一种适用于5G通信的小型化宽频带天线的制作方法

本发明属于天线技术领域，具体涉及5G(the Fifth Generation)通信多输入多输出(MIMO:Multiple-Input-Multiple-Output)天线技术领域以及超材料(Metamaterial)技术领域。

背景技术：

近年来，随着移动通信技术的不断发展以及人们对高传输速率、稳定的通信质量以及多种复杂应用场景的迫切需求，5G通信已逐渐成为各国移动通信行业的研究热点，例如美国的思科、因特尔、欧盟的METIS、5GPP、NGMN、日本的ARIB AdHoc、韩国的5G Forum、中国的IMT-2020等等。在保证设备成本的前提下，无线通讯的爆炸性增长需求对5G通信提出了一系列的要求：服务更多的用户、更高的传输速率、支持无限的连接和提供个性化体验，这对5G通信的带宽提出了更高的要求；另外，由于低频段(800MHz-3GHz)已被各种现有通信格式所占用，所以现有的低频段频谱资源已无法满足5G通信的要求。因此，现行的5G通信研究均将目光投向3GHz以上的频谱资源。例如，美国在2014年发布了关于24GHz以上频段用于先进移动业务的调查公告，公开讨论最适合5G发展的候选频段，遴选出了12个频段；欧盟于2012年开始着手研究6GHz-100GHz范围内频率划分、频谱分配以及使用情况，并分别于2013年和2014年公开发布了主题为5G频谱需求和使用原则的研究报告；英国在2015年公开发布征求意见稿，与业界探讨了适用5G系统的高频资源，并确定了6个潜在的5G频段；日本运营商NTT Docomo在2016年联合三星集团完成了28GHz频段下高速列车上5G通信的相关实验研究，同时该频带也是日本内务及通信产业省的5G网络指定候选频段之一；韩国近几年向国际组织提交了近10个6GHz以上的5G候选频段。近年来，在中国IMT-2020框架下，中国组织开展了5G频谱需求预测、候选频段选取、部分频段传播特性测量、电磁兼容分析等一系列研究工作。其中，由中国国家无线电监测中心和国家无线电频谱管理中心牵头，完成了面向2030年的5G频谱需求总量估算，开展了6GHz-100GHz候选频段优先级等研究工作。近期，中国还结合国内外研究新动态，进一步凝练了我国6GHz-100GHz高频段5G候选频段范围。除6GHz以上高频段的研究外，以中国移动、华为为首的国内5G研究团体还对3.5GHz附近频段的5G通信设备开展了研究，并于2016年成功推出了相关的实验样机。

由上述可见，3GHz-30GHz频段是未来5G通信的重要研究方向及发展趋势。作为无线通讯的重要组成部分，5G通信天线的研究会随之面临诸多的问题与挑战。由于人们日常生活的需要，5G天线需要同时满足多种不同的通信制式；此外，移动通讯设备小型化的趋势又对天线尺寸做出极大限制，如何在有限的空间内实现3GHz-30GHz这样极宽的工作频带是对所有研究人员提出的挑战，而现代移动通信对通信速率以及通信质量的要求使得MIMO技术成为5G天线中不可或缺的一部分，MIMO技术中天线单元数目的增加以及单元间高隔离度的要求给相关的研究带来进一步的挑战。

目前，由于超材料作为一种新型人工复合材料，具有如负介电常数、负磁导率、负折射率等诸多自然界中的材料所不具有的特异电磁特性，在天线领域得到广泛的关注及研究。在MIMO天线的设计中，通过引入超材料结构单元，可以在不影响天线性能的前提下，有效地提升天线单元间的隔离度，从而实现MIMO天线的小型化和宽频带，已成为相关领域的一大研究热点。

技术实现要素：

本发明通过利用天线的相关技术，提出一款可应用于5G通信的小型化宽频带天线，并在此基础上提出双单元MIMO天线。同时通过引入超材料结构单元，提出四单元MIMO天线，该四单元MIMO天线具有极宽的工作频带、较小的尺寸、较好的全向性和较高的隔离度等优点。

本发明所采用的技术方案：

一种适用于5G通信的小型化宽频带天线，如图1所示，它包括介质基板、设置于介质基板正面的共面波导馈电结构、主辐射体、第二、第三辐射体以及设置于介质基板背面的第一辐射体，其特征在于：

