5G移动端小型化大频比三频段共孔径天线

本发明属于手机天线，具体涉及5g移动端小型化大频比三频段共孔径天线。

背景技术：

1、近年来，随着智能手机的广泛采用和越来越多宽带应用场景的产生，对蜂窝通信数据速率提出了更高需求，直接激发了第五代移动通信(5g)技术的发展。现在流行的5g系统主要工作在sub-6ghz和毫米波(28ghz)这两个具有大频比的工作频段。与此同时，智能移动设备中预留给天线的空间越来越小，因此，这一发展趋势促使研究人员设计排列紧密，同时支持微波和毫米波波段的集成天线系统。

2、此外，日益压缩的天线预留净空间，降低了天线间的隔离度，这就需要在天线间插入各种隔离结构来增大隔离度。传统的解耦结构既包括具有180度相位差的耦合路径结构，如中和线、解耦网络和寄生元件，又包括抑制表面波结构，如超材料。这些解耦虽然结构功能良好，但仍需要额外的空间。与此同时，由于毫米波天线传播损耗严重，为了提高毫米波天线的增益，需要使用多个毫米波天线单元组成阵列，这无疑会占用较大的空间。因此就有了将这两种结构合二为一的研究需求。

3、公开号为cn113809518a的发明专利提出了一种微波与毫米波大频比共口径天线，此天线尺寸较大，且两层基板间需要有空气层，无法应用于智能移动终端。公开号为cn115000692a的发明专利公开了一种大频比单馈双频共口径siw缝隙天线，虽然结构相对简单存在应用于移动端的可能，但尺寸仍较大，且带宽较窄。公开号为cn115911874a的发明专利公开了一种基于复用结构的小型化大频比多频段的平面缝隙天线，虽然尺寸较小，但其工作频段不能覆盖sub-6ghz中主流的3.5和4.9ghz两个频段，且其工作频段较窄。

4、虽然出现了一些共孔径大频比天线，然而这些天线还面临一些困难，如尺寸相对较大，结构复杂无法应用于移动终端，工作频段较窄或无法覆盖主要频段。因此，设计一款可以同时工作在5g在sub-6ghz和毫米波中主要频段，具有大频比，小型化且具有较好隔离度的可应用在智能移动终端中的天线，具有重要的实际工程意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供5g移动端小型化大频比三频段共孔径天线，可工作在5g的sub-6ghz和毫米波的三个频段，尺寸较小，阻抗匹配好，结构简单利于加工生产。

2、为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

3、5g移动端小型化大频比三频段共孔径天线，包括矩形介质基板以及印刷在介质基板下表面的金属地板，第一共孔径倒f型天线单元、第二共孔径倒f型天线单元以及第一毫米波双面开口谐振环天线单元、第二毫米波双面开口谐振环天线单元、第三毫米波双面开口谐振环天线单元、第四毫米波双面开口谐振环天线单元、第五毫米波双面开口谐振环天线单元；

4、其中第一共孔径倒f型天线单元、第二共孔径倒f型天线单元以金属地板宽边的中线为中心线镜像对称，形成mimo天线对，工作在3.5和4.9ghz频段；

5、第一毫米波双面开口谐振环天线单元、第二毫米波双面开口谐振环天线单元、第三毫米波双面开口谐振环天线单元、第四毫米波双面开口谐振环天线单元、第五毫米波双面开口谐振环天线单元组成工作在28ghz的毫米波天线阵列，第一毫米波双面开口谐振环天线单元、第二毫米波双面开口谐振环天线单元、第三毫米波双面开口谐振环天线单元设置在第一共孔径倒f型天线单元、第二共孔径倒f型天线单元中间，以增大第一共孔径倒f型天线单元、第二共孔径倒f型天线单元的隔离度。

