高增益超材料天線的製作方法
2023-05-04 01:06:11 2
專利名稱：高增益超材料天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及天線技術領域,尤其涉及一種高增益超材料天線。
背景技術：
隨著半導體工藝的迅猛發展，對當今的電子系統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業非常關注的技術問題。作為電子系統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挑戰，現有的射頻模塊通常包括了混頻、功放、濾波、射頻信號傳輸、匹配網絡與天線等主要器件。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的工作性能。
然而，現有的PIFA天線的輻射工作頻率直接和天線的尺寸正相關，帶寬和天線的面積正相關，使得天線的設計通常需要半波長的物理長度，因而體積較大，若減小體積，則無法實現所需要的增益。在一些更為複雜的電子系統中，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絡。阻抗匹配網絡額外增大了射頻系統的面積，同時匹配網絡還引入了不少的能量損耗，很難滿足低功耗的系統設計要求。
現有的PCB天線通常用於作內置天線，對環境要求高，需要預留一定面積淨空區， 對設備小型化有影響。設備上的金屬配件需遠離所述PCB天線，否則會對PCB天線產生較大影響。此外，其針對不同產品需要重新調試，研發周期長，且大量生產時質量穩定度有較大影響。
現有的基於複合左右手傳輸線技術的超材料天線是基於傳輸線理論來設計的 (如，美國的Rayspan公司的超材料天線)，現有的所述超材料利用在普通右手傳輸線上加載一些實現左手所需要的串聯電容和並聯電感，即構成了複合傳輸線的超材料，利用複合左右手技術的超材料天線必須依賴於主板的尺寸，需要定製化的設計，使其應用範圍存在很大的局限性。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於，針對上述現有技術的不足，提出一種高增益超材料天線，其佔用體積小，對環境要求低，應用範圍廣，增益高，能夠在工作頻段內實現較好地阻抗匹配，高效率地完成能量轉換，並得到理想的輻射場型。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是，提出一種高增益超材料天線，其包括介質基板、金屬結構、饋線及參考地，所述金屬結構、饋線及參考地均置於所述介質基板上，所述饋線與所述金屬結構相互耦合，所述參考地包括位於所述介質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。
進一步地，所述第一參考地單元及第二參考地單元相互電連接。
進一步地，所述介質基板設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電連接。
進一步地，所述第一參考地單元設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。
進一步地，所述介質基板位於所述第二金屬面單元及所述第三金屬面單元處開設有若干金屬化通孔，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。
進一步地，所述第三金屬面單元位於所述金屬結構的一端，所述第三金屬面單元呈長方面板狀，並與所述饋線的延伸方向相同。
進一步地，所述第二參考地單元還設置有第四金屬面單元，所述第四金屬面單元位於所述饋線一端的一側，並位於所述饋線的延伸方向上。
進一步地，所述介質基板位於所述第一金屬面單元及所述第四金屬面單元處開設有若干金屬化通孔，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。
進一步地，所述金屬結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構、互補式彎折線結構、互補式開口諧振環結構的衍生結構、互補式開口諧振環結構的複合後結構、互補式開口諧振環結構組陣後的結構中的任一種。
進一步地，所述金屬結構設置有框體及位於所述框體內的兩螺旋線，所述兩螺旋線相互連接形成開口螺旋環，所述開口螺旋環與所述框體連接，所述螺旋線的自由端呈面板狀。
綜上所述，本發明高增益超材料天線通過精密地控制金屬結構的拓撲形態及布局所述微帶線，得到需要的等效介電常數和磁導率分布，使天線能夠在工作頻段內實現較好地阻抗匹配，高效率地完成能量轉換，並得到理想的輻射場型，佔用體積小，對環境要求低， 應用範圍廣，增益高。
