TWI502806B - 超材料射頻天線及ｍｉｍｏ天線 - Google Patents

Description

超材料射頻天線及MIMO天線

本發明涉及通信領域，尤其涉及一種超材料射頻天線及採用超材料射頻天線的MIMO天線。

隨著半導體製程的高度發展，對當今的電子系統集成度提出了越來越高的要求，器件的小型化成為了整個產業非常關注的技術問題。然而，不同於IC芯片遵循“摩爾定律”的發展，作為電子系統的另外重要組成--射頻模塊，却面臨著器件小型化的高難度技術挑戰。射頻模塊主要包括了混頻、功放、濾波、射頻信號傳輸、匹配網絡與天線等主要器件。其中，天線作為最終射頻信號的輻射單元和接收器件，其工作特性將直接影響整個電子系統的工作性能。然而天線的尺寸、帶寬、增益等重要指標却受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益極限、帶寬極限等)。這些指標極限的基本原理使得天線的小型化技術難度遠遠超過了其它器件，而由於射頻器件的電磁場分析的複雜性，逼近這些極限值都成為了巨大的技術挑戰。

傳統天線的輻射工作頻率直接和天線的尺寸正相關，帶寬和天線的面積正相關，使得天線的設計通常需要半波長的物理長度。這使得傳統天線技術在移動終端尺寸受限的前提下難以實施。

除此之外，在一些更為複雜的電子系統中，天線需要多模工作，就需要在饋入天線前額外的阻抗匹配網絡設計。但阻抗 匹配網絡額外的增加了電子系統的饋線設計、增大了射頻系統的面積同時匹配網絡還引入了不少的能量損耗，很難滿足現代通信系統低功耗的系統設計要求。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述不足，提出一種突破傳統天線設計的框架，省去阻抗匹配網絡的複雜設計，保證其小型化幷使其在低工作頻段依然保持良好性能的天線。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提出一種天線，其包括饋線、第一金屬片、與該第一金屬片相對設置的第二金屬片；該饋線通過耦合方式饋入該第一金屬片，該第二金屬片與該饋線電連接；該第一金屬片上形成有微槽結構或是由具有人造金屬微結構的金屬走線形成所述第一金屬片。

該微槽結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構、互補式彎折線結構或是通過前面五種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣得到的結構。

另外，本發明還提供一種MIMO天線，該MIMO天線包括多個天線，其中每一該天線包括：饋線、第一金屬片、與該第一金屬片相對設置的第二金屬片；該饋線通過耦合方式饋入該第一金屬片，該第二金屬片與該饋線電連接；該第一金屬片上形成有微槽結構或是由具有人造金屬微結構的金屬走線形成所述第一金屬片。

該MIMO天線中的每一饋線連接一接收/發射機，所有的接收/發射機連接基帶信號處理器。

根據本發明的MIMO天線，除了具備上述天線本身的優點外，還具有很高的隔離度，且多個天線之間的抗干擾能力强。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提出一種超材料射頻天線，其包括饋線、第一金屬片、與該第一金屬片相對設置的第二金屬片；該饋線通過耦合方式饋入該第一金屬片，該第二金屬片與該饋線電連接；該第一金屬片上形成有微槽結構或是由具有人造金屬微結構的金屬走線形成所述第一金屬片，該人造金屬微結構或微槽結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構、互補式彎折線結構或是通過前面幾種結構衍生、複合、組合或組陣得到的人造金屬微結構，該超材料射頻天線還包括填充於該第一金屬片與該第二金屬片之間的介質，該介質形成有通孔，通過該通孔將該饋線和該第二金屬片電連接。

本發明的超材料射頻天線突破傳統天線的設計框架，利用超材料的特殊電磁響應設計出輻射具有非常豐富的色散特性、可以形成多種輻射模式的新型射頻天線。本發明可免去繁瑣的阻抗匹配網絡，具有尺寸小、加工簡單、成本低廉的優點。進一步地，本發明還包括有可對超材料人造金屬微結構耦合饋電的另一金屬片，兩金屬片之間存在介質，由於不同的介質對應不同的電磁參數從而改變兩金屬片之間的電容值幷最終調節射頻天線的工作頻率，使得天線可工作在低頻段。幷且由於該另一金屬片與饋線電連接，可使天線在低工作頻段時簡化饋 線的結構、減少饋線的損耗、提高天線低工作頻段的性能。

