一种适用于5G终端装置的新型天线单元的制作方法

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种用于5g移动终端的新型天线单元。

背景技术

当今，各种新的用户需求和业务形态已经发生了巨大改变：传统的语音、短信业务逐步被移动互联网业务所淘汰；云计算的发展，使得业务的核心放在云端，终端和网络之间主要传输控制信息，这样的业务形态对传统的语音通信模型造成了极大的挑战；m2m/iot带来的海量数据连接，超低时延业务，超高清、虚拟现实业务、增强现实业务带来了远超gpbs的速率需求，现有4g技术均无法满足这些业务需求。

5g面向2020年以后的人类信息社会，尽管相关的技术还没有完全定型，但是5g的基本特征已经明确：高速率、低时延、海量设备连接、低功耗。5g终端天线作为5g终端设备的核心部件，只有创新性的解决了5g天线这个技术难题，才能保证5g系统的正常运行和商用。因此，本发明对促进和推动新一代移动通信系统和5g手机等移动终端的发展将起到积极而又重要的作用。

现有的可集成在移动终端装置pcb板端的毫米波天线单元通常包括单极天线、偶极天线、八木天线、缝隙天线、微带天线、vivaldi天线等。其中八木天线、微带天线、vivaldi天线为定向天线，波束宽度较窄有着较高的增益。缝隙天线和偶极天线在自由空间是全向的，但是当集成在板端的时候由于受到介质和接地板的影响天线辐射可能会变成定向辐射。对于ifa、pifa天线以及适合终端3g/4g应用的其他大小尺寸天线，由于效率较低，无法全向辐射等原因也不太适合于5g终端系统要求。因此需要提出一种适用于5g终端的新型天线单元。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，提供了用于5g移动终端的新型天线单元。

一种用于5g移动终端的新型天线单元，包括具有第一表面以及第二表面的pcb板、设置在所述pcb板表面的辐射单元以及馈电结构；所述辐射单元包括磁偶极子以及电偶极子；所述磁偶极子包括分别设置在所述第一表面、第二表面的第一磁偶导电件、第二磁偶导电件以及穿过所述pcb板且两端分别连通所述第一磁偶导电件边缘和第二磁偶导电件边缘的第一金属通孔阵列；所述电偶极子包括分别连接所述第一磁偶导电件的第一电偶导电件以及连接所述第二磁偶导电件的第二电偶导电件；所述馈电结构连接所述第一磁偶导电件，所述磁偶极子延伸出接地端。所述第一磁偶导电件和所述第二磁偶导电件分别为相互平行设置的覆铜片。

进一步的，所述第一金属通孔阵列相邻两通孔的间距小于波导波长的四分之一，金属通孔的直径小于波导波长的八分之一。所述pcb板至少包括第一介质层以及第二介质层，所述馈电结构设置在第一介质层和第二介质层之间。

作为上述新型天线单元的进一步具体化，辐射单元可以有三个方向：

辐射单元的第一个具体方案包括印刷磁偶极子结构和smt电偶极子结构。其中印刷磁偶极子结构印刷在pcb的不同层上，通过加入短路金属通孔来实现其功能。电偶极子结构由两片金属片构成，通过表面贴装工艺与pcb相连。

具体的，所述第一电偶导电件或所述第二电偶导电件为金属块。其中所述第一电偶导电件或所述第二电偶导电件的形状为长方体或者梯台。所述第一电偶导电件或所述第二电偶导电件沿电流方向的长度为工作波长的八分之一到二分之一之间，进一步为工作波长的四分之一。所述第一电偶导电件以及所述第二电偶导电件通过smt的方式分别与所述第一磁偶导电件和所述第二磁偶导电件连接。

辐射单元的第二个具体方案包括印刷磁偶极子结构和印刷电偶极子结构。其中磁偶极子结构印刷在pcb的不同层上，并通过加入短路金属通孔来实现其功能。印刷电偶极子结构通过将铜箔印刷在pcb厚度方向，采用pcb金属包边工艺实现。

