CN112864615A - 一种天线和无线电设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天线和无线电设备。该天线包括辐射层、介质层和接地层，辐射层与介质层相接触，辐射层与接地层相绝缘，介质层包括主体介质、导电层和软磁层，导电层和软磁层埋设于主体介质中，且导电层和软磁层相互叠置并接触；软磁层采用软磁材料，导电层连接直流电流源。该天线中介质层包括主体介质、导电层和软磁材料的软磁层，导电层能在通入直流电流时调节软磁层的磁导率，从而调节整个介质层的磁导率，进而能够调节天线的辐射性能，使天线能够辐射或接收的电磁波频率可调节，继而能够实现频段连续可调的智能天线。

Description

一种天线和无线电设备

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种天线和无线电设备。

背景技术

随着现代电子技术的日益发展，越来越多的微波通信系统要求所使用的电子设备具有连续可调、多频带、多功能、小型化、高性能等特性，同时迫于频带资源的紧张，系统工作频率变得越来越高，相对带宽也越来越窄，因此在天线技术领域，能实现频段连续可调的智能天线得到广泛重视。

现有的基于二极管、可变电容、FET(场效应晶体管)等调谐方式的天线，其存在控制方式和馈电系统复杂，泄漏损耗大，功率容量小，难以工作在高频段等问题；而且在加载二极管和可变电容等可调电子器件时，受元器件封装的影响，会产生较多寄生参数和器件损耗，从而导致天线增益、方向性和效率不理想。

发明内容

本发明针对上述如何实现频段连续可调的智能天线的问题，提供一种天线和无线电设备。该

本发明提供一种天线，包括辐射层、介质层和接地层，所述辐射层与所述介质层相接触，所述辐射层与所述接地层相绝缘，所述介质层包括主体介质、导电层和软磁层，所述导电层和所述软磁层埋设于所述主体介质中，且所述导电层和所述软磁层相互叠置并接触；

所述软磁层采用软磁材料，所述导电层连接直流电流源。

可选地，所述导电层为网状结构；

所述软磁层包括多个子部，所述多个子部排布呈阵列；

各所述子部分别与所述导电层相接触。

可选地，所述子部在所述接地层上的正投影形状包括矩形或者长条形。

可选地，相互叠置并接触的一个所述导电层和一个所述软磁层构成一个组合，所述主体介质中埋设有多个所述组合，多个所述组合彼此间隔且相互叠置；

不同所述组合中的所述导电层连接同一直流电流源；或者，不同所述组合中的所述导电层分别连接不同直流电流源，不同直流电流源分别提供不同大小的直流电流。

可选地，所述主体介质的材料包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、环烯烃聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚四氟乙烯、二氧化硅、氮化硅中的任意一种或其复合材料；

所述导电层的材料包括金、银、铜、铝、铂或其合金；

所述软磁层的材料包括软磁金属或合金、软磁铁氧体或者由铁、镍、钴或其合金与玻璃化元素组成的非晶态软磁合金；

其中，软磁金属或合金包括Fe、FeAl、FeSi、FeSiAl、FeNi、FeC或FeCo；软磁铁氧体包括MnZn、NiZn或MgZn；玻璃化元素包括硅元素、硼元素、碳元素、或者磷元素。

可选地，所述介质层位于所述辐射层靠近所述接地层的一侧，和/或，所述介质层位于所述辐射层远离所述接地层的一侧。

可选地，所述辐射层和所述介质层在所述接地层上的正投影位于所述接地层上；

所述辐射层在所述接地层上的正投影面积小于所述介质层在所述接地层上的正投影面积，且所述辐射层在所述接地层上的正投影落入所述介质层在所述接地层上的正投影中。

可选地，还包括：频率选择层，设置于所述辐射层的背离所述接地层的一侧，所述介质层位于所述频率选择层与所述辐射层之间；

所述频率选择层用于选择所述天线辐射和接收的电磁波频率。

可选地，所述频率选择层包括多个子单元，所述多个子单元排布呈阵列，所述子单元在所述接地层上的正投影形状包括Y形、锚形、耶路撒冷形、圆环形、十字环形、方环形、方形或者六边形。

本发明还提供一种无线电设备，包括上述天线。

本发明的有益效果：本发明所提供的天线，通过使其介质层包括主体介质、导电层和软磁材料的软磁层，导电层能在通入直流电流时调节软磁层的磁导率，从而调节整个介质层的磁导率，进而能够调节天线的辐射性能，使天线能够辐射或接收的电磁波频率可调节，继而能够实现频段连续可调的智能天线。

