CN103296382A - 基于复合材料的线路板及其应用的电子设备 - Google Patents

Abstract

一种基于复合材料的线路板包括：一介质基板，所述介质基板包括第一区域和第二区域，在1GHz的工作频率下，第二区域具有≤0.005的电损耗正切量；一超材料天线单元，设置所述介质基板的第二区域内，所述超材料天线单元包括一超材料金属结构、与金属结构耦合关联的一馈线及一接地单元。通过采用将射频模块与天线设计于同一介质基板上，上述整个介质基板或承载超材料天线单元的介质基材的那部分基板采用高介电常数、低损耗的复合材料制成，从而将射频模块与天线设计于同一介质基板以提高天线能能量转换。

Description

基于复合材料的线路板及其应用的电子设备

技术领域

本发明涉及无线通讯领域，尤其涉及一种包含超材料天线单元的线路板及其应用的电子设备。

背景技术

在通讯系统中，电子元器件的尺寸逐步向着高功效、多功能及小尺寸方向发展，这对高频材料的性能提出更高的需求。现代电子信息产品特别是微波射频器件的高速发展，集成度极大的提高及数字化、高频化、多功能化等应用要求已经向一般的PTFE射频线路板提出了挑战，尤其随着射频段的无线通讯系统中，对于天线的基板要求低损耗要求越来越高。

目前市场上的射频线路板的选材主要有PTFE基板、热固性PPO、交联聚丁二烯基板和环氧树脂复合基板。其介电常数、介电损耗及可加工性能三者匹配的需求已经非常迫切。有机复合基板材料一般是将无机氧化物陶瓷颗粒均匀分散到有机高分子材料中来制造复合材料基板。无机氧化物具有较高的介电常数，有机高分子材料具有很好的成型性和可加工性能，结合上述两者的优点，就可得到介电常数在较高范围、同时可加工性能良好的复合材料。

因选取的原材料的限制，现有的有机高分子-氧化物陶瓷复合材料不能获得较高的介电常数，介电损耗也较大。然而，常见的高介电有机高分子-氧化物陶瓷复合材料通常由环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等介电常数较低、损耗较大的高分子材料与介电常数较大、但损耗也较高的铁电陶瓷颗粒组成。为了保证材料的可加工性，树脂的含量不能太低，即是低介电常数的铁电陶瓷的含量不能太高，这就导致复合材料的介电常数不高。同时，高分子材料组分和铁电陶瓷材料组分的高损耗也会致使复合材料的较高的损耗。

为了使无线射频模块与天线设计一体化，于是可以将射频模块与天线设计于同一介质基板上。但是采用现有介质基板，如PCB板材用作电路板设计时，其介电常数大小及损耗等参数对电子电路布线影响较小，几乎不需要考虑。但是，基于PCB板材作为天线基材，制成的天线能量转换效率较低，因此将射频模块与天线设计于同一介质基板上使得整个无线射频装置的性能降低。

发明内容

基于此，为了解决无线射频模块与天线设计一体化后，提高天线能量转换效率，在无线射频模块(如射频芯片的处理能力)性能瓶颈满足的条件下，使得整个无线射频装置各个方面的性能提高。因此，提供一种包含超材料微结构天线的线路板。

同时，本发明还提供一种应用包含超材料微结构天线线路板的电子设备。

一种基于复合材料的线路板包括：

一介质基板，所述介质基板包括第一区域和第二区域，在1GHz的工作频率下，第二区域具有≤0.005的电损耗正切量；

一超材料天线单元，设置所述介质基板的第二区域内，所述超材料天线单元包括一超材料金属结构、与金属结构耦合关联的一馈线及一接地单元。

进一步地，所述第一区域内印刷有电子电路布线图案。

进一步地，所述第一区域在1GHz的工作频率下，第二区域具有≤0.005的电损耗正切量。

进一步地，所述第一区域选用以下环氧树脂玻璃布层压板FR4、多脂氟乙烯PTFE、聚四氟乙烯玻璃布F4、改性环氧树脂FR4中任意一种制得。

进一步地，所述金属结构包括选用互补式的开口谐振环金属结构、互补式弯折线金属结构、互补式的开口螺旋环金属结构及互补式的双开口螺旋环金属结构中的任意一种。

进一步地，所述金属结构包括由一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到。

进一步地，所述衍生分为包括几何形状衍生和扩展衍生中的任意一种。

一种应用天线装置的电子设备，包括电源、接口界面、无线控制模块、超材料天线模块及一介质基板，所述介质基板包括第一区域和第二区域，其中第一区域内印刷有电子电路布线图案，所述电源、接口界面及无线控制模块设置于所述第一区域内的电子电路布线图案上；所述超材料天线模块包括介质基板的第二区域及设置于第二区域内超材料天线单元，在1GHz的工作频率下，第二区域具有≤0.005的电损耗正切量；所述超材料天线单元包括一超材料金属结构、与金属结构耦合关联的一馈线及一接地单元。