6、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

7、上述的介质基板厚度为0.8mm，长度为150mm，宽度为75mm，所用材质为fr-4，介电常数为4.4。

8、上述的金属地板为有挖孔的矩形金属片，矩形金属片的长度为143mm，宽度为75mm；

9、矩形金属片上挖有第一圆形孔、第二圆形孔和第一半圆形孔、第二半圆形孔，其分别相对于金属地板的宽边中线镜像对称；

10、第一圆形孔、第二圆形孔，用于第一共孔径倒f型天线单元、第二共孔径倒f型天线单元低频段和中频段馈电；第一半圆形孔、第二半圆形孔使第一共孔径倒f型天线单元、第二共孔径倒f型天线单元的第四毫米波双面开口谐振环天线单元、第五毫米波双面开口谐振环天线单元与系统地隔离，提高隔离度并引入低频工作频段；

11、所述第一圆形孔的圆心距宽边中线的距离lp1为13.3mm，距金属地板上边缘的距离wp1为0.7mm，半径rp1为0.6mm；第一半圆形孔的圆心距宽边中线的距离lp2为9.9mm，距金属地板上边缘的距离wp2为0.1mm，半径rp2为1.8mm。

12、上述的第二共孔径倒f型天线单元与第一共孔径倒f型天线单元结构相同；

13、所述第一共孔径倒f型天线单元由上层pifa型金属片、下层pifa型金属片、一条位于介质基板上方的低频馈电微带线、一条位于介质基板上方的高频馈电微带线、位于介质基板下方的带圆环形馈电线以及连接上层pifa型金属片与下层pifa型金属片的第一金属通孔、第二金属通孔组成；

14、上层pifa型金属片包括接地分支和矩形主辐射条带，其中接地分支的长lb1为1.6mm，宽wb1为1.5mm，矩形主辐射条带的长lf为10.5mm，宽wf为2.4mm；上层pifa型金属片还挖有第一矩形孔，用于中频的阻抗匹配，其长ls1为0.5mm，宽ws1为0.4mm；下层pifa型金属片为与上层pifa型金属片相对于介质基板上下对称并挖有第二矩形孔的结构和一个与之连接的矩形金属条带组成，用于中频和高频的阻抗匹配，矩形金属条带的长lb3为0.5mm，宽wb3为0.2mm；低频馈电微带线的长lb2为2.6mm，宽wb2为0.5mm；高频馈电微带线的长lf21为1.7mm，宽wf21为0.4mm。

15、上述的带圆环形馈电线由圆形金属片和矩形金属条带组成，和位于介质基板上方的高频馈电微带线共同为第四毫米波双面开口谐振环天线馈电，其中圆形金属片的圆心位置与金属地板上半圆形孔位置相同，其半径rc为1.1mm，矩形金属条带的长lf22为0.61mm，宽wf22为0.4mm；

16、第一金属通孔、第二金属通孔的半径rvia均为0.15mm，长度为0.8mm，第一金属通孔圆心的位置距矩形主辐射条带左边缘lc1为6.5mm，距上边缘wc1为1.5mm，第二金属通孔圆心的位置距矩形主辐射条带右边缘lc2为0.3mm，距上边缘wc2为0.3mm，第二金属通孔沿矩形主辐射条带的宽边以间距dvia为0.6mm放置4个，同时，又将这4个金属通孔以沿矩形主辐射条带的长边以间距wg为3.1mm放置一组相同的金属通孔；第一金属通孔用于中频的阻抗匹配，而8个相同的第二金属通孔则组成siw结构，利用其高通的特性使其向第四毫米波双面开口谐振环天线馈电，同时隔离低频分量，实现了高频的工作频段，使得微波天线和毫米波天线集成在共孔径天线上。

17、上述的共孔径倒f型天线单元的馈电结构由金属地板，第二圆环形金属片，第四金属通孔以及一条位于介质基板上方的第二低频馈电微带线组成，馈电同轴线缆一端接金属地板，一端接第二圆环形金属片，再经由第四金属通孔传输至位于介质基板上方的第二低频馈电微带线，实现了低频和中频的馈电；