圖1是本發明高增益超材料天線的主視圖2是本發明高增益超材料天線的後視圖3是圖1所示本發明的S參數的仿真圖4a為互補式開口諧振環結構的示意圖4b所示為互補式螺旋線結構的示意圖4c所示為開口螺旋環結構的示意圖4d所示為雙開口螺旋環結構的示意圖4e所示為互補式彎折線結構的示意圖5a為圖4a所示的互補式開口諧振環結構其幾何形狀衍生示意圖5b為圖4a所示的互補式開口諧振環結構其擴展衍生示意圖6a為三個圖4a所示的互補式開口諧振環結構的複合後的結構示意圖6b為兩個圖4a所示的互補式開口諧振環結構與圖4b所示為互補式螺旋線結構的複合示意圖7為四個圖4a所示的互補式開口諧振環結構組陣後的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明高增益超材料天線做進一步的描述
超材料天線基於人工電磁材料技術設計而成，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構，並將所述特定形狀的拓撲金屬結構設置於一定介電常數和磁導率基材上而加工製造的等效特種電磁材料，其性能參數主要取決於其亞波長的特定形狀的拓撲金屬結構。在諧振頻段，人工電磁材料通常體現出高度的色散特性，換言之，天線的阻抗、容感性、等效的介電常數和磁導率隨著頻率會發生劇烈的變化。因而可採用人工電磁材料技術對上述天線的基本特性進行改造，使得金屬結構與其依附的介質基板等效地組成了一個高度色散的特種電磁材料，從而實現輻射特性豐富的新型天線。
請參閱圖1及圖2，本發明高增益超材料天線包括介質基板1、金屬結構2、饋線3 及參考地，所述介質基板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製成。在本實施例中，所述介質基板I的材質採用玻纖材質(FR4)製成，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。
所述金屬結構2、饋線3及參考地均置於所述介質基板I的表面上，所述金屬結構 2與所述介質基板I形成超材料，所述超材料的性能取決於所述金屬結構2，在諧振頻段，超材料通常體現出高度的色散特性，即其阻抗、容感性、等效的介電常數和磁導率隨著頻率會發生劇烈的變化，因而通過改變所述金屬結構2及介質基板I的基本特性，便使得所述金屬結構2與介質基板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，所述金屬結構2可為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構、互補式彎折線結構、互補式開口諧振環結構的衍生結構、互補式開口諧振環結構的複合後結構、互補式開口諧振環結構組陣後的結構中的任一種或類似的拓撲金屬結構或金屬蝕刻圖案，所述金屬結構2的形狀有無窮多種，並不局限於上述所舉的結構。在本實施例中，所述金屬結構2設置有框體21及位於所述框體21 內的兩螺旋線22，所述兩螺旋線22相互連接形成開口螺旋環，所述開口螺旋環與所述框體 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，本發明的發射係數較小。
所述饋線3設置在所述金屬結構2的一側，並沿著所述金屬結構2的長度方向延伸，其與所述金屬結構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構2端部一側。此外，可根據需要在所述饋線3與金屬結構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節饋線3與金屬結構2之間的信號耦合，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，所以當需要的工作頻率為較低工作頻率時，可以通過適當的嵌入容性電子元件實現。加入的容性電子元件的電容值範圍通常在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 的範圍。
所述參考地位於所述饋線3的一側，使所述饋線3的位於所述金屬結構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分別位於所述介質基板I的相對兩表面。 所述第一參考地單元41設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位於所述介質基板I的同一側，並設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，使所述饋線3的位於所述金屬結構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。所述第三金屬面單元421位於所述金屬結構2的一端，所述第三金屬面單元421呈長方面板狀，並與所述饋線3的延伸方向相同。所述介質基板I位於所述第二金屬面單元412及所述第三金屬面單元421處開設有若干金屬化通孔5， 所述第二金屬面單元412與所述第三金屬面單元421通過所述金屬化通孔5電連接。