具体的，所述第一磁偶导电件和所述第二磁偶导电件表面分别设置有第三介质层以及第四介质层，所述第一电偶导电件和所述第二电偶导电件为沿所述pcb板厚度方向分别形成对所述第三介质层和第四介质层的包边覆铜。其中，所述第一电偶导电件或所述第二电偶导电件沿电流方向尺寸等于所述第三介质层或第四介质层的厚度。优选的，所述pcb介质层的厚度为导波在第三介质层或第四介质层中波长的八分之一到四分之一，进一步为四分之一。另外，所述第一电偶导电件和第二电偶导电件在所述pcb板长度方向的长度小于所述第一金属通孔阵列的长度，或所述第一磁偶导电件和第二磁偶导电件在所述pcb板长度方向的长度小于所述第一金属通孔阵列的长度。

辐射单元的第三个具体方案包括印刷磁偶极子结构和金属通孔电偶极子结构。其中磁偶极子结构印刷在pcb的不同层上，并通过加入短路金属通孔来实现其功能。电偶极子结构由金属通孔构成，通过在pcb厚度方向打孔来实现。

具体的，所述第一磁偶导电件和所述第二磁偶导电件表面分别设置有第三介质层以及第四介质层，所述第一电偶导电件和所述第二电偶导电件为沿所述pcb板厚度方向分别穿过所述第三介质层和第四介质层的金属通孔阵列。其中，所述第三介质层的外表面或所述第四介质层的设有连通所述金属通孔阵列的矩形覆铜层，所述矩形覆铜层的长度小于所述第一电偶导电件或所述第二电偶导电件的长度。另外，所述第一电偶导电件与所述第二电偶导电件相对于所述pcb板对称。所述金属通孔阵列的长度小于所述第一金属通孔阵列的长度。所述金属通孔阵列之间的间距小于波导波长的四分之一，单个金属通孔直径小于波导波长的八分之一。

在馈电结构方面，所述馈电结构为带状金属线、共面导波结构或者是微带线结构中的一种。当为带状金属线时，其第一馈电端通过穿过设置在所述第一介质层的电偶馈电通孔阵列与所述第一电偶导电件连接；第二馈电端连接外部射频前端模组。所述馈电结构分布在多个pcb板的介质层，各层之间通过贯穿至少一个介质层的第一馈电金属通孔连接。

另外，所述接地端包括分别分布在第一介质层表面的第一覆铜层以及第二介质层表面的第二覆铜层，所述第一覆铜层与第二覆铜层之间通过至少一组同时贯穿第一介质层和第二介质层的第二金属通孔阵列连接。所述第二金属通孔阵列分布在所述馈电结构两侧，并关于所述馈电结构对称。

本发明的所起到的有益效果包括：对于第一个方案的辐射单元，结构简单，方便采用smt的方式进行组装；第二个方案的辐射单元由于采用金属包边工艺将电偶极子印刷在了pcb的厚度方向，有效的降低了天线的整体厚度，更适用于对天线剖面有要求的场合；对于第三个方案的辐射单元，由于采用金属通孔的形式，与第二个方向的辐射单元有着低剖面的优点，同时加工更加方便，结构也更为牢固。

本发明所述的磁电偶极子天线单元均具有结构简单、频带宽、增益高、易于与pcb集成等优点；对于各国规划的5g备选频段中，可以覆盖三个及以上相邻频段，非常适合于第五代移动通信系统，尤其是5g毫米波频段的应用。

