CN103311658A

CN103311658A - 天线装置

Info

Publication number: CN103311658A
Application number: CN2012100690582A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 徐冠雄; 金曦
Original assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2032-03-15
Also published as: CN103311658B

Abstract

一种天线装置包括：电磁波辐射/接收单元，用于产生辐射或和接收电磁波；介质基板，用于承载所述电磁波辐射/接收单元；及电磁波空间调制单元，设置于所述电磁波辐射/接收单元一侧，且与介质基板相离的距离d，其中当电磁波穿过所述电磁波空间调制单元时，电磁波空间调制单元对所述电磁波进行空间调制。基于研究各个影响天线性能的物理组成因素，如通过引入低介电常数介电损耗材料做天线的介质基板，降低损耗天线能量的损耗；或/和电磁波空间调制单元，当电磁波穿过所述电磁波空间调制单元时，电磁波空间调制单元对所述电磁波进行空间调制，满足天线个性化的设计需求。

Description

天线装置

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种高性能、小型化的天线装置。

背景技术

微带天线(patch antenna)是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线，以其剖面薄、体积小、成本低等优点而被广泛应用于无线通信系统。它利用微带线、同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。和常用的微波天线相比，它有如下一些优点：小型化、重量轻、成本低，馈电网络可与天线结构一起制成，适用于用印刷电路技术大批量生产，能与有源器件和电路集成为单一的模件，容易获得圆极化，容易实现双频、多频段工作等。

但是微带天线有着一些明显的局限，如低增益、低辐射效率、带宽窄等。随着系统设备的进一步减小，对微带天线的尺寸及功能提出更高的要求。但是尺寸减小的同时带来增益和辐射效率降低等问题。

发明内容

基于此，为了提升基于人工复合材料天线的性能。因此提供一种高性能、小型化的天线装置。

一种天线装置包括：

电磁波辐射/接收单元，用于产生辐射或和接收电磁波；

介质基板，用于承载所述电磁波辐射/接收单元；及

电磁波空间调制单元，设置于所述电磁波辐射/接收单元一侧，且与介质基板相离的距离d，其中当电磁波穿过所述电磁波空间调制单元时，电磁波空间调制单元对所述电磁波进行空间调制。

进一步地，所述空间调制是对电磁波在空间的汇聚、发散、偏折或频率选择表面(FSS)中的任意一种。

进一步地，所述电磁波空间调制单元包括一基板及依附于基板表面或者嵌入基板之中的金属结构阵列。

进一步地，所述金属结构阵列为开口谐振环阵列结构。

进一步地，所述介质基板包括母体材料、高介电常数的粉末颗粒及包裹所述高介电常数的粉末颗粒的有机高分子材料；所述高介电常数的粉末颗粒和有机高分子材料形成核壳结构，所述母体材料和有机高分子材料互不相溶；所述核壳结构无规则离散地分布嵌入在所述母体材料中。

进一步地，所述每一高介电常数的粉末颗粒的粒径在0.1um-2um之间。

进一步地，所述高介电陶瓷材料选用钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡—锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶等组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷中的任意一种。

进一步地，所述介电常数的粉末颗粒表面上涂覆有活性剂，有机高分子材料通过化学键或氢键等吸附在表面活性剂上以形成所述核壳结构。

进一步地，所述有机高分子材料选用聚苯乙烯(PS)或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的任意一种。

进一步地，所述介质基板在1GHz频率下工作，具有≤0.005的电损耗正切量。

进一步地，所述电磁波辐射/接收单元包括金属结构、及与金属结构耦合关联的馈线。

进一步地，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。

进一步地，天线装置还包括一高介电常数模块，所述高介电常数模块设置电磁波空间调制单元与介质基板之间。

与相对现有技术相比，基于人工电磁材料原理研发天线时，研究各个影响天线性能的物理组成因素，如通过引入低介电常数介电损耗材料做天线的介质基板，降低损耗天线能量的损耗；或/和电磁波空间调制单元，当电磁波穿过所述电磁波空间调制单元时，电磁波空间调制单元对所述电磁波进行空间调制，满足天线个性化的设计需求。

