一种CPW馈电的5G通信宽带MIMO终端天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术的天线设计技术领域，特别是涉及一种应用于目前 5G通信中Sub 6GHz频段的移动终端宽带MIMO天线。

背景技术

2019年10月31日，工信部与中国移动、中国联通、中国电信三大运营商举行5G商用启动仪式，三大运营商于11月1日正式上线5G商用套餐，这标志着我国正式进入5G商用时代，5G具有更高的数据传输速率以及更大的带宽。国际标准化组织3GPP为5G通信指定了两大频率范围：450MHz到6GHz的 FR1频段，也叫Sub 6G(低于6GHz)；24GHz到52GHz FR2频段，又称毫米波mmWave。目前我国仅对Sub 6G频段进行了分配，其中中国移动为 2515-2675MHz共160MHz，以及4800-4900MHz共100MHz；中国电信 3400-3500MHz共100MHz；中国联通为3500-3600MHz共100MHz，以及中国广电4900-5000MHz共100MHz。

天线承担着信号的发射和接收的职责，其性能的优劣直接影响着信号的传输质量，进而影响到整个无线通信系统的性能。当前5G通信对移动终端天线的要求主要有两方面：第一，对多频宽带天线的需求，实现单一天线能够在多种通信标准下的多个频段工作，是实现移动通信终端小型化、集成化的理想选择。第二，对多输入多输出(Multiple InputMultiple Output，MIMO)天线的需求。通过使用多个发射、多个接收天线，在单个无线信道上同时发送和接收多个数据流，从而实现信息传输速率的提升。但随着天线单元数量的增多，各天线单元之间的隔离问题以及天线小型化问题越来越突出。因此，在保持天线小型化的同时如何提高天线单元的隔离度是5G终端天线设计中重要的环节。目前已有的MIMO移动终端天线主要基于终端设备边框以及电路板的有限的净空区进行设计。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种CPW馈电的5G通信宽带 MIMO终端天线，工作频段为3.3GHz-5.3GHz，天线有八个单元，各单元间隔离度较好，天线印制在终端设备后盖板上，不受边框的影响，也不受设备电路板净空区的大小的限制。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：所述CPW馈电的5G通信宽带 MIMO终端天线包括介质基板，介质基板上设有八个天线单元，每个天线单元包括天线主体和金属地；所述天线主体包括微带馈电线和S型辐射贴片，微带馈电线与S型辐射贴片不直接接触，两者之间通过小缝隙进行耦合馈电；所述金属地包括两个矩形，分布在微带馈电线的两侧；八个天线单元分布于介质基板两侧，微带馈电线为横向，其中左侧自下而上为第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元、第四天线单元，该四个天线单元左侧对齐，S型辐射贴片位于微带馈电线右端；右侧自下而上为第八天线单元、第七天线单元、第六天线单元、第五天线单元，该四个天线单元右侧对齐，S型辐射贴片位于微带馈电线左端；左右两侧相对的天线单元位置一一对齐，且S型辐射贴片形状一致；上下相邻天线单元的形状互为镜像；在上下相邻天线单元之间的金属地上增加横向的寄生隔离单元，将天线单元隔离开。

具体的，所述介质基板采用终端设备的后盖，采用共面波导的形式将天线主体、金属地以及隔离寄生单元印刷在终端设备后盖表面。

具体的，所述S型辐射贴片由五个宽度相同的金属片首尾相连构成，依次为第一金属片、第二金属片、第三金属片、第四金属片、第五金属片，第一金属片与第五金属片平行且长度相同，第二金属片与第四金属片平行且长度相同；微带馈电线的一端正对第三金属片的中点，微带馈电线的另一端与两侧金属地的矩形长边对齐；第一金属片和第五金属片垂直于微带馈电线，并分别位于微带馈电线所在直线的两侧。

具体的，所述天线单元的金属地采用缺陷结构，分成两个尺寸不同的矩形金属片分布在微带馈电线的两侧，两个矩形金属地长度相同，与S型辐射贴片第二金属片在同侧的矩形金属地宽度大于与S型辐射贴片第四金属片在同侧的矩形金属地的宽度。

