毫米波多输入多输出天线及毫米波多输入多输出通信设备

技术领域

本发明实施例涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种毫米波多输入多输出天线及毫米波多输入多输出通信设备。

背景技术

随着第五代移动通信技术(5th generation mobile networks，5G)的发展，以及用户对于通信质量及速率日渐提升的要求，多输入多输出技术成为实现更高效移动通信的关键技术。多输入多输出技术是指在通信系统的发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使所要传输的通信信号能够通过发射端和接收端的多个天线进行传送和接收，从而使通信质量得到改善和提高。多输入多输出技术在提升通信系统的频谱效率、信息传输的可靠性等方面具有巨大优势，该技术能够充分利用空间资源，提高通信系统的信道容量，能够在不增加通信带宽的前提下，提高数据的吞吐率，从而满足用户对于通信质量的要求。在多输入多输出技术中，天线作为关键的输入/输出部件发挥着重要作用。

由于手机天线对于天线的尺寸要求较高，需要满足小型化且易于集成化的设计要求，因此手机天线一般采用电小天线，电小天线常常采用微带贴片天线的结构。在手机上设置多个电小天线时，各天线之间相互耦合的现象严重，影响了手机的通信性能。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种毫米波多输入多输出天线及毫米波多输入多输出通信设备，以提升手机的通信性能。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种毫米波多输入多输出天线，包括呈十字形拼合的四个分支区域，每个分支区域包括靠近十字形中心的梯形区域、远离十字形中心的矩形区域以及连接梯形区域和矩形区域的条形区域，梯形区域的上底与对应的矩形区域的长边相对设置，所述毫米波多输入多输出天线包括：顶层金属板1、接地的底层金属板2和位于所述底层金属板2和所述顶层金属板1之间的介质基板3；其中，

顶层金属板1，对应四个梯形区域的部分呈镂空状，以形成四个梯形缝隙4；

底层金属板2，对应四个矩形区域的部分呈镂空状，以形成四个矩形缝隙5；

介质基板3面向所述底层金属板2的表面贴有四个金属贴片6，四个金属贴片6分别设置在四个矩形区域内；

所述底层金属板2、所述介质基板3和所述顶层金属板1的整体结构具有分别围绕四个分支区域边缘排列的四组金属通孔7。

可选的，每个矩形区域对应的矩形缝隙5与该矩形缝隙内的金属贴片6组成一个转换器。

可选的，围绕矩形区域的金属通孔7沿远离矩形区域的方向排列成多排，围绕梯形区域的金属通孔7沿远离梯形区域的方向排列成多排；围绕矩形区域或梯形区域的金属通孔7之间的间距小于围绕条形区域的金属通孔7之间的间距。

可选的，四个梯形缝隙4的尺寸相同；四个矩形缝隙5的尺寸相同。

可选的，所述毫米波多输入多输出天线还包括：反射盖板8和垫柱9；

所述反射盖板8通过所述垫柱9固定在四个梯形缝隙4上方。

可选的，所述反射盖板8与所述梯形缝隙4之间的介质包括空气。

可选的，所述反射盖板8的材料包括罗杰斯板材。

可选的，所述顶层金属板1、所述底层金属板2、所述金属贴片6和所述金属通孔7的材料相同。

可选的，所述底层金属板2、所述介质基板3和所述顶层金属板1的整体结构还具有多个插孔10；所述插孔10用于插入固定部件以固定所述毫米波多输入多输出天线。

第二方面，本发明实施例提供了一种毫米波多输入多输出通信设备，所述毫米波多输入多输出通信设备包括上述第一方面所述的毫米波多输入多输出天线。

本发明实施例提供的毫米波多输入多输出天线及毫米波多输入多输出通信设备，由于顶层金属板、底层金属板、介质基板和金属通孔组成了基片集成波导结构，基片集成波导结构为平面结构，缩小了天线的体积，且平面结构易于与其他器件集成。而且作为天线单元的梯形缝隙的周围除了与矩形缝隙相对的边，其他三条边均设有金属通孔，金属通孔抑制了信号在除梯形缝隙和矩形缝隙之间的其他位置上传输，减小了天线之间的互耦现象，提升了手机的通信性能。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1a为本发明实施例提供的一种毫米波多输入多输出天线的主视图；

图1b为本发明实施例提供的一种毫米波多输入多输出天线的仰视图；

图1c为本发明实施例提供的一种毫米波多输入多输出天线的俯视图；

图2为本发明实施例提供的一种毫米波多输入多输出天线在工作频带范围内的反射系数仿真图；

图3为本发明实施例提供的一种毫米波多输入多输出天线在工作频带范围内的传输系数仿真图；

图4为本发明实施例提供的一种毫米波多输入多输出天线在工作频带范围内的峰值增益仿真图；

图5a为本发明实施例提供的第一梯形缝隙的XOZ面的辐射方向图仿真图；

图5b为本发明实施例提供的第一梯形缝隙的YOZ面的辐射方向图仿真图；

图5c为本发明实施例提供的第三梯形缝隙的XOZ面的辐射方向图仿真图；

图5d为本发明实施例提供的第三梯形缝隙的YOZ面的辐射方向图仿真图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了提升手机的通信性能，参见图1a-图1c，本发明实施例一种毫米波多输入多输出天线，该毫米波多输入多输出天线的整体结构包括呈十字形拼合的四个分支区域；每个分支区域包括靠近十字形中心的梯形区域、远离十字形中心的矩形区域以及连接梯形区域和矩形区域的条形区域，梯形区域的上底与对应的矩形区域的长边相对设置，所述毫米波多输入多输出天线包括：顶层金属板1、接地的底层金属板2和位于底层金属板2和顶层金属板1之间的介质基板3。

