CN102593574B - 一种介质基板及使用该介质基板的微带贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种介质基板，包括至少一个人工电磁材料片层，每个人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板侧面或者嵌入在基板内部的至少两个人造微结构，所述人造微结构与预设电场方向平行；该介质基板具有较高的介电常数。本发明还公开了一种使用该介质基板的微带贴片天线，由于介质基板的介电常数较高，所以有利于实现微带贴片天线的小型化。

Description

一种介质基板及使用该介质基板的微带贴片天线
技术领域
本发明涉及一种新材料，更具体地说，涉及一种介质基板及使用该介质基板的微带贴片天线。
背景技术
人工电磁材料，是一种能够对电磁波产生响应的新型人工合成材料，由基板和附着在基板上的人造微结构组成。由于人造微结构通常是由导电材料构成的具有一定几何图案的结构，因此能够对电磁波产生响应，从而使人工电磁材料整体体现出不同于基板的电磁特性。
介电常数是以绝缘材料为介质与以真空为介质制成同尺寸电容器的电容量之比值，其表示在单位电场中，单位体积内积蓄的静电能量的大小。介电常数表征电介质极化并储存电荷的能力。高介电常数的材料放在电场中，电场的强度会在材料内有可观的下降。在高介电常数材料中，电磁波会变很短，有利于缩小射频及微波器件的尺寸。现有的材料绝大多数介电常数的变化范围都很小。
目前常用的介质基板通常采用FR4(玻璃纤维环氧树脂)、F4B(聚四氟乙烯玻璃布)和陶瓷等；其中FR4成本低，但是介电常数较低，在GHz频段一般为3至4左右，而且损耗很大(损耗角正切tanδ达到0.02)；F4B损耗比FR4小(损耗角正切tanδ为0.001)，但是成本较FR4高，而且其介电常数也比较低，在GHz频段一般为2至3左右；因此基板采用FR4和F4B都不利于实现器件的小型化。陶瓷的介电常数一般在20至60左右，损耗角正切tanδ为10-4左右，虽然陶瓷的介电常数相对较高，但是随着其介电常数的增高其损耗和成本都会增加，此外陶瓷不易打磨和钻孔，会增加加工成本。因此FR4、F4B和陶瓷都不是理想的高介电常数介质基板材料。
微带贴片天线具有质量轻、体积小和易于制造等优点，已广泛应用于个人无线通讯中。微带贴片天线包括微带贴片(辐射元)、介质基板和接地层(参考地GROUND)，介质基板可以包括一层或者多层人工电磁材料片层。对于微带贴片的馈电方式可以是通过微带线侧馈，也可以是通过同轴线馈电。在后一种馈电方式中，同轴线的内导体穿过介质基板与微带贴片相连通。当介质基板的介电常数提高N倍时，由波长与介电常数的关系：进入介质基板的波长为原来的微带贴片天线的尺寸相应地也可以缩小为原来的因此提高介质基板的介电常数有利于实现微带贴片天线的小型化，但是提高介电常数后电磁损耗通常会大幅提高使得微带贴片天线的电气性能明显降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种介质基板，该介质基板是一种人工电磁材料，其在一定的频段内具有较高的介电常数。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种介质基板，包括至少一个人工电磁材料片层，每个人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板侧面或者嵌入在基板内部的至少两个人造微结构，所述人造微结构与预设电场方向平行。
在本发明的优选实施方式中，所述基板为平面，预设电场方向与所述基板的上下表面垂直，则所述人造微结构与所述基板的上下表面垂直设置。
在本发明的优选实施方式中，至少有两个人造微结构通过导电材料电连接。
在本发明的优选实施方式中，所述电连接的人造微结构位于同一人工电磁材料片层或者位于不同人工电磁材料片层。
在本发明的优选实施方式中，所述基板为陶瓷材料、FR4、F4B、树脂基材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