所述共面波导馈电结构包括馈线和金属地板。

所述金属地板为中间是五边形的环绕式结构。

所述主辐射体为变形的矩形单极子天线，其下端为连接到馈线上的倒梯形结构，上端为开有阶梯型凹槽的矩形结构。

所述第一辐射体为设置于介质基板背面的等腰梯形，其短边靠近并平行于地板的下方。

所述第二、第三辐射体均为平行四边形结构且对称设置于主辐射体两侧的，其下方的边靠近并平行于地板、且下方钝角处开有直角梯形凹槽。

所述环绕式地板中间的五边形由一个矩形和一个等腰三角形组成。

进一步地，如图3所示，将所述小型化宽频带5G通信天线作为天线单元，两天线单元正交放置，从而组成双单元MIMO天线。

进一步地，如图7所示，四个天线单元组成四单元MIMO天线，且对角线上的天线单元分别对称放置，其中一个对角线上的两个天线单元正面朝上，另外两个天线单元正面朝下。在每个单元天线的地板上，靠近所述四单元MIMO天线整体中心的位置，均刻蚀有矩形开口谐振环。

本发明天线采用共面波导馈电微带结构，以便于实现小型化以及与其他设备集成。天线辐射单元主体采用单极子天线，从而便于实现较宽的工作带宽。单极子天线上端刻蚀有阶梯形凹槽，并在下方采用梯形结构，进一步拓宽其工作频带，实现3GHz-20GHz的宽频带工作。在天线背面加入梯形辐射体，使得其在不影响单极子主辐射体的前提下，通过从馈电微带线耦合能量，进一步形成高频段的谐振辐射。在主辐射体两侧对称加入翅膀形结构，使得天线的工作频带基本覆盖3GHz-30GHz。金属地板为中间是五边形的环绕式对称地板，从而较好地提升天线的整体工作性能。这样，如图2所示，天线的工作频带完全覆盖3GHz-30GHz。

本发明所提出的宽频带5G通信天线，其天线整体尺寸大小为25mm×25mm×1mm，结构小型化特征极为明显，工作频带为3GHz-30GHz，覆盖目前主流的多种5G通信频段，并覆盖现有的Wi-MAX、W-LAN、UWB等无线通信模式，为未来兼容多种复杂通信模式提供可靠保证，具有良好的应用前景。同时，在该天线基础之上，本发明所提出的双单元及四单元MIMO天线分别采用交叉极化方向以及引入超材料结构单元的方法，在不增加天线单元尺寸的前提下，实现较高的隔离度。因此，可以在手机、手提电脑等小型化移动设备中得到广泛应用。

附图说明

图1-1是单一天线单元正面结构示意图；

图1-2是单一天线单元背面结构示意图；

图2是单一天线单元S₁₁参数仿真结果图；

图3是双单元MIMO天线结构示意图；

图4是双单元MIMO天线S₁₁、S₂₁参数仿真结果图；

图5是四单元MIMO天线结构示意图；

图6-1是四单元MIMO天线S₁₁、S₂₁参数仿真结果图；

图6-2是四单元MIMO天线S₃₁、S₄₁参数仿真结果图；

图7是加载开口谐振环后四单元MIMO天线结构示意图；

图8-1是加载开口谐振环后四单元MIMO天线S₁₁、S₂₁参数仿真结果图；

图8-2是加载开口谐振环后四单元MIMO天线S₃₁、S₄₁参数仿真结果图。

具体实施方式

结合附图，对本发明作进一步的详细描述：

图1为本发明实施例，其天线整体结构左右对称，整体尺寸为25mm×25mm×1mm，包括主辐射体1以及第二、第三辐射体2，设置于介质基板正面的共面波导馈电结构3、设置于介质基板背面的第一辐射体4和矩形介质基板5。天线介质基板5为介电常数4.4、损耗正切角0.02的FR4材料，所有辐射体与共面波导结构材料均为覆盖在介质基板上的铜箔(视具体情况可选择其它良导体如铝、金、不锈钢等)。共面波导馈电结构包括馈线、中间是五边形(该五边形由一个矩形和一个等腰三角形组成)的环绕式对称地板结构。主辐射体为变形的矩形单极子天线，其上端为开有阶梯型凹槽的矩形结构，下端为连接到馈线上的倒置梯形结构，馈线宽度为2mm。

