一种应用于5G移动终端的高频比缝隙天线系统

本发明属于手机通信，涉及一种高频比缝隙天线系统，具体是一种采用mimo技术的共口径、多频段、宽带、双功能的缝隙sub-6ghz和毫米波段5g手机天线。

背景技术：

1、近年来，越来越多的手机厂商推出了各式各样的5g手机，并进入逐步淘汰4g手机阶段。而5g手机天线作为5g手机通信的关键器件，能够大幅提升通信速率、减少延时并提升信道容量，因此针对5g手机天线的论文成井喷式增加，各大手机厂商都加大对手机通信质量的研究，以此来增加手机的差异性卖点。而5g频段又被划分为低于6ghz的sub-6ghz频段和更高频的毫米波频段。

2、对于国内的5g手机目前都是采用sub-6ghz的频段进行通信，但单个天线可用的信道太少而不能满足高速率的数据传输，所以一般都要利用多输入多输出(mimo)技术来提高信道容量。另一方面，随着6ghz以下的频带资源越来越紧张。wifi、蓝牙还有各种物联网设备都是工作在sub-6ghz频段。空间中复杂的sub-6ghz通信环境给手机通信带来了很大的干扰，大大影响手机通信质量。因此，在建设sub-6ghz网络建设已经趋于完善的同时，对于5g毫米波的研究和早期部署也已经开始。

3、对于5g的毫米波频段天线的研究，毫米波由于频段更高，一般在24ghz以上，这个频段目前使用的很少，因此有大范围的闲置频段可用于5g手机通信而不像sub-6ghz只能划出100-200mhz的带宽用于5g手机通信。因此毫米波天线可以支持更高的传输带宽；其次，毫米波通信可以利用波束成型等数字技术来极大提升通信系统容量。但是目前对于5g这两个通信频段的天线研究还面临着以下几个问题：

4、1、移动通信设备空间不足。随着现在手机的美观度要求越来越高，手机的电池也越做越大，因此手机各种器件的集成度越来越高，留给用于通信的天线模块的空间越来越小，在有限的空间内集成3g/4g/5g天线难度很高，而且为了提高信道容量还需要引入多输入多输出(mimo)技术，因此需要更多空间。

5、2、在sub-6g频段的手机天线基本都是单天线，因为这个频段波长足够长，信号的传播距离足够远因此只需要单天线就能满足手机通信要求。但对于毫米波频段由于波长极短，信号绕行能力差，所以无法实现远距离传输。为了实现像低频天线一样拥有较大的信号传播距离，保证毫米波的通信性能，毫米波天线都会采用天线阵列的方式，将单一辐射单元通过一定的排列方式整合在一起组成阵列天线。使单元产生的辐射正确叠加产生指向性极好、波束窄、增益大的定向波束，才能满足毫米波的通信需求，如何设计紧凑型的高增益毫米波阵列也是一个挑战。

6、为了解决以上问题，近些年也有很多的论文设计被提出。不过，现有的研究大多都是单独对两个部分进行分开研究。要么设计一款可用于sub-6ghz的5g手机天线，然后再以天线对的形式并结合解耦技术使其成为mimo天线，并且会在pcb板上为其他频段的天线预留空间。或者单独设计具备高增益的紧凑型毫米波阵列。只有少数研究同时考虑了低频天线和毫米波天线设计，如在手机金属边框上同时设计毫米波天线和sub-6ghz天线，但是该设计是将设计好的平面毫米波天线通过折叠馈电单元使之竖起到金属边框上，然后利用金属边框作为辐射器完成了sub-6ghz天线的设计，这相当于毫米波天线和sub-6ghz天线是分开独立设计的，因此，还是需要占用很大的空间，而且毫米波天线的最高增益只有6dbi。还有部分设计是在pcb地板上以开槽串馈的方式实现了毫米波阵列，然后再在同一条缝隙使用微带馈电设计了4g天线，但此作者的设计方式不利于天线系统的小型化，且4g天线只有单个覆盖频段且单一缝隙使得天线带宽不够宽，覆盖频带范围不够广。

