CN102341959A - 利用超材料的多频带及宽频带天线与包含其的通信装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种利用超材料的多频带及宽频带天线与包含其的通信装置。根据本发明的一个实施例，提供的多频带及宽频带天线包含：在载体至少一部分上形成的馈电部；以及，在上述载体上形成，依靠上述馈电部馈电，起到CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line)作用的至少一个DNG(Double Negative)单元与至少一个ENG(Epsilon Negative)单元。

Description

利用超材料的多频带及宽频带天线与包含其的通信装置
技术领域
本发明涉及天线及包含其的通信装置，利用超材料的特性，在使天线尺寸进一步小型化的同时，使谐振频率更加容易调节，可以实现多频带及宽频带化。
背景技术
随着电子产业的进步和通信技术特别是无线通信技术的高度发展，随时随地可以与其他人进行语音及数据通信的各种无线通信终端被开发并广泛普及。
而且，为提高无线通信终端的便携性，正在研究旨在实现无线通信终端小型化的各种技术，例如，大规模集成电路元件的开发、电子电路板小型化方法等，无线通信终端使用目的也越来越多样化，因而开发了导航用终端、互联网用终端等执行多种功能的终端。
另一方面，无线通信技术中最重要技术之一是天线相关技术，目前使用的天线有同轴天线、拉杆天线、环形天线、波束天线、超增益天线等基于多种技术方法的天线。
特别是随着最近无线通信终端的便携化或小型化趋势如日中天，使天线小型化的技术必要性进一步增大，因此，提出了天线导线以螺旋线(helix)形态或弯折线(meander line)形态等构成的天线。
但是，上述提出的天线由于依赖于谐振频率，所以无法突破决定其尺寸的限度，天线越是小型化，为了在狭窄空间形成长度固定的天线，其形态就越发复杂。
为解决这种问题而提出的技术是利用了超材料(metamaterial)的天线技术。
其中，所谓超材料，是指人工设计成具有自然界一般无法找到的特殊电磁特性的物质或电磁结构，一旦将上述超材料的特性应用于天线，则具有了有利于天线尺寸小型化的特性。
本发明提出一种天线系统，通过利用这种超材料，从而可以实现更加小型化，实现多频带及宽频带化。
发明内容
为解决如上问题，本发明要实现的技术课题是，作为包含一个以上的利用了超材料特性的DNG单元及ENG单元的多频带及宽频带天线，提供一种更加小型化、谐振频率容易调节的天线及包含其的通信装置。
本发明的技术解决方案在于：
为实现上述技术课题，本发明一个实施例提供的多频带及宽频带天线包含：
在载体至少一部分上形成的馈电部；以及，在上述载体上形成，依靠上述馈电部馈电，起到CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line：复合左右手传输线)作用的至少一个DNG(Double Negative：双负)单元与至少一个ENG(EpsilonNegative：负介电常数)单元。
上述DNG单元及上述ENG单元各形成一个，上述DNG单元可在上述馈电部左侧形成，包含在上述载体至少一面上形成的第1贴片及第1短截线；上述ENG单元可在上述馈电部的右侧形成，包含在上述载体至少一面上形成的第2贴片及第2短截线。
上述馈电部包含螺旋状的馈电线路，上述螺旋状的馈电线路距离上述DNG单元一定间隔形成，对上述DNG单元执行耦合馈电，而对于上述ENG单元，则是直接连接，执行直接馈电。
上述第1短截线及上述第2短截线可以接入在上述载体之外的另外基板上形成的接地面。
在上述馈电部、上述第1短截线、上述第2短截线中的至少一者与上述接地面之间，还可以形成电感器。
上述第2短截线可以是一端接入上述接地面、另一端接入上述第2贴片的螺旋状的短截线。