所述第四金屬面單元422位於所述饋線3 —端的一側，並位於所述饋線3的延伸方向上。所述介質基板I位於所述第一金屬面單元411及所述第四金屬面單元422處開設有若干金屬化通孔5，所述第一金屬面單元411與所述第四金屬面單元422通過所述金屬化通孔5電連接。通過第一金屬面單元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對在所述饋線3上傳送的信號幹擾，提高天線增益，實現較好的阻抗匹配，節省材料，成本低。所述第一金屬面單元411至第四金屬面單元422之間通過巧妙的位置設置，因而使所述參考地佔用較小的空間，便實現較大的面積。此外，通過設置所述金屬化通孔5，因而可進一步提高所述參考地的面積。
綜上所述，本發明高增益超材料天線通過精密地控制金屬結構2的拓撲形態及布局所述微帶線31，得到需要的等效介電常數和磁導率分布，使天線能夠在工作頻段內實現較好的阻抗匹配，高效率地完成能量轉換，並得到理想的輻射場型，其佔用體積小，對環境要求低，增益高，應用範圍廣，可作為各種電子產品的內置天線。
上面結合附圖對本發明的較佳實施例進行了描述，但是本發明並不局限於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，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式 ，例如，所述金屬結構2與所述饋線3之間設置有連接件，使所述金屬結構2與所述饋線3相互電連接，即所述金屬結構2與所述饋線3之間採用感性耦合方式等，這些均屬於本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種高增益超材料天線，其特徵在於包括介質基板、金屬結構、饋線及參考地，所述金屬結構、饋線及參考地均置於所述介質基板上，所述饋線與所述金屬結構相互耦合，所述參考地包括位於所述介質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.根據權利要求1所述的高增益超材料天線，其特徵在於所述第一參考地單元及第二參考地單元相互電連接。
3.根據權利要求2所述的高增益超材料天線，其特徵在於所述介質基板設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電連接。
4.根據權利要求1或2或3所述的高增益超材料天線，其特徵在於所述第一參考地單元設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.根據權利要求4所述的高增益超材料天線，其特徵在於所述介質基板位於所述第二金屬面單元及所述第三金屬面單元處開設有若干金屬化通孔，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.根據權利要求5所述的高增益超材料天線，其特徵在於所述第三金屬面單元位於所述金屬結構的一端，所述第三金屬面單元呈長方面板狀，並與所述饋線的延伸方向相同。
7.根據權利要求4所述的高增益超材料天線，其特徵在於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於所述饋線一端的一側，並位於所述饋線的延伸方向上。
8.根據權利要求7所述的高增益超材料天線，其特徵在於所述介質基板位於所述第一金屬面單元及所述第四金屬面單元處開設有若干金屬化通孔，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.根據權利要求1或2或3所述的高增益超材料天線，其特徵在於所述金屬結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構、互補式彎折線結構、互補式開口諧振環結構的衍生結構、互補式開口諧振環結構的複合後結構、互補式開口諧振環結構組陣後的結構中的任一種。
10.根據權利要求1或2或3所述的高增益超材料天線，其特徵在於所述金屬結構設置有框體及位於所述框體內的兩螺旋線，所述兩螺旋線相互連接形成開口螺旋環，所述開口螺旋環與所述框體連接，所述螺旋線的自由端呈面板狀。
全文摘要
本發明涉及一種高增益超材料天線，其包括介質基板、金屬結構、饋線及參考地，所述金屬結構、饋線及參考地均置於所述介質基板上，所述饋線與所述金屬結構相互耦合，所述參考地包括位於所述介質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。本發明高增益超材料天線通過精密地控制金屬結構的拓撲形態及合理布局所述微帶線，便得到需要的等效介電常數和磁導率分布，使天線能夠在工作頻段內實現較好地阻抗匹配，高效率地完成能量轉換，並得到理想的輻射場型，其佔用體積小，對環境要求低，增益高，應用範圍廣，可作為各種電子產品的內置天線。
文檔編號H01Q1/48GK103022658SQ20111028654
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月23日 優先權日2011年9月23日
發明者劉若鵬, 徐冠雄, 李嶽峰 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創新技術有限公司