本发明涉及天线行业，尤其涉及用于5g移动通信的天线单元及阵列天线。
背景技术：
毫米波频带因其能提供大的带宽、高的用户容量及达到几个gb每秒的数据传输速率等特性，而使其成为第五代(5g)移动通信的频段之一。
然而，毫米波在自由空间中传播时会有较大的路径损耗，所以就需要窄波束宽度的且波束可调的相控阵天线用大的增益来抵消大的路径损耗带来的影响。近年来，带金属边框的移动设备越来越成为趋势，所以毫米波天线也应考虑此种情形。
在文章binyu，et.al,“anovel28ghzbeamsteeringarrayfor5gmobiledevicewithmetalliccasingapplication”,ieeetransactionsonantennasandpropagation,vol.66,no.1,pp.462-466,january2018中，提出了一个工作于28ghz频段(美国fcc定义)且利用金属边框开槽的方式而形成的一个腔体缝隙阵列天线，其在阵列方向的尺寸大于半波长，且需要在金属边框的两个面上开槽，侧面的槽用于装配阶梯式钉(做成阶梯式是为了阻抗匹配)，顶部的槽用于天线辐射。金属边框需要两面开槽加工。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于5g移动通信的天线单元及阵列天线，该天线单元加工简单。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：用于5g移动通信的天线单元，包括馈电单元和辐射单元，馈电单元包括pcb板介质层、地层和馈电线，馈电线设于pcb板介质层的顶面，地层设于所述pcb板介质层的底面；辐射单元包括金属件和馈电辐射件，金属件远离pcb板介质层的一侧设有容置腔，容置腔靠近pcb板介质层的一侧设有容置孔；所述馈电辐射件呈钉状，馈电辐射件包括呈柱状的馈电部和呈板状的辐射部，馈电部的一端与辐射部相连，馈电部的另一端贯穿所述容置孔与所述馈电线电连接，辐射部位于所述容置腔中；所述金属件分别与所述地层及所述辐射部电连接。
为了解决上述技术问题，本发明还采用的以下技术方案：阵列天线，设于金属边框上，包括上述用于5g移动通信的天线单元，所述用于5g移动通信的天线单元的数量为n个，所述用于5g移动通信的天线单元在所述金属边框上呈nx1的阵列排布；n为大于2的整数，所述金属件为所述金属边框。
为了解决上述技术问题，本发明还采用的以下技术方案：用于5g移动通信的天线单元，包括馈电单元和辐射单元，馈电单元包括pcb板介质层、地层和馈电线，馈电线设于pcb板介质层的底面，地层设于所述pcb板介质层的顶面；辐射单元包括介质件和馈电辐射件，介质件设于所述地层远离所述pcb板介质层的一侧，介质件的顶面设有金属环，介质件上设有多个过孔，所述金属环与所述地层通过所述过孔电连接，多个所述过孔沿所述金属环连成一圈以在所述介质件上与地层共同形成一容置腔；所述馈电辐射件呈钉状并位于所述容置腔内，馈电辐射件包括由过孔形成的馈电部和呈板状的辐射部，馈电部的一端与辐射部相连，馈电部的另一端与所述馈电线电连接，辐射部设于介质件的顶面且位于所述容置腔中，辐射部的第一侧边与所述金属环电连接。
本发明的有益效果在于：只需在金属边框的一个侧面上设置容置腔即可实现馈电辐射件的装配和天线辐射，相比于现有技术在金属边框的两个侧面上开槽，结构更简单、加工步骤更少，有利于提高生产效率、降低移动终端设备的制造成本；用于移动通信的5g毫米波天线单元占用金属边框侧面面积小，对金属边框的结构强度影响较小；用于移动通信的5g毫米波天线单元在阵列排列方向上的宽度小于半波长，利于提高单元间的隔离度和大角度扫描且得到低后瓣。
附图说明
图1为本发明实施例一的制作于金属边框上的阵列天线的示意图；
图2为本发明实施例一的用于5g移动通信的天线单元的结构示意图；
图3为本发明实施例一的用于5g移动通信的天线单元的爆炸图；
图4为本发明实施例一的用于5g移动通信的天线单元的回波损耗仿真结果图；
图5为本发明实施例一的用于5g移动通信的天线单元的辐射方向图；
图6为本发明实施例一的金属边框上的阵列天线的s参数图；
图7为本发明实施例一的金属边框上的阵列天线在28ghz时的扫描图；
图8为本发明实施例一的金属边框上的阵列天线在28ghz时的三维扫描图(扫描角＝0度)；
图9为本发明实施例一的金属边框上的阵列天线在28ghz时的三维扫描图(扫描角＝30度)；
图10为本发明实施例一的金属边框上的阵列天线在28ghz时的三维扫描图(扫描角＝60度)；
图11为本发明实施例二的制作于pcb板上的用于5g移动通信的天线单元的结构示意图。
标号说明：