上述DNG单元的谐振频率由CRLH-TL结构的电抗成份决定，上述电抗成份可以由上述馈电线路的位置、上述馈电线路的宽度、上述馈电线路的长度、上述距离间隔、上述第1贴片的尺寸、上述载体的介电常数、上述载体的尺寸、上述第1短截线的位置、上述第1短截线的宽度、上述第1短截线的长度中的至少一者所调节。
上述ENG单元的谐振频率由CRLH-TL结构的电抗成份决定，上述电抗成份可以由上述馈电线路的位置、上述馈电线路的宽度、上述馈电线路的长度、上述第2贴片的尺寸、上述载体的介电常数、上述载体的尺寸、上述第2短截线的位置、上述第2短截线的宽度、上述第2短截线的长度中的至少一者所调节。
上述DNG单元发生-1阶谐振、0阶谐振、+1阶谐振，上述ENG单元发生0阶谐振、+1阶谐振，上述DNG单元的0阶谐振、上述ENG单元的+1阶谐振、上述DNG单元的+1阶谐振中的至少两者可以结合，形成宽频带。
另一方面，为实现上述技术课题，本发明另一实施例可以提供包含上述多频带及宽频带天线的通信装置。
本发明的技术效果在于：
根据本发明，通过调节DNG单元及ENG单元的电抗成份，可以体现不依赖于天线长度的多频带及宽频带天线。
因而，根据本发明，可以获得在可实现天线小型化的同时具有多频带且带宽较宽的天线及包含其的通信装置。
附图说明
图1是本发明一个实施例的利用超材料的多频带及宽频带天线的整体构成图。
图2是图1所示天线中的馈电部详细构成图。
图3至图6是图1所示天线的等效电路图。
图7是图1所示天线的色散图。
图8是实际体现本发明一个实施例的利用超材料的多频带及宽频带天线的示例图。
图9是图8所示天线的反射损失曲线图。
图10至图12是图8所示天线在x-y平面、x-z平面及y-z平面上的辐射方向图。
图13是在GSM850/1800/1900、WCDMA、WiBro频带下分别测定本发明一个实施例的多频带及宽频带天线的天线效率及最大增益的附图。
具体实施方式
以下对本发明的详细说明，参照的是以本发明可实施的特定实施例为示例列举的附图。这些实施例说明详细，足以保证本行业从业者可以实施本发明。本发明的多种实施例虽然互不相同，但并不存在相互排他性。例如，此处记载的特定形状、结构及特性是围绕一个实施例说明的，但在不超越本发明精神及范围的情况下可以用其他实施例体现。而且，各个公开实施例内的个别构成要素的位置或布局可以在不超越本发明精神及范围的情况下进行变更。因此，后述详细说明并非限定之意，恰当地说，本发明的范围只由其权利要求项及与权利要求项主张内容均等的范围所限定。附图中类似的参照符号指代在多个层面相同或相似的功能。
为使在本发明所属技术领域具有公知知识者可以容易地实施本发明，下面参照附图，就本发明的优选实施例进行详细说明。
[本发明的优选实施例]
多频带及宽频带天线的整体构成
图1是本发明一个实施例的利用超材料的多频带及宽频带天线的整体构成图。
所谓超材料，是指人工设计成具有自然界一般无法找到的特殊电磁特性的物质或电磁结构，在本技术领域中以及本说明书中，所谓超材料是指介电常数(permittivity)或磁导率(permeability)为负数的物质或这种电磁结构。
这种物质(或结构)从具有两个负数常数的意义上说，也被称为DNG(Double Negative：双负性)物质。而且，只有介电常数是负数的物质称为ENG(Epsilon Negative：电负性)物质。另外，超材料因负介电常数及负磁导率而具有负反射系数，因而也被称为NRI(NegativeRefractive Index：负折射率)物质。1967年，原苏联物理学家维克托·韦谢拉戈(V.Veselago)首次研究了超材料，但其后经过30多年，最近才研究具体体现方法并尝试应用。
