CN101162800B

CN101162800B - 带有非对称结构左手材料的手机天线介质基板

Info

Publication number: CN101162800B
Application number: CN2006101047138A
Authority: CN
Inventors: 赵晓鹏; 宋娟
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2006-10-10
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2026-10-10
Also published as: CN101162800A

Abstract

本发明涉及一种手机天线介质基板，具体来说涉及一种带有非对称结构左手材料的双频手机天线介质基板，该左手材料具有双左手透射通带，是通过引入不等行间距的金属谐振环制得。本发明利用非对称结构左手材料的双左手通带分别对手机天线的低频900MHz和高频1800MHz两个工作频段内电磁波中的倏逝波进行有效放大，并使倏逝波参与天线对信号的辐射和接收工作，从而提高手机天线的辐射效率，改善手机天线的增益。

Description

带有非对称结构左手材料的手机天线介质基板

技术领域

本发明涉及一种手机天线介质基板，特别涉及一种具有双左手通带的非对称结构左手材料介质基板，用这种基板制作的手机天线可在双频段分别提高灵敏度，并改善性能。

背景技术

左手材料(LHMs，Left-handed Metamaterials)是一种在某一电磁波响应频段内介电常数与磁导率同时为负值的奇特材料，因在其中传播的电磁波电场矢量、磁场矢量以及波传播方向满足左手定则而得名。随后研究发现周期排布的金属开口谐振环(SRRs)和杆在特定频段内可实现负介电常数与负磁导率，同时出现一个透射通带即左手通带。左手材料在无线电通讯方面的应用是利用其对倏逝波的放大效应，能将较弱的电磁波信号放大，进而增强天线的灵敏度，改善天线的性能。另外，近期研究发现利用含有非对称结构的左手材料可同时在两个频段内实现左手效应，即其具有双左手通带，这一现象将进一步拓宽左手材料的应用范围。

随着通讯系统多元化的发展，通讯设备所使用的频段已由单个变为两个或多个。例如手机使用的是900MHz(GSM规格)和1800MHz(DCS规格)两个频道，为此，手机上所使用的天线亦已由单频天线改为可支持双频系统的双频天线，该种双频天线多采用平板内置式天线，考虑到这种天线自身的结构特点，致使双频天线有增益较低、方向性较差、有导体和介质损耗、辐射效率较低等缺点。通常使用一种器件或材料只能简单的提高天线在某一频段内的性能，而要在双频段内同时提高天线的性能，则变得较为复杂。如何简单有效的提高双频天线增益，并改善其性能，成为现在研究的一个热点问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种具有双左手通带的非对称结构左手材料介质基板，用这种基板制作的手机天线可在两个工作频段内对电磁波中的倏逝波进行有效放大，并使倏逝波参与天线对信号的辐射和接收工作，从而提高手机双频天线的辐射效率，改善手机双频天线的增益。

本发明中的手机天线介质基板是由采用多层电路板刻蚀技术制作的左手材料叠合加压而成，其中左手材料为一种非对称结构左手材料，是通过在周期性排列的金属线与金属谐振环中引入不等行间距的金属谐振环而制得。通过调节局部金属谐振环的行间距可使这种非对称结构左手材料产生双左手通带(如附图3所示)，其中金属谐振环的基本单元尺寸相同，但形状可具有多样性，本发明使用四边形开口谐振多环、六边形开口谐振多环、螺旋形谐振环(如附图2所示)是为了减小左手材料有效尺寸。工作在左手特性区域的电磁波信号会得到有效放大，适当调节金属谐振环的几何参数和行间距，可使非对称结构左手材料的两个通带分别涵盖双频天线的第一和第二工作频段，从而达到增强双频天线灵敏度，改善双频天线性能的目的。

对于现有的平板内置式双频手机天线(附图1所示)，只需使用一种非对称结构左手材料介质基板，就可同时提高低频900MHz和高频1800MHz两种天线对电磁波信号的接收和发射能力。

附图说明

图1平板内置式手机天线示意图及其中单层左手材料介质基板示意图

图2谐振环基本单元及几何参数

图3非对称结构左手材料样品的微波透射曲线

图4中间层不同行间距谐振环的结构示意图

具体实施方式

本发明采用电路板刻蚀技术在厚度为0.25～1.20mm基板的两面分别刻蚀金属谐振环和等间距排布的金属线，刻蚀基板层数为三层，其中上下两层的金属谐振环是周期排布的，而中间层的金属谐振环是不等行间距H排列的，在每两层刻蚀基板间加入一层空白介质基板，并将其叠合加压成整块，从而制得含有非对称结构的左手材料介质基板。由于手机天线的工作频率存在第一和第二两个频段，所以需设计谐振环的几何尺寸并调节中间层的行间距H使该种左手材料的两个左手特性频率段分别覆盖手机天线的低频900MHz和高频1800MHz两个频率段。

