CN103187620A - 一种天线及具有该天线的mimo天线 - Google Patents

一种天线及具有该天线的mimo天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种天线，其包括第一介质基板与第二介质基板，所述第一介质基板具有两相对侧表面，其中一侧表面上设置有第一金属片以及通过耦合方式馈入所述第一金属片并部分围绕所述第一金属片设置的馈线，相对的另一侧表面上设置有第二金属片，所述第二金属片与所述馈线电连接；所述第二介质基板覆盖于所述第一介质基板之上，所述第一金属片上镂空有微槽结构。本发明通过设置第二介质基板以增大天线的分布电容，通过设置第二金属片增大馈线的有效辐射面积，使得天线可工作于极低的频段，并使得天线工作于低频段时仍能保证其小型化与高性能。同时，本发明还公开一种具有多个上述天线的MIMO天线，该MIMO天线具有高隔离度。

Description

一种天线及具有该天线的MIMO天线
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体地，涉及一种天线及具有该天线的MIMO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，针对现有技术的不足，提出一种在低频段仍能保证其小型化且性能优良的天线及具有该天线的MIMO天线。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是提出一种天线，其包括：第一介质基板与第二介质基板，所述第一介质基板具有两相对侧表面，其中一侧表面上设置有第一金属片以及通过耦合方式馈入所述第一金属片并部分围绕所述第一金属片设置的馈线，相对的另一侧表面上设置有第二金属片，所述第二金属片与所述馈线电连接；所述第二介质基板覆盖于所述第一介质基板之上，所述第一金属片上镂空有微槽结构。
进一步地，所述微槽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、复合或组阵得到的微槽结构。
进一步地，所述馈线通过电容耦合方式馈入所述第一金属片。
进一步地，所述馈线通过电感耦合方式馈入所述第一金属片。
进一步地，所述微槽结构通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻、离子刻镂空于所述第一金属片上。
进一步地，所述第一介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料或铁氧材料制成。
进一步地，所述第二介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料或铁氧材料制成。
进一步地，所述第一介质基板上形成有金属化通孔，所述馈线和所述第二金属片通过所述金属化通孔电连接。
进一步地，所述天线还包括用于连接所述馈线和所述第一金属片的可短接点。
本发明还提供一种MIMO天线，所述MIMO天线包括多个权利要求1所述的天线。
本发明通过设置第二介质基板以增大天线的分布电容，通过设置第二金属片增大馈线的有效辐射面积，使得天线可工作于极低的频段，并使得天线工作于低频段时仍能保证其小型化与高性能。同时，本发明还公开一种具有多个上述天线的MIMO天线，该MIMO天线具有高隔离度。
附图说明
图1为本发明天线立体结构示意图；
图2为本发明天线移去第二介质基板后的第一介质基板结构示意图；
图3a为互补式开口谐振环结构的示意图；
图3b所示为互补式螺旋线结构的示意图；
图3c所示为开口螺旋环结构的示意图；
图3d所示为双开口螺旋环结构的示意图；
图3e所示为互补式弯折线结构的示意图；
图4a为图3a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图；
图4b为图3a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图；
图5a为三个图3a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图；
图5b为两个图3a所示的互补式开口谐振环结构与图3b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图；
图6为四个图3a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
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，设计一种天线，其利用人造微槽结构的高度色散特性将人造微槽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，以及覆盖于第一介质基板上的第二介质基板。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；并且第二介质基板增大天线的分布电容也使得天线的工作频段随之降低。
如图1至图2所示，图1为本发明天线立体结构示意图，图2为本发明天线移去第二介质基板后的第一介质基板示意图。本发明天线包括第一介质基板1以及覆盖于第一介质基板1上的第二介质基板2。