根据如上特性，电磁波在超材料内不按弗莱明右手法则，而是按左手法则传递。即，电磁波的相位传播方向[相速度(phase velocity)方向]与能量传播方向[群速度(groupvelocity)方向]相反，通过超材料的信号具有负相位延迟。因此也把超材料称为LHM(Left-handed Material：左手性材料)。而且，在超材料中，不仅β(相位常数)与ω(频率)的关系为非线性，其特性曲线显示出在坐标平面的左半面也存在的特性。
根据这种非线性特性，在超材料中，频率的相位差小，可体现宽频带电路，由于相位变化不与传输线的长度成正比，因而可以体现小型电路。
本发明的多频带及宽频带天线如图1所示，可以包含利用了如上所述超材料的一个以上的DNG单元和一个以上的ENG单元。DNG单元及ENG单元构成个数不限，只要一个以上即可。为便于说明，下面将以DNG单元及ENG单元的个数各为一个的情形为例进行说明。
其中，DNG单元(110)与ENG单元(120)可以是均使用了超材料的零阶谐振器(ZerothOrder Resonator)。
DNG单元(110)与ENG单元(120)可分别包含起到作为天线辐射体功能的贴片(111，121)构成，这种贴片(111，121)可在既定载体(100)上形成。当载体(100)以通常的正六面体形状形成时，贴片(111，121)可以以在载体(100)至少两面上形成的折叠(folded)形态形成。另一方面，上述载体(100)可以是具有既定介电常数(ρ)、既定磁导率(μ)或兼具既定介电常数与磁导率的物质，例如，介电常数约为4.5的FR4(Flame Retardant Type4)可用作上述载体(100)，但并不限定于此，可以使用多种多样的介电物质或磁性体等。
另一方面，在DNG单元(110)与ENG单元(120)之间可以形成馈电部(130)，馈电部(130)可向第1贴片(111)和第2贴片(121)供电，并可起到作为天线辐射体的功能。
图2是本发明一个实施例的馈电部(130)详细构成图。图2中虽然列举了具体数值，但这只是一个体现示例而已，显而易见，本发明并不限定于此。
如图2所示，馈电部(130)可以是从载体(100)一面向另一面延长的螺旋形态的馈电线路。如图2所示，馈电部(130)可以是从馈电点(131)延长的馈电线路交替经过载体(100)的下面与上面后，最终电气接入ENG单元(120)的第2贴片(121)的形态。虽然在图2中显示的是，馈电部(130)包含的馈电线路从载体(100)下面延长，在载体(100)上面结束，但并不限定于此。如图2所示，由于起自馈电点(131)的馈电线路只电气接入ENG单元(120)的第2贴片(121)，因而DNG单元(110)的第1贴片(111)不能直接馈电，但是可以凭借与馈电部(130)的距离间隔而实现耦合馈电。即，即使未与馈电部(130)实现直接电气接入，也可以电磁接入，从而实现耦合馈电。由于馈电部(130)以螺旋形态的馈电线路形成，因此，这种耦合馈电可实现更高的可靠性。另一方面，第1贴片(111)与馈电部(130)间的距离空间(G1)起到使DNG单元(110)作为双负单元工作所需的串联电容成份的功能，通过调节这种距离空间(G1)的间隔，可以调节谐振频率。稍后将对此详细说明。
另一方面，在ENG单元(120)中，不包含可以作为串联电容器工作的构成要素，因而可以起到作为ENG单元的功能。稍后将参照等效电路图对此详细说明。
而且，DNG单元(110)及ENG单元(120)可以包含短截线(140，150)。具体而言，各个短截线(140，150)的一端分别连接于DNG单元(110)的第1贴片(111)的终端及ENG单元(120)的第2贴片(121)的终端，短截线(140，150)另一端可以连接于接地面(GND)。第1贴片(111)一侧的短截线(140)可在形成DNG单元(110)的区域，在载体(100)至少一面上形成，第2贴片(121)一侧的短截线(150)可在形成ENG单元(120)的区域的至少一部分上以螺旋形态体现。这种螺旋形态的短截线(150)按与馈电部(130)类似的形状构成。例如，如图1所示，短截线(150)可以是在载体(100)的上面，从第2贴片(121)延长，交替经过载体(100)的上面及下面后，最终接入接地面(GND)的形态。这种短截线(140，150)在DNG单元(110)及ENG单元(120)作为CRLH-TL电路工作时，可以起到作为并联电感成份的功能，通过调节短截线(140，150)的位置、宽度、长度，可以细微调节谐振频率。