7、综上所述，目前的移动终端的天线系统还是两种天线先独立设计，然后再进行拼接。相较于毫米波天线动辄8ghz甚至10ghz以上的带宽，sub-6ghz天线覆盖的频段很窄(按照百mhz计算)且均为单频天线，且没有将sub-6ghz多频段天线和毫米波天线进行集成，或目前集成系统的覆盖频段范围仅在sub-6ghz区域，过于单一。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高频比缝隙天线系统，具体是一种采用宽带缝隙技术的共口径、高隔离度5g手机天线，实现在同一天线结构中同时集成了sub-6ghz多频段天线和毫米波段宽带天线，毫米波天线还实现双功能应用同时作为解耦结构在sub-6ghz频段发挥作用。

2、本发明揭示了一种包含sub-6ghz和毫米波段手机天线结构的方法和系统。该结构包括以下关键特征：

3、-多频段支持：支持多个频段，包括sub-6ghz的n78，n77(部分)，n79和24-28ghz毫米波的n257，n258，n261频段，以适应不同通信标准和地区。

4、-低剖面设计：天线结构简单紧凑，使用单层pcb，适用于手机尺寸，不增加设备厚度体积。

5、-共口径设计：天线共用部分结构，减少在手机pcb上的占地面积。

6、-宽带宽设计：采用多缝隙设计，拓展工作带宽。

7、-多输入多输出(mimo)技术：提高信道容量，使用多根天线。

8、为了达到本发明目的，本发明采用了以下方案：

9、一种高频比缝隙天线系统，集成了sub-6ghz天线、毫米波天线，包括：介质基板、印制在介质基板正面的馈电单元、印制在介质基板背面的金属地平面、辐射单元；其特征在于：

10、所述馈电单元包括毫米波馈电单元、sub-6ghz馈电单元；

11、所述sub-6ghz馈电单元包括第一微带馈线(1-1)、第二微带馈线(1-2)、第三微带馈线(1-3)、第四微带馈线(1-4)；

12、所述毫米波馈电单元包括第一毫米波馈电元件(2-1)、第二毫米波馈电元件(2-2)；

13、所述辐射单元包括主辐射器(3-1)、副辐射器，所述主辐射器(3-1)为刻蚀在所述金属地平面外围的槽环；所述副辐射器包括设置在所述槽环内侧的第一至六辐射槽单元，第一辐射槽单元(3-2-1)、第二辐射槽单元(3-2-2)、第三辐射槽单元(3-2-3)、第四辐射槽单元(3-2-4)分别位于第一微带馈线(1-1)、第二微带馈线(1-2)、第三微带馈线(1-3)、第四微带馈线(1-4)的正下方；第五辐射槽单元(3-2-5)、第六辐射槽单元(3-2-6)分别位于第一毫米波馈电元件(2-1)、第二毫米波馈电元件(2-2)的正下方；

14、所述第一至六辐射槽单元均采用与主辐射器(3-1)平行的两条槽线；

15、所述第一至六辐射槽单元间存在间隙，所述间隙与馈电单元错开。

16、作为优选，所述第一微带馈线(1-1)、第二微带馈线(1-2)分别位于所述介质基板两条长边的一端，第三微带馈线(1-3)、第四微带馈线(1-4)分别位于所述介质基板两条长边的另一端；所述第一毫米波馈电元件(2-1)、第二毫米波馈电元件(2-2)分别位于所述介质基板两条长边的中间。

17、作为优选，所述第一毫米波馈电元件(2-1)、第二毫米波馈电元件(2-2)采用周期性馈电结构设计，以满足天线阵列的需要，更为优选采用1分8功分器；所述1分8功分器的最末端8条微带馈线间隔距离为0.5λg，λg是毫米波频段的导波波长。

