CN110444887A - 一种天线电磁波隔离装置及隔离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天线电磁波隔离装置及方法，涉及人工电磁材料与天线解耦技术领域，设计的隔离装置为设置在介质基板上的金属回路结构，所述金属回路结构和介质基板构成了磁超材料，所述磁超材料用于隔离电磁波。本发明的天线电磁波隔离装置结构紧凑小巧、将其集成到有严重电磁干扰的微带天线中间，来实现天线之间的高次谐波隔离，本发明所设计的隔离装置结构单元简单、占用了较小的空间，在制备工艺上也是非常成熟低成本的技术，便于大批量的设计制造。
Description
技术领域
本发明涉及人工电磁材料与天线解耦技术领域，特别涉及一种天线电磁波隔离装置及隔离方法。
背景技术
新型人工电磁材料，又称为电磁超材料，是近年来科学界的研究热点之一，它容易实现一些天然材料所难以达到的超常物理性质，而且可以方便人工设计来操控其特性。磁超材料(Magnetic Metamaterials，简称MM)，是指由亚波长单元结构构成的等效磁导率小于1的人工复合材料或者复合结构，具体又可分为等效磁导率小于0、等于0以及介于0和1之间的超材料。由于磁超材料既具有电容性结构又具有电感性结构，当电磁波入射到磁超材料上时，入射电磁波磁场会在其上产生感应电流，从而实现等效LC谐振回路。当入射电磁波的频率接近或者等于磁超材料等效谐振回路的频率时，磁超材料会产生强烈的磁谐振响应。因此在谐振负区域，其等效磁导率为负。如果将磁超材料运用到具有电磁波强烈干扰的微带天线之间，能够方便实现天线间电磁波干扰的抑制，达到天线之间的电磁波隔离目的，最终实现天线间的电磁兼容。
由于现代无线通信系统的发展方向之一是不断小型化、集成化，而天线系统作为无线通信系统至关重要的收发装置，其平台也不断缩小。因此，天线之间不可避免出现了一些电磁干扰。由于工作在不同频段的天线系统中，工作在低频段的天线必然在其二次谐波上产生辐射，而对于工作在这个二次谐波的高频段天线将会受到其强烈的干扰。现有技术中隔离结构的体积庞大、结构复杂，制造成本高，且无法集成到一体化设计的小型化天线系统中。
发明内容
本发明提供一种天线电磁波隔离装置及方法，体积小巧，占用空间小，结构简单，便于大批量加工生产，制造成本低，能够集成到小型化的天线系统中。
本发明提供了一种天线电磁波隔离装置，包括：设置在介质基板上的金属回路结构，所述金属回路结构和介质基板构成了磁超材料，所述磁超材料用于隔离电磁波。
所述磁超材料为叉指型磁超材料，所述叉指型磁超材料包括至少一个设置在介质基板上的金属回路结构，所述金属回路结构包括：两个对称的金属化过孔、两个第一条形金属片和两个第二条形金属片，两个金属化过孔依次穿过介质基板上表面的金属面、介质基板和介质基板下表面的金属面，且两个金属化过孔的一端与介质基板上表面的金属面或下表面的金属面导通连接，另一端分别与两个第一条形金属片的外端对应导通连接，两个第一条形金属片的内端分别与两个第二条形金属片的外端对应导通连接，两个第二条形金属片的内端交错平行，等效为电容，两个第一条形金属片等效为电感，两个金属化过孔也等效为电感。
通过改变所述第一条形金属片的长度和宽度来调节其等效电感的大小，通过改变第二条形金属片的长度、宽度、交错平行的两个第二条形金属片之间的间距和交错的长度来调节其等效电容的大小，从而隔离不同频段的电磁波。
所述介质基板为覆铜薄板F4B，介质基板的厚度为3.18mm，介电常数为2.15，损耗角的正切函数值为0.001，介质基板的覆铜厚度为0.035mm，第一条形金属片的长度为6.0mm，宽度为0.6mm，第二条形金属片的长度为6.6mm，宽度为0.2mm，两个平行的第二条形金属片之间的间距为0.4mm。
一种天线电磁波隔离方法，包括以下步骤：
S1、制作磁超材料；
S2、将步骤S1中制作的磁超材料集成到两个有电磁干扰的天线之间，使入射到磁超材料的电磁波被引导或抑制，实现两个天线之间电磁波的隔离。
还包括步骤S3、通过改变叉指型磁超材料金属回路结构中两个第一条形金属片的长度和宽度，通过改变两个第二条形金属片的长度、宽度、交错平行的两个第二条形金属片之间的间距和交错的长度，对相同频段或不同频段的天线之间的电磁波进行隔离。
所述步骤S2中的两个天线均为微带贴片天线，其中一个微带贴片天线工作在另一个微带贴片天线的高次谐波频段内，使在高次谐波内工作的微带贴片天线受到强烈的电磁干扰，将叉指型磁超材料集成到两个微带贴片天线的缝隙之中，实现微带贴片天线之间高次谐波的隔离。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的磁超材料体积小巧，占用空间小，结构简单，便于大批量加工生产，制造成本低，能够到小型化的天线系统中，集成到有电磁干扰的微带天线之间，能够实现相同频段或不同频段天线之间的电磁波隔离。