本发明所提供的无线电设备，通过采用上述天线，提升了该无线电设备的通信性能。

附图说明

图1为本发明实施例中天线的结构剖视示意图；

图2为本发明实施例中天线的介质层的结构分界剖视图；

图3为厚度20nm的FeNi薄膜沿易轴测量得到的归一化磁滞回线；

图4为电流的磁效应原理示意图；

图5为电流的磁效应改变软磁材料的磁导率示意图；

图6为本发明实施例中天线的结构示意图；

图7为本发明实施例中导电层的一种图形示意图；

图8为本发明实施例中天线的软磁层和导电层的结构俯视示意图；

图9为本发明实施例中多个组合中的导电层输入同一直流电流的示意图；

图10为沿图9中AA剖切线的剖视图；

图11为本发明实施例中多个组合中的导电层输入不同直流电流的示意图；

图12为本发明实施例中另一种天线的结构剖视示意图；

图13为本发明实施例中一种频率选择层图形的俯视示意图；

图14为一种带通型频率选择层图形及其滤波特性的示意图；

图15为一种带阻型频率选择层图形及其滤波特性的示意图；

图16为本发明实施例中天线的制备方法示意图；

图17为本发明实施例中又一种天线的结构剖视示意图。

其中附图标记为：

1、辐射层；2、介质层；3、接地层；21、主体介质；22、导电层；23、软磁层；230、子部；200、组合；4、频率选择层；41、子单元；5、金属贴片；6、金属网栅；7、金属方环；8、衬底；9、第三介质；10、第二介质；11、第一介质；12、固定阻抗的介质层。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明一种天线和无线电设备作进一步详细描述。

本发明实施例提供一种天线，如图1和图2所示，包括辐射层1、介质层2和接地层3，辐射层1与介质层2相接触，辐射层1与接地层3相绝缘，介质层2包括主体介质21、导电层22和软磁层23，导电层22和软磁层23埋设于主体介质21中，且导电层22和软磁层23相互叠置并接触；软磁层23采用软磁材料，导电层22连接直流电流源。

其中，软磁材料，指的是当磁化发生在Hc不大于1000A/m，这样的材料称为软磁体。软磁层23的材料包括软磁金属或合金、软磁铁氧体或者由铁、镍、钴或其合金与玻璃化元素组成的非晶态软磁合金；其中，软磁金属或合金包括Fe、FeAl、FeSi、FeSiAl、FeNi、FeC或FeCo；软磁铁氧体包括MnZn、NiZn或MgZn；玻璃化元素包括硅元素、硼元素、碳元素、或者磷元素。

软磁材料的静态磁化特性是指所表征的磁性参数为不含时参数。通常用磁化曲线或磁滞回线来表征材料的静态磁特性。如图3所示为厚度20nm的FeNi薄膜沿易轴测量得到的归一化磁滞回线。磁滞回线的测量为一准静态过程。将一个处于剩磁状态的非晶态软磁薄膜置于外磁场之中。当磁场为0时，薄膜处于状态b，此状态称为剩磁状态，即在没有外磁场作用下样品自发磁化。当磁场反向增大时，磁化强度(M)逐渐减小，当外磁场达到a时，磁化强度剧烈减小并迅速反向增大，此时外磁场大小被称为样品的矫顽力场。当磁场继续增大时，软磁薄膜的磁化强度逐渐变大，当达到状态c时，软磁薄膜的磁化强度为该样品所能达到的最大磁化强度，称为饱和磁化强度(Ms)。饱和磁化强度是表征铁磁性材料磁性强弱的重要参数。要得到一条完整的磁滞回线，在软磁薄膜沿反向磁场磁化到饱和以后，逐渐减小磁场大小，当磁场大小变为0时，由于磁滞的影响，薄膜处在剩磁态。继续沿正向增大磁场，当磁场大小达到矫顽力时，薄膜的磁化状态将发生反转。继续增大磁场达到饱和时，将得到一条对称的磁滞回线。磁滞回线上任何点所对应的磁感应强度与磁场强度的比值为磁导率值。

电流的磁效应是指，任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场的现象，称为电流的磁效应。在通电流的长直导线周围，会有磁场产生，其磁感线的形状为以导线为圆心一封闭的同心圆，且磁场的方向与电流的方向互相垂直，如图4所示。

