CN107069198B - 多频段mems天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种多频段MEMS天线系统，包括接地板、与接地板短接的硅基板以及与硅基板相连的辐射体。硅基板的下表面至少部分与接地板间隔设置以形成空气腔；多频段MEMS天线系统还包括与辐射体电连接的馈线导体和用于使辐射体与接地板短接的接地结构。本发明的多频段MEMS天线系统在适当的位置利用开关单元控制辐射体是否接地来改变天线辐射路径，使天线产生一个新的谐振频点，能够满足天线在多个频段谐振的需求，而且结构简单，无需改变天线的整体尺寸，满足了现代通信系统的高度集成化、低功耗以及高精度等需求。

Description

多频段MEMS天线系统
技术领域
本发明涉及一种手机天线系统，尤其涉及一种多频段MEMS天线系统。
背景技术
随着通信技术的发展，5G已经进入了试验阶段，5G将会给人们的生活带来更多的便利。5G的频谱规划中大于6GHz的高频段属于毫米波频段，天线尺寸较小，对加工设计精度要求比较高。
RF-MEMS系统具有加工精度高、功耗小、易集成的特点，因此得到了较为广泛的应用。尤其是在天线的高频频段，MEMS技术满足了天线的尺寸要求，所以RF-MEMS系统为5G天线的设计提供了技术基础。
相关技术中，毫米波天线多以单频段的形式出现，多频段的天线会采用匹配元件或者多个谐振分支来实现。匹配元件在高频段工作时对工作环境的变化比较敏感，因此要求匹配元件具有比较高的精度，这无疑提高了设计成本。而多个谐振分支又会增大天线的整体尺寸，所以需要一种简单的方法来调谐多个频段。
因此，有必要提供一种多频段的MEMS天线系统来解决上述问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种可满足天线在多个频段谐振的需求，且结构简单，尺寸小的多频段MEMS天线系统。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种多频段MEMS天线系统，包括接地板、与所述接地板短接的硅基板以及设于所述硅基板上并与所述硅基板相连的辐射体；所述硅基板具有远离所述接地板的上表面和与所述上表面相对的下表面，所述辐射体设于所述上表面，所述下表面至少部分与所述接地板间隔设置以形成空气腔，所述辐射体落在所述上表面上的正投影位于所述接地板围成所述空气腔的部分在所述上表面上的正投影内；所述多频段MEMS天线系统还包括与所述辐射体电连接以产生第一谐振点和第二谐振点的馈线导体，以及用于使所述辐射体与所述接地板短接并产生第三谐振点的接地结构。
优选的，所述馈线导体在所述辐射体上的投影与所述接地结构在所述辐射体上的投影之间的距离等于所述第三谐振点对应波长长度的1/4。
优选的，所述接地结构为可变电容开关，所述可变电容开关一端与所述辐射体电连接，另一端与所述接地板电连接。
优选的，所述接地结构为射频电容开关。
优选的，所述射频电容开关位于所述空气腔内，并与所述辐射体相对设置。
优选的，所述硅基板上设有开口，所述辐射体有部分自所述开口露出；所述射频电容关包括开关桥、以及设于所述开关桥两侧并与所述开关桥相连的第一引脚和第二引脚；所述第一引脚与所述接地板短接，所述第二引脚与所述接地板形成间隙，且所述第二引脚与所述接地板之间设有偏置电压，所述开关桥正对露出所述开口的辐射体并与之形成电容。
优选的，自所述开口露出的所述辐射体靠近所述开关桥的表面还设有绝缘介质。
优选的，所述馈线导体为同轴电缆，所述同轴电缆包括导体和包裹于所述导体外周的绝缘部，所述导体一端与所述辐射体电连接另一端与所述匹配电路上的馈电点相连，所述绝缘部与所述接地板短接。
相较于现有技术，本发明的多频段MEMS天线系统在适当的位置利用开关单元控制辐射体是否接地来改变天线辐射路径,使天线产生一个新的谐振频点，能够满足天线在多个频段谐振的需求，而且结构简单，无需改变天线的整体尺寸，满足了现代通信系统的高度集成化、低功耗以及高精度等需求。
附图说明
图1为本发明一种多频段MEMS天线系统主视图；
图2为图1所示的多频段MEMS天线系统A-A向的剖视图；
图3是图2中B部位的放大图；
图4为本发明的多频段MEMS天线系统的回波损耗图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施方式对本发明的优选实施例作进一步说明。
如图1和图2所示，一种多频段MEMS天线系统100包括接地板103、与接地板103短接的硅基板101、设于硅基板101上并与硅基板101相连的辐射体102、与辐射体102电连接并使天线系统产生第一谐振点和第二谐振点的馈线导体以及用于使辐射体102与接地板103短接并使天线系统产生第三谐振点的接地结构。其中，馈线导体在辐射体102上的投影与接地结构在辐射体上的投影之间的距离等于第三谐振点对应波长长度的1/4。
硅基板101厚度为0.25mm，具有远离接地板103的上表面101a和与上表面101a相对的下表面101b。采用硅基板可以大大降低介电常数提升天线系统的性能，且硅基板101容易集成入MEMS系统内，有利于降低天线的尺寸。辐射体102为一尺寸为2.75mm×1.4mm的薄金属片，辐射体102贴设于硅基板101的上表面101a上，硅基板101的下表面101b有部分与接地板103间隔设置以形成空气腔104。在本优选实施例中，接地板103围成空气腔104的部分落在硅基板101的上表面101a上的正投影面积大于辐射体102落在相同表面上的正投影面积，这是为了保证天线系统有足够大的净空区，尽量避免其他元器件对辐射体的干扰，降低介电常数、提升天线性能。
