CN103296389A - 一种超材料天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超材料天线，该天线包括：基板、设置在基板一表面的第一金属片和第二金属片、第一馈线以及第二馈线；基板呈矩形且具有第一中心线；第一金属片和第二金属片、第一金属片和第二金属片上分别镂刻出的第一槽拓扑结构和第二槽拓扑结构对应互相对称于第一中心线；第一馈线和第二馈线分别与第一金属片和第二金属片相互耦合，第一馈线靠近第一中心线的一端设置第一馈片，第二馈线靠近第一中心线的一端设置间隔包覆第一馈片的第二馈片。本发明的天线是应用超材料技术设计出使电磁波谐振的天线，满足无线通讯设备小型化、天线内置的需求。

Description

一种超材料天线

技术领域

本发明属于通讯设备领域，具体涉及一种超材料天线。

背景技术

随着无线通讯技术的发展，无线通讯设备有了越来越高的要求，而作为电磁波接收与发送的天线也有了多种结构以适应通讯设备的要求，就天线的性能或者结构有了更高的挑战。

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。在一些更为复杂的电子系统中，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，很难满足低功耗的系统设计要求。因此，小型化的新型天线技术成为了当代电子集成系统的一个重要技术瓶颈。

发明内容

为了解决现有天线中存在的问题，本发明提供了一种超材料天线，通过应用超材料技术设计天线结构，在满足通讯设备性能要求的前提下实现天线的小型化，为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超材料天线，所述天线包括：基板、设置在基板一表面的第一金属片和第二金属片、第一馈线以及第二馈线；所述基板呈矩形且具有第一中心线；所述第一金属片和所述第二金属片、所述第一金属片和第二金属片上分别镂刻出的第一槽拓扑结构和第二槽拓扑结构对应互相对称于所述第一中心线；所述第一馈线和所述第二馈线分别与所述第一金属片和所述第二金属片相互耦合，所述第一馈线靠近所述第一中心线的一端设置第一馈片，所述第二馈线靠近所述第一中心线的一端设置间隔包覆所述第一馈片的第二馈片。

进一步地，所述基板具有与所述第一中心线垂直的第二中心线；所述第一金属片和所述第二金属片分别对称于所述第二中心线。

进一步地，所述第一槽拓扑结构在所述第二中心线任一侧为开口螺旋环状结构。

进一步地，所述第一馈片与所述第二馈片耦合连接。

进一步地，所述第一馈片呈矩形状，所述第二馈片间隔包覆所述第一馈片朝向所述第一中心线一侧及其相邻侧。

进一步地，所述第一槽拓扑结构的槽宽与所述第一槽拓扑结构中相邻槽的间距不相等。

进一步地，所述第一馈线的宽度、所述第一馈线与所述第一金属片间的距离分别与所述第一槽拓扑结构中相邻槽的间距和所述第一槽拓扑结构的槽宽相等。

进一步地，所述第一槽拓扑结构的槽宽为0.25mm；所述所述第一槽拓扑结构中相邻槽的间距为0.20mm。

进一步地，所述第一馈片和所述第二馈片上设置有金属化通孔。

进一步地，所述基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

进一步地，所述天线表面上设置有非金属的防氧化薄膜。

本发明的天线是应用超材料技术设计出使电磁波谐振的天线，决定该天线体积的金属片尺寸的物理尺寸不受半波长的物理长度限制，该金属片与馈线进行信号耦合即可得到本发明中的天线，可以根据无线通讯设备本身尺寸设计出相应的天线，满足无线通讯设备小型化、天线内置的需求。

附图说明

图1是本发明超材料天线实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的S参数仿真图；

图3是本发明实施例1操作于2.4GHz时E方向辐射场型仿真图；

图4是本发明实施例1操作于2.4GHz时H方向辐射场型仿真图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的超材料天线采用人工电磁材料理论来设计，即超材料技术理论；所述人工电磁材料是指将金属片加工设计(如采用蚀刻工艺等方式)成响应电磁波的一定形状的金属片结构，所述人工电磁材料也能将高频电信号转化电磁波；其性能直接取决于电磁波亚波长的金属片结构。尤其在金属片结构的谐振频段，人工电磁材料通常体现出高度的色散特性，换言之，金属片结构的阻抗、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。因而可基于人工电磁材料设计方法将金属片结构的基本特性进行设计，使得金属片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天线。

如图1所示为本发明实施例1的天线的结构示意图。本实施例中的天线10包括基板7、设置在基板7一表面上的第一金属片6和第二金属片8、第一馈线4以及第二馈线5。其中，基板7呈矩形，且该基板7具有第一中心线a和与第一中心线a垂直的第二中心线b。在第一金属片6和第二金属片8上分别镂刻出第一槽拓扑结构61和第二槽拓扑结构81，第一金属片6、第一槽拓扑结构61与第二金属片8、第二槽拓扑结构81对应着互相对称于第一中心线a。第一馈线4和第二馈线5分别与第一金属片6和第二金属片8相互耦合馈，在第一馈线4靠近第一中心线a的一端设置了第一馈片3，第一馈片3呈矩形，在第二馈线5靠近第一中心线a的一端设置了第二馈片9，第二馈片9间隔包覆第一馈片3朝向第一中心线a一侧及其相邻侧，第一馈片3、第二馈片9上分别设置了金属化通孔31、91，第一馈片3和第二馈片9耦合连接。