所述第二、第三辐射体为平行四边形结构，并对称设置于主辐射体的两侧，其下方的短边靠近并平行于地板且间距为0.15mm、其下方钝角处开有直角梯形凹槽；

所述的第一辐射体为设置于介质基板背面的等腰梯形结构，其高为1.2mm，其短边靠近并平行于地板的下方且水平间距为0.15mm，两侧边分别靠近并平行于第二、第三辐射体的长斜边且水平间距为0.2mm；其具体尺寸如图1所示：g₁＝4mm、g₂＝16mm、g₃＝20mm、h＝2mm、a₁＝10mm、a₂＝4mm、s₁＝8mm，s₂＝3mm、s₃＝6mm、s₄＝7mm、s₅＝2mm、b₁＝7mm、b₂＝5mm、b₃＝2mm、b₄＝3mm、b₅＝1.5mm、b₆＝1mm、b₇＝2mm、b₈＝1mm、b₉＝3mm；图2为图1中所示天线结构的S₁₁参数的仿真结果图，由图2可以观察到本发明所提出的天线其工作频率范围完整覆盖3GHz-30GHz(对应于S₁₁<-10dB)，从而对多种不同通信模式兼容，为未来相关的移动通信设备带来便利。

进一步地，将上述天线作为天线单元，两个天线单元正交放置组成双单元MIMO天线，最终形成的双单元MIMO天线结构如图3所示。通过对其中一个单元做90度旋转操作，使得两个天线单元极化方向正交，进而保证在极短距离内天线单元间的高隔离度。仿真得到的天线S₁₁及S₂₁参数如图4所示。天线单元依旧保持在3GHz-30GHz的极宽工作带宽，同时在整个工作频带内天线的S₂₁参数维持在-20dB以下，这表明天线单元间具有良好的隔离度。

进一步地，四个天线单元组成四单元MIMO天线，且对角线上的天线单元分别对称设置，其中一个对角线上的两个天线单元正面朝上，另外一个对角线上的两个天线单元正面朝下，最终形成的四单元MIMO天线结构如图5所示。其中天线单元1的主辐射体及馈线6、第二、第三辐射体7、地板8，天线单元2的主辐射体及馈线10、第二、第三辐射体11、地板12，天线单元3的第一辐射体17以及天线单元4的第一辐射体21都被集成在介质基板的同一侧。天线单元3的主辐射体及馈线14、第二、第三辐射体15、地板16，天线单元4的主辐射体及馈线18、第二、第三辐射体19、地板20，天线单元1的第一辐射体9以及天线单元2的第一辐射体13都被集成在介质基板的另一侧，由此组成四单元MIMO天线。通过对其中一组对角线上的天线单元在介质基板的两侧进行上下翻转，截断对角线上天线单元间的耦合路径，进而大大提高天线单元间的隔离度。图6为图5所示的四单元MIMO天线的S参数仿真结果图，可以观察到天线单元间的隔离度在绝大部分工作频带内都维持在较高的水平，而在7GHz-8GHz处出现较强的耦合现象。

图7所示为加载开口谐振环后的四单元MIMO天线，其结构为：在图5所示的四单元MIMO天线结构基础上，分别在靠近整体中心处的四个天线单元的地板8、12、16及20处刻蚀出结构相同的矩形开口谐振环22、23、24、25。谐振环外环尺寸为4.6mm×4.6mm，内环尺寸为4mm×4mm，内外环宽度为0.4mm，开口宽度为0.2mm。四个谐振环的对称轴在该四单元MIMO天线的对角线上。图8为图7所示的四单元MIMO天线的S参数仿真结果图，从图中可以看到在引入开口谐振环结构后，在7GHz-8GHz处，S₂₁、S₃₁和S₄₁的幅度明显减小，这就意味着隔离度得到有效的改善。

综上所述，本专利提出一种适用于5G通信的便于集成和加工的宽频带天线，并在此基础上采用交叉极化方向的方法，提出双单元MIMO天线。进一步地引入超材料结构单元，提出四单元MIMO天线。所提出的天线具有结构小型化、天线单元数目可随需求变化、端口隔离度高、去耦结构对天线性能影响较小等优点，因此可以广泛应用于小型化移动通信设备中，其设计方法还可应用于其它多频及宽频天线设计，为发展其它不同频段的新型小型化MIMO天线提供新的设计思路。