本发明还公开了一种使用该介质基板的微带贴片天线，包括介质基板、微带贴片和接地层，所述微带贴片位于所述介质基板的上表面、所述接地层位于所述介质基板的下表面，所述介质基板包括至少一个人工电磁材料片层，每个人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板侧面或者嵌入在基板内部的至少两个人造微结构，所述人造微结构与预设电场方向平行。
在本发明的优选实施方式中，所述基板为平面，预设电场方向与所述基板的上下表面垂直，则所述人造微结构与所述基板的上下表面垂直设置。
在本发明的优选实施方式中，至少有两个人造微结构通过导电材料电连接。
在本发明的优选实施方式中，所述电连接的人造微结构位于同一人工电磁材料片层或者位于不同人工电磁材料片层。
在本发明的优选实施方式中，所述基板为陶瓷材料、FR4、F4B、树脂基材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
实施本发明，具有以下有益效果：通过在介质基板中设置人造微结构可以提高介质基板的介电常数，由于介质基板中的人造微结构与预设电场方向平行，当一定频率的预设电场平行通过人造微结构表面时，人造微结构会产生谐振，通过改变人造微结构的形状或者尺寸可以调整介质基板的介电常数，而且具有上述结构的介质基板其电磁损耗(用损耗角正切来表示)没有明显提高。将该介质基板应用在微带贴片天线中有利于实现微带贴片天线的小型化，由于介质基板的电磁损耗没有随介电常数的增加而大幅上升，所以微带贴片天线的电气性能没有明显降低。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是实施例中的介质基板的前视图示意图；
图2是实施例中介质基板的透视图的示意图；
图3是图2所示介质基板的介电常数特性仿真示意图；
图4是图2所示介质基板的损耗角正切特性仿真示意图；
图5是具有两层人工电磁材料片层的介质基板的前视图的示意图；
图6是不同人工电磁材料片层内的人造微结构相互电连接的介质基板的前视图的示意图；
图7是不同人工电磁材料片层内和同一人工电磁材料片层内的相邻人造微结构相互电连接的介质基板的前视图的示意图；
图8至图12是人造微结构的可能结构示意图；
图13是使用实施例中的介质基板的微带贴片天线的拆分结构示意图。
具体实施方式
本实施例提供一种介质基板，包括一个人工电磁材料片层，当然也可以包括多个人工电磁材料片层，当具有多个人工电磁材料片层时，相邻人工电磁材料片层沿垂直于其上下表面的方向可以通过机械连接、焊接或者在相邻的人工电磁材料片层之间填充可连接二者的物质将两者粘合等方式组装成一体，比如图5所示的介质基板包括通过粘合层3粘合在一起的两个人工电磁材料片层1和2。
如图2所示，本实施例中人工电磁材料片层包括基板和附着在基板侧面和嵌入在基板内部的多个阵列排布人造微结构。当基板为平面，预设电场的方向与基板的上下表面垂直时，人造微结构与介质基板的上下表面垂直设置如图1所示。人造微结构的排布不限于图2中的矩形阵列排布也可以为圆形阵列、扇形阵列等其他几何方式排布，只要其与电场的方向平行即可；垂直于介质基板上下表面的人造微结构可以通过垂直打孔(埋孔)嵌入导电材料或者对覆铜层的表面刻蚀或者其他的生产工艺来实现。基板选用介电常数为16的陶瓷材料，其损耗角正切为10-4，当然也可以采用FR4、F4B、树脂基材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。人造微结构由铜线制成，当然也可以为其他导电材料，人造微结构包括相互正交的四个支路，每个支路呈T型结构，任一所述T型支路以T型中的竖直线的末端为交点彼此相连，各支路以所述交点为旋转中心依次顺时针旋转90度、180度和270度后分别与其他三个支路重合。其中T型结构的上面横线的长度为1.3毫米、T型结构中的竖直线的长度为1.95毫米，铜线的线宽为0.18毫米、厚度为0.018毫米；如图3和图4所示，经过仿真测得具有这种结构的介质基板在3GHz时，其介电常数为80，损耗角正切为8×10-4，相对于纯陶瓷材料的基板其介电常数得到了大幅提高，同时新的介质基板的电磁损耗并没有明显增加。
