CN101667680A - 一种单级射频天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单级射频天线，包括金属片、馈线以及用于放置所述金属片和馈线的介质，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片。本发明具有尺寸小、加工简单、成本低廉、天线辐射面积利用率高、容易进行多模天线匹配设计以及抗干扰能力强等优点。

Description

一种单级射频天线
技术领域
本发明涉及无线射频器件技术领域，尤其涉及一种单级射频天线。
背景技术
随着半导体工艺的高度发展，对当今的电子系统集成度提出了越来越高的要求，器件的小型化成为了整个产业非常关注的技术问题。然而，不同于IC芯片遵循“摩尔定律”的发展，作为电子系统的另外重要组成——射频模块，却面临着器件小型化的高难度技术挑战。射频模块主要包括了混频、功放、滤波、射频信号传输、匹配网络与天线等主要器件。其中，天线作为最终射频信号的辐射单元和接收器件，其工作特性将直接影响整个电子系统的工作性能。然而天线的尺寸、带宽、增益等重要指标却受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益极限、带宽极限等)。这些指标极限的基本原理使得天线的小型化技术难度远远超过了其它器件，而由于射频器件的电磁场分析的复杂性，逼近这些极限值都成为了巨大的技术挑战。
同时，随着现代电子系统的复杂化，多模服务的需求在无线通信、无线接入、卫星通信、无线数据网络等系统中变得越来越重要。而多模服务的需求进一步增大了小型化天线多模设计的复杂度。除去小型化的技术挑战，天线的多模阻抗匹配也成为了天线技术的瓶颈。另一方面，多输入多输出系统(MIMO)在无线通信、无线数据服务领域的高速发展更进一步苛刻地要求了天线尺寸的小型化并同时保证良好的隔离度、辐射性能以及抗干扰能力。然而，传统的终端通信天线主要基于电单极子或偶极子的辐射原理进行设计，比如最常用的平面反F天线(PIFA)。传统天线的辐射工作频率直接和天线的尺寸正相关，带宽和天线的面积正相关，使得天线的设计通常需要半波长的物理长度。在一些更为复杂的电子系统中，天线需要多模工作，就需要在馈入天线前额外的阻抗匹配网络设计。但阻抗匹配网络额外的增加了电子系统的馈线设计、增大了射频系统的面积同时匹配网络还引入了不少的能量损耗，很难满足低功耗的系统设计要求。因此，小型化、多模式的新型天线技术成为了当代电子集成系统的一个重要技术瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单级射频天线，本发明突破传统天线设计的框架，不仅保证了天线的小型化和多模化，同时还省去了阻抗匹配网络的复杂设计。
本发明公开了一种单级射频天线，包括金属片、馈线以及用于放置所述金属片和馈线的介质，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片。
所述金属片上镂刻有具有衍生、复合、组合与组阵特性的金属微结构。
所述金属片上设置有可短接点，所述金属片通过所述可短接点与所述馈线连接。
所述介质为空气、陶瓷或者介质基板。
所述馈线采用容性耦合方式馈入所述金属片。
所述馈线采用感性耦合方式馈入所述金属片。
所述金属微结构为互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构中的任一种。
所述金属片和所述馈线位于同一平面或者位于不同平面。
本发明突破了传统天线的设计框架，集成了新型人工电磁材料，因此其辐射具有非常丰富的色散特性，可以形成多种辐射模式，即可免去繁琐的阻抗匹配网络，并可通过调整馈线的馈入耦合方式、金属片上镂刻的金属微结构、馈线引线长度、以及金属片上的可短接点位置来进行调谐，，这种丰富的色散特性为多频点的阻抗匹配带来了极大的便利。同时，本发明的小天线采取芯片模式，因此可以充分利用辐射面积，逼近Chu Limit的天线尺寸极限原理，且芯片的构造也对局限电磁波、减少外界对天线工作的影响带来技术优势。
综上所述，本发明具有尺寸小、加工简单、成本低廉、天线辐射面积利用率高、容易进行多模天线匹配设计以及抗干扰能力强等优点。从应用领域划分，本发明可以通过相应的接口在以下无线设备环境中应用：
