CN103022658B - 高增益超材料天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高增益超材料天线，其包括介质基板、金属结构、馈线及参考地，所述金属结构、馈线及参考地均置于所述介质基板上，所述馈线与所述金属结构相互耦合，所述参考地包括位于所述介质基板相对两表面的第一参考地单元及第二参考地单元，所述第一参考地单元使所述馈线的一端形成微带线。本发明高增益超材料天线通过精密地控制金属结构的拓扑形态及合理布局所述微带线，便得到需要的等效介电常数和磁导率分布，使天线能够在工作频段内实现较好地阻抗匹配，高效率地完成能量转换，并得到理想的辐射场型，其占用体积小，对环境要求低，增益高，应用范围广，可作为各种电子产品的内置天线。

Description

高增益超材料天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种高增益超材料天线。

背景技术

随着半导体工艺的迅猛发展，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。作为电子系统重要组成部分的射频模块面临着器件小型化的高难度技术挑战，现有的射频模块通常包括了混频、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，现有的PIFA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，因而体积较大，若减小体积，则无法实现所需要的增益。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增加额外的阻抗匹配网络。阻抗匹配网络额外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，很难满足低功耗的系统设计要求。

现有的PCB天线通常用于作内置天线，对环境要求高，需要预留一定面积净空区，对设备小型化有影响。设备上的金属配件需远离所述PCB天线，否则会对PCB天线产生较大影响。此外，其针对不同产品需要重新调试，研发周期长，且大量生产时质量稳定度有较大影响。

现有的基于复合左右手传输线技术的超材料天线是基于传输线理论来设计的(如，美国的Rayspan公司的超材料天线)，现有的所述超材料利用在普通右手传输线上加载一些实现左手所需要的串联电容和并联电感，即构成了复合传输线的超材料，利用复合左右手技术的超材料天线必须依赖于主板的尺寸，需要定制化的设计，使其应用范围存在很大的局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对上述现有技术的不足，提出一种高增益超材料天线，其占用体积小，对环境要求低，应用范围广，增益高，能够在工作频段内实现较好地阻抗匹配，高效率地完成能量转换，并得到理想的辐射场型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提出一种高增益超材料天线，其包括介质基板、金属结构、馈线及参考地，所述金属结构、馈线及参考地均置于所述介质基板上，所述馈线与所述金属结构相互耦合，所述参考地包括位于所述介质基板相对两表面的第一参考地单元及第二参考地单元，所述第一参考地单元使所述馈线的一端形成微带线。

进一步地，所述第一参考地单元及第二参考地单元相互电连接。

进一步地，所述介质基板设置有若干金属化通孔，所述第一参考地单元与所述第二参考地单元通过所述金属化通孔实现电连接。

进一步地，所述第一参考地单元设置有相互电连接的第一金属面单元及第二金属面单元，所述第一金属面单元与所述馈线的一端位置相对，使所述馈线的一端形成所述微带线；所述第二参考地单元设置有第三金属面单元，所述第三金属面单元与所述第二金属面单元位置相对。

进一步地，所述介质基板位于所述第二金属面单元及所述第三金属面单元处开设有若干金属化通孔，所述第二金属面单元与所述第三金属面单元通过所述金属化通孔电连接。

进一步地，所述第三金属面单元位于所述金属结构的一端，所述第三金属面单元呈长方面板状，并与所述馈线的延伸方向相同。

进一步地，所述第二参考地单元还设置有第四金属面单元，所述第四金属面单元位于所述馈线一端的一侧，并位于所述馈线的延伸方向上。

进一步地，所述介质基板位于所述第一金属面单元及所述第四金属面单元处开设有若干金属化通孔，所述第一金属面单元与所述第四金属面单元通过所述金属化通孔电连接。

进一步地，所述金属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、互补式弯折线结构、互补式开口谐振环结构的衍生结构、互补式开口谐振环结构的复合后结构、互补式开口谐振环结构组阵后的结构中的任一种。