进一步地，所述金属结构包括由一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到。

进一步地，所述衍生分为包括几何形状衍生和扩展衍生中的任意一种。

相对现有技术，通过采用将射频模块与天线设计于同一介质基板上，上述整个介质基板或承载超材料天线单元的介质基材的那部分基板采用低介电常数、低损耗的复合材料制成，从而将射频模块与天线设计于同一介质基板以提高天线能能量转换。

附图说明

图1是本发明电子设备的模块图；

图2为图1所示电子设备包含线路板一实施例的俯视图；

图3为图1所示超材料天线的辐射单元平面示意图；

图4为图3所示天线单元包含一超材料金属结构的平面图；

图5a为本发明天线单元包含的一种开口谐振环金属结构平面图；

图5b为图5a所示开口谐振环金属结构的一种互补式金属结构平面图；

图6a为本发明天线单元包含的一种螺旋线金属结构平面图；

图6b为图6a所示螺旋线金属结构的一种互补式金属结构平面图；

图7a为本发明天线单元包含的一种弯折线金属结构的平面图；

图7b为图7a所示弯折线金属结构的一种互补式金属结构平面图；

图8a为本发明天线单元包含的一种开口螺旋环金属结构的平面图；

图8b为图8a所示开口螺旋环金属结构的一种互补式金属结构平面图；

图9a为本发明天线单元包含的一种双开口螺旋环金属结构平面图；

图9b为图9a所示双开口螺旋环金属结构的一种互补式金属结构平面图；

图10为图5a所示开口谐振环金属结构几何形状衍生示意图；

图11为图5b所示互补式开口谐振环金属结构中几何形状衍生示意图；

图12为图5b所示互补式开口谐振环金属结构衍生示意图；

图13a为图5b所示三个互补式开口谐振环金属结构复合衍生得到一种金属结构平面图；

图13b为图13a所示金属结构的一种互补式的金属结构平面图；

图14为图2所示沿着M-M’线路板的横截面示意图；

图15为本发明另一实施方式线路板的横截面示意图。

具体实施方式

现在详细参考附图中描述的实施例。为了全面理解本发明，在以下详细描述中提到了众多具体细节。但是本领域技术人员应该理解，本发明可以无需这些具体细节而实现。在其他实施方式中，不详细描述公知的方法。过程、组件和电路，以免不必要地使实施例模糊。

请参考图1，是本发明电子设备的模块图。电子设备1包括电源118、接口界面119、无线控制模块108及超材料天线模块117。无线控制模块108接收接口界面119传输的数据后进行处理，并通过超材料天线模块117将信号转换为电磁波信号，或者无线控制模块108将超材料天线模块117接收的电磁波信号转换为包含信息的电信号，并通过接口界面119将包含信息的电信号传送给处理装置，所述处理装置的包括各种应用计算机、移动通讯装置等。

所述无线控制模块108包括一处理器114、一非易失性存取器111、晶振112、放大器113、切换开关115及带通滤波器116。在本实施方式中，所述无线控制模块108包含Wi-Fi射频模块和蓝牙射频模块，或者同时包含上述两射频模块。

所述电子设备1还包括一介质基板10，请参考图2，为电子设备包含线路板一实施例的俯视图。所述一介质基板10包括第一区域13和第二区域14，所述超材料天线模块117包括一超材料天线单元113和位于介质基板10上的第一区域13内的介质基材，所述超材料天线单元113设置在所述第一区域13内。所述第一区域13内的介质基材在1GHz频率下工作，具有≤0.005的电损耗正切量和介电常数≤4.0。所述介质基板10在第一区域13同一侧面还包括第二区域14，在第二区域14内设置电子电路的布局布线，所述无线控制模块108、电源118及接口界面119通过SMT工艺贴在所述第二区域14内。在本实施方式中，所述无线控制模块108采用AW-NH387芯片，该Wi-Fi/Bluetooth射频芯片同时包含Wi-Fi射频模块和蓝牙射频模块。由于上述两射频模块的通讯频段位于2.4GHz左右，因此本发明的超材料天线。

