点由不同的天线分支产生， 具体的：

[0053] 所述第一天线辐射体 5为一工作频率为 1/4波长的单极 （monopole) 天线， 其馈 电点与 PCB板 7的上表面连接， 通过直接对第一天线辐射体进行馈电形成天线 频 率为 36-40GHZ范围左右的一个谐振点， 即第一天线辐射体 5本身作为一个天线分 支的全部， 产生该谐振点。 [0054] 所述第二天线辐射体 6通过将其两端点与 PCB板 7的地连接而构成环形回路， 环 形回路的工作频率为一个波长； 第二天线辐射体 6将所述第一天线辐射体 5环绕 在其中， 获取耦合关系， 由此第二天线辐射体 6通过与第一天线辐射体 5的耦合 形成天线频率为 36-40GHZ范围左右的另一个谐振点。

[0055] 优选的， 所述第一天线辐射体 5和第二天线辐射体 6可通过尺寸的调整分别形成 频率为 39GHz左右以及 36GHz左右的两个谐振点， 当然， 也可通过尺寸调整进行 互换和调整。

[0056] 由上述结构形成的天线单体 1， 由图 4天线单体的回波损耗图可知， 由其构成的 阵列天线具有双频特点， 将天线的工作频段拓展到了 37GHz和 39GHz， 能够很好 的适用于未来 5G天线为毫米波频段的通信。

[0057] 需要说明的是， 本实施例中的馈电网络 2可以是串联、 并联或者串并联组成的 形式； 可以是基于微带线的馈电网络， 也可以是采用衬底集成波导类型的形式

[0058] 请参阅图 3， 优选的， 上述馈电网络 2采用并联式的微带线馈电网络， 由 2n-l个 功率分配器相互级联构成， 包含 2n-l个 T字形网络节点 3， 每个 T字形网络节点 3 处包含一个相对天线工作频率 1/4个波长的阻抗转换器， 其他微带线特征阻抗均 可设为 50欧姆。 上述天线单体 1的个数为 2η个， 每个天线单体 1之间的距离为天 线中心工作频率的 1/2到 1个波长之间。

[0059] 参见图 5， 为具有 8个天线单体 1的双频阵列天线的回波损耗图， 本实施例中的 馈电网络 2的回波损耗在 -28dB左右， 很好地满足了天线阵列的要求； 该天线阵 列每个天线单体 1之间的距离为 0.65波长左右。

[0060] 实施例二

[0061] 请参照图 2， 本实施例在实施例一的基础上， 对双频天线单体的结构进一步的 拓展。

[0062] 具体的， 所述天线单体 1的立体天线载体 4的底面对应所述第二天线辐射体 6的 两端点分别设置有第一焊盘 11和第二焊盘 12。 所述 PCB板 7包括 PCB衬底 8和 PCB 地板 9; 在 PCB板 7的上表面 （PCB衬底 8) 对应所述第一焊盘 11和第二焊盘 12分 别设置有第三焊盘 13和第四焊盘 14， 它们通过过孔 10与 PCB地板 9连接； 第二天 线辐射体 6的两个端点分别对应连接所述第一焊盘 11和第二焊盘 12， 所述第一焊 盘 11和第二焊盘 12分别对应连接第三焊盘 13和第四焊盘 14。

[0063] 立体天线载体 4与 PCB板 7之间通过四个焊盘保证牢固连接； 同吋， 第二天线辐 射体 6还能借助焊盘， 与 PCB板 7的地连接， 从而形成环形回路。 具体的， PCB板 7上的第三焊盘 13和第四焊盘 14上设置有与地相通的过孔 10， 优选的过孔 10的数 量为两个以上； 第二天线辐射体 6的两端点能通过焊盘与 PCB板的地连接， 构成 一个环形天线。

[0064] 进一步的， 立体天线载体 4的底面对应所述第一天线辐射体 5的馈电点 17设置有 与其连接的第五焊盘 15， 所述 PCB板 7的上表面对应所述第五焊盘 15设置有与其 连接的第六焊盘 16， 通过阵列馈电点 19直接对第一天线辐射体 5进行馈电获取天 线的第二谐振。

[0065] 优选的， 所述第一焊盘 11、 第二焊盘 12、 第三焊盘 13、 第四焊盘 14、 第五焊盘

15以及第六焊盘 16均为长条形。

[0066] 本实施例中， 焊盘的设置不仅能够保证载体与 PCB板 7的连接稳固； 而且还能 为第二天线辐射体 6与 PCB板 7地连接提供通道， 以及对第一天线辐射体 5直接进 行馈电。

[0067] 实施例三

[0068] 本实施例在实施例一和实施例二的基础上， 对双频天线单体的结构再进一步的 拓展。

[0069] 具体的， 所述立体天线载体 4可以是矩形立体结构 （正方体结构或长方体结构 ) ， 也可以是如圆柱形的柱状立体结构； 其材质可以是陶瓷或者其他具有良好 电介常数的材质。 本实施例中， 所述立体天线载体 4为矩形立体陶瓷。

[0070] 由于天线辐射体的尺寸由天线载体的电介常数 决定， 载体的电介常数越大， 波长越短。 本实施例中， 由于采用电介常数 e =8.0的陶瓷材料， 其电介常数较大 ， 因此天线辐射体的尺寸便可缩小， 天线单体的尺寸也将缩小， 所获取的阵列 天线的整体尺寸也将缩小， 能够更好的适用于微小型设备。