1)无线局域网(802.11a/b/g/n/y)。可以应用到的设备包括：无线路由器，室内移动终端无线接收器，如电脑，个人数字助理(Personal digitalassistant，PDA)，无线接入设备(AP)等。
2)蜂窝网通信。可以应用到的设备包括：个人数字蜂窝系统(Personal Digital Cellular，PDC)，Global Systems for MobileCommunications(GSM)[可以应用到GSM的各种频率，如400MHz、450MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz]，IS-95(Code DivisionMultiple Access，CDMA)，IS-2000(CDMA2000)，Generalized Packet RelayService(GPRS)，Wide Code Division Multiple Access(WCDMA)，TimeDivision-Synchronous Code Division Multiple Access(TD-SCDMA)，Universal Mobile Telecommunications System(UMTS)，High SpeedOFDM Packet Access(HSOPA)，High-Speed Uplink Packet Access(HSUPA)，High-Speed Downlink Packet Access(HSDPA)，WorldwideInteroperability for Microwave Access(WiMax)，UMTS Long TermEvolution(LTE)以及MIMO。即本发明可以广泛地应用到各类蜂窝网通信终端中，其中包括各类第二代、第三代以及第四代的无线终端。本发明不仅可以应用在蜂窝网通信中的各类移动接收终端中，而且还可以应用在发射端，如针对于第二代、第三代以及第四代无线通信系统的基站天线等。
3)全球定位系统(Global Positioning System，GPS)终端天线。
4)超短距离通信(Ultra-wideband，UWB，13m以内)。可以应用的设备包括使用UWB技术的所有无线电子设备。
5)蓝牙无线设备(IEEE802.15.1)。可以应用的设备包括IEEE802.15.1协议定义下的所有无线电子设备。
6)ZigBee(IEEE802.15.4)协议内的无线通信设备，如工业监控、传感器网络、家庭网络、安全系统、车载电子系统、伺服执行机构等。由于IEEE802.15.4定义的无线通信设备均为功率受限设备，因此要求低功耗。本发明提出的小型天线在大大缩小硬件尺寸的同时也节省了硬件的功耗，因此这里提出的小天线将非常适合IEEE802.15.4协议下的任何无线电子设备。
7)无有线基础设施支持的移动网络。如传感器网络(SensorNetworks)躯域传感器网络(Body Sensor Network)与Ad Hoc网络。由于此类网络对无线终端尺寸要求很高，希望无线终端越小越好，因此这里所设计的小型天线将有效的解决此类无线网络的技术瓶颈。
8)医用电子无线设备(IEEE 1073)。包括：医用通风设备、电震发生器、急性病医院中的病人监视设备、家庭保健设备、医用成像设备，如核磁共振成像(MRI)等。IEEE 1073使用的总频谱为14MHz，该频谱是联邦通信委员会(FCC)于2002年10月份专门为医疗无线应用留出的。FCC计划从608-614，1395-1400和1427-1432MHz三种频段中提取频谱，为医疗设备提供无干扰的频谱空间。本专利中提出的小型天线完全适用于这三种频段。因此，本专利中提出的小型天线可以广泛应用到IEEE 1073标准包括的所有医用电子无线设备中。
9)各类卫星通信的发射接收装置。对于高增益要求的卫星天线可采取基于本发明的射频芯片小天线的阵列天线系统。
10)各类雷达与微波探测系统，如车载雷达、气象雷达以及海事雷达等。该芯片小天线可作为雷达系统中的辐射单元。
11)射频标签与识别(RFID)的芯片天线与读写天线。
