一种sub-6G小型化多频段手机天线及手机

一种sub-6g小型化多频段手机天线及手机
技术领域
1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种sub-6g小型化多频段手机天线及手机。


背景技术：

2.近年来，随着移动通信技术的飞速发展，移动通信也经历了从模拟到数字的发展转变，从1g模拟通信话音通信、2g全球移动通信系统(包括gsm850和gsm900，通信频率分别为824-894mhz和880-960mhz)、数字蜂窝系统(dcs，通信频率为1710-1880mhz)、个人通信系统(pcs，通信频率为1850-1990mhz)、3g移动通信系统的通用移动通信系统(umts，通信频率为1920-2170mhz)和4g移动通信系统的lte系统(包括lte700、lte2300和lte2500，通信频率分别704-787mhz、2300-2400mhz和2500-2690mhz)，逐渐发展为目前的5g移动通信系统。
3.移动通信技术的飞速发展也推动了手机的更新换代，手机给人们所带来的方便、快捷，已然使得手机成为我们日常生活中不可或缺的通信工具之一。人们对于手机的应用已经不仅仅局限于日常通信，对于高速率、稳定的通信质量以及多种复杂应用场景的迫切需求，使得5g通信已逐渐成为各国移动通信行业的研究热点。
4.当前，对于5g技术的研究走在世界前列的有中国华为、美国思科、欧盟metis、5gpp、ngmn以及日本的arib adhoc和韩国的5g forum等，5g技术的研发正在全球范围内如火如荼地进行。而5g天线的研发对于5g技术的应用具有巨大的应用价值。
5.针对5g手机天线频段的使用，我国主要采用sub-6g频段，即：使用频段为6ghz以下低频段。中心频率为3.5ghz作为目前最主要的5g频段。工业与信息化厅归划了3300～3400mhz、3400～3600mhz和4800～5000mhz三个频段作为5g系统工作频段。2019年6月6日上午，工信部正式发文表示，向中国电信、中国移动和中国联通发放了5g系统中低频段频率商用许可。其中，中国电信获得3400mhz～3500mhz共100mhz带宽的5g频率资源，中国联通获得3500mhz～3600mhz共100mhz宽带的5g频率资源，中国移动获得2515mhz～2675mhz和4800mhz～4900mhz频段的5g频率资源，其中2515～2575mhz、2635～2675mhz和4800～4900mhz频段为新增频段，2575～2635mhz频段为中国移动现有的td-lte(4g)频段。
6.对于5g手机而言，不但要求其可以工作在5g频段，同时还需要向下兼容2g/3g/4g频段。然而目前，针对sub-6g手机天线的研究成果主要集中在信道容量、传输、检测等通信体制设计方面。同时，大部分设计工作主要集中在第四代移动通信方向。随着多频段手机天线的设计需求越来越高，天线的设计越来越来困难。目前还没有设计出能满足工作在5g频段、并向下兼容2g/3g/4g频段的手机天线，同时还能兼顾实现手机天线及手机的小型化、宽频带。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种sub-6g小型化多频段手机天线及手机，能满足其工作在5g频段，同时向下兼容2g/3g/4g频段的需求，同时
兼顾实现手机天线及手机的小型化、宽频带。
8.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
9.一种sub-6g小型化多频段手机天线，包括辐射贴片天线、介质板和金属接地板；所述辐射贴片天线包括均共面设置的馈电点、短路点、第一多枝节单极子辐射单元和第二多枝节单极子辐射单元，所述第一多节单极子辐射单元与第二多枝节单极子辐射单元非对称设置且相互耦合；
10.所述馈电点设置在所述第一多枝节单极子辐射单元的一端并与所述第一多枝节单极子辐射单元连接，所述短路点设置在所述第二多枝节单极子辐射单元的一端，所述第二多节单极子辐射单元通过所述短路点与所述金属接地板连接；所述馈电点、所述短路点、所述第一多节单极子辐射单元和所述第二多节单极子辐射单元均印刷在所述介质板的正面上；所述金属接地板设置在所述介质板的背面，并与所述介质板共面。
