天线单元、阵列天线及电子设备

技术领域

本公开涉及5G通信领域，尤其涉及一种天线单元、阵列天线及电子设备。

背景技术

随着5G技术(第五代移动通信技术，5th generation mobile networks)的研究，越来越多电子设备的天线单元支持5G通信。但是，由于便携等用户需求，电子设备的尺寸受限，不利于设置多个支持不同频段的天线单元，进而不利于电子设备支持5G通信的多个频段。

发明内容

本公开提供了一种改进的天线单元、阵列天线及电子设备。

本公开的一个方面提供一种天线单元，所述天线单元包括：

第一微带天线，包括贴合的第一辐射层及第一介质层，所述第一微带天线的工作频段包括第一频段；

第二微带天线，包括依次贴合的第二辐射层、第二介质层、接地层，所述第二辐射层还与所述第一介质层背离所述第一辐射层的一面贴合，所述第二微带天线的工作频段包括第二频段，所述第二频段小于所述第一频段；

第一馈线，与所述第一辐射层及所述第二辐射层电连接；及

第二馈线，与所述第二辐射层及所述接地层电连接。

可选地，所述第一辐射层在所述第一介质层的投影面积、所述第二辐射层在所述第二介质层的投影面积、所述接地层在所述第二介质层的投影面积顺次减小。

可选地，所述第一馈线还与所述接地层电连接。

可选地，所述第一辐射层在所述第二辐射层上的投影位于所述第二辐射层的中部。

可选地，所述第一辐射层在所述第一介质层上的投影为方形，边长为1.5-2mm。

可选地，所述第一介质层在所述第二辐射层上的投影为方形，边长为2.1-2.5mm。

可选地，所述第二辐射层在所述第二介质层上的投影为方形，边长为2.5-2.8mm。

可选地，所述接地层在所述第二介质层上的投影为方形，边长为4-5mm。

可选地，所述第一介质层的厚度为0.3-0.4mm，和/或，所述第二介质层的厚度为0.2-0.3mm。

可选地，所述第一辐射层在所述第一介质层上的投影、所述第二辐射层在所述第二介质层上的投影、所述接地层在所述第二介质层上的投影均为方形，且中心重合，所述第一馈线垂直穿入所述第一微带天线，且所述第一馈线的轴线与所述中心之间的距离为0.3-0.4mm，所述第二馈线垂直穿入所述第二微带天线，且所述第二馈线的轴线与所述中心之间的距离为0.45-0.55mm。

可选地，所述第一馈线包括由内至外同轴设置的第一内馈线、第一绝缘线、第一外馈线，所述第一馈线自所述接地层穿入，且所述第一外馈线与所述第一绝缘线截止于所述第二辐射层，所述第一外馈线与所述第二辐射层电连接，所述第一内馈线截止于所述第一介质层，所述第一内馈线与所述第一辐射层电连接。

可选地，所述第二馈线包括由内至外同轴设置的第二内馈线、第二绝缘线、第二外馈线，所述第二馈线自所述接地层穿入，且所述第二外馈线与所述第二绝缘线截止于所述接地层，所述第二外馈线与所述接地层电连接，所述第二内馈线截止于所述第二介质层，所述第二内馈线与所述第二辐射层电连接。

可选地，所述第一频段的工作频率包括40.5-43.5GHz；

所述第二频段的工作频率包括26.5GHz-29.5GHz。

本公开的另一个方面提供一种阵列天线，所述阵列天线包括至少两个上述提及的任一种所述的天线单元，相邻两个所述天线单元中心之间的距离为0.5-0.7个所述天线单元的工作波长。

本公开的另一个方面提供一种电子设备，所述电子设备包括至少一个上述提及的任一种所述的天线单元，或者，所述电子设备包括上述提及的所述的阵列天线。

本公开实施例提供的天线单元、阵列天线及电子设备至少具有以下有益效果：

本公开实施例提供的天线单元，基于相互贴合的第一微带天线和第二微带天线的结构，使天线单元的结构紧凑、立体化，利于减小天线单元的占用面积。通过第一馈线为第一微带天线馈电，第二馈线为第二微带天线馈电，实现独立调谐。基于上述，天线单元对尺寸误差的鲁棒性好、具有良好的增益、在5G通信中实现双频独立调谐，可用于高度集成的电子设备中。

