專利名稱：高增益超材料天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種高增益超材料天線。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體工藝的迅猛發(fā)展，對(duì)當(dāng)今的電子系統(tǒng)集成度提出了越來(lái)越高的要求， 器件的小型化成為了整個(gè)產(chǎn)業(yè)非常關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。作為電子系統(tǒng)重要組成部分的射頻模塊面臨著器件小型化的高難度技術(shù)挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的射頻模塊通常包括了混頻、功放、濾波、射頻信號(hào)傳輸、匹配網(wǎng)絡(luò)與天線等主要器件。其中，天線作為最終射頻信號(hào)的輻射單元和接收器件，其工作特性將直接影響整個(gè)電子系統(tǒng)的工作性能。
然而，現(xiàn)有的PIFA天線的輻射工作頻率直接和天線的尺寸正相關(guān)，帶寬和天線的面積正相關(guān)，使得天線的設(shè)計(jì)通常需要半波長(zhǎng)的物理長(zhǎng)度，因而體積較大，若減小體積，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需要的增益。在一些更為復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，天線需要多模工作，就需要在饋入天線前增加額外的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)額外增大了射頻系統(tǒng)的面積，同時(shí)匹配網(wǎng)絡(luò)還引入了不少的能量損耗，很難滿足低功耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
現(xiàn)有的PCB天線通常用于作內(nèi)置天線，對(duì)環(huán)境要求高，需要預(yù)留一定面積凈空區(qū)， 對(duì)設(shè)備小型化有影響。設(shè)備上的金屬配件需遠(yuǎn)離所述PCB天線，否則會(huì)對(duì)PCB天線產(chǎn)生較大影響。此外，其針對(duì)不同產(chǎn)品需要重新調(diào)試，研發(fā)周期長(zhǎng)，且大量生產(chǎn)時(shí)質(zhì)量穩(wěn)定度有較大影響。
現(xiàn)有的基于復(fù)合左右手傳輸線技術(shù)的超材料天線是基于傳輸線理論來(lái)設(shè)計(jì)的 (如，美國(guó)的Rayspan公司的超材料天線)，現(xiàn)有的所述超材料利用在普通右手傳輸線上加載一些實(shí)現(xiàn)左手所需要的串聯(lián)電容和并聯(lián)電感，即構(gòu)成了復(fù)合傳輸線的超材料，利用復(fù)合左右手技術(shù)的超材料天線必須依賴于主板的尺寸，需要定制化的設(shè)計(jì)，使其應(yīng)用范圍存在很大的局限性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種高增益超材料天線，其占用體積小，對(duì)環(huán)境要求低，應(yīng)用范圍廣，增益高，能夠在工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好地阻抗匹配，高效率地完成能量轉(zhuǎn)換，并得到理想的輻射場(chǎng)型。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，提出一種高增益超材料天線，其包括介質(zhì)基板、金屬結(jié)構(gòu)、饋線及參考地，所述金屬結(jié)構(gòu)、饋線及參考地均置于所述介質(zhì)基板上，所述饋線與所述金屬結(jié)構(gòu)相互耦合，所述參考地包括位于所述介質(zhì)基板相對(duì)兩表面的第一參考地單元及第二參考地單元，所述第一參考地單元使所述饋線的一端形成微帶線。
進(jìn)一步地，所述第一參考地單元及第二參考地單元相互電連接。
進(jìn)一步地，所述介質(zhì)基板設(shè)置有若干金屬化通孔，所述第一參考地單元與所述第二參考地單元通過(guò)所述金屬化通孔實(shí)現(xiàn)電連接。
進(jìn)一步地，所述第一參考地單元設(shè)置有相互電連接的第一金屬面單元及第二金屬面單元，所述第一金屬面單元與所述饋線的一端位置相對(duì)，使所述饋線的一端形成所述微帶線；所述第二參考地單元設(shè)置有第三金屬面單元，所述第三金屬面單元與所述第二金屬面單元位置相對(duì)。
進(jìn)一步地，所述介質(zhì)基板位于所述第二金屬面單元及所述第三金屬面單元處開(kāi)設(shè)有若干金屬化通孔，所述第二金屬面單元與所述第三金屬面單元通過(guò)所述金屬化通孔電連接。
進(jìn)一步地，所述第三金屬面單元位于所述金屬結(jié)構(gòu)的一端，所述第三金屬面單元呈長(zhǎng)方面板狀，并與所述饋線的延伸方向相同。
進(jìn)一步地，所述第二參考地單元還設(shè)置有第四金屬面單元，所述第四金屬面單元位于所述饋線一端的一側(cè)，并位于所述饋線的延伸方向上。
進(jìn)一步地，所述介質(zhì)基板位于所述第一金屬面單元及所述第四金屬面單元處開(kāi)設(shè)有若干金屬化通孔，所述第一金屬面單元與所述第四金屬面單元通過(guò)所述金屬化通孔電連接。