[0071] 优选的， 所述矩形立体陶瓷的长宽高分别为 0.9mm、 0.75mm和 0.9mm， 但不局 限于此， 可通过适当调节辐射体的尺寸， 改变载体的电介常数来获取所需的双 频谐振， 如采用不同电介常数的陶瓷材料进行简易的调 节。

[0072] 需要说明的是， 上述矩形立体陶瓷可以直接通过焊盘与 PCB板进行 SMT焊接， 不仅保证连接牢固， 而且安装简易。 区别于现有的贴片 （PATCH) 的天线形式 ， 即将 PATCH制作在多层 PCB板上， 使得天线设计缺少灵活性， 当理论设计的 天线与实际不符吋 （这种情况经常出现， 因为理论设计吋无法把天线周围的环 境都考虑进来） ， 不得不对整个 PCB做重新的制作， 而我们贴片式陶瓷天线就不 需要对 PCB板做重新的制作， 只对矩形立体陶瓷本身进行适当的修改即可。 此外 ， 贴片式天线在 PCB板的表面上的面积或尺寸要远远大于本发明 中的立体天线的 尺寸， 因此基于贴片式天线的天线阵列将在 PCB板上占有更大的面积。 由于手持 设备的空间有限， 因此本发明的立体天线比基于贴片式的天线更 适合在手持设 备中的应用。

[0073] 进一步的， 矩形立体陶瓷上第一天线辐射体 5和第二天线辐射体 6的排布设置可 以是：

[0074] 作为单极天线的第一天线辐射体 5竖直设置在矩形立体陶瓷的侧面， 其馈电端 与 PCB板 7连接， 悬空设置的另一端依据所需的频率范围可以位 于所述侧面内、 延伸到矩形立体陶瓷的上表面、 或者延伸到与所述侧面相对的另一侧面。 在本 实施例中， 第一天线辐射体 5竖直设置在矩形立体陶瓷一侧面的中间位置� � 其悬 空端与馈电端均位于所述侧面内。

[0075] 第二天线辐射体 6沿所述矩形立体陶瓷的棱线 18设置， 将第一天线辐射体 5环绕 其中。 优选的， 第二天线辐射体 6的一端由第一天线辐射体 5所在的侧面沿其棱 线 18向上延伸至上表面后， 环绕上表面的三条边延伸至顶点， 顺势由上述侧面 的相邻面上与所述侧面共同的棱线向下延伸至 与 PCB板； 所述第二天线辐射体 6 分布设置在所述一侧面、 矩形立体陶瓷的上表面以及与所述一侧面相邻 的侧面 ， 构成一凸字形。

[0076] 上述尺寸的矩形立体陶瓷上设置的上述结构的 第一天线辐射体 5和第二天线辐 射体 6， 能够通过第一天线辐射体 5产生频率为 39.544GHz的第一个谐振点； 通过 第二天线辐射体 6产生频率为 36.005GHz的另一个谐振点， 从而使阵列天线同吋 获得 37GHz和 39GHz两个频段。 需要说明的是， 本实施例的辐射体各自获得的谐 振点仅为一具体实施例， 第一天线辐射体 5以及第二天线辐射体 6各自产生的谐 振可通过尺寸调整实现互换和调整。

[0077] 参见图 4可知， 本实施例的阵列天线可以包含 37GHz和 39GHz的两个频段 （也 即 37GHz-40GHz) 。 图 6为天线阵列的最大增益曲线， 在 37-40GHz范围内天线阵 列的增益大于 12.9dB； 天线的增益将随着天线阵列的所包含的天线单 体个数的增 加而增加。 图 7为频率在 40GHz吋天线阵列的三维辐射方向图， 可以看出该天线 阵列系统有很好的辐射方向性， 而且最大值分布在整个 YZ平面内， 也就是说该 天线系统在 YZ平面的任何一个角度都可以用来接收和发射 5G信号， 这个特点恰 好适合手持设备的应用， 也即 5G信号既可以在屏幕的一侧而可以在设备的背� �� 被接收到。 此外， 该天线阵列具有较高的辐射效率， 在工作频段内天线阵列的 辐射效率都在—l.OdB以上。 图 8-10分别为频率在 37GHz、 38.5GHz和 40GHz频率 上的二维辐射方向图， 从上述图中可以看出该天线阵列在各个频率点 上都具有 较为一致的方向性。 此外， 该天线阵列也可以扩展到其它的 5G工作频段， 比如 2 8GHz或 60GHz等。

[0078] 综上所述， 本发明提供的用于第五代无线通信的双频阵列 天线， 不仅具有双谐 振， 可以包含 37GHz和 39GHz两个大带宽频段； 而且具有增益和效率高， 以及方 向性好的特点； 进一步的， 与 PCB板之间的安装简易和牢固； 再进一步的， 陶瓷 材质的载体使得天线具有体积小的特点。 此外， 同其它的天线阵列设计一样， 本发明提出的基于立体天线单元的天线阵列也 可以通过在馈电网络中加入相位 调整器达到对天线阵列的波束方向进行控制， 进而实现天线阵列的波束成形与 波束扫描。

[0079] 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。