具体的，在第一天线单元和第二天线单元之间、第三天线单元和第四天线单元之间，第六天线单元和第七天线单元之间设置第一寄生隔离单元，在第二天线单元和第三天线单元之间、第五天线单元和第六天线单元之间、第七天线单元和第八天线单元之间设置第二寄生隔离单元，第一寄生隔离单元的长度大于第二寄生隔离单元，宽度相同；所有寄生隔离单元为与微带馈电线平行的矩形，从天线单元微带馈电线同侧的金属地朝外的短边延伸出来。

具体的，上下相邻天线单元之间的距离不小于6mm，左右相对的天线单元之间的距离不小于20mm。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的CPW馈电的5G通信宽带 MIMO终端天线，其天线主体与金属地共同印制在终端设备的后盖板上，不受金属边框限制，由八个天线单元构成，天线单元结构简单，各天线单元间具有良好的隔离度，天线工作频段宽，且天线占用面积较小，未敷铜的空间可以保持原来设备的其它用途。

附图说明

图1为本发明提供的CPW馈电的5G频段宽带MIMO终端天线结构正面图。

图2为本发明天线单元结构图。

图3为本发明实施例中天线端口仿真回波损耗。

图4为本发明实施例中天线端口仿真传输系数。

图5为本发明实施例中天线端口仿真效率图。

图6为本发明实施例中天线端口仿真增益图。

图7为本发明寄生隔离单元都制作在微带馈电线右侧金属地上的情况。

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予以说明。

如图1所示为所发明CPW馈电的5G通信宽带MIMO终端天线的正面结构示意图，包括介质基板11、八个天线单元1～8以及隔离寄生单元9～10。八个天线单元的主体包括50Ω微带馈电线和S型辐射贴片。

本实施例的介质基板11采用终端设备后盖，材料为ABS塑料，介电常数为 2.1，大小为160mm×70mm×1mm。

结合图2，每个天线单元包括天线主体和金属地。所述天线主体包括微带馈电线106和S型辐射贴片，微带馈电线106与S型辐射贴片不直接接触，两者之间通过小缝隙进行耦合馈电；所述金属地包括两个矩形，分布在微带馈电线106的两侧。

八个天线单元分成两组分布于介质基板11的两侧长边上，微带馈电线106 为横向，其中左侧自下而上为第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元 3、第四天线单元4，该四个天线单元左侧对齐，S型辐射贴片位于微带馈电线 106右端；右侧自下而上为第八天线单元8、第七天线单元7、第六天线单元6、第五天线单元5，该四个天线单元右侧对齐，S型辐射贴片位于微带馈电线106 左端。左右两侧相对的天线单元位置一一对齐，且S型辐射贴片形状一致(如第一天线单元1和第八天线单元8)。

为了提高八个天线单元间的隔离度，采取了两个措施。其一在金属地上增加了隔离寄生单元。其二，上下相邻天线单元的形状互为镜像。

在第一天线单元1和第二天线单元2之间、第三天线单元3和第四天线单元 4之间，第六天线单元6和第七天线单元7之间设置第一寄生隔离单元9，在第二天线单元2和第三天线单元3之间、第五天线单元5和第六天线单元6之间、第七天线单元7和第八天线单元8之间设置第二寄生隔离单元10，第一寄生隔离单元9的长度大于第二寄生隔离单元10，宽度相同。所有寄生隔离单元为与微带馈电线106平行的矩形，从天线单元微带馈电线106同侧的金属地朝外的短边延伸出来。

图1所示的寄生隔离单元都制作在微带馈电线106左侧的金属地上。各天线单元间的间距不小于6mm，由于介质基板11尺寸所限，实施例采用6-10mm。在第一天线单元1、第二天线单元2、第三天线单元3、第五天线单元5、第六天线单元6、第七天线单元7的左侧金属地上增加了寄生隔离单元，寄生隔离单元的宽度为0.8-1.3mm。第一天线单元1、第三天线单元3、第六天线单元6的寄生隔离单元的长度为16-19mm，第二天线单元2、第五天线单元5、第七天线单元7的寄生隔离单元的长度为15.5-17mm。图7所示是寄生隔离单元都制作在微带馈电线106右侧金属地上的情况。第二天线单元2、第三天线单元3、第四天线单元4、第六天线单元6、第七天线单元7、第八天线单元8的右侧金属地上增加寄生隔离单元。第二天线单元2、第四天线单元4、第七天线单元7的寄生隔离单元的长度为16-19mm，第三天线单元3、第六天线单元6、第八天线单元8的寄生隔离单元的长度为15.5-17mm。

