CN102683804B - 一种超材料射频天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料射频天线，其包括馈线、第一金属片、与该第一金属片相对设置的第二金属片；该馈线通过耦合方式馈入该第一金属片，该第二金属片与该馈线电连接；该第一金属片上形成有人造金属微结构。本发明免去繁琐的阻抗匹配网络，具有尺寸小、加工简单、成本低廉的优点。进一步地，本发明还可使天线在低工作频段时简化馈线的结构、减少馈线的损耗、提高天线低工作频段的性能。

Description

一种超材料射频天线

技术领域

本发明涉及一种天线，尤其涉及一种超材料射频天线。

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。

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。这使得传统天线技术在移动终端尺寸受限的前提下难以实施。

除此之外，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，很难满足现代通信系统低功耗的系统设计要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种突破传统天线设计的框架，省去阻抗匹配网络的复杂设计，保证其小型化并使其在低工作频段依然保持良好性能的超材料射频天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提出一种超材料射频天线，其包括馈线、第一金属片、与该第一金属片相对设置的第二金属片；该馈线通过耦合方式馈入该第一金属片，该第二金属片与该馈线电连接；该第一金属片上形成有人造金属微结构。

该人造金属微结构包括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、互补式弯折线结构以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的人造金属微结构。

该馈线通过电容耦合馈入该第一金属片。

该介质基板形成有通孔，通过该通孔将该馈线和该第二金属片电连接。

多个该人造金属微结构通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻、粒子刻形成于该第一金属片上。

该超材料射频天线还包括填充于该第一金属片与该第二金属片之间的介质。

该介质为陶瓷、环氧树脂基板或聚四氟乙烯基板。

本发明的超材料射频天线突破传统天线的设计框架，利用超材料的特殊电磁响应设计出辐射具有非常丰富的色散特性、可以形成多种辐射模式的新型射频天线。本发明可免去繁琐的阻抗匹配网络，具有尺寸小、加工简单、成本低廉的优点。进一步地，本发明还包括有可对超材料人造金属微结构耦合馈电的另一金属片，两金属片之间存在介质，由于不同的介质对应不同的电磁参数从而改变两金属片之间的电容值并最终调节射频天线的工作频率，使得天线可工作在低频段。并且由于该另一金属片与馈线电连接，可使天线在低工作频段时简化馈线的结构、减少馈线的损耗、提高天线低工作频段的性能。

附图说明

图1为本发明一种超材料射频天线结构示意图；

图2a为本发明一种超材料射频天线第一金属片上附着的人造金属微结构的第一拓扑图案；

图2b为本发明一种超材料射频天线第一金属片上附着的人造金属微结构的第二拓扑图案；

图2c为本发明一种超材料射频天线第一金属片上附着的人造金属微结构的第三拓扑图案；

图2d为本发明一种超材料射频天线第一金属片上附着的人造金属微结构的第四拓扑图案；

图2e为本发明一种超材料射频天线第一金属片上附着的人造金属微结构的第五拓扑图案。

具体实施方式

超材料是由具有一定图案形状的人造金属微结构按照特定方式周期排列于基材上而构成。人造金属微结构不同的图案形状和排列方式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，当该人造金属微结构处于谐振频段时，该人造金属微结构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微结构的阻抗、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。

本发明利用超材料的上述原理，设计一种超材料射频天线，其利用人造金属微结构的高度色散特性将人造金属微结构形成于第一金属片上，该第一金属片和射频天线的馈线耦合作用使得天线具有丰富的辐射特性从而省去了阻抗匹配网络的设计实现天线的小型化；另外，在天线结构中还引入与第一金属片相对的第二金属片，该第二金属片与馈线电连接并与第一金属片产生容性耦合使得馈线的辐射面积借助第二金属片而得到增大，减少了馈线的损耗；同时由于第一金属片与第二金属片中间存在介质，根据介质材料电磁特性的不同导致两金属片之间的电容值改变，使得天线的工作频率也产生改变。

