CN102904021B - 一种超材料射频天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超材料射频天线，其包括附着有多个人造金属微结构的第一介质基板、与该第一介质基板连接的馈线、覆盖于该第一介质基板上的第二介质基板。天线在接收或者发射电磁波时均需要通过该第二介质基板使得天线整体的分布电容增大，根据公式可知，增大分布电容能有效降低天线工作频率，因此可在不改变馈线长度的情况下使得天线在低频时仍然工作良好，满足天线小体积、低工作频率及宽带多模的要求。

Description

一种超材料射频天线
技术领域
本发明涉及一种射频天线，尤其涉及一种超材料射频天线。
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，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。尽管如此现有的超材料小天线在面对现有终端设备小体积、低工作频率、宽带多模等问题时，设计的过程中也受到了极大的制约。
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，提出进一步缩短天线尺寸并在低工作频段工作良好的超材料射频天线。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种超材料射频天线，其包括：附着有人造金属微结构的第一介质基板、与该人造金属微结构耦合的馈线、覆盖于该第一介质基板上面的第二介质基板。
该人造金属微结构为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、双开口螺旋环结构以及互补式弯折线结构中的一种。
该第一介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。
该第二介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。
该馈线围绕该人造金属微结构设置且通过金属短接点与该人造金属微结构形成感性耦合。
该馈线围绕该人造金属微结构设置且不与该人造金属微结构接触而形成容性耦合。
本发明通过在第一介质基板上覆盖第二介质基板，两块介质基板之间形成耦合电容使得天线工作在低频时无需增长馈线长度，减小了天线的体积。
附图说明
图1为本发明超材料射频天线的结构示意图。
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。其将人造金属微结构附着于第一介质基板上并利用人造金属微结构的高度色散特性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以实现天线小型化；另外，本发明还在天线结构中加入第二介质基板，第二介质基板覆盖于第一介质基板上使得天线的分布电容增大。
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附着有人造金属微结构40的第一介质基板30、与第一介质基板30连接的馈线10以及覆盖于第一介质基板30上的第二介质基板20。人造金属微结构40可以是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、互补式弯折线结构中的一种以及通过前面几种结构衍生、复合、组合或组阵得到的金属微结构。上面的几种微结构具体可参考专利号为CN201490337的中国专利申请。馈线10通过可短接点50与人造金属微结构40连接从而与人造金属微结构40形成感性耦合以对其进行馈电。可短接点50的位置可以是任意位置。另外馈线10对人造金属微结构40馈电的方式还可以是容性耦合馈电方式，即馈线10围绕人造金属微结构40设置而不与人造金属微结构40接触。第二介质基板20覆盖于第一介质基板30的方式为多样的，可采用贴附、吸附或者压制等方式。
由天线射频原理可知，电长度是描述电磁波波形变化频繁程度的物理量，电长度＝物理长度/波长。当天线工作于低频时，低频对应的电磁波波长较长，在需要保持电长度不变的前提下，增长物理长度就是必要的选择。然而增大物理长度必然不能满足天线小型化的要求。本发明在第一介质基板30上覆盖设置有第二介质基板20，当天线在接收或者发射电磁波时，电磁波均需要通过第二介质基板20才能被发射或者被接收从而使得天线整体的分布电容增大。根据公式可知，增大分布电容能有效降低天线工作频率使得在不增加物理长度的前提下就可保持电长度不变。并且通过改变第二介质基板20与第一介质基板30的材质即可改变天线整体的分布电容从而针对不同的频率均可达到在不改变物理长度的前提下改变电长度的目的，这样就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的射频天线。
本发明的第一介质基板的材质可选用陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料；其中高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR4。本发明的第二介质基板的材质可选用陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料；其中高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR4。
在本发明中，关于天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造均可满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成芯片微结构部分的加工，用铁片来完成其它辅助部分。
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 (3)

1.一种超材料射频天线，其特征在于：包括附着有人造金属微结构的第一介质基板、与该人造金属微结构耦合的馈线、覆盖于该第一介质基板上的第二介质基板；所述人造金属微结构周期排列于第一介质基板上；该人造金属微结构为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、双开口螺旋环结构以及互补式弯折线结构中的一种；
该第一介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成；
该第二介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成；
通过改变第二介质基板与第一介质基板的材质改变超材料射频天线的分布电容从而针对不同的频率改变电长度。
2.如权利要求1所述的超材料射频天线，其特征在于：该馈线围绕该人造金属微结构设置且通过可短接点与该人造金属微结构形成感性耦合。
3.如权利要求1所述的超材料射频天线，其特征在于：该馈线围绕该人造金属微结构设置且不与该人造金属微结构接触而形成容性耦合。
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