CN103682642B - 一种微带贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微带贴片天线，包括超材料支撑板、设置在超材料支撑板一侧表面上的辐射贴片、与辐射贴片馈电连接的馈线及设置在超材料支撑板另一侧表面的接地板，所述超材料支撑板包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一介质基板、第二介质基板以及夹设于第一介质基板与第二介质基板之间的多个人造微结构，所述接地板包括至少一个导电微结构。根据本发明的微带贴片天线，将传统的全铜接地板用至少一个导电微结构来代替，并且将传统的介质基板用超材料支撑板来代替，具有增益好、成本低的优势。

Description

一种微带贴片天线

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种微带贴片天线。

背景技术

传统的微带贴片天线如图1所示，其包括超材料支撑板100、设置在超材料支撑板100一侧表面上的辐射贴片200、与辐射贴片200馈电连接的馈线300及设置在超材料支撑板100另一侧表面的全铜接地板300，全铜接地板的面积与超材料支撑板100相当。

此种类型的微带贴片天线通常用FR-4环氧树脂板或F4B复合材料做超材料支撑板，以FR-4环氧树脂板为超材料支撑板的微带贴片天线的损耗略微有些大，一般在10^-2量级，这对于贴片天线的辐射效率以及增益的影响是非常大的；以F4B复合材料的为超材料支撑板的微带贴片天线的辐射效率以及增益相对来说要好一些，但是相对来说成本就高了很多。

目前，在微带贴片天线的生产中，怎样兼顾成本与性能是一个技术难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种增益好、成本低的微带贴片天线。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：提供一种微带贴片天线，包括超材料支撑板、设置在超材料支撑板一侧表面上的辐射贴片、与辐射贴片馈电连接的馈线及设置在超材料支撑板另一侧表面的接地板，所述超材料支撑板包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一介质基板、第二介质基板以及夹设于第一介质基板与第二介质基板之间的多个人造微结构，所述接地板包括至少一个导电微结构。

进一步地，所述导电微结构包括大开口谐振环及被大开口环所包围的小开口谐振环，所述大开口谐振环的开口与小开口谐振环的开口朝向相反。

进一步地，所述第一介质基板及第二介质基板由陶瓷材料、FR-4环氧树脂、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚醚醚酮或聚四氟乙烯制得。

进一步地，所述导电微结构为由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线、银线或者铝线，所述导电微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法形成在超材料支撑板的下表面。

进一步地，所述人造微结构为由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线、银线或者铝线，所述多个人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法形成在第一介质基板或第二介质基板的一侧表面上。

进一步地，所述多个人造微结构呈平面雪花状，其具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

进一步地，所述超材料支撑板的厚度在0.2-2mm之间，所述辐射贴片、馈线及导电微结构的厚度在0.005-0.5mm之间。

进一步地，所述第一介质基板及第二介质基板的厚度均为0.25mm，所述辐射贴片、馈线及导电微结构的厚度为0.018mm。

进一步地，所述接地板包括4X4阵列排布的16个相同的导电微结构，所述超材料支撑板包括两个相同的超材料片层，每一超材料片层包括8X8阵列排布的64个人造微结构，每四个人造微结构对应一个导电微结构。

进一步地，所述大开口谐振环的线宽各处一致，均为2mm；所述大开口谐振环包括与超材料支撑板的边缘平行的第一底线、垂直连接在第一底线两端的两个第一侧线及与两个第一侧线垂直连接的两个第一开口线；所述第一底线的长度为16mm，所述两个第一侧线的长度为14mm，所述两个第一开口线的长度为4.5mm；

所述小开口谐振环的线宽各处一致，均为2mm；所述小开口谐振环包括与超材料支撑板的边缘平行的第二底线、垂直连接在第二底线两端的两个第二侧线及与两个第二侧线垂直连接的两个第二开口线；所述第二底线的长度为4mm，所述两个第一侧线的长度为6mm，所述两个第二开口线的长度为3mm；

所述大开口谐振环与小开口谐振环的间距为2mm。

任意相邻的两个导电微结构之间的间隔相同，为4mm；所述第一介质基板与第二介质基板为相对介电常数为4.9、相对磁导率为1的FR-4环氧树脂板，所述第一介质基板与第二介质基板的长度与宽度均为80mm，其厚度均为0.25mm；所述辐射贴片、馈线及导电微结构的材料为铜，其厚度均为0.018mm；所述辐射贴片为圆形，其半径为16mm；所述馈线的宽度为0.845mm，馈线的长度为8.419mm。

根据本发明的微带贴片天线，将传统的全铜接地板用至少一个导电微结构来代替，并且将传统的介质基板用超材料支撑板来代替，具有增益好、成本低的优势，并且在同等条件下（仅接地板结构不同），由于导电微结构是非整块的（局部通过蚀刻溶解），因此重量要轻。