1、阵列天线；2、馈电单元；21、pcb板介质层；22、地层；23、馈电线；3、辐射单元；31、金属件；311、容置腔；312、容置孔；32、馈电辐射件；321、馈电部；322、辐射部；3221、第一侧边；3222、第二侧边；33、介质件；331、过孔；34、金属环；41、第一填充件；42、第二填充件；100、金属边框；101、左边框；102、右边框；103、上边框；104、下边框；105、金属中板。
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。
本发明最关键的构思在于：设置一容置腔，容置腔内设有辐射部，容置腔与辐射部形成辐射单元。
请参照图1至图11，用于5g移动通信的天线单元，包括馈电单元2和辐射单元3，馈电单元2包括pcb板介质层21、地层22和馈电线23，馈电线23设于pcb板介质层21的顶面，地层22设于所述pcb板介质层21的底面；辐射单元3包括金属件31和馈电辐射件32，金属件31远离pcb板介质层21的一侧设有容置腔311，容置腔311靠近pcb板介质层21的一侧设有容置孔312；所述馈电辐射件32呈钉状，馈电辐射件32包括呈柱状的馈电部321和呈板状的辐射部322，馈电部321的一端与辐射部322相连，馈电部321的另一端贯穿所述容置孔312与所述馈电线23电连接，辐射部322位于所述容置腔311中；所述金属件31分别与所述地层22及所述辐射部322电连接。
阵列天线1，设于金属边框100上，包括上述用于5g移动通信的天线单元，所述用于5g移动通信的天线单元的数量为n个，所述用于5g移动通信的天线单元在所述金属边框100上呈nx1的阵列排布；n为大于2的整数，所述金属件31为所述金属边框100。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：只需在金属边框的一个侧面上设置容置腔即可实现馈电辐射件的装配和天线辐射，相比于现有技术在金属边框的两个侧面上开槽，结构更简单、加工步骤更少，有利于提高生产效率、降低移动终端设备的制造成本；用于移动通信的5g毫米波天线单元占用金属边框侧面面积小，对金属边框的结构强度影响较小；用于移动通信的5g毫米波天线单元在阵列排列方向上的宽度小于半波长，利于提高单元间的隔离度和大角度扫描且得到低后瓣。
进一步的，所述辐射部322与所述馈电部321的连接点靠近所述辐射部322的顶面设置。
进一步的，所述容置腔311内设有用于固定所述馈电辐射件32的第一填充件41。
由上述描述可知，第一填充件用于固定辐射部，有利于提高天线单元结构的稳定性。
进一步的，所述第一填充件41的材质为改进的pc或lcp。
由上述描述可知，采用低损耗材料制成第一填充件有利于保证天线单元性能。
进一步的，所述容置孔312内设有用于固定所述馈电部321的第二填充件42。
由上述描述可知，第二填充件用于固定馈电部，有利于进一步提高天线单元结构的稳定性。另外，第一、二填充件可以是一体式结构，并不限定为两个单独的个体。
进一步的，所述馈电部321垂直于所述辐射部322设置。
进一步的，相邻两个所述用于5g移动通信的天线单元的间距等于所述用于5g移动通信的天线单元工作频段的半波长。
进一步的，阵列天线1中，相邻两个用于5g移动通信的天线单元之间的间距等于5.35mm。
由上述描述可知，5.35mm为28ghz频率对应的半波长，此时用于5g移动通信的天线单元覆盖28ghz频段(5g天线工作频段)。
进一步的，所述用于5g移动通信的天线单元的数量为八个。
由上述描述可知，金属边框上，用于5g移动通信的天线单元呈8x1的阵列排布。
进一步的，所述馈电线23呈阶梯形。
由上述描述可知，呈阶梯形的馈电线便于厂商调节天线单元的匹配。
用于5g移动通信的天线单元，包括馈电单元2和辐射单元3，馈电单元2包括pcb板介质层21、地层22和馈电线23，馈电线23设于pcb板介质层21的底面，地层22设于所述pcb板介质层21的顶面；辐射单元3包括介质件33和馈电辐射件32，介质件33设于所述地层22远离所述pcb板介质层21的一侧，介质件33的顶面设有金属环34，介质件33上设有多个过孔331，所述金属环34与所述地层22通过所述过孔331电连接，多个所述过孔331沿所述金属环34连成一圈以在所述介质件33上与地层22共同形成一容置腔311；所述馈电辐射件32呈钉状并位于所述容置腔311内，馈电辐射件32包括由过孔形成的馈电部321和呈板状的辐射部322，馈电部321的一端与辐射部322相连，馈电部321的另一端与所述馈电线23电连接，辐射部322设于介质件33的顶面且位于所述容置腔311中，辐射部322的第一侧边3221与所述金属环34电连接。