如图2所示为一个天线单元的结构示意图，每个天线单元包括天线主体和金属地。天线主体由微带馈电线106和S型辐射贴片组成。微带馈电线106长度约为17.2-17.6mm，宽度约为1.8-2mm。S型辐射贴片与微带馈电线106不直接接触，通过缝隙耦合馈电，S型辐射贴片线宽约为1.8-2.1mm，包括五个宽度相同的金属片首尾相连构成，依次为第一金属片101、第二金属片102、第三金属片103、第四金属片104、第五金属片105。第一金属片101与第五金属片105 平行且长度相同，第二金属片102与第四金属片104平行且长度相同。微带馈电线106的一端正对第三金属片103的中点，微带馈电线106的另一端与两侧金属地的矩形长边对齐；第一金属片101和第五金属片105垂直于微带馈电线 106，并分别位于微带馈电线106所在直线的两侧。第一金属片101和第五金属片105长度相同，为4.4-5.7mm。第二金属片102和第四金属片104长度相同，为3.7-5mm。第三金属片103长度为15-16mm，中心位置与微带馈电线通过 0.07-0.12mm小间隙进行耦合馈电。

图2所示为S型辐射贴片的转角皆为直角的情况，经试验证实，当转角不是直角，第三金属片103和微带馈电线106不严格垂直时，也是可行的。

图2中天线单元金属地与天线主体共面，由两个面积不同的矩形金属片构成，分布在微带馈电线106的两侧，两个矩形金属地长度相同，与S型辐射贴片第二金属片102在同侧的第一金属地107宽度大于与S型辐射贴片第四金属片104 在同侧的第二金属地108的宽度。第一金属地107长度为6.2-6.8mm，宽度为 11-14mm。第二金属地108长度为6.2-6.8mm，宽度为3.5-4.2mm。两个金属地与微带馈电线间的距离均为0.12-0.18mm。

图3、图4为给出的实施例天线的S参数图。实验条件为：采用图1布局，上下相邻天线单元间距为6mm，天线单元中微带馈电106线的长度为17.4mm，宽度为1.8mm，天线单元S型辐射贴片中五个金属片的宽度为2mm，第一、五金属片长度为4.7mm，第二、四金属片长度为4.7mm，第三金属片的长度为 15.5mm，第三金属片中心与微带馈线的间距为0.1mm，寄生隔离单元的宽度为 1mm，第一寄生隔离单元9和第二寄生隔离单元10的长度分别为17.4mm和16.6mm。图中S11-S88分别表示八个天线单元的回波损耗，S12-S18与S23-S28 表示各天线单元间的传输系数。从图3中可以看出，由于寄生隔离单元的影响，各天线单元的回波损耗略有差异，但天线的-6dB阻抗带宽均能覆盖 3.3GHz-5.3GHz。因结构的对称性，图4仅给出了部分天线端口仿真传输系数。图4中可以显示在该频段内传输系数均小于-15dB，说明本发明的八个天线单元相互独立，耦合度很低，能够独立传输电磁波。

图5为实施例天线效率随频率变化曲线，可以看出在整个频段内天线单元的辐射效率都在70％以上，最高达到90％以上，表明本发明可以将大部分电磁波发射出去。

图6显示了实施例天线的增益随频率的变化，在整个频段内增益均大于0.2dBi，大部分频率点的增益在2.0dBi左右，最大增益达2.3dBi。

综上可以看到，本发明提出的CPW馈电的5G通信宽带MIMO终端天线可以不占用终端设备边框空间的条件下覆盖3.3GHz-5.3GHz，包含了我国现行分配的5G通信的Sub 6GHz频段n78:3300MHz-3800MHz，和n79：4400MHz-5000MHz。