本公开实施例提供的阵列天线，基于包括至少两个天线单元，在5G通信中实现双频独立调谐，且天线单元的辐射能量集中，使阵列天线具有较高的增益。

本公开实施例提供的电子设备，基于天线单元及阵列天线的结构紧凑和立体化，利于实现电子设备的高度集成及体积小型化。并且，电子设备能够在5G通信中实现双频独立调谐，具有良好的增益。

附图说明

图1所示为本公开根据一示例性实施例示出的电子设备的局部结构示意图；

图2所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元的局部剖视图；

图3所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元的立体结构示意图；

图4所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元的俯视图；

图5所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元在28.4GHz的回波损耗图；

图6所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元在42GHz的回波损耗图；

图7所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元在28.4GHz的增益图；

图8所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元在42GHz的增益图；

图9所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元在28.4GHz的二维辐射方向图；

图10所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元在42GHz的二维辐射方向图；

图11所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元在28.4GHz的三维辐射方向图；

图12所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元在42GHz的三维辐射方向图；

图13所示为本公开根据一示例性实施例示出的阵列天线的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。除非另作定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另行指出，“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

在本公开说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

一些实施例中，由于便携等用户需求，电子设备的集成度较高，电子设备的尺寸规格受限，不利于在电子设备中设置多个支持不同频段的天线单元，这不利于电子设备支持多频段的5G通信。并且，多个天线单元不能独立调谐，调谐困难，不同频段谐振对于天线单元尺寸的鲁棒性比较差，不利于电子设备支持多频段的5G通信功能。

为了解决上述问题，本公开实施例提供了一种天线单元、阵列天线及电子设备。具体阐述如下：

图1所示为本公开根据一示例性实施例示出的电子设备的局部结构示意图。参考图1，电子设备包括机身100、本公开提供的天线单元200或阵列天线300，天线单元200或阵列天线300设于机身100内，以支持电子设备的Wifi(一种基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术)功能、GPS(Global Positioning System，全球定位系统)功能等天线通信功能。

本公开实施例提供的电子设备包括但不限于：手机、平板电脑、iPad、数字广播终端、消息收发设备、游戏控制台、医疗设备、健身设备、个人数字助理、智能可穿戴设备、智能电视等。

图2所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元200的局部剖视图。图3所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元200的立体结构示意图，结合参考图2和图3，天线单元200包括：第一微带天线210、第二微带天线220、第一馈线230及第二馈线240。第一微带天线210包括贴合的第一辐射层211及第一介质层212，第一微带天线210的工作频段包括第一频段。第二微带天线220包括依次贴合的第二辐射层221、第二介质层222、接地层223，第二辐射层221还与第一介质层212背离第一辐射层211的一面贴合，第二微带天线220的工作频段包括第二频段，第二频段小于第一频段。

在本公开实施例中，第一辐射层211、第二辐射层221、接地层223均为能够导电的金属层，比如铜层、铝层等。第一介质层212和第二介质层222为不能导电的绝缘层，比如橡胶层、塑料层等。第一介质层212和第二介质层222对相应的金属层起到支撑及隔离作用。

在一些实施例中，第一频段的工作频率包括5G通信的高频频段，比如包括40.5-43.5GHz，例如可以为40.5GHz、41GHz、41.5GHz、42GHz、42.5GHz、43GHz、43.5GHz等，即第一微带天线210支持频段号n259中的频率。第二频段的工作频率包括5G通信的低频频段，比如包括26.5GHz-29.5GHz，例如可以为26.5GHz、26.8GHz、26.9GHz、27GHz、27.5GHz、27.7GHz、27.9GHz、28GHz、28.4GHz、28.9GHz、29GHz、29.5GHz等，即第二微带天线220支持频段号n257中的频率。

其中，第一馈线230与第一辐射层211及第二辐射层221电连接。第二辐射层221可作为第一微带天线210的接地层。第一馈线230的设置形式有多种，示例性地，第一馈线230为同轴馈线，穿入第一微带天线210的层中。示例性地，第一馈线230为引线，可以从第一微带天线210外部直接与第一辐射层211及第二辐射层221电连接。