另一方面，虽然图1中未标出，但在馈电点(131)与接地面(GND)之间，以及短截线(140，150)与接地面(GND)之间，可以追加插入用于调节DNG单元(110)及ENG单元(120)的谐振频率的负载电感器。
下面以如图1所示多频带及宽频带天线的等效电路为基础，详细说明其动作。
等效电路图
图3显示了图1所示多频带及宽频带天线中DNG单元(110)的等效电路图，图4显示了ENG单元(120)的等效电路图。根据图3及图4所示电路，DNG单元(110)及ENG单元(120)可以起到作为超材料CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line)电路的功能。
首先，如图3所示，作为CRLH-TL电路的DNG单元(110)可以等效于包含一个串联电容器(CL)与2个并联电感器(LL)。
而且，如图4所示，ENG单元(120)可以等效于包含2个并联电感器(LL)。一般传输线具有RH特性，通过在这种传输线中追加插入串联电容器与并联电感器，即，通过使之具备LH特性，从而可以作为CRLH-TL电路工作，ENG单元(120)虽然没有起到串联电容器功能的元件，但正如以下说明，发生0阶谐振，因此，从其功能层面而言，也可以象DNG单元(110)一样，称为CRLH-TL电路。
另一方面，根据一般天线的构成，DNG单元(110)及ENG单元(120)具有Z0特性阻抗，这种特性阻抗(Z0)可以用并联电容器与串联电感器成份表现。图5及图6的电路是以并联电容器(CR)与串联电感器(LR)成份表现特性阻抗(Z0)，再次与图3及图4电路等效。
首先，如果使图5所示电路针对DNG单元(110)进行等效化，串联电容器(CL)可以等效于第1贴片(111)与馈电部(130)之间的距离间隔(G1)，并联电感器(LL)可以等效于短截线(140)与接地面(GND)之间形成的电感成份。而且，并联电容器(CR)可以等效于第1贴片(111)与接地面(GND)之间形成的电容成份，串联电感器(LR)可以等效于由第1贴片(111)形成的电感成份。
另一方面，如果使图6所示电路针对ENG单元(120)进行等效化，并联电感器(LL)可以等效于短截线(150)与接地面(GND)之间形成的电感成份。而且，并联电容器(CR)可以等效于第2贴片(121)与接地面(GND)之间形成的电容成份，串联电感器(LR)可以等效于由第2贴片(121)形成的电感成份。
如前所述，在DNG单元(110)中，通过调节第1贴片(111)与馈电部(130)之间的距离间隔(G1)，可以调节串联电容器(CL)的电容值，通过调节短截线(140)，可以调节并联电感器(LL)的电感值，通过调节第1贴片(111)与接地面(GND)之间间隔，可以调节并联电容器(CR)的电容值，通过调节第1贴片(111)的尺寸等，从而调节串联电感器(LR)的电感值。
而且，在ENG单元(120)中，通过调节短截线(150)的各种变数，可以调节并联电感器(LL)的电感值，通过调节第2贴片(121)与接地面(GND)之间间隔，可以调节并联电容器(CR)的电容值，通过调节第2贴片(121)的尺寸等，从而调节串联电感器(LR)的电感值。
如此一来，DNG单元(110)与ENG单元(120)的谐振频率得到调节，如前所述，由于利用了超材料特性，可以体现不依赖于整体天线长度(d)的小型化天线。