進(jìn)一步地，所述金屬結(jié)構(gòu)為互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式螺旋線結(jié)構(gòu)、開(kāi)口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、雙開(kāi)口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式彎折線結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合后結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)組陣后的結(jié)構(gòu)中的任一種。
進(jìn)一步地，所述金屬結(jié)構(gòu)設(shè)置有框體及位于所述框體內(nèi)的兩螺旋線，所述兩螺旋線相互連接形成開(kāi)口螺旋環(huán)，所述開(kāi)口螺旋環(huán)與所述框體連接，所述螺旋線的自由端呈面板狀。
綜上所述，本發(fā)明高增益超材料天線通過(guò)精密地控制金屬結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螒B(tài)及布局所述微帶線，得到需要的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分布，使天線能夠在工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好地阻抗匹配，高效率地完成能量轉(zhuǎn)換，并得到理想的輻射場(chǎng)型，占用體積小，對(duì)環(huán)境要求低， 應(yīng)用范圍廣，增益高。



圖1是本發(fā)明高增益超材料天線的主視圖2是本發(fā)明高增益超材料天線的后視圖3是圖1所示本發(fā)明的S參數(shù)的仿真圖4a為互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的示意圖4b所示為互補(bǔ)式螺旋線結(jié)構(gòu)的示意圖4c所示為開(kāi)口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)的示意圖4d所示為雙開(kāi)口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)的示意圖4e所示為互補(bǔ)式彎折線結(jié)構(gòu)的示意圖5a為圖4a所示的互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)其幾何形狀衍生示意圖5b為圖4a所示的互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)其擴(kuò)展衍生示意圖6a為三個(gè)圖4a所示的互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合后的結(jié)構(gòu)示意圖6b為兩個(gè)圖4a所示的互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)與圖4b所示為互補(bǔ)式螺旋線結(jié)構(gòu)的復(fù)合示意圖7為四個(gè)圖4a所示的互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)組陣后的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明高增益超材料天線做進(jìn)一步的描述
超材料天線基于人工電磁材料技術(shù)設(shè)計(jì)而成，人工電磁材料是指將金屬片鏤刻成特定形狀的拓?fù)浣饘俳Y(jié)構(gòu)，并將所述特定形狀的拓?fù)浣饘俳Y(jié)構(gòu)設(shè)置于一定介電常數(shù)和磁導(dǎo)率基材上而加工制造的等效特種電磁材料，其性能參數(shù)主要取決于其亞波長(zhǎng)的特定形狀的拓?fù)浣饘俳Y(jié)構(gòu)。在諧振頻段，人工電磁材料通常體現(xiàn)出高度的色散特性，換言之，天線的阻抗、容感性、等效的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率隨著頻率會(huì)發(fā)生劇烈的變化。因而可采用人工電磁材料技術(shù)對(duì)上述天線的基本特性進(jìn)行改造，使得金屬結(jié)構(gòu)與其依附的介質(zhì)基板等效地組成了一個(gè)高度色散的特種電磁材料，從而實(shí)現(xiàn)輻射特性豐富的新型天線。
請(qǐng)參閱圖1及圖2，本發(fā)明高增益超材料天線包括介質(zhì)基板1、金屬結(jié)構(gòu)2、饋線3 及參考地，所述介質(zhì)基板I呈長(zhǎng)方板狀，其可由高分子聚合物、陶瓷、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等材質(zhì)制成。在本實(shí)施例中，所述介質(zhì)基板I的材質(zhì)采用玻纖材質(zhì)(FR4)制成，因而不僅成本低，而且可保證在不同的工作頻率中保持良好的天線工作特性。
所述金屬結(jié)構(gòu)2、饋線3及參考地均置于所述介質(zhì)基板I的表面上，所述金屬結(jié)構(gòu) 2與所述介質(zhì)基板I形成超材料，所述超材料的性能取決于所述金屬結(jié)構(gòu)2，在諧振頻段，超材料通常體現(xiàn)出高度的色散特性，即其阻抗、容感性、等效的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率隨著頻率會(huì)發(fā)生劇烈的變化，因而通過(guò)改變所述金屬結(jié)構(gòu)2及介質(zhì)基板I的基本特性，便使得所述金屬結(jié)構(gòu)2與介質(zhì)基板I等效地組成一個(gè)按照洛倫茲材料 諧振模型的高度色散的特種電磁材料。
