一种用于5G金属边框手机终端的双频天线结构的制作方法

本发明涉及5g手机终端天线结构设计领域，特别涉及一种用于5g金属边框手机终端的双频mimo（multiple-inputmultiple-output，多输入多输出）天线结构。

背景技术：

随着第五代移动通信技术(5g)的日益推进，中国工业和信息化部已于2017年11月15日正式发表声明，确定将3300-3600mhz和4800-5000mhz频段作为5g系统的低频工作频段。5g系统的低频工作频段也被视为5g网络的先锋频段，基于该低频频段的5g手机终端天线设计也逐渐引起了人们的广泛关注。然而，由于现有手机尺寸、材质及天线布局的限制，5g手机终端天线结构的设计难度猛增。

基于sub-6ghz频段的5g手机终端天线结构的设计难点在于如何将双频mimo天线技术与5g手机终端相结合，对多天线进行合理布局，进而提高5g手机终端设备的信道容量和信号传输速率。值得注意的是，在5g手机终端天线结构的设计过程中，还需考虑手机终端的外形美观，只有满足消费者的审美，才能实现5g手机终端的商业价值。现阶段，由于消费者审美的驱动，金属边框智能手机逐渐引领了时尚潮流，受到大众的喜欢。因此，设计一种用于金属边框手机终端的双频天线结构具有非常重要的现实意义和良好的应用价值。

双频天线结构设计之初，需要考虑天线小型化、多频段、隔离度以及实际的id与结构设计等问题。针对双频天线结构设计，近年来也有许多专家学者提出了多款工作在sub-6ghz频段的5gmimo手机终端天线结构。如文献“eight-portorthogonallydual-polarizedantennaarrayfor5gsmartphoneapplications”提出了一款应用于5g手机终端的8端口正交双极化天线阵列，该天线阵列单元由两种不同类型的天线（耦合馈电的c型单极子和耦合馈电的l形缝隙）组成，因此天线间呈现正交极化特性。该天线设计方案虽很好的解决了隔离度问题，但未考虑到天线的双频工作特性、结构的紧凑性以及金属边框的设计方法。文献“conceptualdesignandimplementationofafour‐elementmimoantennasystempackagedwithinametallichandset”公开了一种5g金属边框手机终端4×4mimo天线设计方案，该天线方案由4个相同的槽形微带磁偶极子组成，天线实现了良好的工作特性，但是该方案的天线尺寸太大，不易布局在手机终端内。文献“compacteight-antennaarrayinthesmartphoneforthe3.5-ghzlte8×8mimooperation”进一步提出采用耦合馈电的方式设计8×8mimo金属边框手机天线，通过添加中和线的方法提高天线间隔离度，天线工作在3.5ghz频段，虽然该天线结构的隔离度大于-12db，天线占用手机侧边的尺寸也只有1×60mm²，然而该方案的天线结构也是工作在3.5ghz单频段，并且手机中的卡槽和音量键对该方案的最终实现存在很大冲突。

综上，以上5g手机终端天线的设计方案都存在一定的设计问题，脱离了实际工程应用。鉴于此，本发明构造了一种用于5g金属边框手机终端的双频4×4mimo天线结构，该天线结构不尽可以保证天线小型化、高隔离度和双频工作特性，同时还能满足消费者的审美需求，实现良好的应用价值。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于金属边框手机终端的双频天线结构，该双频天线结构通过在边框上开设缝隙结构，进一步将天线单元的基本谐振模式调整为四分之一波长谐振模式，在保证手机边框完整性的前提下，大大缩小了天线单元的总长度，实现了天线单元的紧凑；与此同时，产生了两种不同的谐振路径，实现了天线的双频工作。

一种用于5g金属边框手机终端的双频天线结构，包括金属边框以及设置在金属边框内的金属前壳，金属边框在与金属前壳相对应一侧设有绝缘支架；所述金属前壳上设有主板，主板在与金属前壳相背一侧覆有铜层，主板在铜层一面装有多个天线单元，各天线单元包括馈电端口和馈电线，馈电线一端通过馈电端口与主板相连，另一端贴装在绝缘支架上，馈电线为l型；所述金属前壳上设有与馈电线相匹配的第一缝隙，第一缝隙与馈电线贴装在绝缘支架上的部分相互平行，所述金属边框设有与第一缝隙相匹配的第二缝隙，第二缝隙与第一缝隙垂直，第二缝隙用于将天线单元的谐振长度调整为四分之一波长。