附图说明

图1为本发明实施例1或2中的天线单元结构爆炸示意图。

图2为本发明实施例1或2中的天线单元结构俯视透视示意图。

图3为本发明实施例3中的天线单元结构爆炸示意图。

图4为本发明实施例3中的天线单元结构示意图。

图5为本发明实施例4中的天线单元结构爆炸示意图。

图6为本发明实施例4中的天线单元结构俯视透视示意图。

图7为本发明实施例1~4中的馈电结构示意图。

图8为本发明实施例5中的馈电结构爆炸示意图。

图9为本发明实施例1或2中的天线单元在26ghz-40ghz的仿真s11曲线。

图10为本发明实施例1或2中的天线单元在28ghz处的仿真辐射方向图。

图11为本发明实施例1或2中的天线单元在39ghz处的仿真辐射方向图。

其中，pcb板为100；第一表面为111；第二表面为121；第一介质层为110；第二介质层为120；第三介质层为130；第四介质层为140；辐射单元为200；磁偶极子为210；第一磁偶导电件为211；第二磁偶导电件为212；第一金属通孔阵列为213；电偶极子为220；第一电偶导电件为221；第二电偶导电件为222；矩形覆铜层为223；馈电结构为300；第一覆铜层为410；第二覆铜层为420；第三覆铜层为430；第二金属通孔阵列为440；长条形覆铜结构为450。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。

实施例1：

本实施例中的5g移动终端的新型天线单元如图1和图2所示。包括pcb板100、辐射单元200以及馈电结构300。

其中pcb板100具有第一表面111以及第二表面121，第一表面111与第二表面121相背。辐射单元200设置在pcb板上。另外，馈电结构300则根据设置在pcb板100内部或者表面，用于传递馈电信号。

本实施例的辐射单元200包括磁偶极子210以及电偶极子220。该磁偶极子210与电偶极子220的方向相互垂直，获得定向的方向图，并且具有很宽的带宽。

其中磁偶极子210包括分别第一磁偶导电件211、第二磁偶导电件212以及第一金属通孔阵列213。第一磁偶导电件211设置在第一表面110上，第二磁偶导电件212设置在第二表面120，两个磁偶导电件形成设置对称结构。第一金属通孔阵列213穿过pcb板100且两端分别连通第一磁偶导电件211边缘和第二磁偶导电件212边缘，该两个边缘应该是相对应的。最终使磁偶极子210形成一个u的结构。

本实施例中，第一磁偶导电件211和第二磁偶导电件212分别为相互平行设置的覆铜片，覆铜片的形状可以但不仅限于矩形、对称性的不规则形状等。另外，天线单元的接地端由磁偶极子210延伸而出。具体该接地端包括分别分布在第一介质层110表面的第一覆铜层410以及第二介质层表面120的第二覆铜层420。该两个覆铜层的面积比磁偶极子210的面积大。同时该第一覆铜层410和第二覆铜层420分别与第一磁偶导电件211、第二磁偶导电件212在连通。第一覆铜层410与第二覆铜层之间420通过至少一组同时贯穿第一介质层110和第二介质层120的第二金属通孔阵列440连接。优选的，为了尽可能多的连通，第二金属通孔阵440列可以的通孔数量可以相应地多设置。

电偶极子220包括第一电偶导电件221和第二电偶导电件222；第一电偶导电件221连接第一磁偶导电件211，第二电偶导电件222连接第二磁偶导电件212，两个电偶导电件之间则通过磁偶极子210进行馈电。最终构成一个磁电偶极子结构。另外，在外部的馈电信号通过馈电结构300连接第一磁偶导电件211，进传到第一电偶导电件221上，从而完成电偶极子220和磁偶极子210的馈电。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于：如图1和图2所示。本实施例中的pcb板100包括层叠设置的第一介质层110以及第二介质层120，磁偶极子210的第一磁偶导电件211覆盖在第一介质层110的外表面，而第二磁偶导电结构212则覆盖在第二介质层120的外表面，对应地，第一金属通孔阵列213设置在pcb板100内，同时穿过第一介质层110和第二介质层120，两端部连接在第一磁偶导电件211和第二磁偶导电件212。

本实施例中的第一金属通孔阵列213的排列方式为一字型排列，金属通孔阵列之间的间距应该小于波导波长的四分之一，并且金属通孔的直径小于波导波长的八分之一。保证磁偶极子210的构成条件，使第一金属通孔阵列213形成至少一面金属墙的效果。电偶极子210需要设置在pcb板100的边缘位置。

