CN102664306B - 双频天线装置 - Google Patents

Abstract

一种天线装置包括：一种双频天线装置，其特征在于，所述双频天线装置包括：一介质基板，及一天线导体，设置所述介质基板表面；所述天线导体包括：一导电拓扑结构、第一发射台、第二发射台、馈电部及信号传输部；所述馈电部连接所述信号传输部的一端，所述信号传输部的另一端形成所述第一发射台和第二发射台公共连接端；所述第一发射台和第二发射台与所述导电拓扑结构电耦合连接。通过低介电损耗介质基基板和天线选型、且优化天线选型设计提高了天线装置的增益等综合性能。

Description

双频天线装置

技术领域

本发明涉及通信天线，更具体地说，涉及一种基于人工电磁材料原理(超材料，metamatetrial)双频天线装置。

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1C芯片遵循“摩尔定律”的发展，作为电子系统的另外重要组成一射频模块，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。比如，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，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，使得天线尺寸设计局限于半波长的物理长度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，突破传统天线设计的框架，省去阻抗匹配网络的复杂设计，保证其小型化，且天线辐射面积利用率高、抗干扰能力强，。

因此，本发明提供一种基于人工电磁材料理论高增益的双频天线装置。

一种天线装置包括：

一种双频天线装置，其特征在于，所述双频天线装置包括：

一介质基板，及

一天线导体，设置所述介质基板表面；所述天线导体包括：一导电拓扑结构、第一发射台、第二发射台、馈电部及信号传输部；所述馈电部连接所述信号传输部的一端，所述信号传输部的另一端形成所述第一发射台和第二发射台公共连接端；所述第一发射台和第二发射台与所述导电拓扑结构电耦合连接，其中，所述导电拓扑结构为超材料拓扑结构。

进一步地，所述双频天线装置还包括一接地部和一扼流部，所述接地部相对且绝缘地设置于所述馈电部，所述接地部两臂垂直延伸成所述扼流部。

进一步地，所述导电拓扑结构、第一发射台、第二发射台、馈电部、信号传输部、扼流部及接地部设置于所述介质基板的同一侧表面上。

进一步地，所述导电拓扑结构、第一发射台、第二发射台、馈电部及信号传输部设置于所述介质基板的同一侧表面上；所述扼流部和接地部设置于所述介质基板的相对的一侧表面上。

进一步地，所述双频天线装置还包括一同轴信号线，所述同轴信号线的内导体焊接于所述馈电部上，所述同轴信号线的外导体焊接于所述接地部上。

进一步地，所述介质基板在1GHz频率下工作，具有≤0.0002的电损耗正切量。

进一步地，所述第一发射台和第二发射台沿着所述导电拓扑结构边缘设置以将所述导电拓扑结构包围设置。

进一步地，所述导电拓扑结构为一轴非对称图案。

进一步地，所述导电拓扑结构为一轴对称图案。

进一步地，所述双频天线装置通信谐振频段为2.4GHz-2.48GHz和5.725GHz-5.85GHz两个通讯频段。

相对现有天线设计，采用人工电磁材料技术设计出相关电磁波谐振响应金属结构库，这些结构尺寸相对传统的天线结构较小，使得天线的物理尺寸不受半波长的物理长度限制；可以进一步对影响的天线性能的参数进行优化，缩小天线的体积，有利于天线小型化设计，整体提升天线增益和方向性能指标。

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：

图1为本发明双频天线装置一实施例的立体图；

图2为图1所示双频天线装置的平面示意图；

图3为图1所示双频天线装置的S11实测参数图；

图4为图1所示双频天线装置的在2.4GHz-2.48GHz频段的仿真立体方向图；图5为图4所示双频天线装置的仿真E和H面二维方向图；

图6为图1所示双频天线装置的在5.725GHz-5.85GHz频段的仿真立体方向图；

图7为图6所示双频天线装置的仿真E和H面二维方向图。

具体实施方式

现在详细参考附图中描述的实施例。为了全面理解本发明，在以下详细描述中提到了众多具体细节。但是本领域技术人员应该理解，本发明可以无需这些具体细节而实现。在其他实施方式中，不详细描述公知的方法。过程、组件和电路，以免不必要地使实施例模糊。

本发明中天线装置是基于人工电磁材料原理技术设计的，人工电磁材料是指将金属片镂刻成特定形状的拓扑金属结构，并将所述特定形状的拓扑金属结构设置于一定介电常数和磁导率基材上而加工制造的等效特种电磁材料，其性能参数主要取决于其亚波长的特定形状的拓扑金属结构。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，天线的阻抗、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技术对上述天线的基本特性进行改造，使得金属结构与其依附的介质基板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。所述金属结构可采用三维立体结构或平面二维结构(平面二维结构也可称之为金属图案)。

