应用于5G通信的双频MIMO天线系统及移动终端的制作方法

本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种应用于5G通信的双频MIMO天线系统及移动终端。

背景技术：

随着无线通信技术的快速发展，第五代(5G)无线通信系统将在2020年商业化使用。5G无线通信系统将使用下面两个不同的主要频段：6GHz以下和6GHz以上的毫米波频段。由于6GHz以下具有可操作性强和技术成熟的优点，所以6GHz以下的5G天线系统将被优先使用。在第四代移动通信(4G)系统中，2×2的多输入多输出(MIMO)天线已经被广泛研究并使用在手持移动设备中。目前各国的研究结果表明，5G通信技术与目前的4G通信技术相比，其峰值速率将增长数十倍，所以，为了达到5G传输速率的要求，具有更多天线个数的MIMO天线系统，比如8×8的MIMO天线系统将被应用到手持设备，以实现更大的信道容量和更好的通信质量。此外，具有多天线单元的MIMO天线系统可以很好地解决多径衰落问题并提升数据吞吐量。

2017年11月9日，国家工信部公布5G频段，规划3.3～3.6GHz和4.8～5GHz频段作为5G天线系统的工作频段，其中，3.3～3.4GHz频段原则上限室内使用。

由于手持设备比如手机的空间有限，更多的天线将会带来天线间隔离度的恶化，在MIMO天线系统中，天线间的隔离度以及包络相关系数(ECC)将会对通信系统(比如系统信道容量)产生至关重要的影响。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种应用于5G通信的双频MIMO天线系统及移动终端，天线单元间的隔离度好。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种应用于5G通信的双频MIMO天线系统，包括至少四个的天线单元，所述天线单元包括F形的辐射单元和L形的馈电单元，所述辐射单元包括第一水平分支、第二水平分支和第一竖直分支，所述第一水平分支位于所述第二水平分支的上方，且所述第一水平分支的长度值大于所述第二水平分支的长度值，所述第一竖直分支远离第一水平分支的一端设有接地点；所述馈电单元包括第三水平分支和第二竖直分支，所述第三水平分支靠近所述第二水平分支设置，所述第二竖直分支远离第三水平分支的一端设有馈电点。

进一步的，所述天线单元还包括天线支架，所述辐射单元和馈电单元分别设置于所述天线支架上。

进一步的，所述辐射单元和馈电单元分别位于所述天线支架相对的两侧面上，所述第二水平分支的下部与所述第三水平分支的上部在所述天线支架的厚度方向上重合。

进一步的，所述辐射单元和馈电单元均位于所述天线支架的同一侧面上，所述第三水平分支位于所述第二水平分支的下方。

进一步的，所述第一竖直分支包括弯折部和竖直部，所述弯折部与竖直部固定连接，且弯折部与竖直部呈夹角设置，所述第一水平分支和第二水平分支均与所述弯折部固定连接。

进一步的，所述夹角的大小为90°。

进一步的，所述天线单元的工作频率范围分别为3.3～3.6GHz和4.8～5GHz。

本实用新型采用的另一技术方案为：

一种移动终端，包括所述的应用于5G通信的双频MIMO天线系统。

进一步的，还包括PCB板，所述PCB板的形状为矩形，所述天线单元设置于所述PCB板的长边上。

进一步的，所述天线单元的数目为八个。

本实用新型的有益效果在于：天线单元包括F形的辐射单元和L形的馈电单元，可以很好地覆盖3.3～3.6GHz和4.8～5GHz两个频段，天线单元之间的隔离度好，且结构紧凑，占用空间小。本实用新型的天线系统适用于手机等移动终端，便于制作，成本低。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的移动终端的结构示意图；

图2为本实用新型实施例一的双频MIMO天线系统的侧视图；

图3为图1中A处的放大结构示意图；

图4为图2中B处的放大结构示意图；

图5为本实用新型实施例一的天线单元的另一整体结构示意图；

图6为图1中的双频MIMO天线系统的S参数图；

图7为本实用新型实施例一的双频MIMO天线系统的总效率图；

图8为本实用新型实施例一的双频MIMO天线系统的包络相关系数结果；

图9为本实用新型实施例一的双频MIMO天线系统的信道容量结果；

图10为本实用新型实施例一的天线单元工作在3.5GHz时的电流分布图；

图11为本实用新型实施例一的天线单元工作在4.9GHz时的电流分布图；

图12为本实用新型实施例一的双频MIMO天线系统另一侧视图；

图13为本实用新型实施例一的双频MIMO天线系统另一侧视图；

图14为本实用新型实施例一的不同双频MIMO天线系统的隔离度测试结果。

标号说明：

1、PCB板；2、天线单元；21、第一水平分支；22、第二水平分支；23、第一竖直分支；24、第三水平分支；25、第二竖直分支；26、天线支架；231、弯折部；232、竖直部。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、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。