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是现有的微带贴片天线的结构示意图；

图2是本发明一种实施例的微带贴片天线的结构示意图；

图3是图2另一视角图；

图4是图3所示的导电微结构的一种衍生结构；

图5是图3所示的导电微结构的一种变形结构。

图6是本发明一种实施例的超材料支撑板的超材料片层去掉第二介质基板后的结构示意图；

图7是本发明一种实施例的超材料支撑板的结构示意图；

图8本发明一种实施例的人造微结构的结构示意图。

具体实施方式

如图2至3所示，本发明提供了一种微带贴片天线，包括超材料支撑板1、设置在超材料支撑板1一侧表面SA上的辐射贴片2、与辐射贴片2馈电连接的馈线3及设置在超材料支撑板1另一侧表面SB的接地板4，所述接地板4包括至少一个导电微结构MS；所述超材料支撑板1包括至少一个超材料片层10，如图6至7所示，每一超材料片层10包括第一介质基板11、第二介质基板12以及夹设于第一介质基板11与第二介质基板12之间的多个人造微结构13，图6中为了表达每一超材料片层的层结构，将所示的多个人造微结构13所构成的层用剖面线表示，人造微结构13实际结构参见图7。图2中所示的接地板4是示意性的画法，实际结构参见图3。所述馈线3与辐射贴片2可以是容性耦合馈电（即馈线与辐射贴片不连接），也可以是感性耦合馈电（馈线与辐射贴片连接）。如图2所示，本实施例中，所述馈线3与辐射贴片2连接，即馈线3与辐射贴片2感性耦合馈电。辐射贴片2可以是任意形状，例如正方形、长方形、圆形、半圆形、三角形或椭圆形等。

本发明中，所述第一介质基板11及第二介质基板12由陶瓷材料、FR-4环氧树脂、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚醚醚酮或聚四氟乙烯等制得。例如廉价的聚苯乙烯，或者是FR-4环氧树脂。

本发明中，所述人造微结构为由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线、银线或者铝线，所述多个人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法形成在第一介质基板或第二介质基板的一侧表面上。

本发明中，所述人造微结构还可由氧化铟锡、碳纳米管或者石墨等其它非金属导电材料制成。

本发明的超材料支撑板，例如可以通过如下方法制得：

（1）在第一介质基板的一侧表面覆铜膜；

（2）通过蚀刻等工艺去掉不需要的部分铜膜，即得到了多个人造微结构在第一介质基板外侧表面的平面排布；

（3）利用热熔胶将第二介质基板覆盖在第一介质基板上，即形成一个超材料片层；

（4）根据需要，由一个超材料片层形成超材料支撑板，或者将多个超材料片层用热熔胶粘接得到多层的超材料支撑板。热熔胶的材料最好与超材料片层的材料保持一致。

本发明中，所述导电微结构MS可以由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线、银线或者铝线。

本发明中，所述导电微结构还可由氧化铟锡、碳纳米管或者石墨等其它非金属导电材料制成。

本发明中，所述超材料支撑板1下表面上的导电微结构MS可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到。优选为蚀刻。首先在超材料支撑板1下表面覆铜膜，将要蚀刻区域（导电微结构以外的区域）的保护膜去除，在蚀刻时接触化学溶液，达到溶解腐蚀的作用，最终剩下的即为我们需要的导电微结构。

本发明中，所述超材料支撑板的厚度在0.2-2mm之间，所述辐射贴片、馈线胶导电微结构的厚度在0.005-0.5mm之间。例如，作为一个例子，所述超材料支撑板的厚度为0.518mm，其中，第一介质基板与第二介质基板的厚度均为0.25mm，所述辐射贴片、馈线及导电微结构的厚度为0.018mm。

如图3所示，本发明的一个实施例中，所述导电微结构MS包括大开口谐振环41及被大开口环所41包围的小开口谐振环42，所述大开口谐振环41的开口与小开口谐振环42的开口朝向相反。

当然，所述导电微结构MS还可以有其它形状。

如图4所示，为图3所示的导电微结构的一种衍生结构。其在小开口谐振环42的内部还设置有第三开口谐振环43。

如图5所示，为图3所示的导电微结构的一种变形结构。该导电微结构MS由两个C形的结构反向开口嵌套形成。

本发明中，优选地，所述多个人造微结构为图8所示的呈平面雪花状的金属微结构。

如图8所示，所述呈平面雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。

本发明在4.7GHZ左右的天线工作频段下，构造出了如2及图3所示的第一实施例的微带贴片天线。

本实施例中，如图2及图3所示，所述接地板包括4X4阵列排布的16个相同的导电微结构MS，所述超材料支撑板1包括两个相同的超材料片层10，每一超材料片层10包括8X8阵列排布的64个人造微结构，每四个人造微结构对应一个导电微结构；任意相邻的两个导电微结构之间的间隔相同，为4mm。

本实施例中，所述大开口谐振环41的线宽各处一致，均为2mm；所述大开口谐振环41包括与超材料支撑板的边缘B1平行的第一底线411、垂直连接在第一底线411两端的两个第一侧线412及与两个第一侧线412垂直连接的两个第一开口线413；所述第一底线的长度为16mm，所述两个第一侧线的长度为14mm，所述两个第一开口线的长度为4.5mm；

