專利名稱：高增益超材料天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及天線技術(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)體エ藝的迅猛發(fā)展，對當今的電子系統(tǒng)集成度提出了越來越高的要求，器件的小型化成為了整個產(chǎn)業(yè)非常關(guān)注的技術(shù)問題。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的輻射單元和接收器件，其工作特性將直接影響整個電子系統(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)計通常需要半波長的物理長度，因而體積較大，若減小體積，則無法實現(xiàn)所需要的増益。在ー些更為復(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)額外増大了射頻系統(tǒng)的面積，同時匹配網(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)計要求?，F(xiàn)有的PCB天線通常用于作內(nèi)置天線，對環(huán)境要求高，需要預(yù)留一定面積凈空區(qū)，對設(shè)備小型化有影響。設(shè)備上的金屬配件需遠離所述PCB天線，否則會對PCB天線產(chǎn)生較大影響。此外，其針對不同產(chǎn)品需要重新調(diào)試，研發(fā)周期長，且大量生產(chǎn)時質(zhì)量穩(wěn)定度有較大影響?，F(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設(shè)計的(如，美國的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ー些實現(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，使其應(yīng)用范圍存在很大的局限性。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于，針對上述現(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，對環(huán)境要求低，應(yīng)用范圍廣，増益高，能夠在工作頻段內(nèi)實現(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型。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(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)基板相對兩表面的第一參考地単元及第ニ參考地単元，所述第一參考地単元使所述饋線的一端形成微帶線。進ー步地，所述第一參考地単元及第ニ參考地単元相互電連接。進ー步地，所述介質(zhì)基板設(shè)置有若干金屬化通孔，所述第一參考地単元與所述第ニ參考地単元通過所述金屬化通孔實現(xiàn)電連接。[0010]進ー步地，所述第一參考地單元設(shè)置有相互電連接的第一金屬面単元及第ニ金屬面単元，所述第一金屬面単元與所述饋線的一端位置相對，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)置有第三金屬面単元，所述第三金屬面単元與所述第二金屬面單元位置相對。進ー步地，所述介質(zhì)基板位于所述第二金屬面単元及所述第三金屬面単元處開設(shè)有若干金屬化通孔，所述第二金屬面単元與所述第三金屬面単元通過所述金屬化通孔電連接。進ー步地，所述第三金屬面単元位于所述金屬結(jié)構(gòu)的一端，所述第三金屬面単元呈長方面板狀，并與所述饋線的延伸方向相同。進ー步地，所述第二參考地単元還設(shè)置有第四金屬面単元，所述第四金屬面単元 位于所述饋線一端的ー側(cè)，并位于所述饋線的延伸方向上。進ー步地，所述介質(zhì)基板位于所述第一金屬面単元及所述第四金屬面単元處開設(shè)有若干金屬化通孔，所述第一金屬面単元與所述第四金屬面単元通過所述金屬化通孔電連接。進ー步地，所述金屬結(jié)構(gòu)為互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式螺旋線結(jié)構(gòu)、開ロ螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、雙開ロ螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式彎折線結(jié)構(gòu)、互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)、互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合后結(jié)構(gòu)、互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)組陣后的結(jié)構(gòu)中的任ー種。進ー步地，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ロ螺旋環(huán)，所述開ロ螺旋環(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，本實用新型高増益超材料天線通過精密地控制金屬結(jié)構(gòu)的拓撲形態(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型，占用體積小，對環(huán)境要求低，應(yīng)用范圍廣，増益高。

圖I是本實用新型高増益超材料天線的主視圖；圖2是本實用新型高増益超材料天線的后視圖；圖3是圖I所示本實用新型的S參數(shù)的仿真圖；圖4a為互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4b所示為互補式螺旋線結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4c所示為開ロ螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4d所示為雙開ロ螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4e所示為互補式彎折線結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5a為圖4a所示的互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)其幾何形狀衍生示意圖；圖5b為圖4a所示的互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)其擴展衍生示意圖；圖6a為三個圖4a所示的互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6b為兩個圖4a所示的互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)與圖4b所示為互補式螺旋線結(jié)構(gòu)的復(fù)合示意圖；[0030]圖7為四個圖4a所示的互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)組陣后的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型高増益超材料天線做進一歩的描述超材料天線基于人工電磁材料技術(shù)設(shè)計而成，人工電磁材料是指將金屬片鏤刻成特定形狀的拓撲金屬結(jié)構(gòu)，并將所述特定形狀的拓撲金屬結(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的特定形狀的拓撲金屬結(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)率隨著頻率會發(fā)生劇烈的變化。因而可采用人工電磁材料技術(shù)對上述天線的基本特性進行改造，使得金屬結(jié)構(gòu)與其依附的介質(zhì)基板等效地組成了 ー個高度色散的特種電磁材料，從而實現(xiàn)輻射特性豐富的新型天線。請參閱圖I及圖2，本實用新型高増益超材料天線包括介質(zhì)基板I、金屬結(jié)構(gòu)2、饋線3及參考地，所述介質(zhì)基板I呈長方板狀，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)率隨著頻率會發(fā)生劇烈的變化，因而通過改變所述金屬結(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等效地組成一個按照洛倫茲材料諧振模型的高度色散的特種電磁材料。