一些实施例中，第一馈线230为同轴馈线，包括由内至外同轴设置的第一内馈线231、第一绝缘线233、第一外馈线232，第一馈线230自接地层223穿入，且第一外馈线232与第一绝缘线233截止于第二辐射层221，第一外馈线232与第二辐射层221电连接，第一内馈线231截止于第一介质层212，第一内馈线231与第一辐射层211电连接。需要说明的是，第一馈线230的轴线可以垂直于第一微带天线210及第二微带天线220的层面，第一绝缘线233对第一内馈线231和第一外馈线232起到隔离作用。上述结构的第一馈线230使天线单元200的结构规整，利于减少体积。

继续参考图2，第二馈线240与第二辐射层221及接地层223电连接。其中，第二馈线240的设置形式有多种，示例性地，第二馈线240为同轴馈线，穿入第二微带天线220的层中。示例性地，第二馈线240为引线，可以从第二微带天线220外部直接与第二辐射层221及接地层223电连接。

一些实施例中，第二馈线240为同轴馈线，第二馈线240包括由内至外同轴设置的第二内馈线241、第二绝缘线243、第二外馈线242，第二馈线240自接地层223穿入，且第二外馈线242与第二绝缘线243截止于接地层223，第二外馈线242与接地层223电连接，第二内馈线241截止于第二介质层222，第二内馈线241与第二辐射层221电连接。需要说明的是，第二馈线240的轴线垂直于第一微带天线210及第二微带天线220的层面，第二绝缘线243对第二内馈线241和第二外馈线242起到隔离作用。上述结构的第二馈线240使天线单元200的结构规整，利于减少体积。

本公开实施例提供的天线单元200，基于相互贴合的第一微带天线210和第二微带天线220的结构，使天线单元200的结构紧凑、立体化，利于减小天线单元200的占用面积。通过第一馈线230为第一微带天线210馈电，第二馈线240为第二微带天线220馈电，实现独立调谐。基于上述，天线单元200对尺寸误差的鲁棒性好、具有良好的增益、在5G通信中实现双频独立调谐，可用于高度集成的电子设备中。

天线单元200的增益越高，电波传输的距离越远，5G通信性能越好。为了使天线单元200具有良好的增益，在一些实施例中，继续参考图2，第一辐射层211在第一介质层212的投影面积、第二辐射层221在第二介质层222的投影面积、接地层223在第二介质层222的投影面积顺次减小。一些实施例中，以此方式，利于第一微带天线210支持5G通信的第一频段，第二微带天线220支持5G通信的第二频段，而且，通过增大第一微带天线210的接地面积，增大第二微带天线220的接地面积，利于使第一微带天线210及第二微带天线220具有良好的增益。

进一步地，继续参考图2，第一馈线230还可与接地层223电连接。针对于第一馈线230为同轴馈线的情形，第一外馈线232与接地层223电连接。以此方式，进一步增加了第一微带天线210的接地面积，这进一步提升了第一微带天线210的增益。

在一些实施例中，第一辐射层211在第二辐射层221上的投影位于第二辐射层221的中部。一些实施例中，以此方式，在立体空间中，使得第一微带天线210和第二微带天线220的辐射方向图更加规整，避免两者之间偏移较多，使天线单元200的辐射方向规整，利于调整天线单元200在电子设备中的设置位置。

第一辐射层211、第二辐射层221、接地层223的结构对天线单元200的性能具有重要影响，本公开关于第一辐射层211、第二辐射层221、接地层223的结构给出以下示例：

第一辐射层211在第一介质层212上的投影、第二辐射层221在第二介质层222上的投影、接地层223在第二介质层222上的投影中至少一种为圆形、正方形、椭圆环形、扇形、半圆环形、三角形或者异形。一些实施例中，采用上述结构的各个膜层利于使天线单元200具有良好的增益，并且这些结构简单，容易设置。

第一辐射层211、第二辐射层221、接地层223、第一介质层212、第二介质层222的尺寸规格对天线单元200的性能具有重要影响，本公开关于天线单元200的结构给出以下示例：

