CN103094657A - 一种介质基板及具有该介质基板的天线 - Google Patents

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栾琳
周添
李双双
尹小明
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Abstract

本发明涉及一种介质基板，包括至少一个人工电磁材料片层，每个人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板表面的至少两个人造微结构，至少有两个位于不同平面内的人造微结构通过导电材料电连接；该介质基板具有较高的介电常数。本发明还公开了一种使用该介质基板的天线，由于介质基板的介电常数较高，所以有利于实现天线的小型化。

Description

一种介质基板及具有该介质基板的天线
技术领域
本发明涉及一种新材料，更具体地说，涉及一种介质基板及具有该介质基板的天线。
背景技术
人工电磁材料，是一种能够对电磁波产生响应的新型人工合成材料，由基板和附着在基板上的人造微结构组成。由于人造微结构通常是由导电材料排布成的具有一定几何图案的结构，因此能够对电磁波产生响应，从而使人工电磁材料整体体现出不同于基板的电磁特性。
介电常数是以绝缘材料为介质与以真空为介质制成同尺寸电容器的电容量之比值，其表示在单位电场中，单位体积内积蓄的静电能量的大小。介电常数表征电介质极化并储存电荷的能力。如果有高介电常数的材料放在电场中，电场的强度会在电介质内有可观的下降。在高介电常数材料中，电磁波波长很短，可以大大缩小射频及微波器件的尺寸。现有的材料绝大多数介电常数的变化范围者很小。
目前常用的介质基板通常采用FR4(玻璃纤维环氧树脂)、F4B(聚四氟乙烯玻璃布)和陶瓷等；其中FR4成本低，但是介电常数较低，在GHz频段一般为3至4左右，而且损耗很大(损耗正切角达到0.02)；F4B损耗比FR4小(损耗正切角为0.001)，但是成本较FR4高，而且其介电常数也比较低，在GHz频段一般为2至3左右；因此基板采用FR4和F4B都不利于实现器件的小型化。陶瓷的介电常数一般在20至60左右，损耗角正切为10-4左右，虽然陶瓷的介电常数相对较高，但是随着其介电常数的增高其损耗和成本都会增加，此外陶瓷不易打磨和钻孔，会增加加工成本。因此FR4、F4B和陶瓷都不是理想的高介电常数介质基板材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种介质基板，该介质基板是一种人工电磁材料，其在一定的频段内较高的介电常数。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种介质基板，包括至少一个人工电磁材料片层，每个人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板表面的至少两个人造微结构，至少有两个位于不同平面内的人造微结构通过导电材料电连接。
在本发明的优选实施方式中，相互电连接的所述人造微结构通过在其所在的基板上打孔，导电材料穿过所述孔与所述人造微结构电连接或者在孔内镀上导电层所述人造微结构通过导电层实现电连接；或者相互电连接的所述人造微结构通过基板外的导线直接电连接。
在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于所述基板上。
在本发明的优选实施方式中，所述基板为陶瓷材料、FR4、F4B、树脂基、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构包括共交点的四个支路，任一所述支路的一端与所述交点相连、各支路以所述交点为圆心依次顺时针旋转90度、180度和270度后分别与其他三个支路重合。
本发明还公开了一种天线，包括介质基板、导电层、接地层和馈针，导电层位于所述介质基板的上表面、接地层位于所述介质基板的下表面，介质基板上设置有贯穿上下表面的通孔，通孔内设置有馈针，所述馈针与所述导电层电连接，馈针与接地层之间相互绝缘，所述介质基板包括至少一个人工电磁材料片层，每个人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板表面的人造微结构，至少有两个位于不同基板内的人造微结构通过导电材料电连接。
在本发明的优选实施方式中，相互电连接的所述人造微结构通过在其所在的基板上打孔，导电材料穿过所述孔与所述人造微结构电连接或者在孔内镀上导电层所述人造微结构通过导电层实现电连接；或者相互电连接的所述人造微结构通过基板外的导线直接电连接。
在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于所述基板上。
在本发明的优选实施方式中，所述基板为陶瓷材料、FR4、F4B、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构包括共交点的四个支路，任一所述支路的一端与所述交点相连、各支路以所述交点为圆心依次顺时针旋转90度、180度和270度后分别与其他三个支路重合。
实施本发明，具有以下有益效果：通过在介质基板中嵌入通过导电材料电连接的人造微结构可以提高介质基板的介电常数，通过将该介质基板应用在天线中可以实现天线的小型化。
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，附图中：
图1是实施例所示的介质基板的俯视示意图；
图2是图1所示介质基板的前视图示意图；
图3是图1所示介质基板S11特性曲线仿真示意图；
图4至图6是介质基板的可能结构示意图；
图7至图11是人造微结构的可能结构示意图；
图12使用实施例中的介质基板的天线的拆分结构示意图。
具体实施方式
本实施例提供一种介质基板，包括三个人工电磁材料片层，相邻人工电磁材料片层沿垂直于其表面的方向通过粘贴剂组装成为一体；当然相邻的人工电磁材料片层之间也可以通过机械连接、焊接或者在相邻的人工电磁材料片层之间填充可连接二者的物质将两者粘合等方式组装成一体。