超材料天線是基於人工電磁材料理論設計，人工電磁材料技術是指將金屬片鏤刻成特定形狀的拓撲金屬結構，幷將所述特定形狀的拓撲金屬結構設置於一定介電常數和磁導率基材上而加工製造的等效特種電磁材料天線，其性能參數主要取決於其亞波長的特定形狀的拓撲金屬結構。在諧振頻段，人工電磁材料通常體現出高度的色散特性，換言之，天線的阻抗、容感性、等效的介電常數和磁導率隨著頻率會發生劇烈的變化。因而可採用人工電磁材料技術對上述天線的基本特性進行改造，使得金屬結構與其依附的介質基板等效地組成了一個高度色散的特種電磁材料，從而實現輻射特性豐富的新型天線。

本發明利用超材料的上述原理，設計一種天線，其利用人造微結構的高度色散特性將微槽結構形成於第一金屬片上，該第一金屬片和射頻天線的饋線耦合作用使得天線具有豐富的輻射特性從而省去了阻抗匹配網絡的設計實現天線的小型化；另外，在天線結構中還引入與第一金屬片相對的第二金屬片，該第二金屬片與饋線電連接幷與第一金屬片產生容性耦合使得饋線的輻射面積借助第二金屬片而得到增大，減少了饋線的損耗；同時由於第一金屬片與第二金屬片中間存在介質，根據介質材料電磁特性的不同導致兩金屬片之間的電容值改變，使得天線的工作頻率也產生改變。

如圖1所示，為本發明一種超材料射頻天線第一實施方式 的結構示意圖。本發明第一實施方式的天線100包括饋線10、第一金屬片20、第二金屬片30、填充於第一金屬片20與第二金屬片30之間的介質1。

饋線10和該第一金屬片20通過電容耦合方式饋入第一金屬片20，第二金屬片30與饋線10電連接；第一金屬片20上形成有微槽結構201。第一金屬片20以及在第一金屬片20上形成的微槽結構201使得第一金屬片20構成一個等效介電常數按照洛侖茲材料諧振模型色散的電磁材料從而實現改變天線輻射特性的目的。

本發明的微槽結構201可以是圖2所示的互補式開口諧振環結構、圖3所示的互補式螺旋線結構、圖4所示的開口螺旋環結構、圖5所示的雙開口螺旋環結構、圖6所示的互補式彎折線結構中的一種或者是通過前面五種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣得到的結構。

其中，衍生分為兩種，一種是幾何形狀衍生，另一種是擴展衍生，此處的幾何形狀衍生是指功能類似、形狀不同的結構衍生，例如由方框類結構衍生到曲線類結構、三角形類結構及其它不同的多邊形類結構；此處的擴展衍生即在圖2至圖6的基礎上開設新的槽以形成新的微槽結構；以圖2所示的互補式開口諧振環結構為例，圖7為其幾何形狀衍生示意圖，圖8為其擴展衍生示意圖。

此處的複合是指，圖2至圖6的微槽結構中的多個結構叠加形成一個新的微槽結構，如圖9所示，為三個圖2所示的互補式開口諧振環結構複合後的結構示意圖；如圖3所示，為兩 個圖2所示的互補式開口諧振環結構與圖3所示為互補式螺旋線結構共同複合後的結構示意圖。

此處的組陣是指由多個圖2至圖6所示的微槽結構在同一金屬片上陣列形成一個整體的微槽結構。如圖5所示，為多個如圖2所示的互補式開口諧振環結構組陣後的結構示意圖。本實施方式中，均以圖4所示的開口螺旋環結構為例闡述本發明。

本發明中，在第一金屬片20上形成微槽結構201的製造製程有多種，例如蝕刻、鑽刻、光刻、電子刻、離子刻等，其中蝕刻是較優的製造製程，其步驟是在設計好合適的微槽結構的拓撲圖案後，通過蝕刻設備，利用溶劑與金屬的化學反應去除掉第一金屬片上預設微槽結構圖案對應的金屬部分，該第一金屬片即形成了所述的超材料。上述第一金屬片20的材質可以是銅、銀等任何金屬。

請繼續參閱圖1所示，雖然第一金屬片20和該第一金屬片20上形成的微槽結構201的設置已經解決現有技術中的阻抗匹配複雜、阻抗損耗大、天線尺寸受限等問題，但是當天線需要工作在低頻時，低頻段的電磁波對應的波長較長，根據天線設計原理，天線饋線的電輻射長度將要增大。然而，第一金屬片20的設置幷不能有效解決這個問題，常規的解決辦法是將天線饋線10圍繞第一金屬片20多圈設置以增大饋線10對第一金屬片20上形成的微槽結構201的耦合饋電，但是此類設置必然使得饋線長度過長，饋線損耗增大從而使得天線性能下降。