第一辐射层211在第一介质层212上的投影为方形，边长为1.5-2mm，例如可以为1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.72mm、1.8mm、1.9mm、2mm等。和/或，第一介质层212在第二辐射层221上的投影为方形，边长为2.1-2.5mm，例如可以为2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm等。和/或，第二辐射层221在第二介质层222上的投影为方形，边长为2.5-2.8mm，例如可以为2.5mm、2.6mm、2.64mm、2.7mm、2.8mm等。和/或，接地层223在第二介质层222上的投影为方形，边长为4-5mm，例如可以为4mm、4.1mm、4.2mm、4.3mm、4.4mm、4.5mm、4.6mm、4.7mm、4.8mm、4.9mm、5mm等。和/或，第一介质层212的厚度为0.3-0.4mm，例如可以为0.3mm、0.31mm、0.32mm、0.33mm、0.335mm、0.34mm、0.35mm、0.36mm、0.37mm、0.38mm、0.39mm、0.4mm等。和/或，第二介质层222的厚度为0.2-0.3mm，例如可以为0.2mm、0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm、0.25mm、0.254mm、0.26mm、0.27mm、0.28mm、0.29mm、0.3mm等。一些实施例中，如此设置，使天线单元200的体积小、厚度薄、具有低剖面性，对尺寸误差的鲁棒性好，利于应用于高度集成的电子设备中，并且天线单元200能够实现独立调谐的5G双频频段，具有良好的增益。

图4所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元200的俯视图。参考图4，第一辐射层211在第一介质层212上的投影、第二辐射层221在第二介质层222上的投影、接地层223在第二介质层222上的投影均为方形，且中心重合，第一馈线230垂直穿入第一微带天线210，且第一馈线230的轴线与中心之间的距离为0.3-0.4mm，例如可以为0.3mm、0.31mm、0.32mm、0.33mm、0.34mm、0.35mm、0.36mm、0.37mm、0.38mm、0.39mm、0.4mm等。和/或，第二馈线240垂直穿入第二微带天线220，且第二馈线240的轴线与中心之间的距离为0.45-0.55mm，例如可以为0.45mm、0.46mm、0.47mm、0.48mm、0.49mm、0.5mm、0.51mm、0.52mm、0.53mm、0.54mm、0.55mm等。一些实施例中，如此设置第一馈线230与第二馈线240的位置，使对应的第一微带天线210和第二微带天线220的天线阻抗均接近50欧，进而使第一微带天线210与第一馈线230，以及第二微带天线220与第二馈线240能够更好地匹配，并且，从第一馈线230发出的能量能够更多地被第一微带天线210辐射出去，第二馈线240发出的能量能够更多地被第二微带天线220辐射出去，利于改善驻波比。

特别地，第一辐射层211在第一介质层212上的投影为方形，边长为1.72mm。第一介质层212在第二辐射层221上的投影为方形，边长为2.2mm。第二辐射层221在第二介质层222上的投影为方形，边长为2.64mm。接地层223在第二介质层222上的投影为方形，边长为5mm。第一介质层212的厚度为0.335mm，第二介质层222的厚度为0.254mm。第一辐射层211在第一介质层212上的投影、第二辐射层221在第二介质层222上的投影、接地层223在第二介质层222上的投影均为方形，且中心重合，第一馈线230垂直穿入第一微带天线210，且第一馈线230的轴线与中心之间的距离为0.36mm，第二馈线240垂直穿入第二微带天线220，且第二馈线240的轴线与中心之间的距离为0.5mm。如此设置，使天线单元200的体积小、厚度薄、具有低剖面性，对尺寸误差的鲁棒性好，利于应用于高度集成的电子设备中，并且天线单元200能够实现独立调谐的5G双频频段，具有良好的增益及较好的驻波比。

以下将结合天线单元200的性能检测图进一步说明天线单元200的性能：

图5所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元200在28.4GHz的回波损耗图。参考图5，天线单元200在约27.8-29GHz频段范围内的回波损耗小于-10dB，这使天线单元200在27.8-29GHz频段范围内能够稳定工作，并且在28.4GHz时的回波损耗最小，天线单元200在28.4GHz时的辐射性能最好。图6所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元200在42GHz的回波损耗图。参考图6，天线单元200在约40.6-43.8GHz频段范围内的回波损耗小于-10dB，这使天线单元200在40.6-43.8GHz频段范围内能够稳定工作，并且在42.1GHz时的回波损耗最小，天线单元200在42.1GHz时的辐射性能最好。结合图5和图6可知，本公开提供的天线单元200能够在27.8-29GHz(频段号n257)及40.6-43.8GHz(频段号n259)频段范围内工作。