根据软磁材料的磁滞回线，在外磁场的作用下，磁导率可变(磁感应强度与磁场强度的比值)。在这里外磁场使用通电直流导线来产生，如图5所示，导电层22在通入电流后会产生磁场，从而改变软磁材料的磁导率。根据该原理，将导电层22和软磁层23分布在主体介质21内，可对整体介质层2的性能进行调节，这里主要是调节磁导率，介电常数基本不变。导电层22通入不同的电流时，介质层2表现出的宏观磁导率会随之变化。

本实施例中，介质层2位于辐射层1靠近接地层3的一侧。即介质层2位于辐射层1和接地层3之间。其中，辐射层1一般根据设计要求可以是不同形状大小的金属片，介质层2的厚度远小于天线辐射或接收电磁波的波长。

本实施例中，如图6所示，辐射层1和介质层2在接地层3上的正投影位于接地层3上；辐射层1在接地层3上的正投影面积小于介质层2在接地层3上的正投影面积，且辐射层1在接地层3上的正投影落入介质层2在接地层3上的正投影中。

其中，天线的谐振频率fr与介质层2的磁导率μ和介电常数∈的平方根成反比。天线就是通过谐振工作的。对于一般的介质层，磁导率和介电常数为固定值，天线的谐振频率也为固定值。软磁材料是一种高磁导率材料，其磁导率与通入直流电流的导电层22产生的磁场有关，通过电流来控制磁场，从而控制介质层2的磁导率，从而影响辐射层1的谐振，继而实现天线辐射或接收电磁波的频率可调。

本实施例中，如图7和图8所示，导电层22为网状结构；软磁层23包括多个子部230，多个子部230排布呈阵列；各子部230分别与导电层22相接触。网状结构的导电层22能够透射电磁波，避免导电层22对电磁波形成屏蔽。其中，导电层22采用铜、金等高导电性能的金属，能减小损耗，提高效率。导电层22为超细线宽的网格线，网格线为串并联共用的导电线，网格线部分节点断路的话，不影响其使用，增加了可靠性。导电层22的相对两端为输入输出电流接入点。

可选地，本实施例中，子部230在接地层3上的正投影形状包括矩形或者长条形。由于矩形或者长条形的子部230的磁化能力不同，存在难轴和易轴，矩形图案的大小和长宽比影响软磁共振频率，长宽比越大，软磁共振频率越高，从而使天线的可调频率范围更宽。导电层22上方为图案化的软磁层23，导电层22中通入不同电流的话，会在网格状导电线周围产生不同的磁场，根据软磁材料易磁化的特点，导电线产生的磁场会改变软磁材料的磁化性能，即磁导率。将主体介质21、导电层22和图案化软磁层23作为介质层2，该介质层2在不同的驱动电流下就具有不同的等效介质性能(包括等效介电常数和等效磁导率)。

其中，导电层22中导电线的线宽和软磁层23中子部230的尺寸要远远小于辐射层1的尺寸，本实施例中的天线能够辐射或接收6GHZ频段以下的电磁波。例如：对于3.5GHz频段的天线(天线发射或接收电磁波的半波长约43mm)，其介质层2的整体尺寸约为50mm*50mm，至少要大于天线发射或接收电磁波的半波长的尺寸。导电层22中网格线的线宽尺寸为10～40μm，软磁层23中子部230的尺寸范围为5μm*5μm～40μm*40μm，优选的，矩形子部230的尺寸大小为15μm*20μm，具体的导电层22中网格线的线宽和软磁层23中子部230的尺寸需要根据其图形设计和材料特性以及天线需要辐射或接收的电磁波的频段确定。

本实施例中，如图9和图10所示，相互叠置并接触的一个导电层22和一个软磁层23构成一个组合200，主体介质21中埋设有多个组合200，多个组合200彼此间隔且相互叠置；不同组合200中的导电层22连接同一直流电流源。由于单个图案化的软磁层23和导电层22的组合200对整体介质层2的磁导率调节能力有限，所以为了增加对整体介质层2磁导率的调节能力，可以通过多个叠加的导电层22和软磁层23组合200来提高介质层2的调节能力。对于多个堆叠的导电层22和软磁层23组合200，本实施例中对各组合200中的导电层22为单电流加载，和多电流加载。单电流加载多个组合200的介质层2整体磁导率对外为一均匀值，各组合200中的导电层22串联连接在一起，可实现单一电流加载。

