一種介質基板及使用該介質基板的微帶貼片天線的製作方法
2023-05-15 23:21:41 2
專利名稱：一種介質基板及使用該介質基板的微帶貼片天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種新材料，更具體地說，涉及一種介質基板及使用該介質基板的微帶貼片天線。
背景技術：
人工電磁材料，是一種能夠對電磁波產生響應的新型人工合成材料，由基板和附著在基板上的人造微結構組成。由於人造微結構通常是由導電材料構成的具有一定幾何圖案的結構，因此能夠對電磁波產生響應,從而使人工電磁材料整體體現出不同於基板的電磁特性。介電常數是以絕緣材料為介質與以真空為介質製成同尺寸電容器的電容量之比值，其表示在單位電場中，單位體積內積蓄的靜電能量的大小。介電常數表徵電介質極化並儲存電荷的能力。高介電常數的材料放在電場中，電場的強度會在材料內有可觀的下降。在高介電常數材料中，電磁波會變很短，有利於縮小射頻及微波器件的尺寸。現有的材料絕大多數介電常數的變化範圍都很小。目前常用的介質基板通常採用FR4(玻璃纖維環氧樹脂)、F4B(聚四氟乙烯玻璃布)和陶瓷等；其中FR4成本低，但是介電常數較低，在GHz頻段一般為3至4左右，而且損耗很大(損耗角正切tan δ達到O. 02) ；F4B損耗比FR4小(損耗角正切tan δ為O. 001)， 但是成本較FR4高，而且其介電常數也比較低，在GHz頻段一般為2至3左右；因此基板採用FR4和F4B都不利於實現器件的小型化。陶瓷的介電常數一般在20至60左右，損耗角正切tan δ為10_4左右，雖然陶瓷的介電常數相對較高，但是隨著其介電常數的增高其損耗和成本都會增加，此外陶瓷不易打磨和鑽孔，會增加加工成本。因此FR4、F4B和陶瓷都不是理想的高介電常數介質基板材料。微帶貼片天線具有質量輕、體積小和易於製造等優點，已廣泛應用於個人無線通訊中。微帶貼片天線包括微帶貼片(輻射元)、介質基板和接地層(參考地GROUND)，介質基板可以包括一層或者多層人工電磁材料片層。對於微帶貼片的饋電方式可以是通過微帶線側饋，也可以是通過同軸線饋電。在後一種饋電方式中，同軸線的內導體穿過介質基板與微帶貼片相連通。當介質基板的介電常數提高N倍時，由波長與介電常數的關係 λ= λ 進入介質基板的波長為原來的l/VL微帶貼片天線的尺寸相應地也可以縮小為原來的1/VW，因此提高介質基板的介電常數有利於實現微帶貼片天線的小型化，但是提高介電常數後電磁損耗通常會大幅提高使得微帶貼片天線的電氣性能明顯降低。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述缺陷，提供一種介質基板，該介質基板是一種人工電磁材料，其在一定的頻段內具有較高的介電常數。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是構造一種介質基板，包括至少一個人工電磁材料片層，每個人工電磁材料片層包括基板和附著在所述基板側面或者嵌入在基板內部的至少兩個人造微結構，所述人造微結構與預設電場方向平行。在本發明的優選實施方式中，所述基板為平面，預設電場方向與所述基板的上下表面垂直，則所述人造微結構與所述基板的上下表面垂直設置。在本發明的優選實施方式中，至少有兩個人造微結構通過導電材料電連接。在本發明的優選實施方式中，所述電連接的人造微結構位於同一人工電磁材料片層或者位於不同人工電磁材料片層。在本發明的優選實施方式中，所述基板為陶瓷材料、FR4、F4B、樹脂基材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。本發明還公開了一種使用該介質基板的微帶貼片天線，包括介質基板、微帶貼片和接地層，所述微帶貼片位於所述介質基板的上表面、所述接地層位於所述介質基板的下表面，所述介質基板包括至少一個人工電磁材料片層，每個人工電磁材料片層包括基板和附著在所述基板側面或者嵌入在基板內部的至少兩個人造微結構，所述人造微結構與預設電場方向平行。在本發明的優選實施方式中，所述基板為平面，預設電場方向與所述基板的上下表面垂直，則所述人造微結構與所述基板的上下表面垂直設置。在本發明的優選實施方式中，至少有兩個人造微結構通過導電材料電連接。在本發明的優選實施方式中，所述電連接的人造微結構位於同一人工電磁材料片層或者位於不同人工電磁材料片層。