11.本发明的有益效果是：手机天线发射端向空间发射电磁波，通过馈电点进行馈电，第一多枝节单极子辐射单元和第二多枝节单极子辐射单元均为非对称的多枝节单极子结构，通过这两个辐射单元的耦合，电磁波在两个辐射单元不同枝节上形成多个谐振点，激励其同相表面电流，从而完成电磁波向空间中的辐射；当手机天线接收端接受电磁波时，电磁波工作流程与发射端相反；
12.本发明的sub-6g小型化多频段手机天线，基于非对称的两个多枝节单极子结构，能够起到调节天线的特性阻抗、增加谐振模式的作用，可以达到天线的宽频多频化的目的，具有更宽的带点，进而使得天线满足工作在5g频段，并向下兼容2g/3g/4g频段的需求；同时对天线性能的干扰也较小，保证了天线具有良好的性能；基于馈电点、短路点、两个多枝节单极子辐射单元与介质板和金属接地板的共面设置，使得整个天线体积较小、结构简单，进而实现天线小型化，也有效降低了制作成本。
13.在上述技术方案的基础上，本发明还有如下改进：
14.进一步：所述第一多枝节单极子辐射单元包括均共面设置的竖直矩形枝节、第一水平矩形枝节、第一l形枝节、第二l形枝节和第二水平矩形枝节；
15.所述竖直矩形枝节、所述第一水平矩形枝节、所述第一l形枝节、所述第二l形枝节和所述第二水平矩形枝节均印刷在所述介质板的正面上；所述馈电点设置在所述竖直矩形枝节的一端并与所述竖直矩形枝节连接，所述竖直矩形枝节的另一端分别与所述第一l形枝节的一端和所述第二l形枝节的一端连通，第二l形枝节的另一端与所述第二水平矩形枝节连通，所述第一水平矩形枝节的一端与所述竖直矩形枝节的中部连通。
16.上述进一步技术方案的有益效果是：通过上述结构形成的第一多枝节单极子辐射单元，结合馈电点的馈电，便于结合第二多节单极子辐射单元的耦合，实现多频带覆盖的天线，使得天线能工作在5g频段，同时向下兼容2g/3g/4g频段；结构简单、紧凑，便于实现天线小型化。
17.进一步：所述第二多枝节单极子辐射单元包括z形枝节、第三l形枝节、第四l形枝节和第五l形枝节；
18.所述z形枝节、所述第三l形枝节、所述第四l形枝节和所述第五l形枝节均印刷在所述介质板的正面上；所述短路点设置在所述z形枝节的一端上，所述z形枝节的另一端通过所述第三l形枝节与所述第四l形枝节连通，所述第五l形枝节的一端与所述第三l形枝节
的竖直段连通。
19.上述进一步技术方案的有益效果是：通过上述结构形成的第二多枝节单极子辐射单元，与第一多枝节单极子辐射单元形成了非对称多枝节单极子结构，起到匹配阻抗并使谐振路径长度缩短的作用，进而能使得电磁波能在两个辐射单元不同节上形成多个谐振点，产生多个谐振模式，从而达到天线的宽频多频化的目的，具有更宽的带宽，进而使得天线满足工作在5g频段，并向下兼容2g/3g/4g频段的需求。
20.进一步：所述馈电点和所述短路点均具体为矩形金属片。
21.进一步：所述介质板具体为由聚四氟乙烯材料制成的介质板。
22.上述进一步技术方案的有益效果是：上述材料制成的fr4介质板，能具备更好的机械性能和介电性能，还具备较好的耐热性和耐潮性，能使得天线的性能更加稳定，适用各种不同的应用环境。
23.另一方面，本发明还提供了一种sub-6g小型化多频段手机，包括本发明中所述的sub-6g小型化多频段手机天线，还包括衬底，所述衬底设置在所述金属接地板远离所述介质板的一侧。
24.本发明的有益效果是：基于sub-6g小型化多频段手机天线，能使得手机满足其工作在5g频段，同时向下兼容2g/3g/4g频段的需求，实现了手机的小型化、宽频带，通过在金属节点板上加装衬底，一方面可以提高电磁波辐射的抗干扰性，另一方面便于在辐射贴片天线、介质板和金属接地板所形成的天线上进行扩展，帮助实现具有天线功能的手机等智能设备的制造。
25.在上述技术方案的基础上，本发明还有如下改进：
26.进一步：所述衬底由复合硅胶材料制成。
27.进一步：还包括玻璃屏幕，所述玻璃屏幕设置在所述复合硅胶衬底远离所述金属接地板的一侧。
28.上述进一步技术方案的有益效果是：通过加装玻璃屏幕，进一步帮助实现具有天线功能的手机等智能设备的个性化制造，具有更高的使用价值。
