CN108199134B - 一种多频天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多频天线装置，包括：第一金属层、第二金属层、接地层、位于金属层之间以及金属层与接地板之间的介质基板，其特征在于，在第一金属层及第二金属层之间设置有超材料层，本发明解决了层叠天线传统制法较难克服的增益高、干扰小与体积小的矛盾问题，通过灵活巧妙的设置天线走线以及耦合隔离单元，实现非常好的频带隔离特性，在两天线金属层之间设置超材料单元，通过超材料的特殊传导特性，进一步降低天线制作尺寸并提升高低频之间的隔离度。

Description

一种多频天线装置

技术领域

本发明属于通信天线领域，更具体的说，涉及一种智能设备用的多频天线装置。

背景技术

随着无线通讯的快速发展，在无线通讯的智能设备产品中，天线扮演的角色更加重要。现今，由于行动装置已成为了人们生活上不可或缺的物品，因此也带动了通讯产业的蓬勃发展，也因为如此，各式各样小巧的天线已被开发出来，并广泛应用在各种不同的行动装置中，例如，平面倒F形天线，单极天线，立体天线等。然而，上述已知技术的天线却有着许多令人垢病的缺点。

例如，平面倒F形天线的结构较为复杂，且由于平面倒F形天线是属于立体式天线，额外的模具成本及组装成本导致其成本较高，而商业上成本过高，其商业竞争力随之会降低。而立体天线由于体积过大不宜被置入日趋变小的移动设备中，立体天线如果强行减小体积来实现微型化，其又容易造成天线性能的下降。尤其在多频天线领域，较小的体积往往造成频段间的耦合干扰，如何兼顾微型化的同时保证不同频段之间的窜扰一直是困扰人们的难题。

因此，如何提出一种多频天线，其能够有效改善以往天线之结构复杂、成本较高，隔离性能不好的问题，已经变得刻不容缓。

发明内容

本发明的目的在于提供一种特殊结构的多频天线装置，用于解决上述技术问题，具有较低矮的天线外形结构，通过合理灵活的天线走线以及特殊超材料层的设置实现了多频的同时保证了不同频段之间的隔离效果。

为此本发明提出一种多频天线装置，包括：第一金属层、第二金属层、接地层、位于金属层之间以及金属层与接地板之间的介质基板，其特征在于，在第一金属层及第二金属层之间设置有超材料层；

天线装置各层的分布分别为：第一金属层、第一介质基板、超材料层、第二介质基板、第二金属层、第三介质基板、接地板；

所述第一金属层以及所述第二金属层都对应设置有馈电连接点。

优选的，所述第一金属层工作在两个高频频段，第一金属层的天线结构为一正六边形中间辐射片外设一环形正六边形金属框辐射片，两辐射片之间设置正六边形缝隙，所述缝隙宽度与环形正六边形金属框辐射片的宽度相同，第一馈电连接点位于所述正六边形中间辐射片上。

优选的，所述第二金属层可工作在三个低频频段；第一低频段为一弯折曲线型走线，第二低频段为一环绕行走线，第三低频段为一梳型结构走线。

优选的，第二金属层上设置有馈电连接片，所述馈电连接片共有三块，中间块上设置有第二馈电连接点，两侧的馈电连接片通过可调节电抗原件连接中间馈电连接片；中间的馈电连接片不直接与第二金属层上的低频天线走线相连接，两侧的馈电连接片分别与低频走线对接，一侧连接第一低频走线，另一侧连接第二、第三低频走线。

优选的，所述第二金属层上设置有一耦合隔离区，所述耦合隔离区由两条相对放置的金属线组成，其位于第二、第三低频走线之间，所述耦合隔离区的每根金属线长度与第三低频走线的梳齿部分的长度尺寸相同。

优选的，所述超材料金属层上设置有人工微结构，所述人工微结构规律排列在介质基板上，所述人工微结构的单元结构形状相同，但不同位置设置人工微结构单元的尺寸不同。

优选的，所述人工微结构单元结构为一正六边形外框，正六边形的中心处设置一圆环，该圆环通过金属线连接正六边形的每个定点。

本发明的有益效果为：解决了层叠天线传统制法较难克服的增益高、干扰小与体积小的矛盾问题，通过灵活巧妙的设置天线走线以及耦合隔离单元，实现非常好的频带隔离特性，在两天线金属层之间设置超材料单元，通过超材料的特殊传导特性，进一步降低天线制作尺寸并提升高低频之间的隔离度。

附图说明

图1是本发明天线结构的侧视图

图2是本发明天线结构的高频部分

图3是本发明天线结构的低频部分

图4是本发明天线结构超材料层

图5是本发明天线结构超材料层的人造微结构

图6是本发明天线在工作时的频率响应图谱

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，所以图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，一种多频天线装置1，包括：第一金属层10、第二金属层20、接地层40、位于金属层之间以及金属层与接地板之间的介质基板2/3/4，其特征在于，在第一金属层及第二金属层之间设置有超材料层30；天线装置1各层的分布分别为：第一金属层10、第一介质基板2、超材料层30、第二介质基板3、第二金属层20、第三介质基板4、接地板40；所述第一金属层10以及所述第二金属层20都对应设置有馈电连接点5/6。