附图说明

图1是本发明天线装置的示意图；

图2为图1天线装置的透视图；

图3为图1天线装置的截面图；

图4为图1所示高介电常数、低损耗介质基板一实施方式的示意图；

图5为图1所示高介电常数、低损耗介质基板另一实施方式的示意图；

图6为基于图4或所示介质基板加工成覆铜箔介质基板一实施方式的示意图；

图7为图4至图6所示介质基板的介电常数随高介电常数粉粒比例的变化示意图；

图8为图4至图6所示复合材料中核壳结构形成过程示意图；

图9为本发明介质基板和电磁波辐射接收单元结合一实施方式的示意图；

图10a为本发明电磁波辐射接收单元包含的一种开口谐振环金属子结构平面图；

图10b为图10a所示开口谐振环金属子结构的一种互补式金属子结构平面图；

图11a为本发明电磁波辐射接收单元包含的一种螺旋线金属子结构平面图；

图11b为图11a所示螺旋线金属子结构的一种互补式金属子结构平面图；

图12a为本发明电磁波辐射接收单元包含的一种弯折线金属子结构的平面图；

图12b为图12a所示弯折线金属子结构的一种互补式金属子结构平面图；

图13a为本发明电磁波辐射接收单元包含的一种开口螺旋环金属子结构的平面图；

图13b为图13a所示开口螺旋环金属子结构的一种互补式金属子结构平面图；

图14a为本发明电磁波辐射接收单元包含的一种双开口螺旋环金属子结构平面图；

图14b为图14a所示双开口螺旋环金属子结构的一种互补式金属子结构平面图；

图15为图9所示介质基板和电磁波辐射接收单元结合第二实施方式的示意图；

图16为图9所示介质基板和电磁波辐射接收单元结合第三实施例的立体图；

图17为图9所示介质基板和电磁波辐射接收单元结合第四实施例的立体图；

图18为图10a所示开口谐振环金属子结构其中之一结构的几何形状衍生示意图；

图19为图10b所示互补式开口谐振环金属子结构中另一结构的几何形状衍生示意图；

图20a为图10b所示三个互补式开口谐振环金属子结构复合衍生得到一种金属子结构平面图；

图20b为图20a所示金属子结构的一种互补式的金属子结构平面图；

图21为图1天线装置的电磁波空间调制单元；

图22为本发明天线装置一具体实施方式；

图23为图22所示天线装置电磁波波束辐射示意图；

图24为本发明天线装置另一具体实施方式。

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。

天线的性能、效率与其每一物理组成有着密切关系，本发明通过研究考虑各个影响天线性能的物理组成因素，系统性的提升天线的性能和效率。如图1和2所示，本发明天线装置的示意图及透视图。天线装置21包括介质基板121、依附于介质基板121上电磁波辐射/接收单元122及电磁波空间调制单元123。天线的本质是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或者称之为换能器。即天线是电路与空间的界面器件。由此以来，天线将电能转换为电磁波能量或者将电磁波能量转换为电能的效率决定了天线总体性能和效率。

所述电磁波辐射/接收单元122依附于介质基板121上，然而介质基板121会损耗部分由电磁波辐射/接收单元122产生或接收的电磁波的能量，从而降低天线装置122的能量转换率，继而影响天线装置21的最终发挥的效能。另一方面，微带天线根据其对应的谐振频率来设计天线的物理尺寸，因此由导电贴片制成微带天线尺寸在谐振频率确定的前提下，其尺寸不能根据需要变小。因此基于上述两个方面的影响因素，分别通过人工电磁材料理论可设计出各种适合的金属结构与耦合馈电方式来设计电磁波辐射/接收单元122；及另一方面通过改变介质基板121的介电常数和降低电损耗正切量以降低对电磁波能量的损耗。

请参阅图3，电磁波空间调制单元123放置于电磁波辐射/接收单元122一侧，且与介质基板121之间距离为d。所述电磁波空间调制单元123用于对电磁波辐射/接收单元122产生的电磁波进行空间调制。其中针对同一电磁波空间调制单元123，根据d的大小会对电磁波的调制产生不同的调制功效。所述调制作用可以是改变电磁波辐射方向、电磁波覆盖范围以及对电磁波的频率进行选择滤波。