29.进一步：还包括外壳；
30.所述辐射贴片天线、所述介质板、所述金属接地板和所述衬底均设置在所述外壳内，所述玻璃屏幕镶嵌在所述外壳的表面。
31.进一步：所述外壳由abs材料制成。
32.上述进一步技术方案的有益效果是：通过外壳，可以对整个天线结构起到保护作用，一方面提高整个手机天线的使用寿命，另一方面可以提高天线的抗干扰性。
附图说明
33.图1为本发明实施例一中sub-6g小型化多频段手机天线的主体结构示意图；
34.图2为本发明实施例一中辐射贴片天线的结构示意图；
35.图3为本发明实施例中sub-6g小型化多频段手机天线的回波损耗仿真示意图；
36.图4-1a和图4-1b均为sub-6g小型化多频段手机天线在900mhz的辐射方向仿真示意图；
37.图4-2a和图4-2b均为sub-6g小型化多频段手机天线在1900mhz的辐射方向仿真示
意图；
38.图4-3a和图4-3b均为sub-6g小型化多频段手机天线在2600mhz的辐射方向仿真示意图；
39.图4-4a和图4-4b均为sub-6g小型化多频段手机天线在3500mhz的辐射方向仿真示意图；
40.图5-1为sub-6g小型化多频段手机天线在900mhz的电流分布仿真示意图；
41.图5-2为sub-6g小型化多频段手机天线在1900mhz的电流分布仿真示意图；
42.图5-3为sub-6g小型化多频段手机天线在2600mhz的电流分布仿真示意图；
43.图5-4为sub-6g小型化多频段手机天线在3500mhz的电流分布仿真示意图；
44.图6为本发明实施例二中sub-6g小型化多频段手机的主体结构示意图；
45.图7-1为本发明实施例二中sub-6g小型化多频段手机的正视结构示意图一；
46.图7-2为本发明实施例二中sub-6g小型化多频段手机的正视结构示意图二；
47.图7-3为本发明实施例二中sub-6g小型化多频段手机的侧视结构示意图。
48.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
49.1、辐射贴片天线，2、介质板，3、金属接地板，4、衬底，5、玻璃屏幕，6、外壳，11、馈电点，12、短路点，13、第一多枝节单极子辐射单元，14、第二多枝节单极子辐射单元，131、竖直矩形枝节，132、第一水平矩形枝节，133、第一l形枝节，134、第二l形枝节，135、第二水平矩形枝节，1331、第一矩形金属片，1332、第二矩形金属片，1341、第三矩形金属片，1342、第四矩形金属片，141、z形枝节，142、第三l形枝节，143、第四l形枝节，144、第五l形枝节，1411、第五矩形金属片，1412、第六矩形金属片，1413、第七矩形金属片，1421、第八矩形金属片，1422、第九矩形金属片，1431、第十矩形金属片，1432、第十一矩形金属片，1441、第十二矩形金属片，1442、第十三矩形金属片。
具体实施方式
50.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
51.下面结合附图，对本发明进行说明。
52.实施例、如图1所示，一种sub-6g小型化多频段手机天线，包括辐射贴片天线1、介质板2和金属接地板3；所述辐射贴片天线1包括均共面设置的馈电点11、短路点12、第一多枝节单极子辐射单元13和第二多枝节单极子辐射单元14，所述第一多枝节单极子辐射单元13与第二多枝节单极子辐射单元14非对称设置且相互耦合；
53.所述馈电点11设置在所述第一多枝节单极子辐射单元13的一端并与所述第一多枝节辐射单元13连接，所述短路点12设置在所述第二多节单极子辐射单元14的一端，所述第二多枝节单极子辐射单元14通过所述短路点12与所述金属接地板3连接；所述馈电点11、所述短路点12、所述第一多枝节单极子辐射单元13和所述第二多枝节单极子辐射单元14均印刷在所述介质板2的正面上；所述金属接地板3设置在所述介质板2的背面，并与所述介质板2共面。
54.本实施例的sub-6g小型化多频段手机天线的工作原理：
