一種適用于5G通信的小型化寬頻帶天線制造技術

本發明專利技術公開了一種適用于5G通信的小型化寬頻帶天線，屬于天線技術領域。它包括介質基板、設置于介質基板正面的共面波導饋電結構、主輻射體、第二、第三輻射體以及設置于介質基板背面的第一輻射體。該天線結構小型化特征明顯，工作頻帶為3GHz?30GHz，覆蓋目前主流的多種5G通信頻段，并覆蓋現有的Wi?MAX、W?LAN、UWB等無線通信模式，為未來兼容多種復雜通信模式提供可靠保證，具有良好的應用前景。同時，將該天線作為單元組成的雙單元及四單元MIMO天線分別采用交叉極化方向以及引入超材料結構單元的方法，在不增加天線單元尺寸的前提下，實現較高的隔離度。因此，可以在手機、手提電腦等小型化移動設備中得到廣泛應用。

【技術實現步驟摘要】
一種適用于5G通信的小型化寬頻帶天線
本專利技術屬于天線
，具體涉及5G(theFifthGeneration)通信多輸入多輸出(MIMO:Multiple-Input-Multiple-Output)天線
以及超材料(Metamaterial)

技術介紹
近年來，隨著移動通信技術的不斷發展以及人們對高傳輸速率、穩定的通信質量以及多種復雜應用場景的迫切需求，5G通信已逐漸成為各國移動通信行業的研究熱點，例如美國的思科、因特爾、歐盟的METIS、5GPP、NGMN、日本的ARIBAdHoc、韓國的5GForum、中國的IMT-2020等等。在保證設備成本的前提下，無線通訊的爆炸性增長需求對5G通信提出了一系列的要求：服務更多的用戶、更高的傳輸速率、支持無限的連接和提供個性化體驗，這對5G通信的帶寬提出了更高的要求；另外，由于低頻段(800MHz-3GHz)已被各種現有通信格式所占用，所以現有的低頻段頻譜資源已無法滿足5G通信的要求。因此，現行的5G通信研究均將目光投向3GHz以上的頻譜資源。例如，美國在2014年發布了關于24GHz以上頻段用于先進移動業務的調查公告，公開討論最適合5G發展的候選頻段，遴選出了12個頻段；歐盟于2012年開始著手研究6GHz-100GHz范圍內頻率劃分、頻譜分配以及使用情況，并分別于2013年和2014年公開發布了主題為5G頻譜需求和使用原則的研究報告；英國在2015年公開發布征求意見稿，與業界探討了適用5G系統的高頻資源，并確定了6個潛在的5G頻段；日本運營商NTTDocomo在2016年聯合三星集團完成了28GHz頻段下高速列車上5G通信的相關實驗研究，同時該頻帶也是日本內務及通信產業省的5G網絡指定候選頻段之一；韓國近幾年向國際組織提交了近10個6GHz以上的5G候選頻段。近年來，在中國IMT-2020框架下，中國組織開展了5G頻譜需求預測、候選頻段選取、部分頻段傳播特性測量、電磁兼容分析等一系列研究工作。其中，由中國國家無線電監測中心和國家無線電頻譜管理中心牽頭，完成了面向2030年的5G頻譜需求總量估算，開展了6GHz-100GHz候選頻段優先級等研究工作。近期，中國還結合國內外研究新動態，進一步凝練了我國6GHz-100GHz高頻段5G候選頻段范圍。除6GHz以上高頻段的研究外，以中國移動、華為為首的國內5G研究團體還對3.5GHz附近頻段的5G通信設備開展了研究，并于2016年成功推出了相關的實驗樣機。由上述可見，3GHz-30GHz頻段是未來5G通信的重要研究方向及發展趨勢。作為無線通訊的重要組成部分，5G通信天線的研究會隨之面臨諸多的問題與挑戰。由于人們日常生活的需要，5G天線需要同時滿足多種不同的通信制式；此外，移動通訊設備小型化的趨勢又對天線尺寸做出極大限制，如何在有限的空間內實現3GHz-30GHz這樣極寬的工作頻帶是對所有研究人員提出的挑戰，而現代移動通信對通信速率以及通信質量的要求使得MIMO技術成為5G天線中不可或缺的一部分，MIMO技術中天線單元數目的增加以及單元間高隔離度的要求給相關的研究帶來進一步的挑戰。目前，由于超材料作為一種新型人工復合材料，具有如負介電常數、負磁導率、負折射率等諸多自然界中的材料所不具有的特異電磁特性，在天線領域得到廣泛的關注及研究。在MIMO天線的設計中，通過引入超材料結構單元，可以在不影響天線性能的前提下，有效地提升天線單元間的隔離度，從而實現MIMO天線的小型化和寬頻帶，已成為相關領域的一大研究熱點。
技術實現思路