如图1和图2所示，，每个人工电磁材料片层包括基板和附着在基板正反两面的人造微结构，该介质基板包括基板1、基板2和基板3，相邻基板之间通过粘合层4和粘合层5结合为一体，每个基板虚拟地划分为四个模块，每个模块的正反两面分别附着一个人造微结构，每个模块设置有通孔，每个通孔内设置有铜线用来电连接模块上下表面的两个人造微结构。当然也可以是在孔内镀上导电层所述人造微结构通过导电层实现电连接，或者不同平面内的人造微结构也可以不用通孔只是使用金属线进行电连接。基板采用厚度为0.4毫米、介电常数为16的陶瓷材料，当然也可以采用FR4、F4B、树脂基、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。如图1所示，人造微结构包括相互正交的四个支路，每个支路呈T型结构，任一所述T型支路以T型中的竖直线的末端为交点彼此相连，各支路以所述交点为圆心依次顺时针旋转90度、180度和270度后分别与其他三个支路重合。
每个模块的表面尺寸为9毫米×9毫米，每个支路中T型横线的长度为6.65毫米、T型竖线长度为4毫米，人造微结构由厚度为0.018毫米、线宽为0.1毫米的铜线制成，通过仿真可知当频率为1.8GHz时该介质基板的介电常数为74，远远高于陶瓷基板的介电常数。由图3中的仿真可知该介质基板的谐振频率为1.5722GHz，小于陶瓷基板对应的谐振频率。
本发明还提供了一种具有上述介质基板的天线，如图12所示，该天线包括馈针15、导电层16、介质基板17和接地层18，导电层16位于介质基板17的上表面、接地层18位于介质基板17的下表面，导电层16、介质基板17和接地层18上设置有贯穿上下表面的通孔，通孔内设置有所述馈针15，馈针上端设置有针帽，针帽的横截面积大于导电层通孔的面积，接地层通孔的面积大于馈针的横截面，馈针与导电层电连接、与接地层相互绝缘，介质基板包括至少一个人工电磁材料片层，每个人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板表面的人造微结构，至少有两个位于不同平面内的人造微结构通过导电材料电连接。由于提高介质基板的介电常数和降低基板的谐振频率可以减小天线的尺寸，因此使用上述介质基板有利于实现天线的小型化。
通过改变介质基板中基板的层数、人造微结构的形状和尺寸等因素可以进一步提高介质基板的介电常数，使其满足特殊场合对高介电常数的需求。
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变形，比如，介质基板可以为图4所示的单层基板结构，包括基板1；也可以是图5的双层基板(包括基板7和基板8，两基板之间通过粘合层9结合为一体)和图6中的三层基板(包括基板10、基板11和基板12，三层基板之间通过粘合层13和14结合为一体)，当然也可以包括更多层。人造微结构可以附着在基板的一个表面上如图5所示，也可以附着在基板的正反两面上如图4所示(上下层的人造微结构通过导线2和导线3电连接)。人造微结构可以为其他各种几何形状，既可以是旋转对称的结构比如图7至图11所示的结构，各支路可以包括弯折部，弯折部可以为直角、圆角或者尖角等形状，各支路与交点相对的另一端可以连接线段也可以不连接线段等，也可以不是旋转对称的结构，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种介质基板，包括至少一个人工电磁材料片层，其特征在于，每个人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板表面的至少两个人造微结构，至少有两个位于不同平面内的人造微结构通过导电材料电连接。
2.根据权利要求1所述的介质基板，其特征在于，相互电连接的所述人造微结构通过在基板上打孔，导电材料穿过所述孔与所述人造微结构电连接或者在孔内镀上导电层所述人造微结构通过导电层实现电连接；或者相互电连接的所述人造微结构通过基板外的导线直接电连接。
3.根据权利要求1所述的介质基板，其特征在于，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于所述基板上。
4.根据权利要求1所述的介质基板，其特征在于，所述基板为陶瓷材料、FR4、F4B、树脂基、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
5.根据权利要求1至4任一所述的介质基板，其特征在于，所述人造微结构包括共交点的四个支路，任一所述支路的一端与所述交点相连、各支路以所述交点为圆心依次顺时针旋转90度、180度和270度后分别与其他三个支路重合。
6.一种天线，包括介质基板、导电层、接地层和馈针，导电层位于所述介质基板的上表面、接地层位于所述介质基板的下表面，介质基板和接地层上设置有贯穿上下表面的通孔，通孔内设置有所述馈针，所述馈针与所述导电层电连接，馈针与接地层之间相互绝缘，其特征在于，所述介质基板包括至少一个人工电磁材料片层，每个人工电磁材料片层包括基板和附着在所述基板表面的人造微结构，至少有两个位于不同平面内的人造微结构通过导电材料电连接。
7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，相互电连接的所述人造微结构通过在基板上打孔，导电材料穿过所述孔与所述人造微结构电连接或者在孔内镀上导电层所述人造微结构通过导电层实现电连接；或者相互电连接的所述人造微结构通过基板外的导线直接电连接。
8.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于所述基板上。
9.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述基板为陶瓷材料、FR4、F4B、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
10.根据权利要求6至9任一所述的天线，其特征在于，所述人造微结构包括共交点的四个支路，任一所述支路的一端与所述交点相连、各支路以所述交点为圆心依次顺时针旋转90度、180度和270度后分别与其他三个支路重合。
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