下面详细介绍上述天线装置21各个物理组成进行分三类详细介绍：

1)天线装置的介质基板121主要分为陶瓷类和树脂类介质基板

陶瓷类高介电常数、低损耗介质基板121实施方式如下：请参考图4，为本类实施方式中高介电常数、低损耗的介质基板121一实施例。所述介质基板121包括母体材料101、高介电常数的粉末颗粒103及包裹所述高介电常数的粉末颗粒103的有机高分子材料102。所述高介电常数的粉末颗粒103和有机高分子材料102形成核壳结构11，所述核壳结构11无规则离散地分布嵌入在所述母体材料101中。所述复合材料10在未烘干和固化之前为一定粘度的高分子溶液。

所述母体材料101为高分子材料，包括但不限于环氧树脂、聚烯烃、聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷类及其共聚物或共混物。

在本实施方式中，通过采用高介电陶瓷材料磨制成所述高介电常数的粉末颗粒103，每一高介电常数的粉末颗粒103的粒径在0.05um-4um之间，其中较优选地高介电常数的粉末颗粒103的粒径0.1um-2um之间。其中高介电陶瓷材料包括但不限于钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡—锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶等组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷等。

请参阅图8，为了使在高介电常数的粉末颗粒103表面形成有机高分子材料102，首先在高介电常数的粉末颗粒103表面上涂覆有活性剂104将高介电常数的粉末颗粒103表面改性，然后有机高分子材料102通过化学键或氢键等吸附在表面活性剂104上。

所述有机高分子材料102可以选用各种与母体材料101不相溶的有机高分子材料，在加工过程中，应该根据不同工艺选择不同相应的材料。在本实施方式中，有机高分子材料102选用聚苯乙烯(PS)或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

请参考图5，所述高介电常数、低损耗介质基板121另一实施例示意图。所述核壳结构11离散且均匀地分布嵌入在所述母体材料101中。所述介质基板121在未烘干和固化之前为一定粘度的高分子溶液。

请参考图6，为基于所述介质基板121加工成覆铜介质基板121｀一实施方式的示意图。所述介质基板121｀包括一导电箔13和依附于所述导电箔13上的介质基板121。在本实施方式中，所述导电箔13优选铜箔。在其他实施方式中，所述导电箔13可选择银箔或者金箔。最后通过蚀刻方式将导电箔13蚀刻出所述电磁波辐射/接收单元122，至于所述电磁波辐射/接收单元122蚀刻出何种形状在下文中人工电磁材料设计中详细介绍。

参考图7，为图6所示介质基板的介电常数随高介电常数的粉末颗粒103整个复合材料中含量的变化。很明显地，随着高介电常数的粉末颗粒103比例增加，其介质基板121｀的介电常数逐渐增加。其中当高介电常数的粉末颗粒103为5％比例时，介质基板121｀的介电常数大约为3.4左右；当高介电常数的粉末颗粒103为10％时，介质基板121｀的介电常数大约为4.1左右；当高介电常数的粉末颗粒103为25％，介质基板121｀的介电常数大约为6.4左右；当高介电常数的粉末颗粒103为30％，介质基板121｀的介电常数达到8.3左右。由此可见，可以通过提高高介电常数的粉末颗粒103比例以提高介质基板121｀的介电常数。所述陶瓷类的介质基板在1GHz频率下工作，具有≤0.005的电损耗正切量。

所述介质基板121｀加工流程如下：

将高介电常数陶瓷加工成粉末颗粒。在该步骤中，通过将高介电陶瓷材料磨制成所述高介电常数的粉末颗粒，每一高介电常数的粉末颗粒的粒径在0.05um-4um之间，其中较优选地高介电常数的粉末颗粒的粒径0.1um-2um之间。其中高介电陶瓷材料包括但不限于钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡—锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶等组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷等。

将高介电常数陶瓷粉末颗粒表面包裹有机高分子材料，形成核壳结构。在本实施方式中，首先在高介电常数陶的粉末颗粒表面上涂覆有活性剂将高介电常数的粉末颗粒表面改性，然后有机高分子材料通过化学键或氢键等吸附在表面活性剂上以形成核壳结构。