可选地，如图11所示，不同组合200中的导电层22也可以分别连接不同直流电流源，不同直流电流源分别提供不同大小的直流电流。多电流分别对应加载至各个组合200的导电层22，各个组合200的导电层22的电流可不同，对外等效为类似介质透镜的等效材料，多电流加载至不同组合200的导电层22，能够进一步提高对整体介质层2磁导率的调节能力，从而进一步提高天线辐射或接收电磁波的频段可调节范围。

可选地，本实施例中，主体介质21的材料包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、环烯烃聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚四氟乙烯、二氧化硅、氮化硅中的任意一种或其复合材料；导电层22的材料包括金、银、铜、铝、铂或其合金等。

可选地，如图12所示，天线还包括：频率选择层4，设置于辐射层1的背离接地层3的一侧，介质层2位于频率选择层4与辐射层1之间；频率选择层4用于选择天线辐射和接收的电磁波频率。即辐射层1与接地层3之间设置有一个介质层2，辐射层1与频率选择层4之间还设置有一个介质层2。当然，辐射层1与接地层3之间的介质层也可以是固定阻抗的介质层。其中，频率选择层4采用频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)，是一种二维周期阵列结构,就其本质而言是一个空间滤波器,与电磁波相互作用表现出明显的带通或带阻的滤波特性。FSS具有特定的频率选择作用而被广泛地应用于微波、红外至可见光波段。频率选择层4能增强或减弱天线的电磁波辐射性能。本实施例中，采用可调磁导率的介质层2作为频率选择层4的介质层，通过调节介质层2的等效磁导率来调节频率选择层4的性能，从而实现对天线辐射性能的调节。

其中，如图13所示，频率选择层4包括多个子单元41，多个子单元41排布呈阵列，子单元41在接地层3上的正投影形状包括Y形、锚形、耶路撒冷形、圆环形、十字环形、方环形、方形或者六边形。

如图14为由方形金属贴片5和金属网栅6结构组合而成的方形槽FSS。很显然，所形成的方形槽等效为间隙电容，金属网栅等效为电感，两者共同形成LC并联谐振。当入射电磁波工作于低频段时，电感的阻抗小、电容的阻抗大，电流通过电感而不能通向输出端，也就是说工作于低频段的电磁波无法输出；当入射电磁波工作于高频时，电容的阻抗变小、电感的阻抗变大，电流通过电容而不能通向输出端，也就是说工作于高频段的电磁波无法输出；因此，只有当入射电磁波工作于谐振频率或接近谐振频率时，电感的阻抗与电容的阻抗在数值上是相当的，此时通过电容和电感的电流幅度相等、方向相反，也就是说LC并联的部分阻抗大，电流可以流向输出端，实现带通滤波性能。如图15为由金属方环7作为周期单元结构组成的FSS，其中金属方环7的外侧边长小于周期单元的尺寸。很显然，金属方环7可以等效为电感，相邻方形金属环之间的间隙可以看作为电容，两者共同形成LC串联谐振。工作频率越低，电容的阻抗越大、电感的阻抗越小，因此，当入射电磁波工作于低频段时，电流会由于电容的阻抗较大而流向输出端；当入射电磁波工作于高频段时，电流会由于电感的阻抗大而流向输出端；当入射电磁波工作频率等于或接近谐振频率时，电感的阻抗与电容的阻抗在数值上是相当的，此时电流流向LC串联电路，最终实现带阻滤波性能。

本实施例中，辐射层1和接地层3可以通过焊接或者绑定连接的方式连接射频信号源，以使天线通过射频信号源辐射电磁波信号或者接收电磁波信号。辐射层1定向辐射电磁波信号。天线可以是微带贴片天线、缝隙天线等形式。接地层3可以为整面的金属膜层结构，也可以为具有缺陷的缺陷膜层结构(DGS)，还可以是加载的电磁带隙结构(EBG)的周期结构接地层。上述都是天线的传统结构，这里不再赘述。

