CN102760941B - 一种具有多层基片的超材料射频天线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有多层基片的超材料射频天线及其制备方法，该具有多层基片的超材料射频天线包括堆叠一体的多个基片，该些基片上分别附着有金属分支，相邻基片之上的金属分支电连接。本发明将传统的超材料射频天线的平面金属微结构和馈线立体化、空间化，最大地利用了天线所占的空间使得天线进一步地小型化。

Description

一种具有多层基片的超材料射频天线及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种天线及其制备方法，尤其涉及一种具有多层基片的超材料射频天线及其制备方法。

背景技术

现有通讯系统中的天线主要为偶极子天线和PIFA天线，此类天线尺寸、带宽、增益等重要指标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物理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。因此当在设计中遇到天线使用空间小、工作频率低、工作在多模问题时，其就显得力不从心。

为解决上述问题，现有技术的解决方案一般是通过在天线外部额外设置匹配线路来实现多模的辐射要求。在天馈系统中加入匹配网络后，功能上是可实现低频、多模的工作要求，但是由于非常大的一部分能量损失在匹配网络上，其辐射效率将极大的降低。

现有的超材料小天线，如公开号为CN201490337的中国专利，如图1所示，其在设计中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，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，可省去匹配网络从而达到小型化天线的目的。尽管如此，从图1中我们可以看出，其人造金属微结构1和馈线2均为平面结构，并没有充分利用天线所占有的三维空间，因此存在改进的可能。

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，提出一种占用空间更小的具有多层基片的超材料射频天线及该具有多层基片的超材料射频天线的制备方法。

本发明解决解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种具有多层基片的超材料射频天线，其包括：堆叠一体的多个基片，该些基片上分别附着有金属分支，相邻基片之上的金属分支电连接。

该些基片上的金属分支在平面展开后构成馈线和人造金属微结构，该馈线围绕该人造金属微结构设置，该人造金属微结构的拓扑图案为互补式开口谐振环、互补式螺旋环、双开口螺旋环、互补式弯折线中的一种。

该多层基片由陶瓷、高分子聚合物、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

该多层基片截面图形为圆形、椭圆形或多边形。

该超材料射频天线由第一基片和第二基片堆叠而成；该第一基片表面附着有该人造金属微结构的第一部分与该馈线的第一部分，该第二基片表面附着有该人造金属微结构的第二部分与该馈线的第二部分，所有部分在平面展开后即构成该馈线和该人造金属微结构；该人造金属微结构的第一部分断裂端点与该馈线的第一部分断裂端点分别与该人造金属微结构的第二部分断裂端点与该馈线的第二部分断裂端点电连接。

该人造金属微结构第二部分从该人造金属微结构第二部分断裂端点在该第二基片上延伸的方向与该人造金属微结构第一部分从该人造金属微结构第一部分断裂端点在该第一基片上延伸的方向一致。

该第一基片上还形成有第一金属化通孔和第二金属化通孔，该第一金属化通孔两端对应于该人造金属微结构的第一部分断裂端点与该人造金属微结构的第二部分断裂端点，该第二金属化通孔两端对应于该馈线的第一部分断裂端点与该馈线的第二部分断裂端点；该人造金属微结构第一部分和第二部分通过该第一金属化通孔电连接，该馈线第一部分和该馈线第二部分通过该第二金属化通孔电连接。

该第一基片侧面形成有第一连接部和第二连接部，该第一连接部两端对应于该人造金属微结构的第一部分断裂端点与该人造金属微结构的第二部分断裂端点，该第二连接部两端对应于该馈线的第一部分断裂端点与该馈线的第二部分断裂端点；该人造金属微结构第一部分和第二部分通过该第一连接部电连接，该馈线第一部分和第二部分通过该第二连接部电连接。

本发明还提供一种具有多层基片的超材料射频天线的制备方法，其包括步骤：

S1：制作多个基片；

S2：在该多个基片表面附着所需金属分支；

S3：电连接相邻基片表面的金属分支；

S4：将该多个基片压制为一体。

步骤S3包括：

S311：在需要电连接的金属分支末端通过数控钻床钻孔、数控冲床冲孔或激光打孔方式在该陶瓷基片上形成通孔；

S312：通过丝网印刷、掩膜印刷或者通孔铸浆方式将液态金属填充于该些通孔。

步骤S1至S4中该多个基片为多个陶瓷基片。

步骤S1具体包括：

S11：混合有机载体和玻璃陶瓷粉；

S12：流延。

本发明具有多层基片的超材料射频天线的制备方法还包括步骤S5：将步骤S4中压制一体的多个陶瓷基片烧结。

步骤S5中烧结温度低于1000度。

本发明将平面天线结构立体化、空间化，通过将平面金属微结构和馈线附着于叠加一体的多层基片上并电连接相邻两层基片上的部分金属微结构和部分馈线使得天线整体占用平面空间更小，充分利用了天线所处空间，使得天线更加小型化。进一步地，本发明采用陶瓷材料作为本发明多层基片的材料，使得本发明具有易于实现、工艺简单、电磁参数优良的有益效果。

