CN107104288A - 一种嵌入式多层结构小型化贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式多层结构小型化贴片天线。与传统贴片天线不同，本发明在介质层中嵌入了金属层和通孔结构，具有金属/介质/金属/介质/金属的多层结构：其中3层金属结构分别为最上层的单片贴片，中间层的多片小尺寸贴片单元和最下层的完整金属平面；2层介质均为完整介质层，填充在3层金属结构中间。中间金属层的贴片单元和最下层地平面通过金属通孔实现垂直互联。实施例天线工作于L波段，辐射贴片尺寸仅为介质波长的20%左右，与传统贴片天线相比，电尺寸缩小了50%。基于本发明，如果天线结构参数进一步优化，电尺寸可以进一步缩小。本发明天线结构简单，小型化效果明显，加工工艺成熟且易于成型，具有广阔的工程应用前景。

Description

一种嵌入式多层结构小型化贴片天线

技术领域

本发明涉及一种嵌入式多层结构小型化贴片天线，属于信息技术领域中天线技术范畴。

背景技术

随着信息技术的发展，作为无线设备之一的天线一般采用具有低剖面特征的微带贴片天线。微带贴片天线具有体积小、重量轻、低剖面、易于集成等优点，在导航、通信等领域得到广泛应用。但是微带贴片天线的尺寸受限于半波长谐振条件，而在很多应用中，如手机、射频识别、蓝牙、无线局域网等，却需要天线具有更小的尺寸。因此如何实现微带贴片天线的小型化具有非常重要的意义。

现有微带贴片天线的小型化一般通过两种方法来实现：一类为优化天线的辐射贴片和地平面结构，但这种方法破坏了贴片天线外观结构的完整性；另一类多采用特殊的高介电常数介质材料，但是这种特殊材料配方复杂，加工也较为困难。

发明内容

本发明主要针对微带贴片天线尺寸小型化的问题，一方面采用常规介质材料，降低材料配方实现难度，另一方面在不破坏辐射天线和地平面完整性的前提下，提出了一种嵌入式多层结构小型化贴片天线。该天线的具有与常规微带贴片天线相同的外观和材料构成，但是具有谐振频率低的特点，从而了实现了天线电尺寸小型化的目标。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

a）在传统微带贴片天线的基础上，加载多层结构，以降低谐振频率。

b）该嵌入式结构由中间金属层和金属通孔构成。金属通孔将中间金属层与地平面即下层金属层实现互联。天线的谐振频率主要由上层金属层的贴片尺寸，中间金属层的多片贴片单元尺寸、金属通孔的长度和尺寸以及上层介质层和下层介质层的厚度和介电常数决定。

c）通过优化馈电端同轴线内导体金属探针的位置，天线可以在谐振频率处获得良好的匹配性能。

根据上述构思，本发明采用如下的技术方案：

一种嵌入式多层结构小型化贴片天线，包括上层金属层，中间金属层和下层金属层三层金属结构，上层介质层和下层介质层两层介质结构；两层介质层与三层金属层相互间隔布置，即上层介质层位于上层金属层和中间金属层之间，下层介质层位于中间金属层和下层金属层之间；所述上层金属层为单片金属贴片，所述中间金属层为多片具有较小尺寸的贴片单元结构，所述下层金属层为完整的金属平面；所述中间金属层的多片贴片单元与下层金属层通过多个金属通孔实现金属互联，所述金属通孔穿过下层介质层，所述金属通孔的数量与中间金属层的贴片单元数量相等；天线通过同轴线馈电，同轴线的外导体与下层金属层直接互联，同轴线的内导体金属探针依次穿过下层金属层，下层介质层，中间层金属和上层介质层，并与上层金属层实现金属互联。

所述中间金属层的所有贴片应覆盖在上层金属层的贴片下方；下层金属层的贴片尺寸应不小于上层金属层的贴片尺寸。

所述下层介质层和上层介质层的尺寸应不小于下层金属层的贴片尺寸。

其中天线的金属层可选择铜作为材料，其中上层金属层为辐射贴片，下层金属层为地平面，均为完整的平面结构，中间金属层包含多片具有较小尺寸的贴片单元；介质层可选择常规的Rogers 5880作为材料，相对介电常数为2.2。

天线采用同轴线馈电，同轴线的特征阻抗为50欧姆。同轴线的外导体应与下层金属层相连，内导体金属探针应与上层金属贴片相连，同时同轴线的内导体金属探针应避免与下层金属层的金属贴片以及中间金属层的多片贴片单元连通，为此，需要对同轴线的内导体金属探针的附近位置的三层金属层均实现去金属化。

与现有技术相比，本发明具有如下的突出的实质性特点和显著的优点：

本发明天线结构简单，小型化效果明显，加工工艺成熟且易于成型，并可通过调节天线各部分结构的尺寸来实现小型化目标，具有广阔的工程应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例天线的立体视图。