由上述描述可知，本用于5g移动通信的天线单元为前述用于5g移动通信的天线单元的一个变形，前述用于5g移动通信的天线单元设置在阵列天线的金属边框上，本用于5g移动通信的天线单元设置在阵列天线的通信设备的控制板上。
进一步的，馈电部321与辐射部322的连接处靠近所述辐射部322的第二侧边3222设置，辐射部322的第一侧边3221和辐射部322的第二侧边3222为辐射部322的一组对边。
实施例一
请参照图1至图10，本发明的实施例一为：如图1至图3所示，阵列天线1，设于通信设备的金属边框100上，包括n个用于5g移动通信的天线单元，所述用于5g移动通信的天线单元在所述金属边框100上呈nx1的阵列排布；n为大于2的整数，所述金属件31为所述金属边框100。
本实施例中，金属边框100为三段式边框，具体包括：左边框101、右边框102、上边框103、下边框104和金属中板105，左边框101和右边框102通过金属中板105连接在一起，上边框103和下边框104分别与金属中板105间隙设置，所述间隙的大小为0.5-2mm，优选间隙大小为1mm；所述用于5g移动通信的天线单元的数量为八个；所述用于5g移动通信的天线单元在所述右边框102上呈8x1的阵列排布。
相邻两个所述用于5g移动通信的天线单元的间距等于所述用于5g移动通信的天线单元工作频段的半波长。
为让阵列天线1覆盖28ghz频段(27.5～28.35ghz频段)，相邻两个用于5g移动通信的天线单元之间的间距等于5.35mm。
用于5g移动通信的天线单元，包括馈电单元2和辐射单元3，馈电单元2包括pcb板介质层21、地层22和馈电线23，馈电线23设于pcb板介质层的顶面，地层22设于所述pcb板介质层21的底面；辐射单元3包括金属件31和馈电辐射件32，金属件31远离pcb板介质层21的一侧设有容置腔311，容置腔311靠近pcb板介质层21的一侧设有容置孔312；所述馈电辐射件32呈钉状，馈电辐射件32包括呈柱状的馈电部321和呈板状的辐射部322，馈电部321的一端与辐射部322相连，馈电部321的另一端贯穿所述容置孔312与所述馈电线23电连接，辐射部322位于所述容置腔311中；所述金属件31分别与所述地层22及所述辐射部322电连接。
需要说明的是，在阵列天线1中，用于5g移动通信的天线单元中的金属件31即为上述金属边框100。优选的，所述馈电线23呈阶梯形，即馈电线23采用多节馈电线23，这样做的好处在于便于厂商做天线匹配。馈电部321不与容置孔312的内周壁接触。
本实施例中，容置腔311的截面是呈矩形的，容置孔312的截面是呈圆形的，在其他实施例中，所述容置腔311的截面还可以是呈圆形的、三角形的、p边形的(p为大于4的整数)或其他形状的。同理，容置孔312的截面的形状也不应受限定。
所述辐射部322与所述馈电部321的连接点靠近所述辐射部322的顶面设置，即所述辐射部322与所述馈电部321的连接点偏离所述辐射部322的中心且靠近所述辐射部322的上部设置(辐射部322的下部与金属件31直接接触从而实现电连接)。优选的，所述馈电部321垂直于所述辐射部322设置。
为了提高用于5g移动通信的天线单元的结构的稳定性，所述容置腔311内设有用于固定所述馈电辐射件32的第一填充件41，所述容置孔312内设有用于固定所述馈电部321的第二填充件42。所述第一填充件41的材质为改进的pc(改性pc)或lcp(改性lcp)等低损耗材料；或者，第一填充件41的材质为pc复合材料或lcp复合材料；本实施例中，第一填充件41的介电常数εr为3，损耗角正切tanδ为0.002。同理，第二填充件42也可选择由上述材料制成。
在本实施例中，发明人对用于5g移动通信的天线单元及阵列天线1进行了性能仿真，其中，
pcb板介质层21的中层介质层采用rogesro4350b，其厚度为0.25mm；
金属件31的尺寸如下：长5.35mm、宽2.5mm、高7mm；
容置腔311的尺寸如下：长3mm、宽1.5mm、高3.3mm；
辐射部322的尺寸如下：长2.2mm、宽0.5mm、高1.2mm；
相邻两个用于5g移动通信的天线单元之间的间距等于5.35mm；
图4为上述用于5g移动通信的天线单元的回波损耗，从图中可以看到其能很好地覆盖28ghz(27.5ghz～28.35ghz)工作频段；
图5为上述用于5g移动通信的天线单元在phi＝0度(即xoz面)和phi＝90度(即yoz面)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用于5g移动通信的天线单元在+z方向的增益接近5dbi，辐射方向图在两个平面内都具有较好的一致性。
