CN116093622A - 一种基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线，包括第一介质板、第二介质板、第一金属贴片、第二金属贴片、金属地以及用于给所述叠层天线馈电的馈电结构，所述第一金属贴片设置在第一介质板的上表面，所述第二金属贴片设置在第二介质板的上表面，所述金属地设置在第二介质板的下表面，所述第一金属贴片、第二金属贴片均为辐射单元，所述第一金属贴片和第二金属贴片的非辐射边均设置有人工表面等离激元结构。本发明实现了叠层天线的小型化设计，在保证天线宽频带特征的同时，显著减小了天线的几何尺寸。

Description

一种基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线
技术领域
本发明涉及叠层天线技术领域，具体地，涉及一种基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线。
背景技术
天线作为无线通信系统最重要的组成部件之一，承载着无线电波发射和接收的任务。叠层天线在继承传统微带天线体积小、重量轻、制造简单和易于集成等优点的基础上，还具有宽波束宽度、宽阻抗带宽、滤波特性和极化灵活性。因此，叠层天线在无线通信系统终端和移动客户端设备中都得到了广泛的应用。随着移动通信技术和无线射频识别技术的迅速发展和应用，终端设备逐渐向着小型化和集成化的方向发展，对天线尺寸的要求越来越高。因此，如何在有限的空间内实现叠层天线的小型化是目前无线通信系统中亟待解决的问题之一。
实现天线小型化的本质是通过延长电流路径进而降低谐振频率。现有的贴片天线的小型化技术主要包括采用高介电常数的介质板、加载短路贴片、加载简单缝隙、采用缺陷地和采用凹凸型基板等。但是，这些方式均会以牺牲天线的辐射特性或增加制造成本为代价。例如：采用高介电常数的介质板会引起表面波从而降低辐射效率；采用缺陷地结构会增加后向辐射从而降低天线增益。因此，为了兼顾空间利用率、工艺制造成本和天线的辐射性能，在保留叠层天线宽带特性的同时实现小型化，在无线通信系统的天线设计中尤为重要。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线，通过将人工表面等离激元结构引入到叠层天线中，实现天线结构的小型化。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线，包括第一介质板、第二介质板、第一金属贴片、第二金属贴片、金属地以及用于给所述叠层天线馈电的馈电结构，所述第一金属贴片设置在第一介质板的上表面，所述第二金属贴片设置在第二介质板的上表面，所述金属地设置在第二介质板的下表面，所述第一金属贴片、第二金属贴片均为辐射单元，所述第一金属贴片和第二金属贴片的非辐射边均设置有人工表面等离激元结构。
优选地，所述第一金属贴片非辐射边的人工表面等离激元结构包括多个凹槽，所述凹槽的深度以指数曲线方式渐变，其中曲线形状由叠层天线实际高频谐振点确定。
优选地，所述第一金属贴片的人工表面等离激元结构的多个凹槽的宽度相同。
优选地，所述第二金属贴片非辐射边的人工表面等离激元结构包括多个凹槽，所述凹槽的深度以指数曲线方式渐变，其中曲线形状由叠层天线实际低频谐振点确定。
优选地，所述第二金属贴片的人工表面等离激元结构的多个凹槽的宽度相同。
优选地，所述馈电结构包括设置在第二金属贴片上的馈电点、设置在第二介质板中的金属过孔以及设置在金属地上的馈电接口，所述馈电接口通过第二介质板中的金属过孔给第二金属贴片馈电。
优选地，所述第二金属贴片上的馈电点与第二金属贴片中心点偏离。
优选地，所述第二金属贴片用于将电磁能量耦合到第一金属贴片，并同时辐射到空间中。
优选地，所述第一金属贴片将耦合的电磁能量辐射到空间中。
优选地，所述第一介质板和第二介质板为不同的高频印刷电路板。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的小型化叠层天线基于人工表面等离激元模式，在金属贴片的非辐射边加载了凹槽深度以指数曲线方式渐变的结构，实现了叠层天线的小型化，显著减小了天线的几何尺寸；
2、本发明的基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线结构紧凑，原理易于理解，易于加工制造并且可复制性强；
3、本发明在显著降低金属贴片尺寸的同时，保留了叠层天线的宽带特性，能够同时满足小型化和宽带的需求，可广泛应用于无线通信系统的射频前端。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线结构示意图；
图2为本发明实施例提供的第一金属贴片结构示意图；
图3为本发明实施例提供的第二金属贴片结构示意图；
图4为本发明实施例提供的小型化叠层天线的反射系数曲线图；
图5为本发明实施例提供的小型化叠层天线的E面辐射方向图；
图6为本发明实施例提供的小型化叠层天线的H面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明实施例提供的一种基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线结构示意图，图2为本发明实施例提供的第一金属贴片结构示意图；图3为本发明实施例提供的第二金属贴片结构示意图，如图1、图2和图3所示，所述基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线包括第一介质板1、第二金属贴片2、第二介质板3、金属地4、第一金属贴片5以及馈电结构，所述馈电结构包括设置在第二金属贴片2上的馈电点6、设置在第二介质板3中的金属过孔7以及设置在金属地4上的馈电接口8。所述第一金属贴片5设置在第一介质板1的上表面，所述第二金属贴片2设置在第二介质板3的上表面；所述金属地4设置在第二介质板3的下表面，所述金属地4上设置的馈电接口8通过第二介质板3中的金属过孔7给第二金属贴片2馈电。所述第一金属贴片5和第二金属贴片2均为辐射单元，其非辐射边设置了人工表面等离激元结构，用来实现天线的小型化。