對此，如圖1所示，本發明天線100中，在與第一金屬片20所設置的表面相對的介質1的另一個表面增設有第二金屬片30。饋線10與第二金屬片30電連接，二者通過形成於介質1上的金屬化通孔40實現電連接。當然，饋線10與第二金屬片30亦可通過其他常規電連接方式實現電連接。

本實施方式中，第二金屬片30與第一金屬片20容性耦合，對第一金屬片20上形成的微槽結構201耦合饋電。第二金屬片30對第一金屬片20上形成的微槽結構201耦合饋電可有效減少饋線10對第一金屬片20上形成的微槽結構201耦合饋電的需求。因此無需增長饋線10長度，且第二金屬片30面積調節簡單，針對不同的工作頻段只需調整第二金屬片30面積即可。幷且，由於第一金屬片20與第二金屬片30中間設置介質1，通過選取不同材料的介質，根據介質材料電磁特性的不同使得兩金屬片之間的電容值改變，由此使得天線的工作頻率也隨之改變。

圖12為本發明一種超材料射頻天線第二實施方式的結構示意圖。如圖12所示，本發明的超材料射頻天線200包括饋線10a、第一金屬片20a、第二金屬片30a、填充於第一金屬片20a與第二金屬片30a之間的介質(圖中未示)；饋線10a和該第一金屬片20a通過電容耦合方式饋入第一金屬片20a，第二金屬片30a與饋線10a電連接。

本實施方式中的天線200與圖1所示的實施方式相比，主要區別在於：第一金屬片的圖案不同。具體而言，天線200中，第一金屬片20a為具有人造金屬微結構的金屬走線圖案。 根據本發明前述的超材料設計原理，具有人造金屬微結構的第一金屬片20a同樣亦可構成一個等效介電常數按照洛侖茲材料諧振模型色散的電磁材料從而實現改變天線輻射特性的目的。

具體而言，圖12到圖21給出了一系列可實現本發明目的的人造金屬微結構的拓撲圖案。

其中，圖13為互補式開口諧振環結構；圖14為互補式螺旋線結構；圖15為開口螺旋結構；圖16為雙開口螺旋環結構；圖17為互補式彎折結構。

通過前面五種結構的其中一種結構衍生(如圖18)、其中多種結構複合(如圖19和圖20)或其中一種結構組陣(如圖21)得到的結構。

本發明圖12所示的實施方式中是以圖15所示的人造金屬微結構為例進行說明。應理解，實現本發明目的的人造金屬微結構的設計種類有無窮多種，幷不局限於圖13到圖21的舉例，但基本都是諧振結構，這裏人造金屬微結構的設計可以根據金屬片的拓撲特性，如前述的衍生、複合與組陣進行修改，在此不再贅述。

類似的，具有人造金屬微結構的第一金屬片20a的製造製程有多種，例如蝕刻、鑽刻、光刻、電子刻、粒子刻等。其中蝕刻是較優的製造製程，其步驟是在金屬片上設計好合適的人造金屬微結構的拓撲圖案後，通過蝕刻設備，利用溶劑與金屬的化學反應去除掉金屬片上除了人造金屬微結構預設圖案之外的其餘金屬部分，由此即可得到具有人造金屬微結構的金屬 走線圖案，即：如圖12所示實施方式中的第一金屬片20a。第一金屬片20a的材質可以是銅、銀等任何金屬。

圖12中，在與第一金屬片20a相對的介質一面增設有第二金屬片30a。饋線10a與第二金屬片30a電連接。電連接的方式為通過在介質上形成通孔40a，當然亦可通過其他常規電連接方式將饋線10a與第二金屬片30a電連接。

第二金屬片30a與第一金屬片20a容性耦合，對第一金屬片20a耦合饋電。第二金屬片30a可對形成第一金屬片20a的人造金屬微結構耦合饋電，有效的減少了饋線10a對形成第一金屬片20a的人造金屬微結構耦合饋電的需求。因此無需增長饋線10a長度，且第二金屬片30a面積調節簡單，針對不同的工作頻段只需調整第二金屬片30a面積即可。且由於第一金屬片20a與第二金屬片30a中間存在介質，根據介質材料電磁特性的不同將調節兩金屬片之間的電容值，使得天線的工作頻率也隨之改變。

此外，本發明還有其他實施方式，例如，如圖1所示的實施方式中，饋線10與第一金屬片20之間設置有可短接點，該可短接點電連接饋線10和第一金屬片20使得饋線10以感性耦合方式饋入第一金屬片20。