传统制法中，一般使用单层贴片天线进行电磁辐射，一是考虑介质基板和接地板之间的尺寸厚度有限，处于辐射频率带宽的考虑，如果设置两层层叠，极可能要造成频段带宽的损耗，另外处在中间层的辐射贴片其辐射性能会由于夹控在顶层和底层金属层之间导致辐射效率的严重低化，尤其在高频段或者多频段时，表现的损耗特性将更为明显。一般技术人员会退而求其次，减少金属层上多频段天线的设置，通过减少频段走线实现双频或者最多三频段，都是为了较好的降低尺寸和获得良好的天线增益和方向性。

本申请中同样优选的，将高频段设置顶层，高频段相比较于低频段，在此种情况下受到的干扰会更严重，回波损耗明显会提升，基于此我们将高频段设置在顶层优先操作，参见附图2，在所述第一金属层10工作在两个高频频段，第一金属层的天线结构为一正六边形中间辐射片11外设一环形正六边形金属框辐射片12，两辐射片之间设置正六边形缝隙13，所述缝隙宽度与环形正六边形金属框辐射片的宽度相同，以期待获得不同高频之间的一定隔离度，第一高频由馈电点5激励中间辐射片11直接产生，第二高频经由耦合缝隙13间接耦合激励金属框辐射片12产生，第一馈电连接点5位于所述正六边形中间辐射片11偏离中心的点上。

参见附图3，所述第二金属层20可工作在三个低频频段；第一低频段为一弯折曲线型走线24，第二低频段为一环绕行走线22，第三低频段为一梳型结构走线23。

第二金属层20上设置有馈电连接片21，所述馈电连接片共有三块，中间块上设置有第二馈电连接点6，两侧的馈电连接片21通过可调节电抗原件25连接中间馈电连接片，电抗元件25的设置可较为灵活的控制天线的频段选择，虽然当前使用频段的多样性非常丰富，然而不同频段的同时工作，如非必要，多数会存在能耗的问题，尤其考虑当前移动智能设备等耗损的情况已经非常严重，如果能够合理的节能，将会极大的提升使用体验，这是设置调节电抗的原因之一，另外也考虑到低频段之间的耦合干扰，虽然较低频段之间的耦合干扰不如高频那样复杂，然而在实际使用中低频的增益和方向性往往表现一般，如果能够在发射源端就进行有效合理的处理，则对后期的工作性能提升大有裨益，通过调节电感的连接，可以调节馈电连接片的物理电长度，有效提升低频段之间的发射源耦合干扰；中间的馈电连接片21不直接与第二金属层上的低频天线走线相连接，两侧的馈电连接片21分别与低频走线对接，一侧连接第一低频走线24，另一侧连接第二、第三低频走线22/23。天线工作时，当选择同时连接两个电抗原件时，低频天线可同时工作在三个低频频段，并且三个低频的耦合隔离度表现优越。考虑本案中的电抗元件25使用在低频天线中，电抗元件25的选择一般是电感元件，然而如果调节天线的频段需求发生改变，此处的调节电抗特性依据整个系统的变换也随之进行调节改变，容性或感性并不做必要限定。

除了通过物理隔离以外，在硬件电通信领域中，耦合隔离也非常重要。附图3中，所述第二金属层20上设置有一耦合隔离区26，所述耦合隔离区26由两条相对放置的金属线组成，其位于第二低频走线22、第三低频走线23之间，所述耦合隔离区26的每根金属线长度与第三低频走线的梳齿部分的长度尺寸相同，最外侧梳齿与耦合隔离区的距离也与相邻梳齿间的距离相同。设置耦合隔离区，非常有效的抑制了物理相邻的天线走线之间的恶性耦合，相邻频段耦合电场通过隔离区互相抵消，实现了较好的隔离特性。

此外，超材料是近十年来发展起来的对电磁波起调制作用的一种新型人工材料，基本原理是人为设计材料的微结构（或称人造“原子”），让这样的微结构具有特定的电磁特性，从而由海量数目的微结构组成的材料宏观上可具有人们所需要的电磁功能。与传统材料技术根据自然界中已有材料的天然性质来开发电磁利用途径的传统材料技术不同，超材料技术是根据需要来人为设计材料的性质并制造材料。超材料一般是由一定数量的人造微结构附在具有一定力学、电磁学的基板上，这些具有特定图案和材质的微结构会对经过其身的特定频段的电磁波产生调制作用。近年来，超材料在各通信应用领域取得了可喜的变化应用，超材料的特殊电磁特性以及其较为薄平的体积外形都非常适合用来完善天线结构。