本实施例中，所述小开口谐振环42的线宽各处一致，均为2mm；所述小开口谐振环42包括与超材料支撑板的边缘B1平行的第二底线421、垂直连接在第二底线421两端的两个第二侧线422及与两个第二侧线422垂直连接的两个第二开口线423；所述第二底线的长度为4mm，所述两个第一侧线的长度为6mm，所述两个第二开口线的长度为3mm；

所述大开口谐振环与小开口谐振环的间距为2mm。大开口谐振环与小开口谐振环各处的间隔一致，均为2mm。

本实施例中，所述第一介质基板及第二介质基板为相对介电常数为4.9、相对磁导率为1的FR-4环氧树脂板，所述第一介质基板及第二介质基板的长度与宽度均为80mm，其厚度均为0.25mm；所述辐射贴片2、馈线3及导电微结构MS的材料为铜，其厚度均为0.018mm；所述辐射贴片2为圆形，其半径为16mm；所述馈线的宽度为0.845mm，馈线的长度为8.419mm。

本发明第一实施例的微带贴片天线，通过测试发现在同样的4.7GHZ的工作频段下，相比传统的微带贴片天线（如图1所示），增益提高了1.49dBi。

当然本发明还可以有其它实施例，例如接地板由2X2阵列排布的4个导电微结构构成，再例如接地板由一个导电微结构构成。

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 (9)

1.一种微带贴片天线，其特征在于，包括超材料支撑板、设置在超材料支撑板一侧表面上的辐射贴片、与辐射贴片馈电连接的馈线及设置在超材料支撑板另一侧表面的接地板，所述超材料支撑板包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一介质基板、第二介质基板以及夹设于第一介质基板与第二介质基板之间的多个人造微结构，所述接地板包括至少一个导电微结构，所述导电微结构包括大开口谐振环及被大开口环所包围的小开口谐振环，所述大开口谐振环的开口与小开口谐振环的开口朝向相反，所述多个人造微结构为呈平面雪花状的金属微结构。

2.根据权利要求1所述的微带贴片天线，其特征在于，所述第一介质基板及第二介质基板由陶瓷材料、FR-4环氧树脂、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚醚醚酮或聚四氟乙烯制得。

3.根据权利要求1所述的微带贴片天线，其特征在于，所述导电微结构为由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线、银线或者铝线，所述导电微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法形成在超材料支撑板的下表面。

4.根据权利要求1所述的微带贴片天线，其特征在于，所述人造微结构为由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线、银线或者铝线，所述多个人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法形成在第一介质基板或第二介质基板的一侧表面上。

5.根据权利要求4所述的微带贴片天线，其特征在于，所述多个人造微结构呈平面雪花状，其具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

6.根据权利要求1所述的微带贴片天线，其特征在于，所述超材料支撑板的厚度在0.2-2mm之间，所述辐射贴片、馈线及导电微结构的厚度在0.005-0.5mm之间。

7.根据权利要求6所述的微带贴片天线，其特征在于，所述第一介质基板及第二介质基板的厚度均为0.25mm，所述辐射贴片、馈线及导电微结构的厚度为0.018mm。

8.根据权利要求1所述的微带贴片天线，其特征在于，所述接地板包括4X4阵列排布的16个相同的导电微结构，所述超材料支撑板包括两个相同的超材料片层，每一超材料片层包括8X8阵列排布的64个人造微结构，每四个人造微结构对应一个导电微结构。

9.根据权利要求8所述的微带贴片天线，其特征在于，所述大开口谐振环的线宽各处一致，均为2mm；所述大开口谐振环包括与超材料支撑板的边缘平行的第一底线、垂直连接在第一底线两端的两个第一侧线及与两个第一侧线垂直连接的两个第一开口线；所述第一底线的长度为16mm，所述两个第一侧线的长度为14mm，所述两个第一开口线的长度为4.5mm；

所述小开口谐振环的线宽各处一致，均为2mm；所述小开口谐振环包括与超材料支撑板的边缘平行的第二底线、垂直连接在第二底线两端的两个第二侧线及与两个第二侧线垂直连接的两个第二开口线；所述第二底线的长度为4mm，所述两个第一侧线的长度为6mm，所述两个第二开口线的长度为3mm；

所述大开口谐振环与小开口谐振环的间距为2mm；

任意相邻的两个导电微结构之间的间隔相同，为4mm；所述第一介质基板与第二介质基板为相对介电常数为4.9、相对磁导率为1的FR-4环氧树脂板，所述第一介质基板与第二介质基板的长度与宽度均为80mm，其厚度均为0.25mm；所述辐射贴片、馈线及导电微结构的材料为铜，其厚度均为0.018mm；所述辐射贴片为圆形，其半径为16mm；所述馈线的宽度为0.845mm，馈线的长度为8.419mm。