色散图
图7是本发明一个实施例的DNG单元(110)与ENG单元(120)的色散图(DispersionDiagram)。
在图7的色散图中，以倒三角形(
Figure BDA0000087403390000071
)标识的曲线是DNG单元(110)的色散图，以圆形(○)标识的曲线是ENG单元(120)的色散图。
参照图7可知，根据频率特性，DNG单元(110)可以获得正阶(+)，还可以获得0阶及负阶(-)谐振频率。相反，如果利用ENG单元(120)，根据频率特性，可以获得正阶(+)与0阶谐振频率。
具体而言，DNG单元(110)大致在1GHz、1.7GHz、2.1GHz附近频率分别发生-1阶谐振、0阶谐振、+1阶谐振，ENG单元(120)大致在1.05GHz、1.8GHz附近频率分别发生0阶谐振、+1阶谐振。如以DNG单元(110)与ENG单元(120)的谐振频率为对象进行比较，在同一阶中，由于DNG单元(110)形成的谐振频率高于ENG单元(120)，所以，可以把DNG单元(110)称为高频带DNG单元，把ENG单元(120)称为低频带ENG单元。
另一方面，ENG单元(120)的0阶谐振频率可以成为整体天线系统的低频带工作频率。而且，由于DNG单元(110)的0阶谐振频率和ENG单元(120)的+1阶谐振频率相邻，因此，两个谐振频率频带合成，在整体天线系统中，可起到作为宽频带化的高频带工作频率的功能。不仅如此，DNG单元(110)的0阶谐振频率、ENG单元(120)的+1阶谐振频率及DNG单元(110)的+1阶谐振频率合成，可起到作为整体天线系统的宽频带化的高频带工作频率的功能。
对实际体现例的仿真
图8显示了本发明一个实施例的多频带及宽频带天线的实际体现例。作为载体(100)，使用了介电常数为4.5、尺寸为40mm×6mm×3mm的FR4介电物质。此外各构成要素的具体体现尺寸在图8中已详细列出，因此省略对此的说明。而且，各构成要素的附图符号与图1中的相同，为简化附图，因此省略标识。
图9是针对图8所示多频带及宽频带天线测定的反射损失图。在图9的曲线图中，以空心圆(○)显示的曲线表示仿真结果，以实心圆(●)显示的曲线表示实际测定结果。
参照图9可知，整体天线系统在约0.8GHz附近频带表现出低频谐振，在约1.7GHz至2.4GHz频带表现出高频谐振。具体而言，因ENG单元(120)的0阶谐振而体现在约0.8GHz附近的谐振频率，DNG单元(110)在约1.8GHz附近的0阶谐振与ENG单元(120)在约2.2GHz附近的+1阶谐振合成，体现整体上宽频带化的高频谐振。
辐射方向图测定结果
图10至图12是本发明一个实施例的多频带及宽频带天线分别在x-y平面、x-z平面及y-z平面上的辐射方向图。
参照图10至图12可知，本发明的天线系统显示出具有全向性辐射方向图。因此，本发明的天线系统完全可以应用于移动终端。
各频带的天线效率及最大增益
图13显示出在GSM850/1800/1900、WCDMA、WiBro频带下分别测定本发明一个实施例的多频带及宽频带天线的天线效率及最大增益。
从之前说明及图13可知，本发明的天线作为具有低频带及高频带谐振频率的多频带天线工作，特别是在高频带谐振频率表现出宽频带特性。
如上所述，本发明的多频带及宽频带天线通过调节馈电部的形态(馈电线路的位置、馈电线路的宽度、馈电线路的长度)、第1贴片与馈电部之间的距离间隔、短截线的位置、短截线的宽度、短截线的长度等，从而可以调节DNG单元及ENG单元的谐振频率特性。但是，本发明并不限定于此，只要可以调节DNG及ENG单元的电抗，除上述构成之外，也可以通过调节其他构成要素，例如，调节载体的介电常数、载体的尺寸、载体的形状、单元个数等天线系统所包含的所有构成要素的形态，从而调节谐振频率。