18、作为优选，所述第五辐射槽单元(3-2-5)、第六辐射槽单元(3-2-6)的长度为8λg，λg是毫米波频段的导波波长。

19、作为优选，所述介质基板采用手机pcb板。

20、作为优选，所述主辐射器(3-1)的宽度为副辐射器的2倍宽度；所述主辐射器(3-1)与副辐射器间的间隔为0.05λg；同一个副辐射器内的两条槽线间隔为0.05λg。

21、作为优选，sub-6ghz馈电单元采用第一微带馈线(1-1)、第二微带馈线(1-2)、第三微带馈线(1-3)、第四微带馈线(1-4)激发下方主辐射器(3-1)以及第一辐射槽单元(3-2-1)、第二辐射槽单元(3-2-2)、第三辐射槽单元(3-2-3)、第四辐射槽单元(3-2-4)工作在3/4λ1谐振模式，sub-6ghz天线在sub-6ghz频段的高频处产生谐振覆盖n79频段，λ1是sub-6ghz频段的高频处的导波波长；此外，第二辐射槽单元(3-2-2)、第四辐射槽单元(3-2-4)还有第二个谐振模式，在第二微带馈线(1-2)、第四微带馈线(1-4)的激励下，主辐射器(3-1)以及第二辐射槽单元(3-2-2)、第四辐射槽单元(3-2-4)工作在1/2λ2的谐振模式，在sub-6ghz频段的低频处产生谐振覆盖n78频段(和部分n77频段)，λ2是sub-6ghz频段的低频处的导波波长；

22、毫米波馈电单元采用第一毫米波馈电元件(2-1)、第二毫米波馈电元件(2-2)激发下方第五辐射槽单元(3-2-5)、第六辐射槽单元(3-2-6)工作在毫米波频段，实现两个毫米波天线覆盖毫米波段n257，n258和n261。

23、作为优选，所述第一辐射槽单元(3-2-1)、第三辐射槽单元(3-2-3)的长度为3/4λ1，第二辐射槽单元(3-2-2)、第四辐射槽单元(3-2-4)的长度为1/2λ1+1/2λ2。

24、作为优选，天线系统工作在sub-6ghz频段时，所述第一微带馈线(1-1)、第三微带馈线(1-3)激励主辐射器(3-1)、第一辐射槽单元(3-2-1)、第三辐射槽单元(3-2-3)的极化方向与第二微带馈线(1-2)、第四微带馈线(1-4)激励主辐射器(3-1)、第二辐射槽单元(3-2-2)、第四辐射槽单元(3-2-4)的极化方向正交；

25、作为优选，所述第一毫米波馈电元件(2-1)、第二毫米波馈电元件(2-2)与第五辐射槽单元(3-2-5)、第六辐射槽单元(3-2-6)以及其所对应的主辐射器(3-1)的部分区间共同组成连续缝隙天线阵列csaa；所述连续缝隙天线阵列作为毫米波频段信号发射和接收的辐射单元，同时充当低频段sub-6ghz天线端口之间的隔离结构，即第一微带馈线(1-1)和第四微带馈线(1-4)间的隔离结构，以及第二微带馈线(1-2)和第三微带馈线(1-3)间的隔离结构。

26、作为优选，所述主辐射器(3-1)设置有6个开路缝隙枝节，6个开路缝隙枝节分别对应第一至六辐射槽单元间的间隙；所述开路缝隙枝节朝向主辐射器(3-1)槽环外侧。

27、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

28、本发明在使用同一条辐射缝隙(主辐射器)通过不同的端口激励产生不同的频段辐射，集成了四个sub-6ghz频段天线和两个毫米波段天线，形成共口径天线体。本发明还引入了双功能天线设计，天线结构不仅作为天线的辐射单元，还同时作为天线系统的解耦结构降低其他天线端口之间的耦合，增强天线系统的mimo性能。本发明避免了一般传统多频段多天线系统需要采用相互独立的几个区域进行设计，从而导致的手机介质基板上造成很大的净空区域，影响天线辐射以及其他手机元件摆放等问题。且本发明天线体结构简单、加工工艺简单、成本低。