图7所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元200在28.4GHz的增益图。其中，曲线A1为在频率28.4GHz，Phi＝0deg的条件下测得的增益曲线，曲线B1为在频率28.4GHz，Phi＝90deg的条件下测得的增益曲线。参考图7，曲线A1及曲线B1在Theta＝0.0deg时的增益最大，且曲线A1在Theta＝-50.0deg至50.0deg范围内的增益大于0，曲线B1在Theta＝-60.0deg至60.0deg范围内的增益大于0。图8所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元200在42GHz的增益图。其中，曲线A2为在频率42GHz，Phi＝0deg的条件下测得的增益曲线，曲线B2为在频率42GHz，Phi＝90deg的条件下测得的增益曲线。参考图8，曲线A2在Theta＝0.0deg时的增益最大，且曲线A2在Theta＝-60deg至55deg范围内的增益大于0。曲线B2在Theta＝20deg时的增益最大，且曲线B2在Theta＝-30deg至75deg范围内的增益大于0。结合参考图7和图8可知，本公开提供的天线单元200在n257和n259频段内具有较高的增益。

图9所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元200在28.4GHz的二维辐射方向图。曲线A3为在频率28.4GHz，Phi＝0deg的条件下测得的二维辐射方向图，曲线B3为在频率28.4GHz，Phi＝90deg的条件下测得的二维辐射方向图。参考图9，曲线A3和曲线B3所占区域比较宽，这表明天线单元200在28.4GHz时的辐射方向比较宽，辐射范围大。图10所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元200在42GHz的二维辐射方向图。曲线A4为在频率42GHz，Phi＝0deg的条件下测得的二维辐射方向图，曲线B4为在频率42GHz，Phi＝90deg的条件下测得的二维辐射方向图。参考图10，曲线A4和曲线B4所占区域比较宽，这表明天线单元200在42GHz时的辐射方向比较宽，辐射范围大。结合图9和图10可知，天线单元200在28.4GHz及42GHz的辐射方向比较宽，辐射范围比较大，这使5G信号的辐射角度范围比较大，利于天线单元200在5G通信中的应用。

图11所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元200在28.4GHz的三维辐射方向图，其中，颜色越深表示辐射能量越高，图11中上半球的辐射能量高于下半球的辐射能量。图12所示为本公开根据一示例性实施例示出的天线单元200在42GHz的三维辐射方向图，图12中上半球的辐射能量高于下半球的辐射能量。结合参考图11和图12可知，天线单元200在z轴方向的辐射能量高，具有较佳的辐射性能。

需要说明的是，可以第二微带天线220的接地层223所在平面为xy面，以垂直于xy面且穿过第二微带天线220中心的轴线为z轴，基于该方位分析图7至图12。

综上，本公开实施例提供的天线单元200能够减少占地面积，具有体积小、厚度薄、低剖面、对尺寸的鲁棒性好等特点，利于应用于高度集成的电子设备中。该天线单元200能够实现独立调谐n257、n259两个频段号中的5G频段，且具有良好的增益。

图13所示为本公开根据一示例性实施例示出的阵列天线的结构示意图。参考图13，阵列天线300包括至少两个上述提及的任一种天线单元200，相邻两个天线单元200之间的距离为0.5-0.7个天线单元200工作波长。一些实施例中，在5G通信中实现双频独立调谐，且天线单元200的辐射能量集中，使阵列天线300具有较高的增益。

在一些实施例中，继续参考图13，阵列天线300包括四个并排设置的天线单元200。

本公开实施例提供的电子设备，基于天线单元200及阵列天线300的结构紧凑和立体化，利于实现电子设备的高度集成及体积小型化。并且，电子设备能够容易地在5G通信中实现双频独立调谐，且5G辐射性能良好，利于提升用户体验。

对于阵列天线及电子设备实施例而言，由于其基本对应于天线单元实施例，所以相关之处参见天线单元实施例的部分说明即可。阵列天线实施例和电子设备实施例与天线单元实施例互为补充。

本公开上述各个实施例，在不产生冲突的情况下，可以互为补充。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。