进一步地，所述金属结构设置有框体及位于所述框体内的两螺旋线，所述两螺旋线相互连接形成开口螺旋环，所述开口螺旋环与所述框体连接，所述螺旋线的自由端呈面板状。

综上所述，本发明高增益超材料天线通过精密地控制金属结构的拓扑形态及布局所述微带线，得到需要的等效介电常数和磁导率分布，使天线能够在工作频段内实现较好地阻抗匹配，高效率地完成能量转换，并得到理想的辐射场型，占用体积小，对环境要求低，应用范围广，增益高。

附图说明

图1是本发明高增益超材料天线的主视图；

图2是本发明高增益超材料天线的后视图；

图3是图1所示本发明的S参数的仿真图；

图4a为互补式开口谐振环结构的示意图；

图4b所示为互补式螺旋线结构的示意图；

图4c所示为开口螺旋环结构的示意图；

图4d所示为双开口螺旋环结构的示意图；

图4e所示为互补式弯折线结构的示意图；

图5a为图4a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图；

图5b为图4a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图；

图6a为三个图4a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图；

图6b为两个图4a所示的互补式开口谐振环结构与图4b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图；

图7为四个图4a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明高增益超材料天线做进一步的描述：

超材料天线基于人工电磁材料技术设计而成，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。

请参阅图1及图2，本发明高增益超材料天线包括介质基板1、金属结构2、馈线3及参考地，所述介质基板1呈长方板状，其可由高分子聚合物、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等材质制成。在本实施例中，所述介质基板1的材质采用玻纤材质(FR4)制成，因而不仅成本低，而且可保证在不同的工作频率中保持良好的天线工作特性。

所述金属结构2、馈线3及参考地均置于所述介质基板1的表面上，所述金属结构2与所述介质基板1形成超材料，所述超材料的性能取决于所述金属结构2，在谐振频段，超材料通常体现出高度的色散特性，即其阻抗、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，因而通过改变所述金属结构2及介质基板1的基本特性，便使得所述金属结构2与介质基板1等效地组成一个按照洛伦兹材料谐振模型的高度色散的特种电磁材料。

请参阅图3至图7，所述金属结构2可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、互补式弯折线结构、互补式开口谐振环结构的衍生结构、互补式开口谐振环结构的复合后结构、互补式开口谐振环结构组阵后的结构中的任一种或类似的拓扑金属结构或金属蚀刻图案，所述金属结构2的形状有无穷多种，并不局限于上述所举的结构。在本实施例中，所述金属结构2设置有框体21及位于所述框体21内的两螺旋线22，所述两螺旋线22相互连接形成开口螺旋环，所述开口螺旋环与所述框体21连接，所述螺旋线22的自由端呈面板状，所述面板状的端部可增加天线的受波面积。本实施例的工作频段是2.4GHZ～2.49GHZ及5.72GHZ～5.85GHZ，上述该两频段的增益分别可达3.58dBi及3.14dBi，由图3可知，本发明的发射系数较小。

所述馈线3设置在所述金属结构2的一侧，并沿着所述金属结构2的长度方向延伸，其与所述金属结构2相互耦合，其中，所述馈线3的一端弯折延伸至所述金属结构2端部一侧。此外，可根据需要在所述馈线3与金属结构2之间的空间中嵌入容性电子元件，通过嵌入容性电子元件调节馈线3与金属结构2之间的信号耦合，由公式：可知电容值的大小和工作频率的平方成反比，所以当需要的工作频率为较低工作频率时，可以通过适当的嵌入容性电子元件实现。加入的容性电子元件的电容值范围通常在0-2pF之间，不过随着天线工作频率的变化嵌入的电容值也可能超出0-2pF的范围。

所述参考地位于所述馈线3的一侧，使所述馈线3的位于所述金属结构2端部的一端形成微带线31。在本实施例中，所述参考地包括第一参考地单元41及第二参考地单元42，所述第一参考地单元41及第二参考地单元42分别位于所述介质基板1的相对两表面。所述第一参考地单元41设置有相互电连接的第一金属面单元411及第二金属面单元412。所述第二参考地单元42与所述馈线3位于所述介质基板1的同一侧，并设置有第三金属面单元421及第四金属面单元422。