本实用新型最关键的构思在于：天线单元包括F形的辐射单元和L形的馈电单元，可以很好地覆盖3.3～3.6GHz和4.8～5GHz两个频段，且天线单元之间的隔离度好。

请参照图1至图5，一种应用于5G通信的双频MIMO天线系统，包括至少四个的天线单元2，所述天线单元2包括F形的辐射单元和L形的馈电单元，所述辐射单元包括第一水平分支21、第二水平分支22和第一竖直分支23，所述第一水平分支21位于所述第二水平分支22的上方，且所述第一水平分支21的长度值大于所述第二水平分支22的长度值，所述第一竖直分支23远离第一水平分支21的一端设有接地点；所述馈电单元包括第三水平分支24和第二竖直分支25，所述第三水平分支24靠近所述第二水平分支22设置，所述第二竖直分支25远离第三水平分支24的一端设有馈电点。

从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：天线单元包括F形的辐射单元和L形的馈电单元，天线单元之间的隔离度好，且结构紧凑，占用空间小。通过调整第一水平分支、第二水平分支的长度，第一水平分支和第二水平分支之间的间隙大小，以及第三水平分支和第二竖直分支的长度，可以很好地覆盖3.3～3.6GHz和4.8～5GHz两个频段，且通过调整天线单元的位置和方向可以得到隔离度好的MIMO天线系统。

进一步的，所述天线单元2还包括天线支架26，所述辐射单元和馈电单元分别设置于所述天线支架26上。

进一步的，所述辐射单元和馈电单元分别位于所述天线支架26相对的两侧面上，所述第二水平分支22的下部与所述第三水平分支24的上部在所述天线支架26的厚度方向上重合。

由上述描述可知，第三水平分支与第二水平分支部分重合便于进行耦合馈电。

进一步的，所述辐射单元和馈电单元均位于所述天线支架26的同一侧面上，所述第三水平分支24位于所述第二水平分支22的下方。

由上述描述可知，通过调整尺寸和位置可以将辐射单元和馈电单元设置在天线支架的同一侧面上。

进一步的，所述第一竖直分支23包括弯折部231和竖直部232，所述弯折部231与竖直部232固定连接，且弯折部231与竖直部232呈夹角设置，所述第一水平分支21和第二水平分支22均与所述弯折部231固定连接。

由上述描述可知，辐射单元可以为弯折结构，弯折的部位在第一竖直分支上。

进一步的，所述夹角的大小为90°。

进一步的，所述天线单元2的工作频率范围分别为3.3～3.6GHz和4.8～5GHz。

请参照图1，本实用新型涉及的另一技术方案为：

一种移动终端，包括所述的应用于5G通信的双频MIMO天线系统。

由上述描述可知，天线系统适用于手机等移动终端，便于制作，成本低。

进一步的，还包括PCB板1，所述PCB板1的形状为矩形，所述天线单元2设置于所述PCB板1的长边上。

进一步的，所述天线单元2的数目为八个。

由上述描述可知，每一个长边上可以设置四个天线单元，每一个天线单元的具体放置方式可以根据需要进行调整。

请参照图1至图14，本实用新型的实施例一为：

一种移动终端，如图1所示，包括PCB板1和应用于5G通信的双频MIMO天线系统，所述双频MIMO天线系统包括至少四个的天线单元2，本实施例中，天线单元2的数目为八个，所述PCB板1的形状为矩形，所述PCB板1的尺寸为150mm×75mm，所述天线单元2设置于所述PCB板1的长边上，每一个长边上设有四个天线单元2，在两条长边上的天线单元2相对于PCB板1的短边对称设置。如图2所示，每一条长边上的四个天线单元2相对于长边的中点为对称结构。具体的，从左往右的第一个天线单元2和第二个天线单元2的朝向相同，第三个天线单元2和第四个天线单元2的朝向相同，且第二个天线单元2和第三个天线单元2相背设置(即开口方向相背)。

如图3和图4所示，所述天线单元2包括F形的辐射单元和L形的馈电单元，所述辐射单元包括第一水平分支21、第二水平分支22和第一竖直分支23，所述第一水平分支21位于所述第二水平分支22的上方(即第一水平分支21为更靠外的那一个分支)，且所述第一水平分支21的长度值大于所述第二水平分支22的长度值，所述第一竖直分支23远离第一水平分支21的一端设有接地点。第一水平分支21相对于第二水平分支22平行设置，第一水平分支21和第二水平分支22分别相对于所述第一竖直分支23垂直设置。所述馈电单元包括第三水平分支24和第二竖直分支25，所述第三水平分支24靠近所述第二水平分支22设置，所述第二竖直分支25远离第三水平分支24的一端设有馈电点。本实施例中，在馈电点处可以连接微带线或同轴线实现电连接。所述天线单元2还包括天线支架26，所述辐射单元和馈电单元分别设置于所述天线支架26上。优选的，所述辐射单元和馈电单元分别位于所述天线支架26相对的两侧面上，所述第二水平分支22的下部与所述第三水平分支24的上部在所述天线支架26的厚度方向上重合，即第二水平分支22与第三水平分支24在天线支架26的厚度方向上部分重合。本实施例中，天线支架26的厚度方向即为PCB板1的短边所在的方向，第二水平分支22的下部即为第二水平分支22远离第一水平分支21的一部分，第三水平分支24的上部即为第三水平分支24远离第二竖直分支25的一部分。可以通过调整第一水平分支21、第二水平分支22的长度，第一水平分支21和第二水平分支22之间的间隙大小，以及第三水平分支24和第二竖直分支25的长度，可以很好地覆盖3.3～3.6GHz和4.8～5GHz两个频段，通过调整天线单元2的位置和方向可以得到隔离度好的MIMO天线系统。

