CN202127089U - 一种天线及具有该天线的mimo天线 - Google Patents

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刘若鹏
徐冠雄
杨松涛
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Abstract

本实用新型涉及一种天线，其包括附着有微槽结构的第一介质基板、与该第一介质基板连接的馈线、覆盖于该第一介质基板上的第二介质基板。电磁波在被天线接收或者发射时均需要通过该第二介质基板使得天线整体的分布电容增大，根据公式
Figure DDA0000065385840000011
可知，增大分布电容能有效降低天线工作频率，因此可在不改变馈线长度的情况下使得天线在低频时仍然工作良好，满足天线小体积、低工作频率及宽带多模的要求。

Description

一种天线及具有该天线的MIMO天线
技术领域
本实用新型涉及通信领域，尤其涉及一种天线及具有该天线的MIMO天线。 
背景技术
现有通讯系统中的天线主要为偶极子天线和PIFA天线，此类天线尺寸、带宽、增益等重要指标受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益极限、带宽极限等)。这些指标极限的基本物理原理使得天线的小型化技术难度远远超过了其它器件，而由于射频器件的电磁场分析的复杂性，逼近这些极限值都成为了巨大的技术挑战。因此当在设计中遇到天线使用空间小、工作频率低、工作在多模问题时，其就显得力不从心。 
为解决上述问题，现有技术的解决方案一般是通过在天线外部额外设置匹配线路来实现多模的辐射要求。在天馈系统中加入匹配网络后，功能上是可实现低频、多模的工作要求，但是由于非常大的一部分能量损失在匹配网络上，其辐射效率将极大的降低。 
现有的超材料小天线，如公开号为CN201490337的中国专利，在设计中集成了新型人工电磁材料，因此其辐射具有非常丰富的色散特性，可以形成多种辐射模式，即可免去繁琐的阻抗匹配网络，这种丰富的色散特性为多频点的阻抗匹配带来了极大的便利。尽管如此现有的超材料小天线在面对现有终端设备小体积、低工作频率、宽带多模等问题时，设计的过程中也受到了极大的制约。 
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出进一步缩短天线尺寸并在低工作频段工作良好的天线。 
本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种天线，其包括：第一介质基板以及覆盖于该第一介质基板上的第二介质基板；该第一介质基板一侧表面上设置有金属片以及围绕该金属片设置的馈线，该馈线以耦合方式馈入该金属片，且该金属片上镂空有微槽结构。 
该微槽结构为互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构以及互补式弯折线结构中的一种。 
该第一介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。 
该第二介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。 
该馈线与该金属片之间设置有可短接点，该可短接点电连接该馈线和该金属片使得该馈线以感性耦合方式馈入该金属片。 
该馈线围绕该金属片设置且不与该金属片接触而使得该馈线以容性耦合方式馈入该金属片。 
该微槽结构通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或离子刻镂空于该金属片上。 
该金属片材质为铜或银。 
本实用新型通过在第一介质基板上覆盖第二介质基板，两块介质基板之间形成耦合电容使得天线工作在低频时无需增长馈线长度，减小了天线的体积。 
同时，本实用新型还提供一种MIMO天线，其包括多个权利要求1所述的天线。 
该MIMO天线中的每一馈线连接一接收/发射机，所有的接收/发射机连接基带信号处理器。 
根据本实用新型的MIMO天线，除了具备上述天线本身的优点外，还具有很高的隔离度，且多个天线之间的抗干扰能力强。 
附图说明
图1为本实用新型天线的结构示意图。 
图2a为互补式开口谐振环结构的示意图； 
图2b所示为互补式螺旋线结构的示意图； 
图2c所示为开口螺旋环结构的示意图； 
图2d所示为双开口螺旋环结构的示意图； 
图2e所示为互补式弯折线结构的示意图； 
图3a为图2a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图； 
图3b为图2a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图； 
图4a为三个图2a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图； 
图4b为两个图2a所示的互补式开口谐振环结构与图5b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图； 
图5为四个图2a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。 
具体实施方式
超材料是由具有一定图案形状的人造微结构按照特定方式周期排列于基材上而构成。人造微结构不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。其中，当该人造微结构处于谐振频段时，该人造微结构将表现出高度的色散特性，所谓高度的色散特性是指该人造微结构的阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。 
本实用新型利用超材料的上述原理，设计一种天线。其将人造金属微结构人造微结构附着于第一介质基板上并利用人造金属微结构人造微结构的高度色散特性使得天线具有丰富的辐射特性从而省去了阻抗匹配网络的设计以实现天线小型化；另外，本实用新型还在天线结构中加入第二介质基板，第二介质基板覆盖于第一介质基板上使得天线的分布电容增大。 
如图1所示，图1为本实用新型天线的结构示意图。为更清楚的表示本 实用新型的结构，图1采用透视图画法。图1中，天线包括第一介质基板1以及覆盖于该第一介质基板1上的第二介质基板2；该第一介质基板一侧表面上设置有金属片10以及围绕该金属片10设置的馈线11，该馈线11以耦合方式馈入该金属片10，且该金属片上10镂空有微槽结构101。 
金属片10以及在金属片10上形成的微槽结构101使得金属片10构成一个等效介电常数按照洛仑兹材料谐振模型色散的电磁材料从而实现改变天线辐射特性的目的。图2a到图5给出了一系列可实现本实用新型目的的微槽结构拓扑图案。当应知微槽结构的设计种类有无穷多种，并不局限于图2a到图5的举例，但基本都是谐振结构，这里微槽结构的设计可以根据金属片的拓扑特性，如衍生与复合进行修改。图2a为互补式开口谐振环结构；图2b为互补式螺旋线结构；图2c为开口螺旋结构；图2d为双开口螺旋环结构；图2e为互补式弯折结构。微槽结构还可以是上述图2a至图2e结构的衍生、复合或者组阵。衍生分为两种，一种是几何形状衍生，另一种是扩展衍生，此处的几何形状衍生是指功能类似、形状不同的结构衍生，例如由方框类结构衍生到曲线类结构、三角形类结构及其它不同的多边形类结构；此处的扩展衍生即在图2a至图2e的基础上开设新的槽以形成新的微槽结构；以图2a所示的互补式开口谐振环结构为例，图3a为其几何形状衍生示意图，图3b为其几何形状衍生示意图。此处的复合是指，图2a至图2e的微槽结构多个叠加形成一个新的微槽结构，如图4a所示，为三个图2a所示的互补式开口谐振环结构复合后的结构示意图；如图2b所示，为两个图2a所示的互补式开口谐振环结构与图2b所示为互补式螺旋线结构共同复合后的结构示意图。此处的组阵是指由多个图2a至图2e所示的微槽结构在同一金属片上阵列形成一个整体的微槽结构，如图5所示，为多个如图2a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。本实施例中以图2c所示的开口螺旋环结构举例说明。 
馈线11通过可短接点50与金属片10电连接从而与金属片10形成感性耦合以对其进行馈电。可短接点50的位置可以是任意位置。另外馈线10对金属 片10馈电的方式还可以是容性耦合馈电方式，即馈线10围绕金属片10设置而不与金属片10接触。第二介质基板2覆盖于第一介质基板1的方式为多样的，可采用贴附、吸附或者压制等方式。 
由天线射频原理可知，电长度是描述电磁波波形变化频繁程度的物理量，电长度＝物理长度/波长。当天线工作于低频时，低频对应的电磁波波长较长，在需要保持电长度不变的前提下，增长物理长度就是必要的选择。然而增大物理长度必然不能满足天线小型化的要求。本实用新型在第一介质基板1上覆盖设置有第二介质基板2，当天线在接收或者发射电磁波时，电磁波均需要通过第二介质基板2才能被发射或者被接收从而使得天线整体的分布电容增大。根据公式 
Figure DEST_PATH_GDA0000093095070000051
可知，增大分布电容能有效降低天线工作频率使得在不增加物理长度的前提下就可保持电长度不变。并且通过改变第二介质基板2与第一介质基板1的材质即可改变天线整体的分布电容从而针对不同的频率均可达到在不改变物理长度的前提下改变电长度的目的，这样就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的射频天线。 
本实用新型的第一介质基板的材质可选用陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料；其中高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR-4。本实用新型的第二介质基板的材质可选用陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料；其中高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR-4。 
在本实用新型中，关于天线的加工制造，只要满足本实用新型的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造均可满足本实用新型的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成芯片微结构部分的加工，用铁片来完成其它辅助部分。 
上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局 限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。 