本发明的实现过程由实施例和附图说明：

实施例一：

采用电路板刻蚀技术制作左手材料介质基板1，其具体制备过程如实施方式所述，本实施例所用的左手材料结构单元为金属铜六边形开口谐振四环与金属铜线，其中金属铜可用金、银、锌、锡等金属替代。在一层厚度为0.25～1.20mm的聚四氟乙烯介质基板(ε＝2.6)一面刻蚀开口谐振四环，其几何尺寸为：最外层环的内切圆直径D＝5.50mm，相邻环间距d＝0.80mm，开口g＝0.30mm，线宽c＝0.50mm，厚度为0.02mm；另一面刻蚀金属线，其几何尺寸：线宽c＝0.50～0.90mm，厚度为0.02mm，金属线上下端距离基板边沿均为l＝2.50mm；行间距H₀＝7.00mm，列间距a＝10.00mm，层间距b＝1.00～5.00mm。上下两层的环是3列8行；中间层的环为3列7行(如附图4(a)所示)，其中第三行和第四行环的行间距H₁＝10.50mm。这种左手材料的两个左手通带的中心频率分别为900MHz、1800MHz(如附图3所示)，可分别覆盖手机天线的第一和第二工作频段。

实施例二：

采用电路板刻蚀技术制作左手材料介质基板1，其具体制备过程如实施方式所述，本实施例所用的左手材料结构单元为金属铜六边形开口谐振六环与金属铜线，其中金属铜可用金、银、锌、锡等金属替代。在一层厚度为0.25～1.20mm的聚四氟乙烯介质基板(ε＝2.6)一面刻蚀开口谐振六环，其几何尺寸为：最外层环的内切圆直径D＝5.20mm，相邻环间距d＝0.40mm，开口g＝0.25mm，线宽c＝0.30mm，厚度为0.02mm；另一面刻蚀金属线，其几何尺寸：线宽c＝0.50～0.90mm，厚度为0.02mm，金属线上下端距离基板边沿均为l＝2.50mm；行间距H₀＝6.30mm，列间距a＝9.00mm，层间距b＝1.00～5.00mm。上下两层的环是3列9行；中间层的环为3列8行(如附图4(b)所示)，其中第三行和第四行环的行间距H₁＝9.45mm，第五行和第六行环的行间距H₂＝9.45mm。这种左手材料的两个左手通带的中心频率分别为900MHz、1800MHz，可分别覆盖手机天线的第一和第二工作频段。

实施例三：

采用电路板刻蚀技术制作左手材料介质基板1，其具体制备过程如实施方式所述，本实施例所用的左手材料结构单元为金属铜六边形开口谐振六环与金属铜线，其中金属铜可用金、银、锌、锡等金属替代。在一层厚度为0.25～1.20mm的聚四氟乙烯介质基板(ε＝2.6)一面刻蚀开口谐振六环，其几何尺寸为：最外层环的内切圆直径D＝4.85mm，相邻环间距d＝0.25mm，开口g＝0.10mm，线宽c＝0.15mm，厚度为0.02mm；另一面刻蚀金属线，其几何尺寸：线宽c＝0.50～0.90mm，厚度为0.02mm，金属线上下端距离基板边沿均为l＝2.50mm；行间距H₀＝5.70mm，列间距a＝8.00mm，层间距b＝1.00～5.00mm。上下两层的环是4列9行；中间层的环为4列8行(如附图4(c)所示)，其中第二行和第三行环的行间距H₁＝8.55mm，第五行和第六行环的行间距H₂＝8.55mm。这种左手材料的两个左手通带的中心频率分别为900MHz、1800MHz，可分别覆盖手机天线的第一和第二工作频段。

实施例四：

采用电路板刻蚀技术制作左手材料介质基板1，其具体制备过程如实施方式所述，本实施例所用的左手材料结构单元为金属铜六边形开口谐振六环与金属铜线，其中金属铜可用金、银、锌、锡等金属替代。在一层厚度为0.25～1.20mm的环氧玻璃布介质基板(ε＝4.6)一面刻蚀开口谐振六环，其几何尺寸为：最外层环的内切圆直径D＝4.37mm，相邻环间距d＝0.20mm，开口g＝0.10mm，线宽c＝0.13mm，厚度为0.02mm；另一面刻蚀金属线，其几何尺寸：线宽c＝0.50～0.90mm，厚度为0.02mm，金属线上下端距离基板边沿均为l＝2.50mm；行间距H₀＝5.00mm，列间距a＝7.00mm，层间距b＝1.00～5.00mm。上下两层的环是4列12行；中间层的环为4列10行(如附图4(d)所示)，其中第三行和第四行环的行间距H₁＝7.50mm，第七行和第八行环的行间距H₂＝7.50mm，第五行和第六行环的行间距H₃＝10.00mm。这种左手材料的两个左手通带的中心频率分别为900MHz、1800MHz，可分别覆盖手机天线的第一和第二工作频段。