55.手机天线发射端向空间发射电磁波，通过馈电点进行馈电，第一多枝节单极子辐射单元和第二多枝节单极子辐射单元均为非对称的多枝节单极子结构，通过这两个辐射单元的耦合，电磁波在两个辐射单元不同枝节上形成多个谐振点，激励其同相表面电流，从而完成电磁波向空间中的辐射；
56.本实施例的sub-6g小型化多频段手机天线，基于非对称的两个多枝节单极子结构，能够起到调节天线的特性阻抗、增加谐振模式的作用，可以达到天线的宽频多频化的目的，具有更宽的带点，进而使得天线满足工作在5g频段，并向下兼容2g/3g/4g频段的需求；同时对天线性能的干扰也较小，保证了天线具有良好的性能；基于馈电点、短路点、两个多枝节单极子辐射单元与介质板和金属接地板的共面设置，使得整个天线体积较小、结构简单，进而实现天线小型化，也有效降低了制作成本。
57.优选地，如图2所示，所述第一多枝节单极子辐射单元13包括均共面设置的竖直矩形枝节131、第一水平矩形枝节132、第一l形枝节133、第二l形枝节134和第二水平矩形枝节135；
58.所述竖直矩形枝节131、所述第一水平矩形枝节132、所述第一l形枝节133、所述第二l形枝节134和所述第二水平矩形枝节135均印刷在所述介质板2的正面上；所述馈电点11设置在所述竖直矩形枝节131的一端并与所述竖直矩形枝节131连接，所述竖直矩形枝节131的另一端分别与所述第一l形枝节133的一端和所述第二l形枝节134的一端连通，第二l形枝节134的另一端与所述第二水平矩形枝节135连通，所述第一水平矩形枝节132的一端与所述竖直矩形枝节131的中部连通。
59.通过上述结构形成的第一多枝节单极子辐射单元，结合馈电点的馈电，便于结合第二多枝节单极子辐射单元的耦合，实现多频带覆盖的天线，使得天线能工作在5g频段，同时向下兼容2g/3g/4g频段；结构简单、紧凑，便于实现天线小型化。
60.具体地，如图2所示，竖直矩形枝节、第一水平矩形枝节和第二水平矩形枝节均为矩形的金属片，第一l形枝节133包括第一矩形金属片1331和第二矩形金属片1332，第二l形矩形枝节134包括第三矩形金属片1341和第四矩形金属片1342。上述各金属片的连接关系和尺寸如图2所示。
61.优选地，如图2所示，所述第二多枝节单极子辐射单元14包括z形枝节141、第三l形枝节142、第四l形枝节143和第五l形枝节144；
62.所述z形枝节141、所述第三l形枝节142、所述第四l形枝节143和所述第五l形枝节144均印刷在所述介质板2的正面上；所述短路点12设置在所述z形枝节141的一端上，所述z形枝节141的另一端通过所述第三l形枝节142与所述第四l形枝节143连通，所述第五l形枝节144的一端与所述第三l形枝节142的竖直段连通。
63.通过上述结构形成的第二多枝节单极子辐射单元，与第一多节单极子辐射单元形成了非对称多枝节单极子结构，起到匹配阻抗并使谐振路径长度缩短的作用，进而能使得电磁波能在两个辐射单元不同节上形成多个谐振点，产生多个谐振模式，从而达到天线的宽频多频化的目的，具有更宽的带宽，进而使得天线满足工作在5g频段，并向下兼容2g/3g/4g频段的需求。
64.具体地，如图2所示，z形枝节141包括第五矩形金属片1411、第六矩形金属片1412和第七矩形金属片1413，第三l形枝节142包括第八矩形金属片1421和第九矩形金属片
1.150ghz、1.78ghz-2.346ghz低频带宽的宽频带工作。sub-6g小型化多频段手机天线-6db回波损耗带宽可覆盖0.778ghz-1.150ghz、1.78ghz-2.346ghz低频带宽和2.48ghz-2.836ghz、3.15ghz-3.642ghz高频带宽，从而使得本发明所设计的手机天线能够覆盖覆盖中心频率为gsm-850/900，dcs-1800，pcs-1900，umts-2000，wimax-2300，lte-2300/2500以及工作频率为3.5ghz等多个频段。从而满足了手机天线能够工作在5g/4g/3g/2g(即：天线工作频率为3500mhz、2600mhz、1900mhz、900mhz)频段需求，符合5g通信标准。