所述第一金属面单元411与所述馈线3位置相对，使所述馈线3的位于所述金属结构2端部的一端形成所述微带线31，即所述参考地为虚拟地。所述第二金属面单元412与所述第三金属面单元421位置相对。所述第三金属面单元421位于所述金属结构2的一端，所述第三金属面单元421呈长方面板状，并与所述馈线3的延伸方向相同。所述介质基板1位于所述第二金属面单元412及所述第三金属面单元421处开设有若干金属化通孔5，所述第二金属面单元412与所述第三金属面单元421通过所述金属化通孔5电连接。

所述第四金属面单元422位于所述馈线3一端的一侧，并位于所述馈线3的延伸方向上。所述介质基板1位于所述第一金属面单元411及所述第四金属面单元422处开设有若干金属化通孔5，所述第一金属面单元411与所述第四金属面单元422通过所述金属化通孔5电连接。通过第一金属面单元411与所述馈线3的一端形成所述微带线31，因而可减少外部信号对在所述馈线3上传送的信号干扰，提高天线增益，实现较好的阻抗匹配，节省材料，成本低。所述第一金属面单元411至第四金属面单元422之间通过巧妙的位置设置，因而使所述参考地占用较小的空间，便实现较大的面积。此外，通过设置所述金属化通孔5，因而可进一步提高所述参考地的面积。

综上所述，本发明高增益超材料天线通过精密地控制金属结构2的拓扑形态及布局所述微带线31，得到需要的等效介电常数和磁导率分布，使天线能够在工作频段内实现较好的阻抗匹配，高效率地完成能量转换，并得到理想的辐射场型，其占用体积小，对环境要求低，增益高，应用范围广，可作为各种电子产品的内置天线。

上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描述，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，例如，所述金属结构2与所述馈线3之间设置有连接件，使所述金属结构2与所述馈线3相互电连接，即所述金属结构2与所述馈线3之间采用感性耦合方式等，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高增益超材料天线，其特征在于：包括介质基板、金属结构、馈线及参考地，所述金属结构、馈线及参考地均置于所述介质基板上，所述金属结构设置有框体及位于所述框体内的两螺旋线，所述馈线与所述金属结构相互耦合，所述参考地包括位于所述介质基板相对两表面上的第一参考地单元及第二参考地单元，所述第一参考地单元包括第一金属面单元，所述第一金属面单元与所述馈线分别位于所述介质基板相对两表面上，所述第一金属面单元与所述馈线位置相对，使所述馈线的一端形成微带线，从而减少外部信号对在所述馈线上传送的信号干扰；所述第一参考地单元还设置有与所述第一金属面单元相互电连接的第二金属面单元；所述第二参考地单元设置有第三金属面单元，所述第三金属面单元与所述第二金属面单元位置相对；所述第二参考地单元还包括第四金属面单元，所述第四金属面单元位于所述馈线一端的一侧，并位于所述馈线的延伸方向上。

2.根据权利要求1所述的高增益超材料天线，其特征在于：所述第一参考地单元及第二参考地单元相互电连接。

3.根据权利要求2所述的高增益超材料天线，其特征在于：所述介质基板设置有若干金属化通孔，所述第一参考地单元与所述第二参考地单元通过所述金属化通孔实现电连接。

4.根据权利要求1所述的高增益超材料天线，其特征在于：所述介质基板位于所述第二金属面单元及所述第三金属面单元处开设有若干金属化通孔，所述第二金属面单元与所述第三金属面单元通过所述金属化通孔电连接。

5.根据权利要求4所述的高增益超材料天线，其特征在于：所述第三金属面单元位于所述金属结构的一端，所述第三金属面单元呈长方面板状，其延伸方向与所述馈线的延伸方向相同。

6.根据权利要求1所述的高增益超材料天线，其特征在于：所述介质基板位于所述第一金属面单元及所述第四金属面单元处开设有若干金属化通孔，所述第一金属面单元与所述第四金属面单元通过所述金属化通孔电连接。

7.根据权利要求1或2或3所述的高增益超材料天线，其特征在于：所述两螺旋线相互连接形成开口螺旋环，所述开口螺旋环与所述框体连接，所述螺旋线的自由端呈面板状。