在本优选实施例中，馈线导体为同轴线缆105，其包括一端与辐射体102电连接另一端与电路板(未示出)上的馈点电连接的导体105a和包裹于导体105a外周的绝缘部105b，绝缘部105b与接地板103短接。导体105a一端与辐射体102相连的位置即为辐射体102的馈电点102a，该馈电点102a位于辐射体102的边缘位置，使得天线系统可产生第一谐振点和第二谐振点。其中，该第一谐振点为37-38.6GHz频段内的谐振点，而第二谐振点为38.6-40GHz频段内的谐振点。因此，该天线系统通过馈电导体的设置可实现对37-38.6GHz和38.6-40GHz频段的覆盖。馈电点的位置可根据需要的频段设置。在其他可能的实施例中，馈线导体也可以采用带状线，馈电方式并不唯一。
接地结构用于使天线产生第三谐振点，且该第三谐振点为27.5-28.35GHz频段内的谐振点。具体如图3所示，在本优选实施例中，该接地结构为用于控制辐射体102是否接地的开关单元。具体地，在本实施例中，该开关单元为设于空气腔104内的射频电容开关106。在其他可能的实施例中，开关单元也可以是可变电容开关，可变电容开关一端与辐射体电连接另一端与接地板电连接，通过调节可变电容的电容值来控制辐射体是否与接地板短接。射频电容开关106与馈电点102a分别位于辐射体102的两侧，且射频电容开关106正对辐射体102的边缘设置。值得注意的是，射频电容开关104也可以不设置在空气腔104内。该射频电容开关106包括开关桥106a、设于开关桥106a两侧并与之相连的第一引脚106b和第二引脚106c。第一引脚106b与接地板103短接，第二引脚106c与接地板103形成间隙。硅基板101上还设有开口101c，辐射体102有部分自开口101c露出；开关桥106a正对露出该开口101c的辐射体102部分，并与之形成电容。在第二引脚106c与接地板103之间施加偏置电压V，通过调节该偏置电压V的值可对电容进行调节，从而实现辐射体102与接地板103的连通和断开。其中，该偏置电压优选为直流偏置电压。
此外，为防止开关桥106a与辐射体102触碰连接，还在自开口101c露出的辐射体靠近开关桥106a的表面设置一绝缘介质107。绝缘介质107优选采用聚四氟乙烯。
图4示出了该天线系统的回波损耗图。其中，横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为回波损耗，单位为dB。L1为具有射频电容开关106时的天线的回波损耗曲线，而L2为没有射频电容开关时天线系统的回波损耗曲线。结合图4可以看出，采用前述的射频电容开关106控制辐射体102在某个位置是否与接地板103短接，以使天线系统可在27.5-28.35GHz的频段处产生一个新的第三谐振点。当然，该第三谐振点也可以是其他频段内的谐振点，而此时只需对应改变射频电容开关的位置以及电容值即可。
上述给出的是使用射频电容开关作为接地结构的例子。然而，在其他实施例中，也可以例如通过金属导线或者同轴线缆等其他方式将辐射体与接地板短接。
本发明的多频段MEMS天线系统在硅基板和接地板之间设置空气腔，并在适当的位置设置接地结构使辐射体和接地板连接来改变天线辐射路径，使天线产生一个新的谐振频点，能够满足天线在多个频段谐振的需求，而且结构简单，无需改变天线的整体尺寸，满足了现代通信系统的高度集成化、低功耗以及高精度等需求。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种多频段MEMS天线系统，其特征在于，包括接地板、与所述接地板短接的硅基板以及设于所述硅基板上并与所述硅基板相连的辐射体；所述硅基板具有远离所述接地板的上表面和与所述上表面相对的下表面，所述辐射体设于所述上表面，所述下表面至少部分与所述接地板间隔设置以形成空气腔，所述辐射体落在所述上表面上的正投影位于所述接地板围成所述空气腔的部分在所述上表面上的正投影内；所述多频段MEMS天线系统还包括与所述辐射体电连接以使所述天线系统产生第一谐振点和第二谐振点的馈线导体，以及用于使所述辐射体与所述接地板短接并使所述天线系统产生第三谐振点的接地结构；所述接地结构设置于所述空气腔内；
所述硅基板上设有开口，所述辐射体有部分自所述开口露出；
所述接地结构包括开关桥、以及设于所述开关桥两侧并与所述开关桥相连的第一引脚和第二引脚；所述第一引脚与所述接地板短接，所述第二引脚与所述接地板形成间隙，且所述第二引脚与所述接地板之间设有偏置电压，所述开关桥正对露出所述开口的辐射体并与之形成电容。
2.根据权利要求1所述的多频段MEMS天线系统，其特征在于，所述馈线导体在所述辐射体上的投影与所述接地结构在所述辐射体上的投影之间的距离等于所述第三谐振点对应波长长度的1/4。
3.根据权利要求1所述的多频段MEMS天线系统，其特征在于，自所述开口露出的所述辐射体靠近所述开关桥的表面还设有绝缘介质。
4.根据权利要求1-3任一项所述的多频段MEMS天线系统，其特征在于，所述馈线导体为同轴电缆，所述同轴电缆包括导体和包裹于所述导体外周的绝缘部，所述导体一端与所述辐射体电连接，所述导体另一端与匹配电路上的馈电点相连，所述绝缘部与所述接地板短接。
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