需要注意的是，第一金属通孔阵列213的长度需要大于磁偶极子210的两个磁偶导电件211、212在pcb板100长度方向的长度。

本实施中的电偶极子220的两个电偶导电件221、222由两个小型金属化块组成，电偶导电件221、222的形状可以是长方体的，也可以是梯台或者是其他棱柱状结构或棱台状结构。第一电偶导电件221和第二电偶导电件222同样是关于pcb板100内馈电结构300对称设置。并且同样需要设置在pcb板100的边缘处。可以通过焊接或者是smt工艺等形式分别对应连接在磁偶极子210的两个磁偶导电件211、212的相对pcb100的外边缘上。为了方便描述，将本实施例中第一电偶导电件221和第二电偶导电件222的沿着pcb板100的长度方向定义为长边，宽边沿着pcb板100的厚度方向。为了方便表面贴装，厚度方面可以相对提高，优选地，厚度可取值0.5mm~2mm。长度方面最好与磁偶极子210的长度相当，需要小于第一金属通孔阵列213的长度。

在馈电结构300方面，如图7所示，本实施例的馈电结构300设置在第一介质层110和第二介质层120之间。优选地，本实施例中的馈电结构300为金属条带，其布置在第一磁偶导电件211和第二磁偶导电件212的对称轴上，从第一金属通孔阵列213的中心缝隙穿过，并对磁偶极子210进行馈电。

馈电结构300的馈电方式可以是采用直接馈电，也可以是耦合馈电的方式进行馈电，本实施例采用的是直接馈电方式馈电，即馈电结构300的第一馈电端310通过电偶馈电通孔阵列330与第一磁偶导电件211连接，本实施例中，该电偶馈电通孔阵列330贯穿第一介质层110。第二馈电端320则连接外部射频前端模组。电偶馈电通孔阵列330可以根据连接点的面积以及设计需要对其通孔数量进行调整，数量为最少一个，本实施例即采用了一个通孔，简化结构。

本实施例的第二馈电端320与测试接头的中心导体321连接，测试接头的外导体322从金属治具323中穿过，第一介质层110镂空边长约1~2mm的矩形位置324，该位置提供馈电结构300和中心导体321的连接。

另外，同样的本实施中的馈电结构300所设置的位置也是电偶极子220的一个对称轴，且垂直于电偶极子220的方向。

另外，为了接地端的增加导电性，可以在第一覆铜层410和第二覆铜层420之间布设一定数量的第二金属通孔阵列440，该第二金属通孔440内阵列可以分布在馈电结构300的两侧，并且可以关于馈电结构300对称。另外，第二金属通孔阵列440中金属通孔的孔径可以做一定的扩大，使其同时可以作为天线单元的定位孔。

考虑到功能性和价格，该天线单元印刷在fr4介质基板上，基板介电常数在4~4.8之间，基板的厚度可以在0.5mm-2mm之间，在一些优选实施例中基板介电常数为4.4，压合基板的厚度为1mm，上层和下层基板的厚度分别为0.5mm。组成电偶极子220的金属块的长度、宽度以及厚度分别为4.5mm、2mm、0.5mm。组成磁偶极子210的覆铜层宽度分别为4.5mm和1mm。

请参见图9，图9为本实施例的s11参数仿真结果，天线单元阻抗带宽超过50%。另外，图10所示天线在28ghz处天顶增益4.8dbi，91为δ=90°切面的方向图，92为δ=0°度切面的方向图。图11所示天线在39ghz处天顶增益4.9dbi，93为δ=90°切面的方向图，94为δ=0°切面的方向图。