其中，顶层金属板1对应四个梯形区域的部分呈镂空状，以形成四个梯形缝隙4；底层金属板2对应四个矩形区域的部分呈镂空状，以形成四个矩形缝隙5；介质基板3面向底层金属板2的表面贴有四个金属贴片6，四个金属贴片6分别设置在四个矩形区域内，且金属贴片6与底层金属板2不相连。底层金属板2、介质基板3和顶层金属板1的整体结构具有分别围绕四个分支区域边缘排列的四组金属通孔7。

在本发明实施例中，每个金属通孔7穿过顶层金属板1、介质基板3和接地的底层金属板2，并连接顶层金属板1和底层金属板2，使得金属通孔7和顶层金属板1均接地。使得信号在梯形缝隙和矩形缝隙之间传输。

本发明实施例提供的毫米波多输入多输出天线，由于顶层金属板、底层金属板、介质基板和金属通孔组成了基片集成波导结构，基片集成波导结构为平面结构，缩小了天线的体积，且平面结构易于与其他器件集成。而且作为天线单元的梯形缝隙的周围除了与矩形缝隙相对的边，其他三条边均设有金属通孔，金属通孔抑制了信号在除梯形缝隙和矩形缝隙之间的其他位置上传输，减小了天线之间的互耦现象，提升了手机的通信性能。对于应用于手机通讯具有巨大优势。

在本发明的一个实施例中，每个矩形区域对应的矩形缝隙5与该矩形缝隙内的金属贴片6组成一个转换器。

转换器可以连接标准矩形波导(WR-15)，标准矩形波导向转换器馈入的电磁波的传播模式为TE10模，电磁波在金属贴片上传输模式转换为TM10模，经矩形缝隙耦合后传输模式转换为TE10模，然后将信号馈入介质基板中。

其中，TE10模表示横电波的电磁场沿波导宽边的驻波最大值为1，且电磁场沿波导窄边的驻波最大值为0，横电波不存在电场分量但存在磁场分量。TM10模表示横磁波的电磁场沿波导宽边的驻波最大值为1，且电磁场沿波导窄边的驻波最大值为0，横磁波不存在磁场分量但存在电场分量。

示例性的，矩形缝隙5的尺寸为2.6毫米(millimeter，mm)×1.325mm，金属贴片6的尺寸为0.6mm×0.6mm×0.03mm。

本发明实施例中，当转换器用于接收信号时，与转换器属于同一分支区域的梯形缝隙用于辐射信号；当转换器用于发射信号时，与转换器属于同一分支区域的梯形缝隙用于接收信号。而且，四个转换器可以不同时工作。

可选的，可以分别对方向相对的两个转换器馈电，使得从转换器对应的梯形缝隙辐射的信号在天线所在平面的辐射方向图可产生对称的效果，两个梯形缝隙的最大增益角沿中心对称，实现了天线辐射方向的可重构性。

在本发明的一个实施例中，围绕矩形区域的金属通孔7沿远离矩形区域的方向排列成多排；围绕梯形区域的金属通孔7沿远离梯形区域的方向排列成多排；围绕矩形区域或梯形区域的金属通孔7之间的间距小于围绕条形区域的金属通孔7之间的间距。

如图1b和图1c所示，每个实心黑色圆形为一个金属通孔7。矩形区域除与梯形区域相对的边，其他三条边均被围绕两排金属通孔7；梯形区域除与矩形区域相对的边，其他三条边均被围绕两排金属通孔7。矩形区域与梯形区域之间的条形区域的两条长边分别被围绕一排金属通孔7。