进一步的，所述用于金属边框手机终端的双频天线结构的工作频段为3400-3600mhz和4800-5000mhz。

进一步的，所述金属边框与金属前壳垂直设置，所述第一缝隙的长为17.5mm，宽为1.5mm；所述第二缝隙的长为5.7mm，宽为2mm。

进一步的，所述主板为u型结构，所述金属前壳上设有与主板结构相匹配的电池。

进一步的，所述第二缝隙与第一缝隙内装有塑料填充物。

进一步的，所述绝缘支架贴装在金属边框上，所述绝缘支架由塑料材质制成，绝缘支架的厚度为0.4-0.6mm。

进一步的，所述主板上设有四个天线单元，四个天线单元沿金属边框的长边方向对称分布，相邻天线单元之间的距离不低于27mm。

进一步的，四个天线单元均分布在金属边框的上半部分，所述天线单元与金属边框的短边之间的距离不低于14mm。

进一步的，所述主板为fr-4介质基板，所述fr-4介质基板的相对介电常数为4.3-4.5，损耗角正切为0.015-0.025，厚度为0.7-0.9mm。

一种手机终端，所述手机终端为一5g手机终端，所述5g手机终端包括上述的天线单元。

本发明所起到的有益技术效果如下：

（1）本发明提供的用于金属边框手机终端的双频天线结构，将天线单元中的馈电线布置成l型结构，并通过合理布局天线单元的位置使其产生了两种不同的谐振路径，实现了双频工作。

（2）该双频天线结构在金属前壳上开设第一缝隙，在金属边框上开设第二缝隙，通过开设的第二缝隙，使得第一缝隙在中间开口，从而将天线单元的基本谐振模式调整为四分之一波长谐振模式，大大缩小了天线单元的总长度，实现了天线单元的紧凑布局。

（3）通过合理优化各天线单元之间的距离，使得天线单元具有较高的隔离度，满足了手机对隔离度的要求，同时也在金属边框上预留有卡槽、音量键等布局区域，为5g金属边框手机终端双频mimo天线的设计提供了一种可行的技术方案。

附图说明

图1为本实施例1中一种用于金属边框手机终端的双频天线分布示意图。

图2为实施例1天线单元的结构示意图

图3为实施例1天线单元的俯视图

图4实施例2四个天线单元的仿真反射系数示意图

图5实施例2四个天线单元的实测反射系数示意图

图6实施例2相邻天线单元之间的仿真隔离度随频率变化曲线

图7实施例2相邻天线单元之间的实测隔离度随频率变化曲线

图8实施例2中四个天线单元在3.5ghz频点下的仿真二维辐射方向

图9实施例2中四个天线单元在4.9ghz频点下的仿真二维辐射方向图

图10实施例2中四个天线单元的仿真总效率随频率变化曲线

图11实施例2中四个天线单元的实测总效率随频率变化曲线

图12为实施例2中天线单元的多种结构变化示意图。

附图标记：

1-金属边框，11-第二缝隙，2-天线单元，21-馈电端口，22-馈电线，3-电池，4-主板，5-金属前壳，51-第一缝隙，6-铜层，7-绝缘支架

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

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：

如图1所示，本实施例提供了一种用于金属边框手机终端的双频天线结构，包括金属边框1以及设置在金属边框1内的金属前壳5，金属边框1在与金属前壳5相对应一侧设有绝缘支架7，所述绝缘支架7贴装在金属边框1的内侧，绝缘支架7由塑料材质制成，其厚度为0.4-0.6mm，优选0.5mm。所述金属前壳5上设有主板4，所述主板4为u型结构，所述金属前壳5上设有与主板4结构相匹配的电池3，所述电池3和主板4拼合后的形状与金属前壳5相匹配。本实施例中，所述主板4为fr-4介质基板，所述fr-4介质基板的相对介电常数范围为4.3-4.5，优选4.4，损耗角正切的范围为0.015-0.025，优选0.02，厚度控制在0.7-0.9mm之间，优选0.8mm。主板4在与金属前壳5相背一侧覆有铜层6，主板4在铜层6一侧装有四个天线单元2，四个天线单元2沿金属边框1的长边方向对称分布，相邻天线单元2之间的距离大于等于27mm，为实现紧凑结构，一般优选27mm。相邻天线单元2之间距离的控制为金属边框1上卡槽、音量键等安装预留的区域。本实施例中，所述四个天线单元2均分布在金属边框1的上半部分，所述天线单元2与金属边框1的短边之间的距离控制在14mm，该区域主要用于布局2g天线结构、3g天线结构及4g天线结构。而且将四个天线单元2均分布在金属边框1的上半部分也可以有效避免手握手机时对天线单元2产生不利影响。

如图2和图3所示，各所述天线单元2包括馈电端口21和馈电线22，馈电端口21一端与主板4相连，另一端与馈电线22相连，所述馈电线22呈l型结构，所述l型馈电线22的一个边与馈电端口21相连，l型馈电线22的另一个边贴装在绝缘支架7上。所述金属前壳5上设有与天线单元2相匹配的第一缝隙51，第一缝隙51与馈电线22贴装在绝缘支架7上的部分相互平行。所述金属边框1设有与第一缝隙51相匹配的第二缝隙11，第二缝隙11与第一缝隙51垂直设置，第二缝隙11用于将天线单元2的谐振长度调整为四分之一波长。为了手机外形的美观，通常第二缝隙11与第一缝隙51内装有填充物，所述填充物优选透明的塑料填充物，在保证信号传输良好的情况下，更好的满足了手机终端整体的美观需求。本实施例中，所述用于金属边框手机终端的双频天线结构的工作频段为3400-3600mhz和4800-5000mhz。相对应的，所述金属边框1与金属前壳5垂直设置，所述第一缝隙51的长为17.5mm，宽为1.5mm；所述第二缝隙11的长为5.7mm，宽为2mm。