在本發明的優選實施方式中，所述基板為陶瓷材料、FR4、F4B、樹脂基材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。實施本發明，具有以下有益效果通過在介質基板中設置人造微結構可以提高介質基板的介電常數，由於介質基板中的人造微結構與預設電場方向平行，當一定頻率的預設電場平行通過人造微結構表面時，人造微結構會產生諧振，通過改變人造微結構的形狀或者尺寸可以調整介質基板的介電常數，而且具有上述結構的介質基板其電磁損耗(用損耗角正切來表示)沒有明顯提高。將該介質基板應用在微帶貼片天線中有利於實現微帶貼片天線的小型化，由於介質基板的電磁損耗沒有隨介電常數的增加而大幅上升，所以微帶貼片天線的電氣性能沒有明顯降低。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖I是實施例中的介質基板的前視圖示意圖；圖2是實施例中介質基板的透視圖的示意圖；圖3是圖2所示介質基板的介電常數特性仿真示意圖；圖4是圖2所示介質基板的損耗角正切特性仿真示意圖；圖5是具有兩層人工電磁材料片層的介質基板的如視圖的不意圖；圖6是不同人工電磁材料片層內的人造微結構相互電連接的介質基板的前視圖的不意圖；圖7是不同人工電磁材料片層內和同一人工電磁材料片層內的相鄰人造微結構相互電連接的介質基板的如視圖的不意圖8至圖12是人造微結構的可能結構示意圖；圖13是使用實施例中的介質基板的微帶貼片天線的拆分結構示意圖。
具體實施例方式本實施例提供一種介質基板，包括一個人工電磁材料片層，當然也可以包括多個人工電磁材料片層，當具有多個人工電磁材料片層時，相鄰人工電磁材料片層沿垂直於其上下表面的方向可以通過機械連接、焊接或者在相鄰的人工電磁材料片層之間填充可連接二者的物質將兩者粘合等方式組裝成一體，比如圖5所示的介質基板包括通過粘合層3粘合在一起的兩個人工電磁材料片層I和2。如圖2所示，本實施例中人工電磁材料片層包括基板和附著在基板側面和嵌入在基板內部的多個陣列排布人造微結構。當基板為平面，預設電場的方向與基板的上下表面垂直時，人造微結構與介質基板的上下表面垂直設置如圖I所示。人造微結構的排布不限於圖2中的矩形陣列排布也可以為圓形陣列、扇形陣列等其他幾何方式排布，只要其與電場的方向平行即可；垂直於介質基板上下表面的人造微結構可以通過垂直打孔(埋孔)嵌入導電材料或者對覆銅層的表面刻蝕或者其他的生產工藝來實現。基板選用介電常數為16 的陶瓷材料，其損耗角正切為10_4，當然也可以採用FR4、F4B、樹脂基材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。人造微結構由銅線製成，當然也可以為其他導電材料，人造微結構包括相互正交的四個支路，每個支路呈T型結構，任一所述T型支路以T型中的豎直線的末端為交點彼此相連，各支路以所述交點為旋轉中心依次順時針旋轉90度、180度和270度後分別與其他三個支路重合。其中T型結構的上面橫線的長度為I. 3毫米、T型結構中的豎直線的長度為I. 95毫米，銅線的線寬為O. 18毫米、厚度為O. 018毫米；如圖3和圖4所示，經過仿真測得具有這種結構的介質基板在3GHz時，其介電常數為80，損耗角正切為8Χ10Λ相對於純陶瓷材料的基板其介電常數得到了大幅提高，同時新的介質基板的電磁損耗並沒有明顯增加。當將人造微結構通過導電材料進行電連接後，可以進一步提高介質基板的介電常數，相互電連接的人造微結構既可以是位於同一人工電磁材料片層也可以是位於不同人工電磁材料片層。圖6所示的介質基板包括通過粘合層7結合為一體的兩個人工電磁材料片層4和6，不同人工電磁材料片層內相鄰的人造微結構通過銅導線5電連接。圖7所示的介質基板包括通過粘合層10結合為一體的兩個人工電磁材料片層8和9,同一人工電磁材料片層內和相鄰層人工電磁材料片層內的相鄰人造微結構通過銅導線電連接。具有上述結構的介質基板通過仿真發現，其介電常數相對於純陶瓷材料的介質基板有了大幅提高。