18、第一共孔径倒f型天线单元的馈电结构与第二共孔径天线单元的馈电结构相同。

19、上述的第四毫米波双面开口谐振环天线单元由位于介质基板上方的第一金属条带，位于介质基板上方的第一开口谐振环，位于介质基板下方的第二金属条带以及位于介质基板下方的第二开口谐振环组成；

20、第一金属条带和第一开口谐振环与第二金属条带和第二开口谐振环大小相同，仅以金属条带为中点镜像对称布置；

21、第一金属条带的长lm1为1.45mm，宽wm1为0.3mm；

22、第一开口谐振环由两个带扇环形孔的圆环形金属片组成，圆环形金属片外径r1为0.5mm，宽度wr为0.1mm，两个圆环形金属片间距sr为0.1mm，两个扇环形孔的宽度gr为0.1mm；

23、第五毫米波双面开口谐振环天线单元与第四毫米波双面开口谐振环天线单元结构，尺寸，方向相同。

24、上述的第一毫米波双面开口谐振环天线单元由位于介质基板上方的第一微带馈电线，与金属地板相连的且位于介质基板下方的第二微带馈电线，siw以及双面开口谐振环天线组成；

25、所述第一毫米波双面开口谐振环天线单元通过第一微带馈电线和第二微带馈电线馈电；第一微带馈电线的长lf31为2.1mm，宽wf31为0.3mm；第二微带馈电线的长lf32为1.6mm，宽wf32为0.3mm；

26、双面开口谐振环天线与第四毫米波双面开口谐振环天线单元除金属条带宽度不相同，其他结构相同，双面开口谐振环天线包含的第三金属条带、第四金属条带的宽度wm2为0.23mm。

27、上述的第二毫米波双面开口谐振环天线单元、第三毫米波双面开口谐振环天线单元的结构与第一毫米波双面开口谐振环天线单元的结构相似，除了第二毫米波双面开口谐振环天线单元、第三毫米波双面开口谐振环天线单元中第五金属条带和第六金属条带、第七金属条带和第八金属条带的宽度wm3、wm4为0.3mm与毫米波双面开口谐振环天线单元中双面开口谐振环天线中第三金属条带、第四金属条带的宽度wm2为0.23mm不同外，其他结构尺寸皆相同

28、上述的第一毫米波双面开口谐振环天线单元、第二毫米波双面开口谐振环天线单元、第三毫米波双面开口谐振环天线单元共用一个siw结构，其整体结构由上层金属片、下层金属片和连接上层金属片与下层金属片的3组第三金属通孔组成；上层金属片、下层金属片的长lsiw为14.5mm，宽wsiw为2.4mm；三组第三金属通孔以金属地板宽边中线镜像对称布置；第三金属通孔与第二金属通孔的布置相同，每组第三金属通孔中点的间距wa为5.4mm；第三金属通孔的半径为0.15mm，金属通孔的间距为0.6mm，两排金属通孔的间距为3.1mm。

29、本发明具有以下有益效果：

30、本发明的5g移动端小型化大频比三频段共孔径天线，天线基本结构包括一块介质基板，一块金属地板，两个共孔径倒f型天线单元和五个毫米波双面开口谐振环天线单元。

31、1、本发明共孔径天线单元中通过基片集成波导结构，保证了毫米波的传输，将微波天线和毫米波天线集成起来，实现了共孔径布置。同时，单个天线激励起多个谐振，使其可以工作在3.5，4.9和28ghz三个频段，构成了多工作频段的大频比天线单元。

32、2、本发明的两个共孔径倒f型天线单元“面对面”布置，形成工作在3.5和4.9ghz两个频段的mimo天线对，再引入五个工作在28ghz的毫米波双面开口谐振环天线单元，既组成毫米波天线阵列，又增大了共孔径倒f型天线单元隔离度，实现功能复用。

33、3、本发明的天线仅使用一层介质基板，同时整体尺寸相对较小，仅为37.1mm*5.45mm，结构紧凑，便于制作，成本低廉，可应用在5g移动端中，有良好的应用前景。