将上述核壳结构和母体材料溶液按照一定比例进行混合配制成粘度溶液。核壳结构和母体材料溶液按照比例进行混合并进行搅拌均匀，使之成为粘度溶液。在本实施方式中，所述母体材料为高分子材料，包括但不限于环氧树脂、聚烯烃、聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷类及其共聚物或共混物，且在未通过烘干或固化手段，所述母体材料液体状态。

提供一导电箔，将粘度溶液涂布在第一导电箔上。在本实施方式中，所述导电箔选铜箔，然后业界常用溶液涂布方法及设备将粘度溶液涂布在铜箔一表面上。在其他实施方式中，所述第一导电箔11可选用银箔或金箔。

烘干和固化上述粘度溶液形成单面覆导电箔介质基板。在本实施方式中，在烘干、固化过程的温度控制50～100℃之间；而其烘干、固化采用业界常用方法及设备。

通过采用上述以高介电陶瓷为核、有机高分子膜为外壳的核壳结构，将上述核壳结构和母体材料溶液按照一定比例进行混合配制成粘度溶液；然后烘干和固化所述粘度溶液使得所述核壳结构无规则离散地分布嵌入在所述母体材料中，这样形成介质基板的损耗可降低50％以上，使得天线装置21的能量转换率进一步提高。

最后通过蚀刻方式将导电箔蚀刻出所述电磁波辐射/接收单元122，电磁波辐射/接收单元122蚀刻出何种形状在下文中详细介绍。

2)基于人工电磁材料方式设计天线装置的电磁波辐射/接收单元：

请参考图9，所述电磁波辐射/接收单元122依附于所述介质基板121上。电磁波辐射/接收单元122包括金属结构13、及与金属结构13耦合关联的馈线12。所述馈线12接收电信号通过耦合方式将电信号能量传递给金属结构13，金属结构13产生电磁谐振而辐射出电磁波。其中金属结构13长、宽及金属结构13线与线之间的宽度随着设计频点需要做任意修改。

所述介质基板121上还蚀刻有若干接地单元22，所述接地单元22对应的介质基板上开设至少一个金属化通孔23。所述金属化通孔23将各个分散的接地单元22电连接于一体。在其他实施方式中，在介质基板121的相对两表面对应的位置设置有接地单元22。

所述金属结构13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13可选用互补式的开口谐振环金属子结构(如图10a、10b所示)，即如图10a、10b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10a和10b所示金属结构13相互形成一对互补式的开口谐振环金属结构。如图10a所示的金属结构13未设置有连接末端，因此图10a所示的金属结构13可以采用耦合方式与馈线12耦合关联(如图16所示)。请一并参考图17，所述介质基板121上还设置有接地单元且馈线长度相对如图16所示的馈线长度缩短。在天线开发设计过程中，图10b所示金属结构与馈线12相互耦合关联。所述介质基板121上设置有如图10a所示形状的金属结构，而其长、宽及线与线之间的宽度参数根据目标谐振频率而设置并进行仿真测试。

所述金属结构13还可选用如图11a和11b所示的一对互补式螺旋线金属结构、如图12a和12b所示的一对互补式弯折线金属结构、如图13a和13b所示的一对互补式的开口螺旋环金属结构及如图14a和14b所示的一对互补式的双开口螺旋环金属结构。

所述金属结构122包括4个如图12b金属结构122内嵌于所述如图10b金属结构衍生结构内组合形成(如图15所示)。在上述各种金属子结构122形成各种的弯折处都是呈直角形状的。在其他实施方式中，金属子结构122形成各种的弯折处为圆角，如金属结构122的弯折处的圆角形状。

所述金属结构122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子结构。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10a所示的开口谐振金属环结构为例，图18为其几何形状衍生示意图。

此处的扩展衍生即在图10至图14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10至图14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122。如图20a所示的复合金属结构122是由三个如图10b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20a所示的金属结构得到一种互补式的复合金属结构(如图20b所示)。