12)各类无线娱乐消费电子设备，如无线HiFi耳机(2.4GHz-2.48GHz和433MHz-434MHz)、无线移动硬盘、打印机、无线游戏手柄、无线鼠标(27.085MHz和27.135MHz)、键盘(27.185MHz和27.035MHz)等小型电子设备，以及所有应用蓝牙天线的电子设备。
13)以上提到的各类无线技术之间应用的多模式射频设计。
附图说明
图1是本发明所述天线实施例一的结构示意图；
图2是本发明所述天线实施例二的结构示意图；其中，图2(a)是本发明所述天线的金属片上镂刻有互补式开口谐振环结构时的结构示意图，图2(b)是本发明所述天线的金属片上镂刻有互补式螺旋线结构时的结构示意图，图2(c)是本发明所述天线的金属片上镂刻有开口螺旋环结构时的结构示意图，图2(d)是本发明所述天线的金属片上镂刻有双开口螺旋环结构时的结构示意图，图2(e)是本发明所述天线的金属片上镂刻有互补式弯折线结构时的结构示意图；
图3是图2(a)所示天线在馈线的引线长度(其中馈线的引线长度指馈点到金属片微结构的距离)采用不同设计时的全波仿真结果对比示意图；
图4是图2(a)所示天线在金属片上镂刻的金属微结构采用不同尺寸设计时的全波仿真结果对比示意图；
图5是图2(a)所示天线的反射测试结果示意图；
图6是图2(a)所示天线的金属微结构的衍生示意图，其中图6(a)为拓扑结构几何形状衍生示意图，图6(b)为拓扑结构扩展衍生示意图；
图7是图2(a)所示天线的金属微结构的复合结构示意图；
图8是图2(a)所示天线的金属微结构的组阵结构示意图，其中图8(a)为单馈入多芯片时的组阵示意图，图8(b)为多馈入单芯片时的组阵示意图；
图9是图2(a)所示天线的多馈入单芯片组阵衍生结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示，是本发明所述天线实施例一的结构示意图，包括镂刻有金属微结构的金属片、馈线以及介质，本实施例中，用于放置金属片和馈线的介质采用空气，且金属片与馈线位于同一个平面上，金属片上设置有可短接点，金属片与馈线通过可短接点连接。
其中，馈线一般可以视为射频芯片小天线的一个引脚，以标准50欧姆阻抗馈入，馈线的馈入方式可以是容性耦合也可以是感性耦合，具体来说，当金属片上无可短接点时，馈线采用容性耦合方式馈入金属片；当金属片上设置有可短接点时，馈线采用感性耦合方式馈入金属片。
此外，用于放置金属片及馈线的介质还可以是陶瓷或者介质基板；可短接点可以设置在金属片上的任意位置。对于本实施例中的天线，可通过调整馈线的馈入耦合方式、金属片上镂刻的金属微结构及其尺寸大小、馈线的引线长度、以及可短接点在金属片上的位置来进行调谐。
人工电磁材料是一种利用金属微结构进行加工制造的等效特种材料，其性能直接取决于其亚波长的金属微结构。在谐振频段，人工电磁材料通常体现出高度的色散特性，换言之，其阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。因而可采用人工电磁材料对两金属片之间与金属片接触的介质的基本特性进行改造，使得金属片与相接触的介质等效地组成了一个高度色散的特种电磁材料，从而实现辐射特性丰富的新型天线，下面将通过实施例二进行详细说明。
如图2所示，本实施例利用人工电磁材料的特性，采用在金属片上镂刻金属微结构的方式，使得金属片及于其相接触的介质共同组成一个等效介电常数按照洛仑兹材料谐振模型色散的电磁材料，实现改变天线的辐射特性的目的。
图2(a)是本发明所述天线的金属片上镂刻有互补式开口谐振环结构时的结构示意图，图2(b)是本发明所述天线的金属片上镂刻有互补式螺旋线结构时的结构示意图，图2(c)是本发明所述天线的金属片上镂刻有开口螺旋环结构时的结构示意图，图2(d)是本发明所述天线的金属片上镂刻有双开口螺旋环结构时的结构示意图，图2(e)是本发明所述天线的金属片上镂刻有互补式弯折线结构时的结构示意图。金属微结构的设计种类有无穷多种，并不局限于本实施例所说的几种，但基本都是谐振结构，这里金属微结构的设计可以根据金属片特性，如衍生与复合进行修改。
本实施例中，关于天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造均可满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成芯片微结构部分的加工，用铁片来完成其它辅助部分。