如图1所示，图1为本发明超材料射频天线的结构示意图。图1中，超材料射频天线包括馈线10、第一金属片20、第二金属片30、填充于第一金属片20与第二金属片30之间的介质(图中未示)；馈线10和该第一金属片20通过电容耦合方式馈入第一金属片20，第二金属片30与馈线10电连接；第一金属片20上形成有人造金属微结构201。第一金属片20以及在第一金属片20上形成的人造金属微结构201使得第一金属片20构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从而实现改变天线辐射特性的目的。

图2a到图2e给出了一系列可实现本发明目的的第一金属片上的人造金属微结构拓扑图案。当应知人造金属微结构的设计种类有无穷多种，并不局限于图2a到图2e的举例，但基本都是谐振结构，这里人造金属微结构的设计可以根据金属片的拓扑特性，如衍生与复合进行修改。图2a为互补式开口谐振环结构；图2b为互补式螺旋线结构；图2c为开口螺旋结构；图2d为双开口螺旋环结构；图2e为互补式弯折结构。其它形式的人造金属微结构可以参考公开号为CN201490337的中国专利。

在第一金属片20表面上形成人造金属微结构201的制造工艺有多种，例如蚀刻、钻刻、光刻、电子刻、粒子刻等，其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造金属微结构的拓扑图案后，通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉第一金属片上人造金属微结构预设图案的金属部分，该第一金属片即形成了所述的超材料。上述第一金属片的材质可以是铜、银等任何金属。

请继续参阅图1。虽然第一金属片20和该第一金属片20上形成的人造金属微结构201的设置已经解决现有技术中的阻抗匹配复杂、阻抗损耗大、天线尺寸受限等问题，但是当天线需要工作在低频时，低频段的电磁波对应的波长较长，根据天线设计原理，天线馈线的电辐射长度将要增大。然而第一金属片20的设置并不能有效解决这个问题，常规的解决办法是将天线馈线10围绕第一金属片20多圈设置以增大馈线10对第一金属片20上形成的人造金属微结构201的耦合馈电，但是此类设置必然使得馈线长度过长，馈线损耗增大从而使得天线性能下降。

图1中，在与第一金属片20相对的介质一面增设有第二金属片30。馈线10与第二金属片30电连接。电连接的方式为通过在介质上形成通孔40，当然亦可通过其他常规电连接方式将馈线10与第二金属片30电连接。

第二金属片30与第一金属片20容性耦合，对第一金属片20上形成的人造金属微结构201耦合馈电。第二金属片30对第一金属片20上形成的人造金属微结构201耦合馈电有效的减少了馈线10对第一金属片20上形成的人造金属微结构201耦合馈电的需求。因此无需增长馈线10长度，且第二金属片30面积调节简单，针对不同的工作频段只需调整第二金属片30面积即可。且由于第一金属片20与第二金属片30中间存在介质，根据介质材料电磁特性的不同将导致两金属片之间的电容值改变，使得天线的工作频率也随之改变。

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 (5)

1.一种超材料射频天线，其特征在于：包括馈线、第一金属片、与该第一金属片相对设置的第二金属片，第一金属片与第二金属片之间设有介质，该介质形成有通孔，通过该通孔将该馈线和该第二金属片电连接；该馈线通过耦合方式馈入该第一金属片；该第一金属片上形成有人造金属微结构；所述第二金属片对所述第一金属片形成的人造金属微结构耦合馈电，减少所述馈线对第一金属片上形成的人造金属微结构耦合馈电的需求。

2.如权利要求1所述的超材料射频天线，其特征在于：该人造金属微结构包括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、互补式弯折线结构以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的人造金属微结构。

3.如权利要求1所述的超材料射频天线，其特征在于：该馈线通过电容耦合方式馈入该第一金属片。

4.如权利要求1所述的超材料射频天线，其特征在于：该人造金属微结构通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻、粒子刻形成于该第一金属片上。

5.如权利要求1所述的超材料射频天线，其特征在于：该介质为陶瓷、环氧树脂基板或聚四氟乙烯基板。