本專利技術通過利用天線的相關技術，提出一款可應用于5G通信的小型化寬頻帶天線，并在此基礎上提出雙單元MIMO天線。同時通過引入超材料結構單元，提出四單元MIMO天線，該四單元MIMO天線具有極寬的工作頻帶、較小的尺寸、較好的全向性和較高的隔離度等優點。本專利技術所采用的技術方案：一種適用于5G通信的小型化寬頻帶天線，如圖1所示，它包括介質基板、設置于介質基板正面的共面波導饋電結構、主輻射體、第二、第三輻射體以及設置于介質基板背面的第一輻射體，其特征在于：所述共面波導饋電結構包括饋線和金屬地板。所述金屬地板為中間是五邊形的環繞式結構。所述主輻射體為變形的矩形單極子天線，其下端為連接到饋線上的倒梯形結構，上端為開有階梯型凹槽的矩形結構。所述第一輻射體為設置于介質基板背面的等腰梯形，其短邊靠近并平行于地板的下方。所述第二、第三輻射體均為平行四邊形結構且對稱設置于主輻射體兩側的，其下方的邊靠近并平行于地板、且下方鈍角處開有直角梯形凹槽。所述環繞式地板中間的五邊形由一個矩形和一個等腰三角形組成。進一步地，如圖3所示，將所述小型化寬頻帶5G通信天線作為天線單元，兩天線單元正交放置，從而組成雙單元MIMO天線。進一步地，如圖7所示，四個天線單元組成四單元MIMO天線，且對角線上的天線單元分別對稱放置，其中一個對角線上的兩個天線單元正面朝上，另外兩個天線單元正面朝下。在每個單元天線的地板上，靠近所述四單元MIMO天線整體中心的位置，均刻蝕有矩形開口諧振環。本專利技術天線采用共面波導饋電微帶結構，以便于實現小型化以及與其他設備集成。天線輻射單元主體采用單極子天線，從而便于實現較寬的工作帶寬。單極子天線上端刻蝕有階梯形凹槽，并在下方采用梯形結構，進一步拓寬其工作頻帶，實現3GHz-20GHz的寬頻帶工作。在天線背面加入梯形輻射體，使得其在不影響單極子主輻射體的前提下，通過從饋電微帶線耦合能量，進一步形成高頻段的諧振輻射。在主輻射體兩側對稱加入翅膀形結構，使得天線的工作頻帶基本覆蓋3GHz-30GHz。金屬地板為中間是五邊形的環繞式對稱地板，從而較好地提升天線的整體工作性能。這樣，如圖2所示，天線的工作頻帶完全覆蓋3GHz-30GHz。本專利技術所提出的寬頻帶5G通信天線，其天線整體尺寸大小為25mm×25mm×1mm，結構小型化特征極為明顯，工作頻帶為3GHz-30GHz，覆蓋目前主流的多種5G通信頻段，并覆蓋現有的Wi-MAX、W-LAN、UWB等無線通信模式，為未來兼容多種復雜通信模式提供可靠保證，具有良好的應用前景。同時，在該天線基礎之上，本專利技術所提出的雙單元及四單元MIMO天線分別采用交叉極化方向以及引入超材料結構單元的方法，在不增加天線單元尺寸的前提下，實現較高的隔離度。因此，可以在手機、手提電腦等小型化移動設備中得到廣泛應用。附圖說明圖1-1是單一天線單元正面結構示意圖；圖1-2是單一天線單元背面結構示意圖；圖2是單一天線單元S11參數仿真結果圖；圖3是雙單元MIMO天線結構示意圖；圖4是雙單元MIMO天線S11、S21參數仿真結果圖；圖5是四單元MIMO天線結構示意圖；圖6-1是四單元MIMO天線S11、S21參數仿真結果圖；圖6-2是四單元MIMO天線S31、S41參數仿真結果圖；圖7是加載開口諧振環后四單元MIMO天線結構示意圖；圖8-1是加載開口諧振環后四單元MIMO天線S11、S21參數仿真結果圖；圖8-2是加載開口諧振環后四單元MIMO天線S31、S41參數仿真結果圖。具體實施方式結合附圖，對本專利技術作進一步的詳細描述：圖1為本專利技術實施例，其天線整體結構左右對稱，整體尺寸為25mm×本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適用于5G通信的小型化寬頻帶天線，包括介質基板、設置于介質基板正面的共面波導饋電結構、主輻射體、第二、第三輻射體以及設置于介質基板背面的第一輻射體，其特征在于：所述共面波導饋電結構包括饋線和金屬地板；所述金屬地板為中間是五邊形的環繞式結構；所述主輻射體為變形的矩形單極子天線，其下端為連接到饋線上的倒梯形結構，上端為開有階梯型凹槽的矩形結構；所述第一輻射體為設置于介質基板背面的等腰梯形，其短邊靠近并平行于地板的下方；所述第二、第三輻射體均為平行四邊形結構且對稱設置于主輻射體兩側，其下方的邊靠近并平行于金屬地板、且下方鈍角處開有直角梯形凹槽。

【技術特征摘要】
1.一種適用于5G通信的小型化寬頻帶天線，包括介質基板、設置于介質基板正面的共面波導饋電結構、主輻射體、第二、第三輻射體以及設置于介質基板背面的第一輻射體，其特征在于：所述共面波導饋電結構包括饋線和金屬地板；所述金屬地板為中間是五邊形的環繞式結構；所述主輻射體為變形的矩形單極子天線，其下端為連接到饋線上的倒梯形結構，上端為開有階梯型凹槽的矩形結構；所述第一輻射體為設置于介質基板背面的等腰梯形，其短邊靠近并平行于地板的下方；所述第二、第三輻射體均為平行四邊形結構且對稱設置于主輻射體兩側，其下方的邊靠近并平行于金屬地板、且下方鈍角處開有直角梯形凹槽。2.如權利要求1所述的一種適用于5G通信的小型化寬頻帶天線，其特征在于：所述環繞式金屬地板中間的五邊形由一個矩形和一個等腰三角...

【專利技術屬性】
技術研發人員：段兆云，汪菲，王新，王戰亮，周慶，李新義，宮玉彬，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：四川,51