在本发明中，所述介质基板121两相对表面都设有金属结构122情况下，两表面上的金属结构122可以通过金属化的通孔电连接，也可以通过相互电磁耦合关联。当所述两表面上的金属结构122通过相互电磁耦合关联的情况下，通过改变介质基板121的厚度可以实现两表面上的金属结构122的谐振。在所述两表面上的金属结构122电连接的情况下(例如通过导线或金属化通孔的形式连接)，所述两表面上的金属结构122之间通过感性耦合的方式馈电。

3)天线装置的电磁波空间调制单元123的设计

基于人工电磁复合材料设计出各种功能型的电磁波空间调制单元123，所述电磁波空间调制单元123的功能包括对电磁波束的汇聚、发散、偏折及频率选择表面(FSS)等功能。电磁波空间调制单元123包括一基板31及排布于所述基板31上的金属结构。所述金属结构可选用图9至图20中所示含的金属结构。所述金属结构均匀地设置于所述基板31表面或者嵌入基板31之中。在其他的实施方式中，所述金属结构还可以选用三维的金属结构。

请参阅图21，本实施例中，所述金属结构为开口谐振环阵列结构32且均匀地排布于基板31的一表面。

请一并参考图22和23，所述电磁波空间调制单元123对电磁波辐射/接收单元产生的电磁波进行定向汇聚，从而形成高增益的定向天线。

请参阅图24，为本发明天线装置的另一实施方式的示意图。为了进一步缩小天线装置的体积，即减少电磁波空间调制单元123与介质基板121的距离d，天线装置21还包括一高介电常数模块124，所述高介电常数模块124设置电磁波空间调制单元123与介质基板121之间，高介电常数模块124的介电常数值至少大于空气的介电常数值，因此可以进一步减少天线装置的体积。

通过对天线的上述设计，即改进天线的基板性能，降低对电磁波的损耗，与此同时，基于人工电磁复合材料理论设计电磁波辐射/接收单元及电磁波空间调制单元，从各个天线的物理成份提升天线的性能，使得天线能量转换为达到最佳。

所述天线装置21适合于各种无线电子设备，包括但不限于手机、移动多媒体设备、WIFI设备、个人计算机、蓝牙设备、无线路由器、无线上网卡及导航装置等。

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

1.一种天线装置，其特征在于，包括：

电磁波辐射/接收单元，用于产生辐射或和接收电磁波；

介质基板，用于承载所述电磁波辐射/接收单元；及

2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于：所述空间调制是对电磁波在空间的汇聚、发散、偏折或频率选择表面(FSS)中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于：所述电磁波空间调制单元包括一基板及依附于基板表面或者嵌入基板之中的金属结构阵列。

4.根据权利要求3所述的天线装置，其特征在于：所述金属结构阵列为开口谐振环阵列结构。

5.根据权利要求4所述的天线装置，其特征在于：所述介质基板包括母体材料、高介电常数的粉末颗粒及包裹所述高介电常数的粉末颗粒的有机高分子材料；所述高介电常数的粉末颗粒和有机高分子材料形成核壳结构，所述母体材料和有机高分子材料互不相溶；所述核壳结构无规则离散地分布嵌入在所述母体材料中。

6.根据权利要求5所述的天线装置，其特征在于：所述每一高介电常数的粉末颗粒的粒径在0.1um-2um之间。

7.根据权利要求6所述的天线装置，其特征在于：所述高介电陶瓷材料选用钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡—锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶等组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷中的任意一种。

8.根据权利要求7所述的天线装置，其特征在于：所述介电常数的粉末颗粒表面上涂覆有活性剂，有机高分子材料通过化学键或氢键等吸附在表面活性剂上以形成所述核壳结构。

9.根据权利要求8所述的天线装置，其特征在于：所述有机高分子材料选用聚苯乙烯(PS)或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的任意一种。

10.根据权利要求9所述的天线装置，其特征在于：所述介质基板在1GHz频率下工作，具有≤0.005的电损耗正切量。

11.根据权利要求10所述的天线装置，其特征在于：所述电磁波辐射/接收单元包括金属结构、及与金属结构耦合关联的馈线。

12.根据权利要求11所述的天线装置，其特征在于：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。

13.根据权利要求1至12任意一项所述的天线装置，其特征在于，天线装置还包括一高介电常数模块，所述高介电常数模块设置电磁波空间调制单元与介质基板之间。