实施例五：

采用电路板刻蚀技术制作左手材料介质基板1，其具体制备过程如实施方式所述，本实施例所用的左手材料结构单元为金属铜四边形开口谐振六环与金属铜线，其中金属铜可用金、银、锌、锡等金属替代。在一层厚度为0.25～1.20mm的环氧玻璃布介质基板(ε＝4.6)一面刻蚀四边形开口谐振六环，其几何尺寸为：最外层环的内切圆直径D＝4.25mm，相邻环间距d＝0.30mm，开口g＝0.10mm，线宽c＝0.15mm，厚度为0.02mm；另一面刻蚀金属线，其几何尺寸：线宽c＝0.50～0.90mm，厚度为0.02mm，金属线上下端距离基板边沿均为l＝2.50mm；行间距H₀＝4.80mm，列间距a＝6.80mm，层间距b＝1.00～5.00mm。上下两层的环是4列12行；中间层的环为4列10行(如附图4(e)所示)，其中第三行和第四行环、第五行和第六行环的行间距H₁＝7.20mm，第八行和第九行环的行间距H₂＝7.20mm。这种左手材料的两个左手通带的中心频率分别为900MHz、1800MHz，可分别覆盖手机天线的第一和第二工作频段。

实施例六：

采用电路板刻蚀技术制作左手材料介质基板1，其具体制备过程如实施方式所述，本实施例所用的左手材料结构单元为金属铜螺旋形谐振环与金属铜线，其中金属铜可用金、银、锌、锡等金属替代。在一层厚度为0.25～1.20mm的环氧玻璃布介质基板(ε＝4.6)一面刻蚀螺旋环，其几何尺寸为：最外层环的内切圆直径D＝6.00mm，相邻环间距d＝0.70mm，开口g＝0.30mm，线宽c＝0.40mm，厚度为0.02mm；另一面刻蚀金属线，其几何尺寸：线宽c＝0.50～0.90mm，厚度为0.02mm，金属线上下端距离基板边沿均为l＝2.50mm；行间距H₀＝8.00mm，列间距a＝11.00mm，层间距b＝1.00～5.00mm。上下两层的环是3列6行；中间层的环为3列5行(如附图4(f)所示)，其中第二行和第三行环的行间距H₁＝12.00mm。这种左手材料的两个左手通带的中心频率分别为900MHz、1800MHz，可分别覆盖手机天线的第一和第二工作频段。

以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆盖的范围内。

Claims

1.一种手机天线介质基板，该手机天线介质基板由采用多层电路板刻蚀技术制作的非对称结构左手材料叠合加压而成，其主要特征是：刻蚀基板层数为三层，上下两层的金属线与金属谐振环周期排布，其中谐振1环的结构形状为四边形开口谐振多环、六边形开口谐振多环或螺旋形谐振环；其结构参数为：每一层基板厚度为0.25～1.20mm，其一面刻蚀金属谐振环，外层环的内切圆直径D＝4.25～6.00mm，相邻环间距d＝0.20～0.80mm，开口g＝0.10～0.30mm，线宽c＝0.13～0.50mm，厚度为0.02mm；另一面刻蚀金属线，其几何尺寸：线宽c＝0.50～0.90mm，厚度为0.02mm，金属线上下端距离基板边沿均为1＝2.50mm；行间距H₀＝4.80～8.00mm，列间距a＝6.80～11.00mm，层间距b＝1.00～5.00mm；

在中间层引入不等行间距H的谐振环，其中谐振环的结构分布有六种：

(1)上下两层的环是3列8行；中间层的环为3列7行，其中第三行和第四行环的行间距H₁＝10.50mm；

(2)上下两层的环是3列9行；中间层的环为3列8行，其中第三行和第四行环的行间距H₁＝9.45mm，第五行和第六行环的行间距H₂＝9.45mm；

(3)上下两层的环是4列9行；中间层的环为4列8行，其中第二行和第三行环的行间距H₁＝8.55mm，第五行和第六行环的行间距H₂＝8.55mm；

(4)上下两层的环是4列12行；中间层的环为4列10行，其中第三行和第四行环的行间距H₁＝7.50mm，第七行和第八行环的行间距H₂＝7.50mm，第五行和第六行环的行间距H₃＝10.00mm；

(5)上下两层的环是4列12行；中间层的环为4列10行，其中第三行和第四行环、第五行和第六行环的行间距H₁＝7.20mm，第八行和第九行环的行间距H₂＝7.20mm；

(6)上下两层的环是3列6行；中间层的环为3列5行，其中第二行和第三行环的行间距H₁＝12.00mm；

通过调节行间距H使非对称结构左手材料的双左手透射通带分别覆盖手机天线低频900MHz和高频1800MHz工作频段。