请参阅图1，为本发明双频天线装置一实施例的立体图。所述双频天线装置包括一介质基板1、设置于介质基板1表面的天线导体2及同轴信号线10。所述天线导体2包括一人工电磁材料的拓扑结构，即超材料拓扑结构。在本实施方式中，所述天线导体2通过激光雕刻技术和蚀刻技术在单面覆铜介质基板的表面上形成。

所述介质基板在1GHz频率下工作，具有≤4.0的标称介电常数和≤0.0002的电损耗正切量。所述介质基板包括玻纤布、环氧树脂及包含与所述环氧树脂发生交联反应的化合物。所述介质基板第一类实施方式如下：

所述介质基板制作工艺如下：首先，提供一浸润溶液包括：第一组份，包含有环氧树脂；第二组份，包含与所述环氧树脂发生交联反应的化合物；及一种或者多种溶剂。其中第一组份和第二组份按照一定比例配置混合。

所述浸润溶液经过搅拌后、将所述一玻纤布浸润所述浸润溶液中使第一组份与第二组份吸附在玻纤布中或者表面上；然后烘拷所述玻纤布使所述一种或者多种溶剂挥发，并使第一组份与第二组份相互化合交联形成半固化片或者固化片。半固化片是指将吸附第一组份与第二组份的玻纤布在烘拷温度相对较低环境中，第一组份包含环氧树脂与第二组份包含化合物部分发生化合交联反应的软性混合物。固化物是指将吸附第一组份与第二组份的玻纤布在烘拷温度相对较高环境中，第一组份包含环氧树脂与第二组份包含化合物部分发生化合交联反应的相对较硬的混合物。

在本实施方式中，所述浸润过的玻纤布通过低温烘烤形成半固化物(呈片状)，然后所述半固化物剪裁成剪裁片，根据厚度需要将所述多片剪裁片叠合并进行热压成本实施所述的多层介质基板(即多层层压板或片)。

在具体的实施例中，所述第二组份的化合物可选用包含由极性高分子与非极性高分子化合的共聚物，如苯乙烯马来酸酐共聚物。可以理解的是，可以与环氧树脂发生化合交联反应的共聚物均可用于本实施方式的配方成份。其中本实施方式的苯乙烯马来酸酐共聚物，其分子式如下：

在上述苯乙烯马来酸酐共聚物分子式中包含4个苯乙烯。在其他实施方式中，可以选择相应分子量，如苯乙烯马来酸酐共聚物分子式中包含6、8个苯乙烯或者任意个数。环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。

在其他的实施例中，所述第二组份的化合物还可以选用氰酸酯预聚体或者选用苯乙烯马来酸酐共聚物与氰酸酯预聚体按照任意比例混合的混合物。

在具体的实施例中，所述环氧树脂与苯乙烯马来酸酐共聚物按照官能值的比例进行配制，然后加入一定量的溶剂配成溶液。所述环氧树脂与苯乙烯马来酸酐共聚物混合工艺采用常规设备进行加工，如普通搅拌桶以及反应釜使环氧树脂与苯乙烯马来酸酐共聚物均匀混合，从而使所述溶液中的环氧树脂与苯乙烯马来酸酐共聚物均匀混合。

在具体的实施例中，通过加入一定的促进剂促使上述浸润溶液200-400秒时间内胶化(选用胶化环境温度171℃)，其中促进上述浸润溶液胶化时间260秒左右(如258-260秒、或250-270秒等)效果较好。所述促进剂可选用包括但不限于叔胺类，咪唑类以及三氟化硼单乙胺中的任意一类或他们之间混合物。

所述一种或者多种溶剂可以选用包括但不限于丙酮、丁酮、N，N-二甲基甲酰胺、乙二醇甲醚、甲苯中任意一种或上述两种以上溶剂之间混合形成的混合溶剂。

在另一实施例中，所述浸润溶液包括：第一组份，包含环氧树脂；第二组份，包含与所述环氧树脂发生交联反应的化合物；及一种或者多种溶剂。所述第二组份的化合物选用苯乙烯马来酸酐共聚物与氰酸酯预聚体按照任意比例混合的混合物。其中所述氰酸酯预聚体浓度75％。促进剂选用二甲基咪唑；所述溶剂选用丁酮。通过上述配方及其制造工艺制成本发明所述介质基板3，从而提高天线导体2的辐射效率。

请参阅图2，为双频天线装置的平面示意图。所述天线导体2还包括一导电拓扑结构3、第一发射台4、第二发射台5、馈电部6、信号传输部9、扼流部7及接地部8。所述第一发射台4和第二发射台5与所述导电拓扑结构3电耦合连接。

在本实施方式中，所述导电拓扑结构3、第一发射台4、第二发射台5、馈电部6、信号传输部9、扼流部7及接地部8设置于所述介质基板1的同一侧表面上。

在本实施方式中，所述导电拓扑结构3为一轴非对称图案。其他实施方式中，所述导电拓扑结构3为一轴对称图案。所述馈电部6连接所述信号传输部9的一端，所述信号传输部9的另一端形成所述第一发射台4和第二发射台5公共连接端。所述第一发射台4和第二发射台5沿着所述导电拓扑结构3边缘设置以将所述导电拓扑结构3包围设置。所述馈电部6和信号传输部9设置在所述导电拓扑结构3的轴线上。