2.4GHz超材料天线模块的设计：

请参阅图3，为所示超材料天线的辐射单元平面示意图。所述超材料天线单元113包括一金属结构211、与金属结构211耦合关联的一馈线212及一接地单元216，其中在馈线212一端设置有馈电部，所述馈电部设置于所述接地单元216之间。在本实施例中，所述金属结构211开口谐振环金属结构(如图5a所示)。在其他实施方式中，所述金属结构211采用各种不同的超材料金属结构。

请参考图4，为本发明天线装置的金属结构示意图。不同的超材料金属结构在根据基于人工电磁材料原理设计本发明的天线装置时，通过CST、HFSS等仿真软件更改金属结构整体的长度d、宽度w及金属结构线与线之间的间距S这些参数，同时金属结构布线形成螺旋线的圈数g，图5所示的螺旋线的圈数g为2。通过调节上述参数来实现设计目标天线，使得影响天线装置的参数得到优化。另外，天线装置的馈线的长度、宽度、接地单元的面积大小也是开发设计天线的参数变量，因此根据目标的谐振频段、方向性、增益等天线指标调节上述参数，以实现目标天线性能指标。

为了满足天线开发设计要求，开发出不同形状的金属结构以适应天线设计需求，请参考图5至图9所示不同形状的金属结构，这些所述金属结构采用各种人工电磁材料中的金属结构及其衍生结构。如所述金属结构可选用互补式的开口谐振环金属结构(如图5a、5b所示)，即如图5a、5b所示两种金属结构的形状形成互补。此种设计等效于增加了天线物理长度(实际长度尺寸不增加)，这样可以使得天线开发有利于小型化。

图5a和5b所示金属结构相互形成一对互补式的开口谐振环金属结构。所述金属结构还可选用如图6a和6b所示的一对互补式螺旋线金属结构、如图7a和7b所示的一对互补式弯折线金属结构、如图8a和8b所示的一对互补式的开口螺旋环金属结构及如图9a和9b所示的一对互补式的双开口螺旋环金属结构。

本发明天线装置的金属结构可以由一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到的金属结构。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开口曲线金属结构、开口三角形金属结构、开口多边形金属结构及其它不同的多边形类结构，以图5a所示的开口谐振金属环结构为例，图10为其几何形状衍生示意图。由如以图5b所示的开口谐振金属环结构为例，图11为其几何形状衍生示意图。除上述两种从几何形状上衍生外，还包括对金属结构自身延伸衍生，请参考图12所示金属衍生方式，以图5b所示的开口谐振金属环结构为进行自身延伸衍生方式。

本发明的扩展衍生即在图5至图9的金属结构的基础上相互复合叠加形成金属结构；此处的复合是指，如图5至图9所示的至少两个金属结构复合叠加形成一个复合金属结构。如图13a所示的复合金属结构是由三个如图5b所示互补式开口谐振环金属结构复合嵌套形成。从而由如图13a所示的金属结构得到一种互补式的复合金属结构(如图13b所示)。

介质基板10的研发及配方设计：

在本发明的实施方式中，所述低介电常数低损耗的介质基板10包括环氧树脂、由极性高分子与非极性高分子化合的共聚物及玻纤布。上述介质基板10制作工艺如下：首先将环氧树脂、由极性高分子与非极性高分子化合的共聚物、一种或者多种溶剂按照一定比例配置混合成浸润溶液。所述浸润溶液经过搅拌后、将所述一玻纤布浸润所述浸润溶液中使吸附在玻纤布中或者表面上；然后烘干上述玻纤布使得环氧树脂与由极性高分子与非极性高分子化合的共聚物交联化合，并使得一种或者多种溶剂挥发形成半固化片或者固化片。其中所述半固化片或固化片在1GHz频率下工作，具有≤4.0的标称介电常数和≤0.005的电损耗正切量。在本实施方式中，在具体的实施例中，所述极性高分子与非极性高分子化合的共聚物选用苯乙烯马来酸酐共聚物。

在本实施方式中，所述浸润过的玻纤布通过低温烘烤形成半固化物(呈片状)，然后所述半固化物剪裁成剪裁片，根据厚度需要将所述多片剪裁片叠合并进行热压成本实施所述的多层介质基板(即多层层压板或片)。当然也可以理解，所述浸润过的玻纤布直接通过高温烘烤形成固化物，即本发明所述的单层介质基板(即单层层压板或片)。

其中本实施方式的苯乙烯马来酸酐共聚物，其分子式如下：

在上述苯乙烯马来酸酐共聚物分子式中包含4个苯乙烯。在其他实施方式中，可以选择相应分子量，如苯乙烯马来酸酐共聚物分子式中包含6、8个苯乙烯或者任意个数。环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。