图6为金属边框上的阵列天线的s参数，图中可以看到回波损耗与单个用于5g移动通信的天线单元时接近，与相邻阵元的隔离度值最高但小于-15db，然后随着与之距离增加的阵元，其间的隔离度值也逐渐减小。
图7为金属边框上的阵列天线在频点28ghz时、在xoz平面内沿theta方向的扫描图。由图中可见，和单个用于5g移动通信的天线单元相比，阵列天线在+z方向上的增益从接近5dbi增加到13.5dbi左右。此外，从图中还可以看出该阵列天线在0到60度内进行扫描时后瓣不会增加太大，这样就不会接收到大的干扰信号，随着扫描角增大天线增益也正常地从13.5dbi逐渐下降到11.5dbi左右。另外天线在工作频段内的其它频点的扫描方向图与28ghz时的类似，故不重复列出。从图7的扫描图中可以看到，随着扫描角增加，副瓣也会随着上升，本实施例中相邻两个用于5g移动通信的天线单元之间间距为28ghz的半波长，所以即使扫描角增大到60度时其副瓣也相对较低。容易理解的，该用于5g移动通信的天线单元和阵列也可以扩展到其它的5g毫米波工作频带，更进一步的，上述用于5g移动通信的天线单元还可以应用于其他毫米波频段，也就是说，本天线单元虽然命名为用于5g移动通信的天线单元，但不应将本天线单元的应用局限于5g。
图8、图9和图10为金属边框上的阵列天线的三维扫描方向图，扫描角分别为0度、30度和60度。从图中可以清楚地看到在三种扫描角时天线方向图的副瓣和后瓣都相对较小。
本实施例的用于5g移动通信的天线单元，其尺寸小、加工简单，覆盖28ghz频段(27.5～28.35ghz频段)，可以为移动终端设备(如手机、穿戴式设备和pad等)提供未来5g通信的毫米波天线阵列系统。
本实施例的阵列天线只需要在金属边框100的一个侧面开槽，就可以同时用于装配馈电辐射件32及天线辐射，这样可以使加工步骤更少更简单。且由于用于5g移动通信的天线单元尺寸小于波长，所以阵列天线的单元间距就可以设置为半波长，这样当扫描到大的角度时后瓣会相对更低。
实施例二
请参照图11，本发明的实施例二为另一种用于5g移动通信的天线单元结构，且该用于5g移动通信的天线单元为实施例一中用于5g移动通信的天线单元的一个变形，与实施例一的用于5g移动通信的天线单元的不同之处在于：实施例一的用于5g移动通信的天线单元设置在通信设备的金属边框上，而本实施例的用于5g移动通信的天线单元设置在通信设备的控制板上。具体来讲：用于5g移动通信的天线单元，包括馈电单元2和辐射单元3，馈电单元2包括pcb板介质层21、地层22和馈电线23，馈电线23设于pcb板介质层21的底面，地层22设于所述pcb板介质层21的顶面；辐射单元3包括介质件33和馈电辐射件32，介质件33设于所述地层22远离所述pcb板介质层21的一侧，介质件33的顶面设有金属环34，介质件33上设有多个过孔331，所述金属环34与所述地层22通过所述过孔331电连接，多个所述过孔331沿所述金属环34连成一圈以在所述介质件33上与地层22共同形成一容置腔311；
所述馈电辐射件32呈钉状并位于所述容置腔311内，馈电辐射件32包括由过孔形成的馈电部321和呈板状的辐射部322，馈电部321的一端与辐射部322相连，馈电部321的另一端与所述馈电线23电连接，辐射部322设于介质件33的顶面且位于所述容置腔311中，辐射部322的第一侧边3221与所述金属环34电连接，辐射部322与馈电部321的连接处靠近所述辐射部322的第二侧边3222设置，辐射部322的第一侧边3221和辐射部322的第二侧边3222为辐射部322的一组对边。
本实施例中，所述过孔331为金属化孔从而实现金属环34与地层22的电连接；在其他实施例中，所述过孔331内可以设置金属填充物，金属填充物的两端分别与金属环34及地层22电连接。
进一步的，所述馈电线23呈阶梯形。
优选的，所述馈电部321垂直于所述辐射部322设置
综上所述，本发明提供的用于5g移动通信的天线单元及阵列天线，只需在金属边框的一个侧面上设置容置腔即可实现馈电辐射件的装配和天线辐射，相比于现有技术在金属边框的两个侧面上开槽，结构更简单、加工步骤更少，有利于提高生产效率、降低移动终端设备的制造成本；用于移动通信的5g毫米波天线单元占用金属边框侧面面积小，对金属边框的结构强度影响较小；用于移动通信的5g毫米波天线单元在阵列排列方向上的宽度为半波长，利于提高单元间的隔离度和大角度扫描且得到低后瓣。
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。