基于天线的上述结构本实施例还提供一种该天线的制备方法，如图16所示，包括：制备辐射层1、介质层2和接地层3。

步骤S01：制备辐射层1包括：在衬底8上涂覆或贴合第三介质9；在第三介质9上制作图案化辐射层1；然后剥离衬底8。

其中，辐射层1采用传统构图工艺制备或者蒸镀工艺制备。具体工艺不再赘述。

步骤S02：制备介质层2包括：在衬底8上涂覆或贴合第二介质10；在第二介质10上制备导电层22；在导电层22图形上制备软磁层23。

本实施例中，重复介质层2制备的上述步骤，制备形成具有多个组合200的介质层2，且相邻组合200中的导电层22通过开设在第二介质10中的过孔连接；然后剥离衬底8。其中，导电层22和软磁层23分别采用构图工艺或者蒸镀工艺制备，具体工艺不再赘述。

步骤S03：制备接地层3包括：在衬底8上制备第一介质11；在第一介质11上制备接地层3；然后剥离衬底8。

其中，接地层3采用构图工艺或蒸镀工艺制备，具体不再赘述。

步骤S04：将上述步骤中制备的辐射层1、介质层2和接地层3相贴合，且第三介质9和第一介质11分别与第二介质10相贴合。

其中，第一介质11、第二介质10和第三介质9均采用介质层2中主体介质的材料。当然，第一介质11、第二介质10和第三介质9的材料也可以不同。

本发明实施例还提供一种天线，与上述实施例中不同的是，如图17所示，介质层2位于辐射层1远离接地层3的一侧，辐射层1和接地层3之间通过设置固定阻抗的介质层12实现相互绝缘。

本实施例中天线的其他结构及其制备方法与上述实施例中相同，此处不再赘述。

本发明所提供的天线，通过使其介质层包括主体介质、导电层和软磁材料的软磁层，导电层能在通入直流电流时调节软磁层的磁导率，从而调节整个介质层的磁导率，进而能够调节天线的辐射性能，使天线能够辐射或接收的电磁波频率可调节，继而能够实现频段连续可调的智能天线。

本发明实施例还提供一种无线电设备，包括上述任一实施例中的天线。

通过采用上述任一实施例中的天线，提升了该无线电设备的通信性能。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种天线，包括辐射层、介质层和接地层，所述辐射层与所述介质层相接触，所述辐射层与所述接地层相绝缘，其特征在于，所述介质层包括主体介质、导电层和软磁层，所述导电层和所述软磁层埋设于所述主体介质中，且所述导电层和所述软磁层相互叠置并接触；

所述软磁层采用软磁材料，所述导电层连接直流电流源。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述导电层为网状结构；

所述软磁层包括多个子部，所述多个子部排布呈阵列；

各所述子部分别与所述导电层相接触。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述子部在所述接地层上的正投影形状包括矩形或者长条形。

4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，相互叠置并接触的一个所述导电层和一个所述软磁层构成一个组合，所述主体介质中埋设有多个所述组合，多个所述组合彼此间隔且相互叠置；

不同所述组合中的所述导电层连接同一直流电流源；或者，不同所述组合中的所述导电层分别连接不同直流电流源，不同直流电流源分别提供不同大小的直流电流。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述主体介质的材料包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、环烯烃聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚四氟乙烯、二氧化硅、氮化硅中的任意一种或其复合材料；

所述导电层的材料包括金、银、铜、铝、铂或其合金；

所述软磁层的材料包括软磁金属或合金、软磁铁氧体或者由铁、镍、钴或其合金与玻璃化元素组成的非晶态软磁合金；

其中，软磁金属或合金包括Fe、FeAl、FeSi、FeSiAl、FeNi、FeC或FeCo；软磁铁氧体包括MnZn、NiZn或MgZn；玻璃化元素包括硅元素、硼元素、碳元素、或者磷元素。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述介质层位于所述辐射层靠近所述接地层的一侧，和/或，所述介质层位于所述辐射层远离所述接地层的一侧。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述辐射层和所述介质层在所述接地层上的正投影位于所述接地层上；

所述辐射层在所述接地层上的正投影面积小于所述介质层在所述接地层上的正投影面积，且所述辐射层在所述接地层上的正投影落入所述介质层在所述接地层上的正投影中。

8.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，还包括：频率选择层，设置于所述辐射层的背离所述接地层的一侧，所述介质层位于所述频率选择层与所述辐射层之间；

所述频率选择层用于选择所述天线辐射和接收的电磁波频率。

9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，所述频率选择层包括多个子单元，所述多个子单元排布呈阵列，所述子单元在所述接地层上的正投影形状包括Y形、锚形、耶路撒冷形、圆环形、十字环形、方环形、方形或者六边形。

10.一种无线电设备，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的天线。

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