第一介质基板1包括两相对的表面，一表面上设置有第一金属片10以及围绕该第一金属片10设置的馈线11，馈线11通过耦合方式馈入第一金属片10，其耦合方式可以是在馈线11与第一金属片10之间形成可短接点以形成感性耦合方式，也可以为馈线11与第一金属片10之间不接触而是二者相对的部分构成耦合电容以形成容性耦合方式。第一金属片10上镂空有微槽结构12。微槽结构12可以是图3a所示的互补式开口谐振环结构、图3b所示的互补式螺旋线结构、图3c所示的开口螺旋环结构、图3d所示的双开口螺旋环结构、图3e所示的互补式弯折线结构中的一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到的微槽结构。衍生分为两种，一种是几何形状衍生，另一种是扩展衍生，此处的几何形状衍生是指功能类似、形状不同的结构衍生，例如由方框类结构衍生到曲线类结构、三角形类结构及其它不同的多边形类结构；此处的扩展衍生即在图3a至图3e的基础上开设新的槽以形成新的微槽结构；以图3a所示的互补式开口谐振环结构为例，图4a为其几何形状衍生示意图，图4b为其几何形状衍生示意图。此处的复合是指，图3a至图3e的微槽结构多个叠加形成一个新的微槽结构，如图5a所示，为三个图3a所示的互补式开口谐振环结构复合后的结构示意图；如图5b所示，为两个图3a所示的互补式开口谐振环结构与图3b所示为互补式螺旋线结构共同复合后的结构示意图。此处的组阵是指由多个图3a至图3e所示的微槽结构在同一金属片上阵列形成一个整体的微槽结构，如图6所示，为多个如图3a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。以下均以图3c所示的开口螺旋环结构为例阐述本发明。相对的另一表面上设置有第二金属片20，第二金属片20通过形成于第一介质基板1上的金属化通孔30电连接馈线11。
第二介质基板2通过吸附、贴附或者压制等方式覆盖于第一介质基板1之上。
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，且增大物理长度将导致馈线损耗增大使得天线整体性能下降。本发明通过设置的第二金属片20以及第二介质基板2从两方面解决该问题。
一方面，第二金属片20与馈线11电连接，使得第二金属片20能对第一金属片10耦合馈电，且馈电量的的大小可由第二金属片20与第一金属片10之间形成的耦合电容决定，因此当天线频率变化时，即可通过调整第二金属片20与第一金属片10之间的耦合面积来满足天线性能需求。
另一方面，由于第一介质基板1上覆盖有第二介质基板2，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2才能被发射或者被接收。由于第一介质基板1与第二介质基板2之间形成耦合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2与第一介质基板1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FR-4。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FR-4。
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RadioFrequency 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。
本发明还提供了一种MIMO天线，所述的MIMO天线由多个上述的天线组成。此处的MIMO即是指多输入多输出。即MIMO天线上的所有单个的天线同时发射，同时接收。MIMO天线可以在不需要增加带宽或总发送功率损耗的前提下大幅度增加系统的信息吞吐量及传输距离。另外本发明的MIMO天线还具有很高的隔离度，多个天线之间的抗干扰能力强。
本发明的MIMO天线，其每个天线的馈线11与一个接收/发射机连接，所有的接收/发射机均连接到一个基带信号处理器上。
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 (10)

1.一种天线，其特征在于：包括第一介质基板与第二介质基板，所述第一介质基板具有两相对侧表面，其中一侧表面上设置有第一金属片以及通过耦合方式馈入所述第一金属片并部分围绕所述第一金属片设置的馈线，相对的另一侧表面上设置有第二金属片，所述第二金属片与所述馈线电连接；所述第二介质基板覆盖于所述第一介质基板之上，所述第一金属片上镂空有微槽结构。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述微槽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、复合或组阵得到的微槽结构。
3.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述馈线通过电容耦合方式馈入所述第一金属片。
4.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述馈线通过电感耦合方式馈入所述第一金属片。
5.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述微槽结构通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或离子刻镂空于所述第一金属片上。
6.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述第一介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料或铁氧材料制成。
7.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述第二介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料或铁氧材料制成。
8.如权利要求1所述的天线，其特征在于：所述第一介质基板上形成有金属化通孔，所述馈线和所述第二金属片通过所述金属化通孔电连接。
9.如权利要求4所述的天线，其特征在于：所述天线还包括用于连接所述馈线和所述第一金属片的可短接点。
10.一种MIMO天线，其特征在于：所述MIMO天线包括多个权利要求1所述的天线。
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