该双频天线单元2的工作原理如下：

本技术方案首先将天线单元2中的馈电端口21与馈电线22相连，且进一步将馈电线22设置成l型结构，通过合理布局天线单元2的位置使其产生了两种不同的谐振路径，实现了双频工作。此外，在金属前壳5上开设第一缝隙51，在金属边框1上开设第二缝隙11，通过控制第二缝隙的位置，使得第一缝隙呈现开口状态，从而将天线单元2的基本谐振模式调整为四分之一波长谐振模式，在保证金属边框1外形美观的条件下，缩小了天线单元2的总长度，实现了天线单元2的紧凑布局。最重要的是，通过合理优化各天线单元2之间的距离，使得天线单元2具有较高的隔离度，满足了手机天线对隔离度的要求。

实施例2：

本实施例提供了一种手机终端，所述手机终端的长度为150mm，宽度为75mm。所述手机终端为一5g手机终端，该5g手机终端包括实施例1中所述的天线单元。该手机终端具体包括金属边框1以及设置在金属边框1内的金属前壳5，金属边框1在与金属前壳5相对应一侧设有绝缘支架7；所述金属前壳5上设有主板4，主板4在与金属前壳5相背一侧覆有铜层6。其中，金属边框1的高度为5.7mm，金属边框1的厚度控制在1.2mm，与金属边框1内侧贴装的绝缘支架7厚度控制在0.5mm。所述金属边框1与金属前壳5垂直设置，所述金属前壳5的厚度优选0.5mm。本实施例中，所述金属边框1在距其自身下边缘1.5mm的位置处与金属前壳5相连接，1.5mm的空位用于安装相适配的手机屏幕，以满足主流高端智能手机的整体尺寸要求。上述主板4为u型结构，所述金属前壳5上设有与主板4结构相匹配的电池3，电池3尺寸选用90mm×45mm×3.5mm。主板4在与铜层6相对应的一侧装有四个天线单元2，四个天线单元2沿金属边框1的长边方向对称分布，相邻天线单元2之间的距离等于27mm，四个天线单元2均分布在金属边框1的上半部分，所述天线单元2与金属边框1的短边之间的距离等于14mm。各组天线单元2的结构布局与实施例1中相同，所述双频手机的工作频段为3400-3600mhz和4800-5000mhz。所述第一缝隙51的长为17.5mm，宽为1.5mm；所述第二缝隙11的长为5.7mm，宽为2mm。

根据本实施例提供的技术方案中所描述的天线结构，进一步使用hfss15.0电磁仿真进行建模仿真，并将仿真模型的各项系数与本实施例中双频手机终端天线的实测系数进行了比较，对比结果如图4-图11所示。图4和图5分别为实施例2中四个天线单元2的仿真与实测反射系数随频率变化曲线图，其中s11、s22、s33和s44分别表示四个天线单元2。从图中可以看出，仿真与实测结果吻合度较高，四个天线单元2的-6db阻抗带宽都覆盖了sub-6ghz频段，即3400-3600mhz和4800-5000mhz，满足5g金属边框手机终端天线的双频工作要求。图6和图7分别给出了相邻天线单元2之间仿真与实测的隔离度随频率变化曲线，从图中可以看出，相邻天线单元2之间隔离度均大于-11db，满足手机对天线单元2的隔离度的设计要求。图8和图9分别给出了天线单元2在3.5ghz和4.9ghz两个频点上对应的仿真二维辐射方向图。由图可知，四个天线单元2在3.5ghz和4.9ghz的频点处均实现了宽波束覆盖，且最大增益分别可以达到2.1dbi和4.6dbi。此外，图10和图11为实施例2中四个天线单元2的仿真与实测总效率随频率变化曲线，对比结果表明，四个天线单元2在工作频段内的总效率分布在60%-80%之间，实测效率比仿真效率偏低约10%左右，四个天线单元2相对而言均保持了良好的辐射特性。总而言之，本实施例提出的应用于5g金属边框手机终端的4×4双频mimo天线结构在工作频段内具备良好的阻抗匹配特性、较高的单元隔离特性和辐射特性，在实现双频的基础上，保证了4×4双频mimo终端天线的紧凑型分布，易于满足工程实施需求，利于进一步应用推广。

实施例1和实施例2所述仅是本技术方案的一种实施方式，还可以针对天线单元2的结构分布进行改进，例如图12中的a、b、c三种改进技术方案所示，只要基于本技术方案设计原理的基础上，改变天线单元2中的馈电线22的走线，或者改变金属前壳5及金属边框1中的第一孔隙51和第二孔隙11的结构，改进后的天线单元均应在发明的保护范围之内。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。