本发明中第一金属片6和第二金属片8上分别镂刻出第一槽拓扑结构61和第二槽拓扑结构81，镂刻时去除第一槽拓扑结构61和第二槽拓扑结构81对应的材料后，在第一金属片6和第二金属片8上分别呈现出第一金属走线62和第二金属走线82；第一槽拓扑结构61中相邻槽的间距即为第一金属走线62的宽度，第一槽拓扑结构61的槽宽大于第一金属走线62的宽度，第一馈线4的宽度和第一馈线4与第一金属片6的间距分别与第一馈线4的宽度和第一槽拓扑结构61的槽宽相等，在本实施例中，第一槽拓扑结构61的槽宽、第一馈线4与第一金属片6的间距均为0.25mm，第一金属走线62宽度和第一馈线4的宽度均为0.20mm。

本发明的天线也可以选择第一馈线4的宽度、第一馈线4与第一金属片6的间距、第一馈线4的宽度和第一槽拓扑结构61的槽宽均相等。

在本实施例1中，第一金属片6自身对称于第二中心线b，因而，设置在第一金属片6上的第一微槽结构61和第一金属走线62也对称于第二中心线b，第一槽拓扑结构61在第二中心线的任一侧均为开口螺旋环状结构。由于第二金属片8、第二槽拓扑结构81、第二金属走线82与第一金属片6、第一微槽结构61、第一金属走线62对应着互相对称于第一中心线a，因此，同样地，第二金属片8自身对称于第二中心线b，设置在第二金属片8上的第二槽拓扑结构81和第二金属走线82也对称于第二中心线b，第二槽拓扑结构81在第二中心线的任一侧均为开口螺旋环状结构。第一金属片6和第二金属片8由铜或银材料制成，优选为铜，价格低廉，导电性能好，为了实现更好阻抗匹配，也可以为铜和银组合。

在本实施例1中，基板7可由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成，优选地，由高分子材料制成，具体地可以是FR-4、F4B等高分子材料。

本发明中，馈线与金属片之间信号馈入方式可以采用多种方式。馈线直接与所述金属片相连；且馈线与金属片的相连接点位置可以位于金属片上的任意位置。馈线采用包围方式设置于金属片外围且馈线的末端设置于金属片外围任意位置。

如图2所示为本发明实施例1的S参数仿真图，该图示出了实施例1的天线在2.448GHz具有-30.140633dB的损耗，表明本发明实施例1天线能够在2.4GHz附近频率段内工作，并且满足无线通讯设备中对天线的要求。

图3、图4分别示出了本发明实施例1天线操作于2.4GHz时分别在垂直平面(E-Plane)和水平平面(H-Plane)方向仿真结果图，在此结果中能够观察到本发明的天线的方向性极好，不亚于现有天线并符合应用标准。

本发明中，关于天线10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，如覆铜的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，如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的精确加工来完成槽拓扑结构的加工，用铁片来完成其它辅助部分。由于采用低成本的铜材料形成所述金属片。由于本发明的主要性能都集中在金属片的槽拓扑结构的设计，因此，馈线的引线对天线的辐射频率影响相对较小。基于这个特点，天线可以被灵活的摆放在系统的任何位置，简化的安装测试的复杂度。

本发明天线在发生尺寸修改、馈线长度和环绕方式变化、两馈片的大小间距的变化等改变时会引起天线谐振频段的变化，而依此启发对本发明天线的修改均被涵盖在本发明天线的设计思想中，都应受到本发明的保护。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，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情况下做出的技术方案，均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种超材料天线，其特征在于，所述天线包括：基板、设置在所述基板一表面的第一金属片和第二金属片、第一馈线以及第二馈线；所述基板呈矩形且具有第一中心线；所述第一金属片和所述第二金属片、所述第一金属片和第二金属片上分别镂刻出的第一槽拓扑结构和第二槽拓扑结构对应互相对称于所述第一中心线；所述第一馈线和所述第二馈线分别与所述第一金属片和所述第二金属片相互耦合，所述第一馈线靠近所述第一中心线的一端设置第一馈片，所述第二馈线靠近所述第一中心线的一端设置间隔包覆所述第一馈片的第二馈片。

2.根据权利要求1所述的超材料天线，其特征在于，所述基板具有与所述第一中心线垂直的第二中心线；所述第一金属片和所述第二金属片分别对称于所述第二中心线。

3.根据权利要求2所述的一种超材料天线，其特征在于，所述第一槽拓扑结构在所述第二中心线任一侧为开口螺旋环状结构。

4.根据权利要求1所述的超材料天线，其特征在于，所述第一馈片与所述第二馈片耦合连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的超材料天线，其特征在于，所述第一馈片呈矩形状，所述第二馈片间隔包覆所述第一馈片朝向所述第一中心线一侧及其相邻侧。

6.根据权利要求1所述的超材料天线，其特征在于，所述第一槽拓扑结构的槽宽与所述第一槽拓扑结构中相邻槽的间距不相等。

7.根据权利要求6所述的超材料天线，其特征在于，所述第一馈线的宽度、所述第一馈线与所述第一金属片间的距离分别与所述第一槽拓扑结构中相邻槽的间距和所述第一槽拓扑结构的槽宽相等。

8.根据权利要求6或7所述的超材料天线，其特征在于，所述第一槽拓扑结构的槽宽为0.25mm；所述所述第一槽拓扑结构中相邻槽的间距为0.20mm。

9.根据权利要求1所述的超材料天线，其特征在于，所述第一馈片和所述第二馈片上设置有金属化通孔。

10.根据权利要求1所述的超材料天线，其特征在于，所述基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

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