77.通过仿真计算，sub-6g小型化多频段手机天线在5g/4g/3g/2g不同频点处的辐射方向图，结果如图4-1a至图4-4b所示，天线工作频率分别为900mhz、1900mhz、2600mhz和3500mhz，图中e-plane/h-plane指电场或磁场矢量与最大传播方向所确定的平面。，从这些图中可以看出本实施例的天线辐射方向图在e面和h面具有良好的方向性。还可以看出，在低频段900mhz和1900mhz时天线方向性圆度较好，具有良好全向的辐射特性，类似于半波偶极子的辐射特性。随着频率的升高，天线的辐射特性发生改变，方向性出现涟漪，在高频段2600mhz和3500mhz时，会产生高次模激励，使得天线某一方向的辐射强度增加，但是在垂直面方向仍然具有最大辐射特性，所以相比低频部分，高频段最大辐射方向的增益会增加。总体来看，本实施例的天线辐射特性表现较好，满足移动通信的要求。
78.通过仿真计算，sub-6g小型化多频段手机天线在5g/4g/3g/2g不同频点处的电流分布图，结果如图5-1至图5-4所示。具体分别为天线工作频率900mhz、1900mhz、2600mhz和3500mhz下，天线表面电流密度模分布图。从图5-1可以看出，强电流沿着路径c-d-b-a流动，经计算其长度约为82mm，这也对应了频率为900mhz的四分之一波长。同样从图5-2、5-3和5-4可以看出强电流分别沿着路径e-b-a-f、b-a-g(h)、b-a-i流动，经计算其长度分别约为41mm、27mm、20mm，这也分别对应了频率为1900mhz、2600mhz、3500mhz的四分之一波长。因此根据如图5-1至图5-4所示的天线表面电流密度模分布图，验证了天线工作频率为900mhz、1900mhz、2600mhz和3500mhz时满足天线设计的合理性。
79.基于上述仿真结果，与现有技术相比，本发明具备如下优点：
80.1.本发明sub-6g小型化多频段手机天线结构紧凑，覆盖频率广。
81.2.本发明sub-6g小型化多频段手机天线体积较小，结构简单，制作成本低，能够适用于5g通信系统。
82.3.通过有效调节sub-6g小型化多频段手机天线辐射单元多枝节长度以及馈电位置，便于调节天线的阻抗，更好地扩展天线带宽，提高天线的性能。
83.实施例二、如图6所示，一种sub-6g小型化多频段手机，包括实施例一中的sub-6g小型化多频段手机天线，还包括衬底4，所述衬底4设置在所述金属接地板3远离所述介质板2的一侧。
84.基于sub-6g小型化多频段手机天线，能使得手机满足其工作在5g频段，同时向下兼容2g/3g/4g频段的需求，实现了手机的小型化、宽频带，通过在金属节点板上加装衬底，一方面可以提高电磁波辐射的抗干扰性，另一方面便于在辐射贴片天线、介质板和金属接地板所形成的天线上进行扩展，帮助实现具有天线功能的手机等智能设备的制造。
85.具体地，所述衬底4与所述金属接地板3和所述介质板2均共面。
86.优选地，所述衬底4由复合硅胶材料制成。
87.具体地，衬底厚度为1mm，尺寸大小为：大小为52.5
×
120
×
1mm3。
88.优选地，如图6所示，还包括玻璃屏幕5，所述玻璃屏幕5设置在所述复合硅胶衬底3远离所述金属接地板3的一侧。
89.具体地，玻璃屏幕厚度为2mm，尺寸大小为：52.5
×
120
×
2mm3。
90.通过加装玻璃屏幕，进一步帮助实现具有天线功能的手机等智能设备的个性化制造，具有更高的使用价值。
91.优选地，如图6所示，还包括外壳6；
92.所述辐射贴片天线1、所述介质板2、所述金属接地板3和所述衬底4均设置在所述外壳6内，所述玻璃屏幕5镶嵌在所述外壳6的表面。
93.具体地，所述外壳6由abs材料制成。abs外壳构成手机模型外壳，尺寸大小为：76.1
×
160.8
×
8.4mm3。
94.通过外壳，可以对整个天线结构起到保护作用，一方面提高整个手机天线的使用寿命，另一方面可以提高天线的抗干扰性。
95.本实施例中手机的各个部件的尺寸大小分别如图7-1、图7-2和图7-3所示，本实施例中其他未尽细节，详见实施例一及图1至图5-4的具体描述，此处不再赘述。
96.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。