其次，可短接点可以位于金属片的任意位置。馈线馈入方式不改变本发明所述天线的工作原理，但会改变天线具体的辐射性能。
同时，由于本发明所述天线的主要性能都集中在金属微结构拓扑和芯片部分的设计，因此，馈线的引线对天线的辐射频率影响相对较小。基于这个特点，本发明所述天线可以被灵活的摆放在系统的任何位置，简化的安装测试的复杂度。
下面以图2(a)所示天线为例，对本发明所述天线做进一步说明。
如图3所示，是图2(a)所示天线在馈线的引线长度采用不同设计时的全波仿真结果对比示意图；由此图可以看出，馈线引线长度对天线的辐射频率的影响较小。
如图4所示，是图2(a)所示天线在金属片上镂刻的金属微结构采用不同尺寸设计时的全波仿真结果对比示意图；由此图可以看出，天线的辐射频率随着金属微结构的设计与尺寸的不同而发生着大幅度的变化。因此，调节金属片上金属微结构的设计与尺寸可以对本发明的天线进行具体参数优化，以达到应用要求。
如图5所示，是图2(a)所示天线的反射测试结果示意图；本实施例中，假设天线设计尺寸为13mm*16mm，其加工采取了聚四氟乙烯(FR4)介质板材，馈线馈入方式采取电容耦合，金属片上镂刻有互补的开口谐振环微结构。由图可以看出，所述天线具有多个频段的良好辐射特性，五个主要辐射频率从900MHz一直分布到5.5GHz，几乎涵盖了GSM、CDMA、蓝牙、WLAN(IEEE802.11协议)、GPS等各个主要的通信频率，具有非常高的集成度以及极具有竞争力的小尺寸。在实际开发中，其天线的尺寸可以根据需要引入更多的金属微结构，来进一步的减小天线尺寸，使其逼近天线辐射的极限制。本发明不限于以上所述的样例，具体的开发可以有多种结构设计以及制造加工的方式。
如图6所示，是图2(a)所示天线的金属微结构的衍生示意图，其中图6(a)为几何形状衍生示意图，几何形状衍生是指在本发明中金属微结构的形状不仅仅局限于长方形，也可以为任意平面几何图形，如圆形、三角形、多边形等；图6(b)为扩展衍生示意图；扩展衍生是指在不改变原有金属微结构本质特性前提下，可以任意添加金属线从而扩展原有金属微结构。
如图7所示，是图2(a)所示天线的金属微结构的复合结构示意图；复合结构是指在原有金属微结构的形状中嵌套新的几何形状，此嵌入的新几何形状可以相同，也可以不同。
如图8所示，是图2(a)所示天线的金属微结构的组阵结构示意图，其中图8(a)为单馈入多芯片时的组阵示意图，图8(b)为多馈入单芯片时的组阵示意图；这里的芯片组阵单元的拓扑结构同时满足衍生、混合与复合特性。
如图9所示，是图2(a)所示天线的多馈入单芯片组阵衍生结构示意图。
综上所述，由于本发明的天线集成了人工电磁材料，因此其辐射具有非常丰富的色散特性，可以形成多种辐射模式，并可通过调整馈线的馈入耦合方式、金属片上的金属微结构与尺寸大小、馈线的引线长度、以及可短接点的位置来进行调谐。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1、一种单级射频天线，其特征在于，所述天线包括金属片、馈线以及用于放置所述金属片和馈线的介质，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片。
2、如权利要求1所述的单级射频天线，其特征在于，所述金属片上镂刻有具有衍生、复合、组合与组阵特性的金属微结构。
3、如权利要求1或2所述的单级射频天线，其特征在于，所述金属片上设置有可短接点，所述金属片通过所述可短接点与所述馈线连接。
4、如权利要求1所述的单级射频天线，其特征在于，所述介质为空气、陶瓷或者介质基板。
5、如权利要求1所述的单级射频天线，其特征在于，所述馈线采用容性耦合方式馈入所述金属片。
6、如权利要求3所述的单级射频天线，其特征在于，所述馈线采用感性耦合方式馈入所述金属片。
7、如权利要求2所述的单级射频天线，其特征在于，所述金属微结构为互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构、互补式弯折线结构中的任一种。
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