請(qǐng)參閱圖3至圖7，所述金屬結(jié)構(gòu)2可為互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式螺旋線結(jié)構(gòu)、開(kāi)口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、雙開(kāi)口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式彎折線結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合后結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)組陣后的結(jié)構(gòu)中的任一種或類似的拓?fù)浣饘俳Y(jié)構(gòu)或金屬蝕刻圖案，所述金屬結(jié)構(gòu)2的形狀有無(wú)窮多種，并不局限于上述所舉的結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，所述金屬結(jié)構(gòu)2設(shè)置有框體21及位于所述框體21 內(nèi)的兩螺旋線22，所述兩螺旋線22相互連接形成開(kāi)口螺旋環(huán)，所述開(kāi)口螺旋環(huán)與所述框體 21連接，所述螺旋線22的自由端呈面板狀，所述面板狀的端部可增加天線的受波面積。本實(shí)施例的工作頻段是2. 4GHZ 2. 49GHZ及5. 72GHZ 5. 85GHZ，上述該兩頻段的增益分別可達(dá)3. 58dBi及3. 14dBi，由圖3可知，本發(fā)明的發(fā)射系數(shù)較小。
所述饋線3設(shè)置在所述金屬結(jié)構(gòu)2的一側(cè)，并沿著所述金屬結(jié)構(gòu)2的長(zhǎng)度方向延伸，其與所述金屬結(jié)構(gòu)2相互耦合，其中，所述饋線3的一端彎折延伸至所述金屬結(jié)構(gòu)2端部一側(cè)。此外，可根據(jù)需要在所述饋線3與金屬結(jié)構(gòu)2之間的空間中嵌入容性電子元件，通過(guò)嵌入容性電子元件調(diào)節(jié)饋線3與金屬結(jié)構(gòu)2之間的信號(hào)耦合，由公式 f=l/ (.1n^LC )，可知電容值的大小和工作頻率的平方成反比，所以當(dāng)需要的工作頻率為較低工作頻率時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)那度肴菪噪娮釉?shí)現(xiàn)。加入的容性電子元件的電容值范圍通常在0-2pF之間，不過(guò)隨著天線工作頻率的變化嵌入的電容值也可能超出0-2pF 的范圍。
所述參考地位于所述饋線3的一側(cè)，使所述饋線3的位于所述金屬結(jié)構(gòu)2端部的一端形成微帶線31。在本實(shí)施例中,所述參考地包括第一參考地單元41及第二參考地單元42，所述第一參考地單元41及第二參考地單元42分別位于所述介質(zhì)基板I的相對(duì)兩表面。 所述第一參考地單元41設(shè)置有相互電連接的第一金屬面單元411及第二金屬面單元412。 所述第二參考地單元42與所述饋線3位于所述介質(zhì)基板I的同一側(cè)，并設(shè)置有第三金屬面單元421及第四金屬面單元422。
所述第一金屬面單元411與所述饋線3位置相對(duì)，使所述饋線3的位于所述金屬結(jié)構(gòu)2端部的一端形成所述微帶線31，即所述參考地為虛擬地。所述第二金屬面單元412 與所述第三金屬面單元421位置相對(duì)。所述第三金屬面單元421位于所述金屬結(jié)構(gòu)2的一端，所述第三金屬面單元421呈長(zhǎng)方面板狀，并與所述饋線3的延伸方向相同。所述介質(zhì)基板I位于所述第二金屬面單元412及所述第三金屬面單元421處開(kāi)設(shè)有若干金屬化通孔5， 所述第二金屬面單元412與所述第三金屬面單元421通過(guò)所述金屬化通孔5電連接。
所述第四金屬面單元422位于所述饋線3 —端的一側(cè)，并位于所述饋線3的延伸方向上。所述介質(zhì)基板I位于所述第一金屬面單元411及所述第四金屬面單元422處開(kāi)設(shè)有若干金屬化通孔5，所述第一金屬面單元411與所述第四金屬面單元422通過(guò)所述金屬化通孔5電連接。通過(guò)第一金屬面單元411與所述饋線3的一端形成所述微帶線31，因而可減少外部信號(hào)對(duì)在所述饋線3上傳送的信號(hào)干擾，提高天線增益，實(shí)現(xiàn)較好的阻抗匹配，節(jié)省材料，成本低。所述第一金屬面單元411至第四金屬面單元422之間通過(guò)巧妙的位置設(shè)置，因而使所述參考地占用較小的空間，便實(shí)現(xiàn)較大的面積。此外，通過(guò)設(shè)置所述金屬化通孔5，因而可進(jìn)一步提高所述參考地的面積。
綜上所述，本發(fā)明高增益超材料天線通過(guò)精密地控制金屬結(jié)構(gòu)2的拓?fù)湫螒B(tài)及布局所述微帶線31，得到需要的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分布，使天線能夠在工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的阻抗匹配，高效率地完成能量轉(zhuǎn)換，并得到理想的輻射場(chǎng)型，其占用體積小，對(duì)環(huán)境要求低，增益高，應(yīng)用范圍廣，可作為各種電子產(chǎn)品的內(nèi)置天線。