图2是本发明实施例天线的俯视图。

图3是本发明实施例天线的侧视图。

图4是本发明实施例天线的回波损耗曲线。

图5是本发明实施例天线的增益曲线。

图6是本发明实施例天线在谐振频点处的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：

a）图1展现了本实例天线的立体结构。

从图1中看出天线包括五层结构，其中金属结构三层，由上层金属层4的辐射贴片，中间金属层5的3*3个贴片单元和下层金属层1的完整地平面构成；介质结构两层，由上层介质层3和下层介质层2构成，均为完整的介质层。中间金属层5中，每片贴片单元均通过一个金属通孔6和下层金属层1实现金属互联，计九片贴片单元和九个金属通孔6。

b）图2为本实施例天线的俯视图。图3是本实施例天线的侧视图。

图中上层金属层4的辐射贴片尺寸为W=L=29.4mm。其中上层介质层3和下层介质层2的厚度，即中间金属层5与上层金属层4和下层金属层1的距离分别为h1=0.254mm和h2=0.787mm。因此，本实例天线可以先将两块Rogers 5880基板各自加工，然后再压合在一起构成多层结构。天线采用同轴线馈电，特征阻抗为50欧姆。同轴线外导体与下层金属层1直接实现金属互联，同轴线内导体金属探针7依次穿过下层金属层1，下层介质层2，中间层金属5和上层介质层3，并与上层金属贴片4实现金属互联。同轴线的内导体金属探针7的附近位置的三层金属层均实现去金属化。

c）图4-图6是实施例天线的电讯特性。

其中图4为实施例天线的回波损耗曲线，可以看出天线在1.5GHz左右实现了良好的匹配性能。上层金属层4的辐射贴片尺寸仅为谐振频点处介质中波长的20%左右，实现了天线的小型化。图5为实施例天线的增益曲线，可以看出天线在谐振频点的增益大约为-2.7dBi。图6为实施例小型化天线的E面和H面的辐射方向图，其辐射形式类似于传统贴片天线，基本均向上半空间辐射。该实施例天线上层金属层4的辐射贴片尺寸为29.4mm，相对于谐振频点（1.5GHz）的介质中的波长135mm（自由空间波长200mm，相对介电常数为2.2），其电尺寸为介质波长的20%左右，突破了传统微带天线的半波长限制，大大减小了天线的尺寸。

以上为本发明天线的一个具体实施例。事实上，金属层的厚度可以为但不限于基于常规印刷电路所采用的18微米或35微米。上层金属层4的贴片形状可以但不限于是方形；中间金属层5的各个贴片形状可以但不限于是方形，下层金属层1的贴片形状可以但不限于是方形。金属材料可以但不限于是常规金属如铜、铝以及超导体。

下层介质层2和上层介质层3的厚度可以为但不限于基于常规印刷电路所采用的0.254毫米。介质基板可以但不限于单种介质如聚四氟乙烯、陶瓷、FR4等以及通过多种配方混合形成的介质材料。

本发明不仅适用于方形贴片天线，也适用于圆形，三角形或其他形状的微带贴片天线。基于本发明结构的贴片天线，只要结构参数选择合适，还可以仅一步缩小天线尺寸，满足各种不同的应用需求。

Claims (3)

1.一种嵌入式多层结构小型化贴片天线，其特征在于，包括上层金属层（4），中间金属层（5）和下层金属层（1）三层金属结构，上层介质层（3）和下层介质层（2）两层介质结构；两层介质层与三层金属层相互间隔布置，即上层介质层（3）位于上层金属层（4）和中间金属层（5）之间，下层介质层（2）位于中间金属层（5）和下层金属层（1）之间；所述上层金属层（4）为单片金属贴片，所述中间金属层（5）为多片具有较小尺寸的贴片单元结构，所述下层金属层（1）为完整的金属平面；所述中间金属层（5）的多片贴片单元与下层金属层（1）通过多个金属通孔（6）实现金属互联，所述金属通孔（6）穿过下层介质层（2），所述金属通孔（6）的数量与中间金属层（5）的贴片单元数量相等；天线通过同轴线馈电，同轴线的外导体与下层金属层（1）直接互联，同轴线的内导体金属探针（7）依次穿过下层金属层（1），下层介质层（2），中间层金属（5）和上层介质层（3），并与上层金属层（4）实现金属互联。

2.根据权利要求1所述的嵌入式多层结构小型化贴片天线，其特征在于，所述中间金属层（5）的所有贴片应覆盖在上层金属层（4）的贴片下方；下层金属层（1）的贴片尺寸应不小于上层金属层（4）的贴片尺寸。

3.根据权利要求1所述的嵌入式多层结构小型化贴片天线，其特征在于，所述下层介质层（2）和上层介质层（3）的尺寸应不小于下层金属层（1）的贴片尺寸。