本发明所设计的叉指型磁超材料是针对工作在不同频段的微带贴片天线系统之间的高次谐波隔离，同时可以实现天线平台的小型化、集成化设计，且加工制造方便，便于大批量的设计制造。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种天线电磁波隔离装置的结构示意图。
图2(a)为本发明实施例两个微带贴片天线之间未加载叉指型磁超材料电磁波隔离装置的结构示意图。
图2(b)为本发明实施例两个微带天线之间加载叉指型磁超材料电磁波隔离装置的结构示意图。
图3为本发明实施例加载和未加载叉指型磁超材料电磁波隔离装置情况下的S参数曲线图。
图4为本发明实施例两个微带贴片天线之间电磁波强烈干扰的磁场分布图，其中(a)是x-y平面；(b)是y-z平面。
图5为本发明实施例加载了叉指型磁超材料电磁波隔离装置后两个微带贴片天线之间干扰减弱的磁场分布图，其中(a)是x-y平面；(b)是y-z平面。
图6为本发明实施例的实物图。
图7为本发明包括两个金属回路结构的叉指型金属回路结构的俯视结构示意图。
附图标记说明：
1-金属化过孔，2-第一条形金属片，3-第二条形金属片。
具体实施方式
下面结合附图1-7，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
工作原理：本发明设计了结构紧凑小巧的叉指型磁超材料，同时，将其集成到具有强烈干扰的微带天线之间，使原先天线1辐射到天线2的高次谐波首先进入叉指型磁超材料，而这时激发了叉指型磁超材料整个金属回路的LC谐振，从而产生负的磁导率，使电磁波得到有效的引导和抑制，最终实现了这两个天线的电磁兼容。
为进一步理解本发明，下面结合附图和实例对本发明进行更详细、更全面地说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
图6给出了本发明中制作的实物图。(a)是本发明设计的两个刻蚀在F4B介质基板上的微带天线，采用了背馈的馈电方式。F4B的相对介电常数为2.15，损耗角的正切函数值为0.001。整个介质基板的大小为120.0mm×100.0mm，厚度为3.18mm，；(b)是在两个微带天线之间加载了叉指型磁超材料后的整体结构实物图。
图1详细地展现了所设计的叉指型磁超材料结构单元，介质基板是F4B，厚度为3.18mm，相对介电常数为2.15，损耗角的正切函数值为0.001。其中上下表面的金属材料为铜，覆铜厚度为0.035mm，上下结构通过金属化过孔来实现连接，形成了一个金属回路结构，可以理论上等效为LC谐振回路。叉指型磁超材料单元的上表面刻蚀了一组对称的金属结构，平行且较细长金属结构，两个第二条形金属片等效为电容，两侧较宽的第一条形金属片等效为电感，下表面全覆铜，同时连接上下结构的金属化过孔也等效于电感，图7为两个金属回路结构的叉指型金属回路结构的俯视结构示意图，也可以是多个金属回路结构，用来增强电磁波的隔离效果。
图2是加载叉指型磁超材料前后的两个微带天线的结构示意图，其中：(a)是未加载叉指型磁超材料的两个微带天线的尺寸图，并且标注了尺寸结构；(b)是加载了叉指型磁超材料的两个微带天线的尺寸图，并且标注了叉指型磁超材料的位置，天线1和天线2的尺寸大小分别为55.5mm×47.5mm、36.0mm×26.4mm，介质基板厚度为3.18。
图3给出了实际测试的加载叉指型磁超材料前后的S参数曲线图，其中天线1工作在2GHz处，同时在3.55GHz处产生了高次谐波，天线2工作在3.55GHz。从图3中可以明显的看出，加载叉指型磁超材料前后对两个微带天线的工作频段基本没有影响，而在天线2工作的频段3.55GHz处S21从-15dB降低到-22dB，隔离度提高了7dB，从而证实了叉指型磁超材料具有隔离高次谐波的效果。
图4和图5是进一步清楚地显示加载叉指型磁超材料前后两个微带天线隔离效果的磁场分布图。其中：图4给出了未加叉指型磁超材料的两个微带天线的磁场分布图，从图4中可以清楚的看到天线1的磁场大量进入天线2中，因此，肯定对天线2产生强烈的干扰的影响；图5是加载了叉指型磁超材料的两个微带天线的磁场分布图，而可以明显看到由于在两个天线的缝隙中加载了叉指型磁超材料结构，进入天线2的磁场明显减弱，因此，叉指型磁超材料是可以隔离天线之间的电磁波，达到天线电磁兼容。
现有许多设计的隔离结构都需要占用较大的空间结构，且不利于实物的大批量生产，再者当前遇到工作在不同频段的微带天线产生了强烈干扰的问题。为此，我们设计了叉指型磁超材料结构单元，其占用了较小的空间、结构单元简单小巧、易于加载到微带天线之间，在制备工艺上也是非常成熟低成本的技术，便于大批量的设计制造。