在本实施方式中，所述接地部8相对且绝缘地设置于所述馈电部6，其两臂垂直延伸成所述扼流部7。从而所述扼流部7和接地部8形成一相对于所述导电拓扑结构3倒立设置的一“U”字状。同轴信号线10的内导体焊接于所述馈电部6上，所述同轴信号线10的外导体焊接于所述接地部8上。

在其他实施方式中，所述导电拓扑结构3、第一发射台4、第二发射台5、馈电部6及信号传输部9设置于所述介质基板1的同一侧表面上；所述扼流部7和接地部8设置于所述介质基板1的相对的一侧表面上。

所述导电拓扑结构的长、宽及线宽之间变化使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。其中，当该导电拓扑结构处于谐振频段时，该人造金属导电片将表现出高度的色散特性，所谓高度的色散特性是指该人造金属导电片的阻抗、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。在本实施方式中，所述导电拓扑结构为对应的通信频段为2.4GHz-2.48GHz和5.725GHz-5.85GHz两个通讯频段。其中导电拓扑结构为铜或银材料制成。优选为铜，价格低廉，导电性能好。为了实现更好阻抗匹配，导电拓扑结构也为铜和银形成合金或选用纯银材料制成。

请参阅图3，为双频天线装置的S11实测参数图。所述图示在2.4GHz-2.48GHz和5.725GHz-5.85GHz两个频段的驻波系数，其中在频点2.4500GHz(m1)、2.4500GHz(m2)、5.700GHz(m3)及5.850GHz(m4)的驻波系数分别为：-10.3726dB、-17.1806dB、-9.6054dB及-9.8834dB。

请一并参阅图4和图5，所示双频天线装置的在2.4GHz-2.48GHz频段的仿真立体方向图及仿真E和H面二维方向图。参阅图6和图7，为双频天线装置的在5.725GHz-5.85GHz频段的仿真方向立体图及仿真E和H面二维方向图。从上述图可以看出，所述双频天线装置为全向天线，具有现在IEEE802.11这个标准要求的频段宽度，增益在2.4-2.48GHz达到2dB、5.725-5.85GHz达到4dB，驻波系数低于2等优良的电性能指标。

从人工电磁材料原理得出开发设计天线可以采用的金属结构，利用这些金属结构设计天线时，且在满足天线性能设计的要求前提下，可以进一步对影响的天线性能的参数进行优化，缩小天线的体积，有利于天线小型化，从而避免传统天线受到物理尺寸的限制。

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，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种双频天线装置，其特征在于，所述双频天线装置包括：

一介质基板，及

一天线导体，设置所述介质基板表面；所述天线导体包括：一导电拓扑结构、第一发射台、第二发射台、馈电部及信号传输部；所述馈电部连接所述信号传输部的一端，所述信号传输部的另一端形成所述第一发射台和第二发射台公共连接端；所述第一发射台和第二发射台与所述导电拓扑结构电耦合连接，

其中，所述导电拓扑结构为超材料拓扑结构，并且所述第一发射台和第二发射台沿着所述导电拓扑结构边缘设置以将所述导电拓扑结构包围设置，

所述导电拓扑结构具有轴线且为轴非对称图案，所述馈电部和所述信号传输部设置在所述导电拓扑结构的轴线上。

2.根据权利要求1所述的双频天线装置，其特征在于，所述双频天线装置还包括一接地部和一扼流部，所述接地部相对且绝缘地设置于所述馈电部，所述接地部两臂垂直延伸成所述扼流部。

3.根据权利要求2所述的双频天线装置，其特征在于，所述导电拓扑结构、第一发射台、第二发射台、馈电部、信号传输部、扼流部及接地部设置于所述介质基板的同一侧表面上。

4.根据权利要求2所述的双频天线装置，其特征在于，所述导电拓扑结构、第一发射台、第二发射台、馈电部及信号传输部设置于所述介质基板的同一侧表面上；所述扼流部和接地部设置于所述介质基板的相对的一侧表面上。

5.根据权利要求3或4所述的双频天线装置，其特征在于，所述双频天线装置还包括一同轴信号线，所述同轴信号线的内导体焊接于所述馈电部上，所述同轴信号线的外导体焊接于所述接地部上。

6.根据权利要求5所述的双频天线装置，其特征在于，所述介质基板在1GHz频率下工作，具有≤0.0002的电损耗正切量。

7.根据权利要求1所述的双频天线装置，其特征在于，所述双频天线装置通信谐振频段为2.4GHz-2.48GHz和5.725GHz-5.85GHz两个通讯频段。