上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式 ，例如，所述金屬結(jié)構(gòu)2與所述饋線3之間設(shè)置有連接件，使所述金屬結(jié)構(gòu)2與所述饋線3相互電連接，即所述金屬結(jié)構(gòu)2與所述饋線3之間采用感性耦合方式等，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高增益超材料天線，其特征在于包括介質(zhì)基板、金屬結(jié)構(gòu)、饋線及參考地，所述金屬結(jié)構(gòu)、饋線及參考地均置于所述介質(zhì)基板上，所述饋線與所述金屬結(jié)構(gòu)相互耦合，所述參考地包括位于所述介質(zhì)基板相對(duì)兩表面上的第一參考地單元及第二參考地單元，所述第一參考地單元使所述饋線的一端形成微帶線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高增益超材料天線，其特征在于所述第一參考地單元及第二參考地單元相互電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高增益超材料天線，其特征在于所述介質(zhì)基板設(shè)置有若干金屬化通孔，所述第一參考地單元與所述第二參考地單元通過(guò)所述金屬化通孔實(shí)現(xiàn)電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的高增益超材料天線，其特征在于所述第一參考地單元設(shè)置有相互電連接的第一金屬面單元及第二金屬面單元，所述第一金屬面單元與所述饋線的一端位置相對(duì)，使所述饋線的一端形成所述微帶線；所述第二參考地單元設(shè)置有第三金屬面單元，所述第三金屬面單元與所述第二金屬面單元位置相對(duì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高增益超材料天線，其特征在于所述介質(zhì)基板位于所述第二金屬面單元及所述第三金屬面單元處開(kāi)設(shè)有若干金屬化通孔，所述第二金屬面單元與所述第三金屬面單元通過(guò)所述金屬化通孔電連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高增益超材料天線，其特征在于所述第三金屬面單元位于所述金屬結(jié)構(gòu)的一端，所述第三金屬面單元呈長(zhǎng)方面板狀，并與所述饋線的延伸方向相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高增益超材料天線，其特征在于所述第二參考地單元還包括第四金屬面單元，所述第四金屬面單元位于所述饋線一端的一側(cè)，并位于所述饋線的延伸方向上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高增益超材料天線，其特征在于所述介質(zhì)基板位于所述第一金屬面單元及所述第四金屬面單元處開(kāi)設(shè)有若干金屬化通孔，所述第一金屬面單元與所述第四金屬面單元通過(guò)所述金屬化通孔電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的高增益超材料天線，其特征在于所述金屬結(jié)構(gòu)為互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式螺旋線結(jié)構(gòu)、開(kāi)口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、雙開(kāi)口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式彎折線結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合后結(jié)構(gòu)、互補(bǔ)式開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)組陣后的結(jié)構(gòu)中的任一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的高增益超材料天線，其特征在于所述金屬結(jié)構(gòu)設(shè)置有框體及位于所述框體內(nèi)的兩螺旋線，所述兩螺旋線相互連接形成開(kāi)口螺旋環(huán)，所述開(kāi)口螺旋環(huán)與所述框體連接，所述螺旋線的自由端呈面板狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高增益超材料天線，其包括介質(zhì)基板、金屬結(jié)構(gòu)、饋線及參考地，所述金屬結(jié)構(gòu)、饋線及參考地均置于所述介質(zhì)基板上，所述饋線與所述金屬結(jié)構(gòu)相互耦合，所述參考地包括位于所述介質(zhì)基板相對(duì)兩表面的第一參考地單元及第二參考地單元，所述第一參考地單元使所述饋線的一端形成微帶線。本發(fā)明高增益超材料天線通過(guò)精密地控制金屬結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螒B(tài)及合理布局所述微帶線，便得到需要的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分布，使天線能夠在工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好地阻抗匹配，高效率地完成能量轉(zhuǎn)換，并得到理想的輻射場(chǎng)型，其占用體積小，對(duì)環(huán)境要求低，增益高，應(yīng)用范圍廣，可作為各種電子產(chǎn)品的內(nèi)置天線。
文檔編號(hào)H01Q1/48GK103022658SQ20111028654
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者劉若鵬, 徐冠雄, 李岳峰 申請(qǐng)人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司