以上虽然参照本发明的具体实施形态对本发明进行了说明，但这只是示例而已，并非限定本发明的范围。从业人员可以在不脱离本发明范围的限度内，对说明的实施形态进行变更或变形。本说明书中所说明的各个功能模块或装置，可由电子电路、集成电路、ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)等公知的多种元件体现，既可以分别单独体现，也可以2个以上结合在一起体现。本说明书及权利要求书中作为单独个体说明的装置等构成要素，只是单纯从功能性区分的，在物理上可以用一个装置体现，作为单一个体说明的装置等构成要素，也可以用数个构成要素的结合来实现。另外，在本说明书中说明的各方法步骤，在不脱离本发明范围的前提下，其顺序可以变更，并可添加其它步骤。不仅如此，本说明书中说明的多种实施形态既可以分别独立体现，也可以适当结合加以体现。因此，本发明的范围不是由说明的实施形态确定，而应由权利要求书及其均等物确定。

Claims (10)

1.一种多频带及宽频带天线，其特征在于包含：
在载体至少一部分上形成的馈电部；以及
在所述载体上形成，依靠所述馈电部馈电，起到CRLH-TL(Composite Right/LeftHanded Transmission Line)作用的至少一个DNG(Double Negative)单元与至少一个ENG(Epsilon Negative)单元。
2.根据权利要求1所述的多频带及宽频带天线，其特征在于：所述DNG单元及所述ENG单元分别各形成一个；所述DNG单元在所述馈电部的左侧形成，包含在所述载体至少一面上形成的第1贴片(patch)及第1短截线(stub)；所述ENG单元在所述馈电部的右侧形成，包含在所述载体至少一面上形成的第2贴片及第2短截线。
3.根据权利要求2所述的多频带及宽频带天线，其特征在于：所述馈电部包含螺旋状的馈电线路；所述螺旋状的馈电线路距离所述DNG单元一定间隔形成，对所述DNG单元执行耦合馈电，而对于所述ENG单元，则是直接连接，执行直接馈电。
4.根据权利要求2所述的多频带及宽频带天线，其特征在于：所述第1短截线及所述第2短截线接入在所述载体之外的另外基板上形成的接地面。
5.根据权利要求4所述的多频带及宽频带天线，其特征在于：在所述馈电部、所述第1短截线、所述第2短截线中的至少一者与所述接地面之间形成电感器。
6.根据权利要求2所述的多频带及宽频带天线，其特征在于：所述第2短截线是一端接入所述接地面、另一端接入所述第2贴片的螺旋状的短截线。
7.根据权利要求3所述的多频带及宽频带天线，其特征在于：所述DNG单元的谐振频率由CRLH-TL结构的电抗成份决定；所述电抗成份由上述馈电线路的位置、所述馈电线路的宽度、所述馈电线路的长度、所述距离间隔、所述第1贴片的尺寸、所述载体的介电常数、所述载体的尺寸、所述第1短截线的位置、所述第1短截线的宽度、所述第1短截线的长度中的至少一者所调节。
8.根据权利要求3所述的多频带及宽频带天线，其特征在于：所述ENG单元的谐振频率由CRLH-TL结构的电抗成份决定；所述电抗成份由所述馈电线路的位置、所述馈电线路的宽度、所述馈电线路的长度、所述第2贴片的尺寸、所述载体的介电常数、所述载体的尺寸、所述第2短截线的位置、所述第2短截线的宽度、所述第2短截线的长度中的至少一者所调节。
9.根据权利要求2所述的多频带及宽频带天线，其特征在于：所述DNG单元发生-1阶谐振、0阶谐振、+1阶谐振，所述ENG单元发生0阶谐振、+1阶谐振；所述DNG单元的0阶谐振、所述ENG单元的+1阶谐振、所述DNG单元的+1阶谐振中的至少两者结合，形成宽频带。
10.一种通信装置，其特征在于：包含根据权利要求1至9之一所述的多频带及宽频带天线。
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