在浸润溶液比例配方的具体实施例中，所述环氧树脂与苯乙烯马来酸酐共聚物按照官能值的比例进行配制，然后加入一定量的溶剂配成溶液。所述环氧树脂与苯乙烯马来酸酐共聚物混合工艺采用常规设备进行加工，如普通搅拌桶以及反应釜使环氧树脂与苯乙烯马来酸酐共聚物均匀混合。

在本实施例中，通过加入一定的促进剂促使上述浸润溶液200-400秒时间内胶化(选用胶化环境温度171℃)，其中促进上述浸润溶液胶化时间260秒左右(如258-260秒、或250-270秒等)效果较好。所述促进剂可选用包括但不限于叔胺类，咪唑类以及三氟化硼单乙胺中的任意一类或他们之间混合物。

所述一种或者多种溶剂可以选用包括但不限于丙酮、丁酮、N，N-二甲基甲酰胺、乙二醇甲醚、甲苯中任意一种或上述两种以上溶剂之间混合形成的混合溶剂。该实施方式的浸润溶液具体配方如下表：

在上述配方中同时加入了苯乙烯马来酸酐共聚物和氰酸酯预聚体，两者均与环氧树脂均能发生化合交联反应。

请参阅图14，图2所示沿着M-M’线路板的横截面示意图。介质基板10的第一区域13和第二区域14采用相同基材组成。在本实施方式中，介质基板10的全部基材都采用上述低介电常数、低损耗的复合材料制得。

在其他实施方式中，请参阅图15，本发明另一实施方式线路板的横截面示意图。介质基板10的第一区域13选用以下环氧树脂玻璃布层压板FR4、多脂氟乙烯PTFE、聚四氟乙烯玻璃布F4、改性环氧树脂FR4中任意一种制得，而第二区域14本发明所述的低介电常数、低损耗的复合材料制得。通过在第二区域14的一个侧边上设置一凸边4，而在第一区域13的上设置一容置上述凸边4的槽。

通过采用将射频模块与天线设计于同一介质基板上，上述整个介质基板或承载超材料天线单元的介质基材的那部分基板采用低介电常数、低损耗的复合材料制成，从而将射频模块与天线设计于同一介质基板以提高天线能能量转换。

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)

1.一种基于复合材料的线路板，其特征在于，包括：

一介质基板，所述介质基板包括第一区域和第二区域，在1GHz的工作频率下，第二区域具有≤0.005的电损耗正切量；

一超材料天线单元，设置所述介质基板的第二区域内，所述超材料天线单元包括一超材料金属结构、与金属结构耦合关联的一馈线及一接地单元。

2.根据权利要求1所述的线路板，其特征在于：所述第一区域内印刷有电子电路布线图案。

3.根据权利要求2所述的线路板，其特征在于：所述第一区域在1GHz的工作频率下，具有≤0.005的电损耗正切量。

4.根据权利要求2所述的线路板，其特征在于：所述第一区域选用以下环氧树脂玻璃布层压板FR4、多脂氟乙烯PTFE、聚四氟乙烯玻璃布F4、改性环氧树脂FR4中任意一种制得。

5.根据权利要求2所述的线路板，其特征在于：所述金属结构包括选用互补式的开口谐振环金属结构、互补式弯折线金属结构、互补式的开口螺旋环金属结构及互补式的双开口螺旋环金属结构中的任意一种。

6.根据权利要求5所述的线路板，其特征在于，所述金属结构包括由一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到。

7.根据权利要求6所述的线路板，其特征在于，所述衍生分为包括几何形状衍生和扩展衍生中的任意一种。

8.一种应用天线装置的电子设备，包括电源、接口界面、无线控制模块、超材料天线模块及一介质基板，其特征在于，所述介质基板包括第一区域和第二区域，其中第一区域内印刷有电子电路布线图案，所述电源、接口界面及无线控制模块设置于所述第一区域内的电子电路布线图案上；所述超材料天线模块包括介质基板的第二区域及设置于第二区域内超材料天线单元，在1GHz的工作频率下，第二区域具有≤0.005的电损耗正切量；所述超材料天线单元包括一超材料金属结构、与金属结构耦合关联的一馈线及一接地单元。

9.根据权利要求8所述的电子设备，其特征在于：所述金属结构包括由一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到。

10.根据权利要求9所述的电子设备，其特征在于：所述衍生分为包括几何形状衍生和扩展衍生中的任意一种。

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