附图说明

图1为现有技术天线结构示意图；

图1a～图1e为现有技术天线人造金属微结构拓扑图案；

图2为本发明具有多层基片的超材料射频天线第一较佳实施例的结构示意图；

图3为本发明具有多层基片的超材料射频天线第二较佳实施例的结构示意图；

图4为本发明具有多层基片的超材料射频天线制备工艺流程图；

图5为本发明具有多层基片的超材料射频天线采用陶瓷基片制备工艺流程图；

图6为本发明具有多层基片的超材料射频天线采用陶瓷基片制备工艺S1步骤的具体实施流程图；

图7为本发明具有多层基片的超材料射频天线制备工艺S3步骤的具体实施流程图。

具体实施方式

图1所示的现有技术的天线结构包括馈线2和人造金属微结构1，其中人造金属微结构1的拓扑图案是多种多样的，分别如图1a至图1e所示。图中各种图案均为平面图案，占用空间较大，因此均可以利用本发明设计思想改进。下面选取其中一种图案进行详细说明，但应知利用本发明的原理将能轻易地得知其他图案的设计。

同时，为了适应电子设备内部给天线预留的平面空间形状，本发明的多层基片的截面形状可设计为各种形状，如圆形、椭圆形、多边形等。下面所述实施例为使图示方便均使用截面形状为四边形基片为例加以说明。

如图2所示，图2为本发明具有多层基片的超材料射频天线的第一较佳实施例的结构示意图，其包括沿层叠方向层叠在一起的第一基片101和第二基片102。其中第一基片101上印刷有人造金属微结构第一部分1011和馈线第一部分1012，人造金属微结构第一部分1011和馈线第一部分1012的末端均设置有金属化通孔1013和1014。第二基片102上印刷有人造金属微结构第二部分1021和馈线第二部分1022。金属化通孔1013两端分别对应于人造金属微结构第一部分1011的断裂端点1011a与人造金属微结构第二部分1021的断裂端点1021a，金属化通孔1014两端分别对应于馈线第一部分1012断裂端点1012a与馈线第二部分1022断裂端点1022a。人造金属微结构第二部分1021从人造金属微结构第二部分断裂端点1021a在第二基片102上延伸的方向与人造金属微结构第一部分1011从人造金属微结构第一部分断裂端点1011a在第一基片101上延伸的方向一致。第一基片101和第二基片102上印刷的所有的金属结构平面展开后即构成了图1所示的天线结构。由于采用空间立体结构设计超材料射频天线使得其所占平面面积减少了1/2。

当天线尺寸要求更小时，可以进一步利用立体空间，如图3所示。图3为本发明第二较佳实施例的结构示意图。其与第一较佳实施例的区别在于其没有在两片基片上设置金属化通孔，而是在陶瓷基片的侧边上印刷连接上下金属结构的连接部1015和1016，连接部的材质与与其连接的馈线部分和人造金属微结构部分材质相同且连接部1015的两端分别对应于人造金属微结构第一部分1011的断裂端点和人造金属微结构第二部分1021的断裂端点，连接部1016的两端分别对应于馈线第一部分1012的断裂端点和馈线第二部分1022的断裂端点。人造金属微结构第二部分1021从人造金属微结构第二部分断裂端点在第二基片102上延伸的方向与人造金属微结构第一部分1011从人造金属微结构第一部分断裂端点在第一基片101上延伸的方向一致。此不仅节省成本而且还使得陶瓷天线整体更为小型化，更为重要的是，由于采用连接部连接相邻基片的人造金属微结构各部分使得天线整体抗干扰能力更强、电磁兼容能力亦更强。

可以想象地，将人造金属微结构进一步拆分并将其分布于基片上下表面以及侧面是结合上述两个较佳实施例明显可得的技术方案，在此不再赘述。

本发明的多层基片材质可采用陶瓷、高分子聚合物、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。其中高分子聚合物优选采用FR-4或F4B材料。更优选地，本发明多层基片采用多层陶瓷基片，由于陶瓷材料优良的电磁特性使得本发明超材料射频天线具有优良的电磁参数。

接下来详细描述本发明具有多层基片的超材料射频天线的制备方法。如图4所示，具有多层基片的超材料射频天线的制备过程包括：S1：制作多个基片；S2：在该多个基片表面印刷所需金属分支；S3：电连接相邻基片表面的金属分支；S4：将该多个基片压制为一体。