在另一具体实施方式中，所述辐射单元和馈电单元可以均设置在所述天线支架26的同一侧面上，此时，所述第三水平分支24位于所述第二水平分支22的下方，辐射单元和馈电单元的具体尺寸也需要相应进行调整。

如图5所示，在另一具体实施方式中，所述第一竖直分支23包括弯折部231和竖直部232，所述弯折部231与竖直部232固定连接，且弯折部231与竖直部232呈夹角设置，所述第一水平分支21和第二水平分支22均与所述弯折部231固定连接。优选的，所述夹角的大小为90°。此时，第二水平分支22和第三水平分支24在天线支架26的厚度方向上没有重合部分。

图6为图1中的双频MIMO天线系统的S参数图，从图中可以看出，天线系统可以很好地覆盖3.3～3.6GHz和4.8～5GHz的频段，且天线单元间的隔离度在低频(3.3～3.6GHz)和高频(4.8～5GHz)均优于15dB，具有良好的隔离性能。(由于天线单元是关于PCB板的对称结构，所以只给出了必要的S参数)。

图7为双频MIMO天线系统的总效率图，从图中可以看出，天线单元在低频(3.3～3.6GHz)的总效率高于60％，在高频(4.8～5GHz)的总效率均高于50％。图中的天线1指的是图2中从左往右的第一个天线单元，天线2指的是图2中从左往右的第二个天线单元。

图8为双频MIMO天线系统的包络相关系数(ECC)，从图中可以看出，天线单元间的ECC在工作频段上均小于0.04。图中的天线1指的是图2中从左往右的第一个天线单元，天线2指的是图2中从左往右的第二个天线单元，天线3指的是图2中从左往右的第三个天线单元。

信道容量是衡量MIMO天线系统的关键参数，在计算MIMO天线的信道容量时，天线效率应该计入运算。这里假设接收端天线是非相关且无损的，本实施例的8单元MIMO天线充当发射天线，即可构成一个8发8收(8×8)的MIMO传输系统。假设发射功率分配策略为等功率分配，信道为独立同分布的瑞利衰落信道，信道状态信息未知，且接收信噪比(SNR)为20dB。图9为双频8×8MIMO天线系统的信道容量，此结果是求10000个随机信道容量样本的期望得到的。从图中可以看出，此MIMO天线系统在低频可以实现35.8～37.2bps/Hz的信道容量，在高频的信道容量也大于30bps/Hz，而理想8×8MIMO天线系统的信道容量为44bps/Hz，所以本实施例的MIMO天线系统很适合在第五代移动通信的终端中使用。

为了进一步说明本实施例的MIMO天线系统的工作原理，图10和图11分别给出了天线单元工作在低频和高频的中心频点的电流分布图。从图中可以看出，天线单元工作在3.5GHz时，电流主要分布在第一竖直分支和第一水平分支上。而天线高频处的谐振(4.9GHz)是由第一水平分支和第二水平分支间的缝隙产生的，所以电流主要分布在第一水平分支和第二水平分支上。

为了更好地说明本实施例的MIMO天线的优越性，图12和图13中给出了两种其他方式的天线布局方案，三种方案的天线位置相同相对于PCB板的位置相同，但天线单元的方向不同。图12中，所有天线单元的方向均和图2中的天线单元的方向相反。图13中，第一个天线单元和第四个天线单元的方向与图2中的天线单元的方向相反，第二个天线单元和第三个天线单元的方向与图2中的天线单元的方向相同。图14给出了3种不同排布形式的天线单元间的隔离度测试结果，本案天线表示图2中的天线系统，方案1表示图12中的天线系统，方案2表示图13中的天线系统。从图中可以看出，本案天线单元间隔离度均好于15dB，而方案1中S23在低频处仅为而9.4dB，而S12也只有12.5dB。在方案2中，虽然S23在低频和高频都可以达到15.7dB，S12在低频却只有10dB。所以，在此种形式的8单元MIMO系统中，图2中的排布方式是保证天线单元间隔离度平衡的最佳选择。

本实施例只对工作在所需的6GHz以下的工作频段的天线进行了分析和描述，但是本实施例的天线设计原理也可以扩展到其它的5G工作频段以及其它的m×n(m和n为大于2的整数)MIMO天线系统中。同时，任何对本案描述的天线相关的变形(如将第一水平分支和第二水平分支向内侧弯折一定角度，如90°，如图5所示)都将在本案的保护范围之内。

综上所述，本实用新型提供的一种应用于5G通信的双频MIMO天线系统及移动终端，可以很好地覆盖3.3～3.6GHz和4.8～5GHz两个频段，天线单元之间的隔离度好，且结构紧凑，占用空间小。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。