Claims (10)

1.一种天线，其特征在于：包括第一介质基板以及覆盖于该第一介质基板上的第二介质基板；该第一介质基板一侧表面上设置有金属片以及围绕该金属片设置的馈线，该馈线以耦合方式馈入该金属片，且该金属片上镂空有微槽结构。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于：该微槽结构为互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构以及互补式弯折线结构中的一种。
3.如权利要求1所述的天线，其特征在于：该第一介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。
4.如权利要求1所述的天线，其特征在于：该第二介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。
5.如权利要求1所述的天线，其特征在于：该馈线与该金属片之间设置有可短接点，该可短接点电连接该馈线和该金属片使得该馈线以感性耦合方式馈入该金属片。
6.如权利要求1所述的天线，其特征在于：该馈线围绕该金属片设置且不与该金属片接触而使得该馈线以容性耦合方式馈入该金属片。
7.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于：该微槽结构通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或离子刻镂空于该金属片上。
8.如权利要求1所述的天线，其特征在于：该金属片材质为铜或银。
9.一种MIMO天线，其特征在于：包括多个权利要求1所述的天线。
10.如权利要求9所述的MIMO天线，其特征在于：该MIMO天线中的每一馈线连接一接收/发射机，所有的接收/发射机连接基带信号处理器。 
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