优选的，本申请中优选的，将所述超材料结构层设置在两层金属辐射层之间，参见附图4中，所述超材料金属层30上设置有人工微结构31，所述人工微结构规律排列在介质基板上，所述人工微结构的单元结构形状相同，优选超材料结构单元可围绕基板边框设置两排，根据实际天线工作的频段选择合理尺寸的人工微结构单元尺寸，两排的人工微结构仅仅尺寸不一致，其目的在与通过设置人工微结构尺寸来调节电磁波透射的不同折射率。

本案中优选的使用第二排人工微结构的尺寸小于第一排，以使得透过超材料层后，由于两排（实际操作中也可以根据需要调整使用多排来增强偏移角度）的折射率递增变化，使得电磁波的出射角度发生偏移，较大程度的降低了上下金属层之间的电信号窜扰以及不必要的金属耗损，能够使得即使天线的尺寸整体偏小然而仍然能够保持良好的独立特性。

通过设置超材料层30，使得常规的带宽特性，甚至获得更优的带宽特性时，实现较小的天线高度。优选的表现在，本申请中天线的介质基板2和介质基板3可以使用较小的厚度尺寸，天线基板4保留了原来的尺寸，本申请中介质基板2和介质基板3的厚度和等于介质基板4厚度尺寸，而众所周知的，超材料人工微结构的尺寸厚度极低，如果非常介意，仍然可以通过内嵌的方式设置超材料单元，进而可以通过降低基板的一半左右的尺寸厚度，但仍然可以保持了原来辐射单元的优良特性。优选的，本案中的天线整体尺寸改善的可被缩小至15mm*15mm*4mm。

附图5可见，本案所述人工微结构单元结构31具有一正六边形外框312，正六边形的中心处设置一圆环313，该圆环通过金属线311连接正六边形的每个定点。正六边形的边长设为r，金属线311与正六边形一边（如有需要也可以是非六边正多边形）的所成角度为α，不同排的微结构折射率参考如下折射率公式计算：

，其中r_max为不同排上最大尺寸六边形的一边长尺寸。

该结构使得天线电磁波通过时获得散射或者折射的投射效果，使得天线工作在低频段时也能够克服由于天线体积缩小带来的频段间窜扰，改善辐射性能；结合附图6中天线频率响应图谱可见，天线工作在三个低频：790MHz，1.84GHz，2.51GHz，天线不仅具备了较好的反射系数S11，并且在三个频段上的耦合系数S21都降低至-20dB，取得了良好的耦合隔离度；同样在两个高频位，3.45GHz以及5.02GHz，同样出现了较好的耦合隔离效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种多频天线装置，包括：第一金属层、第二金属层、接地层、位于金属层之间以及金属层与接地板之间的介质基板，其特征在于，在第一金属层及第二金属层之间设置有超材料层；所述超材料层上设置有人工微结构，所述人工微结构规律排列在介质基板上，所述人工微结构的单元结构形状相同，但不同位置设置人工微结构单元的尺寸不同；

天线装置各层的分布分别为：第一金属层、第一介质基板、超材料层、第二介质基板、第二金属层、第三介质基板、接地板；

所述第一金属层以及所述第二金属层都对应设置有馈电连接点；

所述第一金属层工作在两个高频频段，第一金属层的天线结构为一正六边形中间辐射片外设一环形正六边形金属框辐射片，两辐射片之间设置正六边形缝隙，所述缝隙宽度与环形正六边形金属框辐射片的宽度相同，第一馈电连接点位于所述正六边形中间辐射片上；

所述第二金属层可工作在三个低频频段；第一低频段为一弯折曲线型结构走线，第二低频段为一环绕型结构走线，第三低频段为一梳型结构走线；

第二金属层上设置有馈电连接片，所述馈电连接片共有三块，中间块上设置有第二馈电连接点，两侧的馈电连接片通过可调节电抗原件连接中间馈电连接片；中间的馈电连接片不直接与第二金属层上的低频天线走线相连接，两侧的馈电连接片分别与低频走线对接，一侧连接第一低频走线，另一侧连接第二、第三低频走线；中间的馈电连接片与两侧的馈电连接片不同向设置，两侧的馈电连接片同向设置；

所述人工微结构单元结构为一正六边形外框，正六边形的中心处设置一圆环，该圆环通过金属线连接正六边形的每个定点；所述正六边形的边长设为r，所述金属线与正六边形一边的所成角度为α，不同排的微结构折射率参考如下折射率公式计算：

,

其中，r_max为不同排上最大尺寸六边形的一边边长。

2.如权利要求1所述的多频天线装置，其特征在于，所述第二金属层上设置有一耦合隔离区，所述耦合隔离区由两条相对放置的金属线组成，其位于第二、第三低频走线之间，所述耦合隔离区的每根金属线长度与第三低频走线的梳齿部分的长度尺寸相同。

Images