在本实施例中，所述第一介质板1、第二金属贴片2、第二介质板3、金属地4、第一金属贴片5、馈电点6、金属过孔7和馈电接口8均由PCB工艺加工实现。所述第一介质板1和第二介质板3为不同的高频印刷电路板，可根据实际工作频率选定，具体地，所述第一介质板1为Rogers RT/duroid 5880介质板，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，几何尺寸为18mm×18mm×1.575mm。所述第二介质板3为Rogers RO4350介质板，介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，几何尺寸为18mm×18mm×1.524mm。
所述金属地4的几何尺寸为18mm×18mm×0.018mm。
所述第一金属贴片5的非辐射边长度由实际工作频率确定，第一金属贴片5的非辐射边上对称设置了凹槽深度以指数曲线方式渐变的人工表面等离激元结构，曲线形状由叠层天线的实际高频谐振点确定。在本实施例中，所述第一金属贴片5整体尺寸为4.6mm×4.6mm×0.018mm，其非辐射边加载了人工表面等离激元结构，凹槽深度以指数曲线渐变，指数函数表达式为y＝0.2ex+0.24，凹槽宽度为0.2mm，凹槽最大深度为0.95mm。
所述第二金属贴片2的非辐射边长度由实际工作频率确定，第二金属贴片2的非辐射边上对称设置了凹槽深度以另一种指数曲线方式渐变的人工表面等离激元结构，曲线形状由叠层天线的实际低频谐振点确定。在本实施例中，所述第二金属贴片2整体尺寸为4.6mm×4.6mm×0.018mm，其非辐射边加载了人工表面等离激元结构，凹槽深度以指数曲线渐变，指数函数表达式为y＝0.15ex+0.8，凹槽宽度为0.2mm，凹槽最大深度为0.45mm。
所述第二金属贴片2上的馈电点6与金属贴片的中心点偏离一定距离，用以实现天线的阻抗匹配。具体地，在本实施例中所述馈电点6与第二金属贴片2的中心点偏离1.45mm。所述第二金属贴片2用于将电磁能量耦合到第一金属贴片5，并同时辐射到空间中，所述第一金属贴片5将耦合的电磁能量辐射到空间中。所述馈电接口8通过第二介质板3中的金属过孔7给第二金属贴片2馈电，在实施过程中可根据实际工作频率选取合适的射频转接器与馈电接口8相连。
图4为本发明实施例提供的所述小型化叠层天线的反射系数曲线图，其-10dB阻抗带宽为1.9GHz，相对带宽为16.4％。图5为本发明实施例提供的所述小型化叠层天线的E面辐射方向图，3dB主瓣波束宽度为84°。图6为本发明实施例提供的所述小型化叠层天线的H面辐射方向图，3dB主瓣波束宽度为87°。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线，其特征在于，所述基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线包括第一介质板、第二介质板、第一金属贴片、第二金属贴片、金属地以及用于给所述叠层天线馈电的馈电结构，所述第一金属贴片设置在第一介质板的上表面，所述第二金属贴片设置在第二介质板的上表面，所述金属地设置在第二介质板的下表面，所述第一金属贴片、第二金属贴片均为辐射单元，所述第一金属贴片和第二金属贴片的非辐射边均设置有人工表面等离激元结构。
2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线，其特征在于，所述第一金属贴片非辐射边的人工表面等离激元结构包括多个凹槽，所述凹槽的深度以指数曲线方式渐变，其中曲线形状由叠层天线实际高频谐振点确定。
3.根据权利要求2所述的基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线，其特征在于，所述第一金属贴片的人工表面等离激元结构的多个凹槽的宽度相同。
4.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线，其特征在于，所述第二金属贴片非辐射边的人工表面等离激元结构包括多个凹槽，所述凹槽的深度以指数曲线方式渐变，其中曲线形状由叠层天线实际低频谐振点确定。
5.根据权利要求4所述的基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线，其特征在于，所述第二金属贴片的人工表面等离激元结构的多个凹槽的宽度相同。
6.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线，其特征在于，所述馈电结构包括设置在第二金属贴片上的馈电点、设置在第二介质板中的金属过孔以及设置在金属地上的馈电接口，所述馈电接口通过第二介质板中的金属过孔给第二金属贴片馈电。
7.根据权利要求6所述的基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线，其特征在于，所述第二金属贴片上的馈电点与第二金属贴片中心点偏离。
8.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线，其特征在于，所述第二金属贴片用于将电磁能量耦合到第一金属贴片，并同时辐射到空间中。
9.根据权利要求8所述的基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线，其特征在于，所述第一金属贴片将耦合的电磁能量辐射到空间中。
10.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元结构的小型化叠层天线，其特征在于，所述第一介质板和第二介质板为不同的高频印刷电路板。
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