其中，如图7所示，S3步骤电连接相邻基片表面的金属分支可通过S31步骤：两相邻基片之间形成金属化通孔以电连接相邻基片表面的金属分支，或者通过S32步骤：在两相邻基片侧边印刷连接部以电连接相邻基片表面的金属分支。其中S31步骤还包括：S311：在需要电连接的金属分支末端打孔，通孔直径为0.1至0.5mm，打孔可选用数控钻床钻孔、数控冲床冲孔以及激光打孔等多种方式；S312：通孔填充，通孔填充可采用丝网印刷、掩膜印刷以及通孔铸浆等多种方式将液态金属填充于小孔中，其中通孔铸浆为较优方式。

当采用陶瓷材料作为本发明基片材料时，本发明制备工艺如图5所示，根据天线电磁参数需求，还包括步骤S5：将步骤S4中压制一体的多个陶瓷基片烧结。S5步骤中烧结温度低于1000度。同时，制备陶瓷基片的步骤如图6所示，S1步骤更包括：S11：混合有机载体和玻璃陶瓷粉，混合后的混合物将有助于提高陶瓷基片的品质因素并使得陶瓷基片的相对介电常数范围为5至30；S12：流延而制成多个陶瓷基片。

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 (11)

1.一种具有多层基片的超材料射频天线，其特征在于：包括堆叠一体的多个基片，该些基片上分别附着有包含馈线和人造金属微结构的金属分支，相邻基片之上的金属分支电连接；该些基片上的金属分支在平面展开后构成馈线和人造金属微结构，该馈线围绕该人造金属微结构设置，该人造金属微结构的拓扑图案为互补式开口谐振环、互补式螺旋环、双开口螺旋环、互补式弯折线中的一种；

所述基片为沿层叠方向层叠在一起的第一基片和第二基片，第一基片上印刷有人造金属微结构第一部分和馈线第一部分，人造金属微结构第一部分和馈线第一部分的末端设置有第一金属化通孔和第二金属化通孔；第二基片上印刷有人造金属微结构第二部分和馈线第二部分；所述第一金属化通孔的两端分别对应于人造金属微结构第一部分的断裂端点与人造金属微结构第二部分的断裂端点；所述第二金属化通孔两端分别对应于馈线第一部分断裂端点与馈线第二部分断裂端点。

2.如权利要求1所述的具有多层基片的超材料射频天线，其特征在于：该多层基片由陶瓷、高分子聚合物、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

3.如权利要求1所述的具有多层基片的超材料射频天线，其特征在于：该多层基片的截面图形为圆形、椭圆形或多边形。

4.如权利要求1所述的具有多层基片的超材料射频天线，其特征在于：该人造金属微结构第二部分从该人造金属微结构第二部分断裂端点在该第二基片上延伸的方向与该人造金属微结构第一部分从该人造金属微结构第一部分断裂端点在该第一基片上延伸的方向一致。

5.如权利要求4所述的具有多层基片的超材料射频天线，其特征在于：该第一基片侧面形成有第一连接部和第二连接部，该第一连接部两端对应于该人造金属微结构的第一部分断裂端点与该人造金属微结构的第二部分断裂端点，该第二连接部两端对应于该馈线的第一部分断裂端点与该馈线的第二部分断裂端点；该人造金属微结构第一部分和第二部分通过该第一连接部电连接，该馈线第一部分和第二部分通过该第二连接部电连接。

6.一种如权利要求1所述的具有多层基片的超材料射频天线的制备方法，其特征在于：包括步骤：S1：制作多个基片；S2：在该多个基片表面附着包含馈线和人造金属微结构的金属分支；S3：分别电连接相邻基片表面的馈线金属分支和人造金属微结构的金属分支；S4：将该多个基片压制为一体；该些基片上的金属分支在平面展开后构成馈线和人造金属微结构，该馈线围绕该人造金属微结构设置，该人造金属微结构的拓扑图案为互补式开口谐振环、互补式螺旋环、双开口螺旋环、互补式弯折线中的一种。

7.如权利要求6所述的具有多层基片的超材料射频天线的制备方法，其特征在于：步骤S3包括：S311：在需要电连接的金属分支末端通过数控钻床钻孔、数控冲床冲孔或激光打孔方式在该陶瓷基片上形成通孔；S312：通过丝网印刷、掩膜印刷或者通孔铸浆方式将液态金属填充于该些通孔。

8.如权利要求6所述的具有多层基片的超材料射频天线的制备方法，其特征在于：步骤S1至S4中该多个基片为多个陶瓷基片。

9.如权利要求8所述的具有多层基片的超材料射频天线的制备方法，其特征在于：步骤S1具体包括S11：混合有机载体和玻璃陶瓷粉；S12：流延。

10.如权利要求8所述的具有多层基片的超材料射频天线的制备方法，其特征在于：还包括步骤S5：将步骤S4中压制一体的多个陶瓷基片烧结。

11.如权利要求10所述的具有多层基片的超材料射频天线的制备方法，其特征在于：步骤S5中烧结温度低于1000度。