实施例3：

本实施例与实施例2的区别在于，如图3和图4所示，本实施例中的pcb板100还包括了层叠在第一介质层110外表面上的第三介质层130，以及层叠在第二介质层120外表面的第四介质层140。并且第三介质层130覆盖在第一磁偶导电件211外，第四介质层140覆盖在第二磁偶导电件212外。

电偶极子210则基于第三介质层130和第四介质层140做了调整，本实施例中电偶极子220的电偶导电件221、222为片状结构，本实施例中第一电偶导电件221通过的包边覆铜的方式设置在第三介质层130在厚度方向上的面。同时底端连接第一磁偶导电件211。第二电偶导电件222则对应地设置在第四介质层140上。

本实施例中，第一电偶导电件221与第二电偶导电件222均为矩形导电片，为铜箔材质，其长度同样也需要小于第一金属通孔阵列213的长度。而且，第一电偶导电件221或第二电偶导电件222沿电流方向尺寸等于第三介质层130或第四介质层140的厚度。

由于引入了介质层，因此对第三介质层130以及第四介质层140的厚度有了一定的要求，即第三介质层130以及第四介质层140的厚度为导波在自身介质层中波长的八分之一到二分之一之间，进一步的为介质层中波长的四分之一。

另外，在生产过程中，为了方便对第一金属通孔阵列213进行开孔和金属化，可一将金属化通孔延长至同时贯穿第一介质层110到第四介质层140，并且在第三介质层130和第四介质层140外表面与第一金属通孔阵列213的对应处分别设置长条形覆铜结构450。

实施例4：

本实施例与实施2的区别在于，如图5和图6所示，本实施例中的pcb板100还包括了层叠在第一介质层110外表面上的第三介质层130，以及层叠在第二介质层120外表面的第四介质层140。并且第三介质层130覆盖在第一磁偶导电件211外，第四介质层140覆盖在第二磁偶导电件212外。

电偶极子220则基于第三介质层130和第四介质层140做了调整，本实施例中电偶极子220的电偶导电件221、222为沿pcb板100厚度方向的金属通孔阵列，金属通孔阵列设置在第三介质层130和第四介质层中140。第一电偶导电件221与第二电偶导电件222为对称设置，为了方便描述，将主要以第一电偶导电件221来进行描述，第一电偶导电件221在第三介质层130形成一个一字型阵列，第一电偶导电件221在靠近第一磁偶导电件211的一端与第一磁偶导电件211连接，而与该端部相对的另一端则延伸到第三介质层130的外表面。并且外第三介质层130的外表面形成一条矩形覆铜层223，该矩形覆铜层223的长度要小于第一电偶导电件221的长度。同理的，第二电偶导电件222则关于馈电结构300平面对称地设置在第四介质层140中。

需要注意的是，本实施例中组成第一电偶导电件221和第二电偶导电件222的金属通孔尺寸和通孔间距需要符合一定的要求，具体为每个金属通孔之间的间距需小于波导波长的四分之一，优选地，单个金属通孔直径小于波导波长的八分之一。这些金属通孔组成一排形成金属墙的效果。

实施例5：

本实施例与实施例1~4中任一项的区别在于，如图8所示，附图以具有双层介质板的pcb板为例。本实施例的馈电结构300为共面波导转带状线馈电结构，包括第一馈电金属条带301与第二馈电金属条带302，其中第一金属条带301设置在第一介质层110和第二介质层120之间，并连接第一磁偶导电件211，同时，其还通过第一馈电金属通孔303连接到设置在第一介质层110或第二介质层120外表面的第二金属条带302。该第二金属条带302为共面波导结构的信号线，其与测试接头连接。

另外，在第一介质层110和第二介质层120之间还设有第三覆铜层430，并且通过设置在第一馈电金属通孔303周围的偶数个第二馈电金属通孔304将第一覆铜层410、第二覆铜层420以及第三覆铜层430连接导通。可以理解的，第二馈电金属通孔304需要贯穿第一介质层110和第二介质层120。优选的，第二馈电金属通孔304关于第一馈电金属通孔303对称，改善信号传输性能。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。