請參閱圖3至圖7，所述金屬結(jié)構(gòu)2可為互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式螺旋線結(jié)構(gòu)、開ロ螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、雙開ロ螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式彎折線結(jié)構(gòu)、互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)、互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合后結(jié)構(gòu)、互補式開ロ諧振環(huán)結(jié)構(gòu)組陣后的結(jié)構(gòu)中的任一種或類似的拓撲金屬結(jié)構(gòu)或金屬蝕刻圖案，所述金屬結(jié)構(gòu)2的形狀有無窮多種，并不局限于上述所舉的結(jié)構(gòu)。在本實施例中，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相互連接形成開ロ螺旋環(huán)，所述開ロ螺旋環(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増加天線的受波面積。本實施例的工作頻段是2. 4GHZ 2. 49GHZ及5. 72GHZ 5. 85GHZ，上述該兩頻段的增益分別可達3. 58dBi及3. 14dBi，由圖3可知，本實用新型的發(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的ー側(cè)，并沿著所述金屬結(jié)構(gòu)2的長度方向延伸，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端部ー側(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之間的信號耦合，由公式
f=i/ (271 VZc )，可知電容值的大小和工作頻率的平方成反比，所以當需要的工作頻率
為較低工作頻率時，可以通過適當?shù)那度肴菪噪娮釉崿F(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。[0037]所述參考地位于所述饋線3的ー側(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。在本實施例中，所述參考地包括第一參考地單元41及第ニ參考地單元42，所述第一參考地単元41及第ニ參考地単元42分別位于所述介質(zhì)基板I的相對兩表面。所述第一參考地単元41設(shè)置有相互電連接的第一金屬面単元411及第ニ金屬面単元412。所述第二參考地単元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)置有第三金屬面単元421及第四金屬面単元422。所述第一金屬面単元411與所述饋線3位置相対，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。所述第二金屬面単元412與所述第三金屬面単元421位置相対。所述第三金屬面単元421位于所述金屬結(jié)構(gòu)2的一端，所述第三金屬面単元421呈長方面板狀，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単元412及所述第三金屬面単元421處開設(shè)有若干金屬化通孔5，所述第二金屬面単元412與所述第三金屬面単元421通過所述金屬化通孔5電連接。所述第四金屬面単元422位于所述饋線3 —端的ー側(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単元411及所述第四金屬面単元422處開設(shè)有若干金屬化通孔5，所述第一金屬面単元411與所述第四金屬面単元422通過所述金屬化通孔5電連接。通過第一金屬面単元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對在所述饋線3上傳送的信號干擾，提高天線增益，實現(xiàn)較好的阻抗匹配，節(jié)省材料，成本低。所述第一金屬面単元411至第四金屬面単元422之間通過巧妙的位置設(shè)置，因而使所述參考地占用較小的空間，便實現(xiàn)較大的面積。此外，通過設(shè)置所述金屬化通孔5，因而可進ー步提高所述參考地的面積。綜上所述，本實用新型高増益超材料天線通過精密地控制金屬結(jié)構(gòu)2的拓撲形態(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型，其占用體積小，對環(huán)境要求低，増益高，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)合附圖對本實用新型的較佳實施例進行了描述，但是本實用新型并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗g和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，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，這些均屬于本實用新型的保護范圍之內(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I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所述金屬化通孔實現(xiàn)電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I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，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。
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所述金屬化通孔電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求I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)為互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式螺旋線結(jié)構(gòu)、開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、雙開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式彎折線結(jié)構(gòu)、互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)、互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合后結(jié)構(gòu)、互補式開口諧振環(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I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口螺旋環(huán)，所述開口螺旋環(huán)與所述框體連接，所述螺旋線的自由端呈面板狀。
專利摘要本實用新型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。本實用新型高增益超材料天線通過精密地控制金屬結(jié)構(gòu)的拓撲形態(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型，其占用體積小，對環(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H01Q5/01GK202395153SQ20112036081
公開日2012年8月22日 申請日期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 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院