示例性的，金属通孔7是半径为：0.2mm。

在本发明实施例中，靠近矩形缝隙或梯形缝隙的金属通孔较多，且间距较小，能够使得毫米波多输入多输出天线产生更好的谐振效果，从而拓宽天线的带宽。

在本发明的一个实施例中，四个梯形缝隙4的尺寸相同，四个矩形缝隙5的尺寸相同。

在本发明的一个实施例中，如图1a所示，毫米波多输入多输出天线还包括：反射盖板8和垫柱9。

其中，反射盖板8通过垫柱9固定在四个梯形缝隙4上方。示例性的，垫柱9的材料可以为塑料。

需要说的是，图1c为了体现梯形缝隙结构，未画出反射盖板和垫柱，实际上梯形缝隙上方可以通过垫柱设置反射盖板。

在本发明的一个实施例中，反射盖板8与梯形缝隙4之间的介质包括空气。

示例性的，反射盖板8与梯形缝隙4之间的距离为5mm，即空气腔的高度为5mm。

在本发明的一个实施例中，反射盖板8的材料包括罗杰斯板材。

示例性的，反射盖板的型号可以为6006，尺寸为14mm×14mm×1.905mm，相对介电常数为6.15。

本发明实施例中，作为天线单元的梯形缝隙上方加载反射盖板，梯形缝隙辐射出的电磁波的一部分直接穿透反射盖板辐射而出，另一部分经反射盖板发生反射，在反射盖板与梯形缝隙之间的空气腔内多次发生发射，最终透过反射盖板辐射而出，多次反射的电磁波能够实现同相叠加，从而显著提高天线增益。且反射盖板结构简单，易于加工。

在本发明的一个实施例中，顶层金属板1、底层金属板2、金属贴片6和金属通孔7的材料相同。

例如，顶层金属板1、底层金属板2、金属贴片6和金属通孔7的材料均包括铜。

在本发明的一个实施例中，底层金属板2、介质基板3和顶层金属板1的整体结构还具有多个插孔10。其中，插孔10用于插入固定部件以固定毫米波多输入多输出天线。

例如，图1b和图1c中的空心圆为插孔10。

示例性的，顶层金属板1和底层金属板2的尺寸均为50mm×50mm×0.03mm。介质基板3为罗杰斯板材，型号为5880，尺寸为50mm×50mm×0.787mm。

本发明实施例提供的毫米波多输入多输出天线的工作过程为：

由标准矩形波导将电磁波馈入转换器，经转换器的矩形缝隙耦合后馈入介质基板中，电磁波经梯形缝隙辐射而出，在反射盖板与梯形缝隙之间的空气腔中发生反射，最后透过反射盖板辐射而出。

可选的，本发明实施例提供的毫米波多输入多输出天线的阻抗匹配带宽为52-73吉赫(Giga Hertz，GHz)，带宽覆盖第五代移动通信技术(5th generation mobilenetworks，5G)通信频段，可作为5G手机天线在民用通信中使用。

参见图2，图2为毫米波多输入多输出天线在工作频带范围内的反射系数仿真图。其中，横轴表示输入信号的频率，纵轴表示反射系数，带空心圆的曲线为S

其中，“第一”至“第四”仅用于区分不同的天线单元，每个天线单元表示一个梯形缝隙。

由图2可知天线在52-73GHz范围内四种反射系数均低于-10dB，阻抗匹配带宽为33.6％，说明天线具有良好的宽带性能。

参见图3，图3为毫米波多输入多输出天线在工作频带范围内的传输系数仿真图。其中，横轴表示输入信号的频率，纵轴表示传输系数，带空心圆的曲线为S

由图3可知，天线在52-73GHz的阻抗匹配带宽内，各天线单元隔离度均低于-10dB，满足手机天线隔离度的设计要求，说明天线单元之间互耦作用很小，适用于多输入多输出技术的实现。

参见图4，图4为毫米波多输入多输出天线在工作频带范围内的峰值增益仿真图，其中，横轴表示输入信号的频率，纵轴表示峰值增益。由图4可知，天线在52-73GHz范围内，最大增益可达12.1各向同性圆形分贝(dB isotropic circular，dBic)，说明天线具有高增益的特性。

图5a-图5d为毫米波多输入多输出天线在60GHz时不同天线单元馈电的XOZ面和YOZ面的辐射方向图仿真结果。其中，图5a-图5d为对第一梯形缝隙和第三梯形缝隙同时馈电时的仿真图。图5a为第一梯形缝隙的XOZ面的辐射方向图仿真结果；图5b为第一梯形缝隙的YOZ面的辐射方向图仿真结果；图5c为第三梯形缝隙的XOZ面的辐射方向图仿真结果；图5d为第三梯形缝隙的YOZ面的辐射方向图仿真结果。

分别对第一梯形缝隙和第三梯形缝隙馈电时，在XOZ面可实现辐射方向图的可重构特性，其最大辐射方向分别为-15度和15度，在YOZ面的辐射方向图具有对称性，两个面在最大辐射方向上的主极化均比交叉极化大40dB，分别对第二和第四梯形缝隙馈电时，也有类似的辐射效果。通过对本发明实施例提供的毫米波多输入多输出天线的仿真结果可以看出，该天线具有宽带高增益特性，可适用于多输入多输出技术的实现，通过对不同的天线单元馈电，可实现天线辐射方向图的可重构特性。

其中，第一梯形缝隙和第三梯形缝隙是两个相对的梯形缝隙。第二梯形缝隙和第四梯形缝隙是两个相对的梯形缝隙。

基于相同的发明构思，对应于上述实施例，本发明实施例提供了一种毫米波多输入多输出通信设备，该毫米波多输入多输出通信设备包括上述毫米波多输入多输出天线。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于通信设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。