本發明還提供了一種使用上述介質基板的微帶貼片天線，如圖13所示，該天線包括饋針11、微帶貼片12、介質基板13和接地層14，微帶貼片12位於介質基板13的上表面、 接地層14位於介質基板13的下表面，微帶貼片12、介質基板13和接地層14上設置有貫穿上下表面的通孔，所述饋針11穿過通孔放置，饋針11上端設置有針帽，針帽的橫截面積大於微帶貼片上通孔的面積，接地層上通孔的面積大於饋針的橫截面，饋針與微帶貼片電連接、與接地層相互絕緣，當信號由饋針11輸入時，介質基板13內的電場與其上下表面垂直， 介質基板包括至少一個人工電磁材料片層，每個人工電磁材料片層包括基板和附著在所述基板側面或者嵌入在基板內部的至少兩個人造微結構，所述人造微結構與介質基板的上下表面垂直。由於具有上述結構的介質基板相對於傳統的介質基板其介電常數得到了大幅提高，所以使用上述介質基板有利於實現微帶貼片天線的小型化；由於介質基板的電磁損耗沒有隨介電常數的增加而大幅上升，所以微帶貼片天線的電氣性能不會受到很大影響。通過改變介質基板中基板的層數、人造微結構的形狀和尺寸，以及將人造微結構電連接等方式，可以進一步調整和提高介質基板的介電常數，使其滿足特殊場合對高介電常數的需求。上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，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變形。比如人造微結構可以為其他各種幾何形狀，既可以是旋轉對稱的，比如圖8至圖12所示的結構，各支路可以包括彎折部，彎折部可以為直角、圓角或者尖角等形狀，各支路與交點相對的另一端可以連接線段也可以不連接線段等，也可以不是旋轉對稱的結構；基板也不限於實施例中提到的平面，也可以為曲面，只要人造微結構滿足平行於基板內的電場方向即可；微帶貼片天線不限於實施例中通過饋針13實現饋電的方式，也可以是通過微帶線側饋的方式；這些均屬於本發明的保護之內。
權利要求
1.一種介質基板,包括至少一個人工電磁材料片層,其特徵在於,每個人工電磁材料片層包括基板和附著在所述基板側面或者嵌入在基板內部的至少兩個人造微結構，所述人造微結構與預設電場方向平行。
2.根據權利要求I所述的介質基板，其特徵在於，所述基板為平面，預設電場方向與所述基板的上下表面垂直，則所述人造微結構與所述基板的上下表面垂直設置。
3.根據權利要求I所述的介質基板，其特徵在於，至少有兩個人造微結構通過導電材料電連接。
4.根據權利要求3所述的介質基板，其特徵在於，所述電連接的人造微結構位於同一人工電磁材料片層或者位於不同人工電磁材料片層。
5.根據權利要求I至4任一所述的介質基板，其特徵在於，所述基板為陶瓷材料、FR4、 F4B、樹脂基材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。
6.一種微帶貼片天線，包括介質基板、微帶貼片和接地層，所述微帶貼片位於所述介質基板的上表面、所述接地層位於所述介質基板的下表面，所述介質基板包括至少一個人工電磁材料片層，其特徵在於，每個人工電磁材料片層包括基板和附著在所述基板側面或者嵌入在基板內部的至少兩個人造微結構，所述人造微結構與預設電場方向平行。
7.根據權利要求6所述的微帶貼片天線，其特徵在於，所述基板為平面，預設電場方向與所述基板的上下表面垂直，則所述人造微結構與所述基板的上下表面垂直設置。
8.根據權利要求6所述的微帶貼片天線，其特徵在於，至少有兩個人造微結構通過導電材料電連接。
9.根據權利要求8所述的微帶貼片天線，其特徵在於，所述電連接的人造微結構位於同一人工電磁材料片層或者位於不同人工電磁材料片層。
10.根據權利要求6至9任一所述的微帶貼片天線，其特徵在於，所述基板為陶瓷材料、 FR4、F4B、樹脂基材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。
全文摘要
本發明涉及一種介質基板，包括至少一個人工電磁材料片層，每個人工電磁材料片層包括基板和附著在所述基板側面或者嵌入在基板內部的至少兩個人造微結構，所述人造微結構與預設電場方向平行；該介質基板具有較高的介電常數。本發明還公開了一種使用該介質基板的微帶貼片天線，由於介質基板的介電常數較高，所以有利於實現微帶貼片天線的小型化。
文檔編號H01Q1/12GK102593574SQ20121005108
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月29日 優先權日2012年2月29日
發明者劉若鵬, 周添, 尹小明, 欒琳 申請人:深圳光啟創新技術有限公司