当将人造微结构通过导电材料进行电连接后，可以进一步提高介质基板的介电常数，相互电连接的人造微结构既可以是位于同一人工电磁材料片层也可以是位于不同人工电磁材料片层。图6所示的介质基板包括通过粘合层7结合为一体的两个人工电磁材料片层4和6，不同人工电磁材料片层内相邻的人造微结构通过铜导线5电连接。图7所示的介质基板包括通过粘合层10结合为一体的两个人工电磁材料片层8和9，同一人工电磁材料片层内和相邻层人工电磁材料片层内的相邻人造微结构通过铜导线电连接。具有上述结构的介质基板通过仿真发现，其介电常数相对于纯陶瓷材料的介质基板有了大幅提高。
本发明还提供了一种使用上述介质基板的微带贴片天线，如图13所示，该天线包括馈针11、微带贴片12、介质基板13和接地层14，微带贴片12位于介质基板13的上表面、接地层14位于介质基板13的下表面，微带贴片12、介质基板13和接地层14上设置有贯穿上下表面的通孔，所述馈针11穿过通孔放置，馈针11上端设置有针帽，针帽的横截面积大于微带贴片上通孔的面积，接地层上通孔的面积大于馈针的横截面，馈针与微带贴片电连接、与接地层相互绝缘，当信号由馈针11输入时，介质基板13内的电场与其上下表面垂直，介质基板包括至少一个人工电磁材料片层，每个人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板侧面或者嵌入在基板内部的至少两个人造微结构，所述人造微结构与介质基板的上下表面垂直。由于具有上述结构的介质基板相对于传统的介质基板其介电常数得到了大幅提高，所以使用上述介质基板有利于实现微带贴片天线的小型化；由于介质基板的电磁损耗没有随介电常数的增加而大幅上升，所以微带贴片天线的电气性能不会受到很大影响。
通过改变介质基板中基板的层数、人造微结构的形状和尺寸，以及将人造微结构电连接等方式，可以进一步调整和提高介质基板的介电常数，使其满足特殊场合对高介电常数的需求。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下还可做出很多变形。比如人造微结构可以为其他各种几何形状，既可以是旋转对称的，比如图8至图12所示的结构，各支路可以包括弯折部，弯折部可以为直角、圆角或者尖角等形状，各支路与交点相对的另一端可以连接线段也可以不连接线段等，也可以不是旋转对称的结构；基板也不限于实施例中提到的平面，也可以为曲面，只要人造微结构满足平行于基板内的电场方向即可；微带贴片天线不限于实施例中通过馈针13实现馈电的方式，也可以是通过微带线侧馈的方式；这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种介质基板，包括至少一个人工电磁材料片层，其特征在于，每个人工电磁材料片层包括均匀基板和附着在所述均匀基板侧面或者嵌入在均匀基板内部的阵列排布的形状和尺寸均相同的至少两个人造微结构，所述人造微结构所在的平面与预设电场方向平行；
其中，至少有两个位于同一人工电磁材料片层或者位于不同人工电磁材料片层的人造微结构通过导电材料电连接。
2.根据权利要求1所述的介质基板，其特征在于，所述基板为平面，预设电场方向与所述基板的上下表面垂直，则所述人造微结构与所述基板的上下表面垂直设置。
3.根据权利要求1至2任一所述的介质基板，其特征在于，所述基板为陶瓷材料、FR4、F4B、树脂基材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
4.一种微带贴片天线，包括介质基板、微带贴片和接地层，所述微带贴片位于所述介质基板的上表面、所述接地层位于所述介质基板的下表面，所述介质基板包括至少一个人工电磁材料片层，其特征在于，每个人工电磁材料片层包括均匀基板和附着在所述均匀基板侧面或者嵌入在均匀基板内部的阵列排布的形状和尺寸均相同的至少两个人造微结构，所述人造微结构所在的平面与预设电场方向平行；
至少有两个位于同一人工电磁材料片层或者位于不同人工电磁材料片层的人造微结构通过导电材料电连接。
5.根据权利要求4所述的微带贴片天线，其特征在于，所述基板为平面，预设电场方向与所述基板的上下表面垂直，则所述人造微结构与所述基板的上下表面垂直设置。
6.根据权利要求4至5任一所述的微带贴片天线，其特征在于，所述基板为陶瓷材料、FR4、F4B、树脂基材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
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