本发明是基于磁超材料对于入射的电磁波形成了LC谐振，进而产生了负的磁导率，从而对电磁波形成了抑制与引导，达到对微带天线高次谐波的隔离。对于磁超材料的设计，首先，通过LC等效回路理论要设计出一个具有等效电容和等效电感的金属回路，因此，在介质基板上通过金属化过孔来实现了一个叉指型的金属回路结构。通过仿真优化上层的条形金属的尺寸大小来实现等效电容和等效电感的大小，从而实现在不同频段的谐振，使谐振频段的电磁波被抑制与引导，最终实现电磁干扰减弱的效果。再将其集成到设计的两个具有强烈电磁干扰的微带天线之间，由于天线之间的电磁环境与单一的仿真叉指型磁超材料环境有一些差异，因此，继续对叉指型磁超材料结构进行小幅度的优化，优化的结构是两个第二条形金属片3的长度，从6.6mm调整到9.5mm。最终达到抑制微带天线高次谐波的作用，实现了工作在不同频段内的天线系统的电磁波隔离。
本发明设计目的是针对工作在不同频段的微带天线之间电磁干扰的隔离，同时，也可实现同频段的天线系统之间电磁干扰的隔离，而现有的技术文献大多是针对工作在同频段的微带贴片天线系统之间的电磁干扰分析设计，因此，设计的目的更加多样，方式更加灵活。
本发明是基于磁超材料的LC谐振设计理论，设计了一种新颖的细长小巧的叉指型磁超材料，可以非常方便地集成到介质基板中，并且通过人工调节结构尺寸来对不同频段的电磁波实现引导与抑制。对于工作在同频段的天线系统以及工作在不同频段的多天线系统都可以实现电磁波隔离的效果，在天线的电磁兼容领域有着重要的应用前景。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种天线电磁波隔离装置，其特征在于，包括：设置在介质基板上的金属回路结构，所述金属回路结构和介质基板构成了磁超材料，所述磁超材料用于隔离电磁波。
2.如权利要求1所述的天线电磁波隔离装置，其特征在于，所述磁超材料为叉指型磁超材料，所述叉指型磁超材料包括至少一个设置在介质基板上的金属回路结构，所述金属回路结构包括：两个对称的金属化过孔(1)、两个第一条形金属片(2)和两个第二条形金属片(3)，两个金属化过孔(1)依次穿过介质基板上表面的金属面、介质基板和介质基板下表面的金属面，且两个金属化过孔(1)的一端与介质基板上表面的金属面或下表面的金属面导通连接，另一端分别与两个第一条形金属片(2)的外端对应导通连接，两个第一条形金属片(2)的内端分别与两个第二条形金属片(3)的外端对应导通连接，两个第二条形金属片(3)的内端交错平行，等效为电容，两个第一条形金属片(2)等效为电感，两个金属化过孔(1)也等效为电感。
3.如权利要求2所述的天线电磁波隔离装置，其特征在于，通过改变所述第一条形金属片(2)的长度和宽度来调节其等效电感的大小，通过改变第二条形金属片(3)的长度、宽度、交错平行的两个第二条形金属片(3)之间的间距和交错的长度来调节其等效电容的大小，从而隔离不同频段的电磁波。
4.如权利要求2所述的天线电磁波隔离装置，其特征在于，所述介质基板为覆铜薄板F4B，介质基板的厚度为3.18mm，介电常数为2.15，损耗角的正切函数值为0.001，介质基板的覆铜厚度为0.035mm，第一条形金属片(2)的长度为6.0mm，宽度为0.6mm，第二条形金属片(3)的长度为6.6mm，宽度为0.2mm，两个平行的第二条形金属片(3)之间的间距为0.4mm。
5.一种天线电磁波隔离方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制作权利要求1-4任一权利要求所述的磁超材料；
S2、将步骤S1中制作的磁超材料集成到两个有电磁干扰的天线之间，使入射到磁超材料的电磁波被引导或抑制，实现两个天线之间电磁波的隔离。
6.如权利要求5所述的天线电磁波隔离方法，其特征在于，还包括步骤S3、通过改变叉指型磁超材料金属回路结构中两个第一条形金属片(2)的长度和宽度，通过改变两个第二条形金属片(3)的长度、宽度、交错平行的两个第二条形金属片(3)之间的间距和交错的长度，对相同频段或不同频段的天线之间的电磁波进行隔离。
7.如权利要求5所述的天线电磁波隔离方法，其特征在于，所述步骤S2中的两个天线均为微带贴片天线，其中一个微带贴片天线工作在另一个微带贴片天线的高次谐波频段内，使在高次谐波内工作的微带贴片天线受到强烈的电磁干扰，将叉指型磁超材料集成到两个微带贴片天线的缝隙之中，实现微带贴片天线之间高次谐波的隔离。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20210924 |