類似的，如圖12所示的實施方式中，饋線10a與第一金屬片20a之間設置有可短接點，該可短接點電連接饋線10a和第一金屬片20a使得饋線10a以感性耦合方式饋入第一金屬片20a。

另外，本發明還提供一種採用前述天線100或天線200 的MIMO天線，該MIMO天線中的每一饋線連接一接收/發射機，所有的接收/發射機連接基帶信號處理器。本發明的MIMO天線，除了具備上述天線本身的優點外，還具有很高的隔離度，且多個天線之間的抗干擾能力强。

儘管上文藉由較佳實施例揭示了本發明，但並不意圖限制本發明。本領域熟知此項技藝者可在不脫離本發明的精神及範圍的情況下進行一些潤飾及變化。因而，本發明的保護範圍落入所附的申請專利範圍內。

1‧‧‧介質

10‧‧‧饋線

10a‧‧‧饋線

20‧‧‧第一金屬片

20a‧‧‧第一金屬片

30‧‧‧第二金屬片

30a‧‧‧第二金屬片

40‧‧‧金屬化通孔

40a‧‧‧通孔

100‧‧‧天線

200‧‧‧天線

201‧‧‧微槽結構

圖1為本發明一種超材料射頻天線第一實施方式的結構示意圖；圖2為互補式開口諧振環結構的示意圖；圖3所示為互補式螺旋線結構的示意圖；圖4所示為開口螺旋環結構的示意圖；圖5所示為雙開口螺旋環結構的示意圖；圖6所示為互補式彎折線結構的示意圖；圖7為圖2所示的互補式開口諧振環結構其幾何形狀衍生示意圖；圖8為圖2所示的互補式開口諧振環結構其擴展衍生示意圖；圖9為三個圖2所示的互補式開口諧振環結構的複合後的結構示意圖；圖10為兩個圖2所示的互補式開口諧振環結構與圖3所 示為互補式螺旋線結構的複合示意圖；圖11為四個圖2所示的互補式開口諧振環結構組陣後的結構示意圖。

圖12為本發明一種超材料射頻天線第二實施方式的結構示意圖；圖13為本發明一種超材料射頻天線中形成第一金屬片上的人造金屬微結構的第一拓撲圖案；圖14為本發明一種超材料射頻天線中形成第一金屬片的人造金屬微結構的第二拓撲圖案；圖15為本發明一種超材料射頻天線中形成第一金屬片的人造金屬微結構的第三拓撲圖案；圖16為本發明一種超材料射頻天線中形成第一金屬片的人造金屬微結構的第四拓撲圖案；圖17為本發明一種超材料射頻天線中形成第一金屬片的人造金屬微結構的第五拓撲圖案；圖18至圖21為本發明一種超材料射頻天線中形成第一金屬片的人造金屬微結構的衍生、複合或組陣的拓撲圖案。

1‧‧‧介質

10‧‧‧饋線

20‧‧‧第一金屬片

30‧‧‧第二金屬片

40‧‧‧金屬化通孔

100‧‧‧天線

201‧‧‧微槽結構

Claims (14)

1. 一種天線，其中：包括饋線、第一金屬片、與該第一金屬片相對設置的第二金屬片、填充於該第一金屬片與該第二金屬片之間的介質；該饋線通過耦合方式饋入該第一金屬片，該介質形成有金屬化通孔，通過該金屬化通孔將該饋線和該第二金屬片電連接；該第一金屬片上形成有微槽結構或是由具有人造金屬微結構的金屬走線形成所述第一金屬片。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中：該微槽結構或人造金屬微結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構、互補式彎折線結構或是通過前面所述五種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣得到的結構。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中：該饋線通過電容耦合方式饋入該第一金屬片。
4. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中：該饋線與該第一金屬片之間設置有可短接點，該可短接點電連接該饋線和該第一金屬片使得該饋線以感性耦合方式饋入該第一金屬片。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中：該微槽結構通過蝕刻、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻形成於該第一金屬片上。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中：該人造金屬微結構通過對金屬片進行蝕刻、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻而形成。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之天線，其中：該介質由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料或鐵氧材料製成。
8. 一種MIMO天線，其中：該MIMO天線包括多個天線，所述MIMO天線包括多個天線，其中每一該天線包括：饋線、第一金屬片、與該第一金屬片相對設置的第二金屬片、填充於該第一金屬片與該第二金屬片之間的介質；該饋線通過耦合方式饋入該第一金屬片，該介質形成有金屬化通孔，通過該金屬化通孔將該饋線和該第二金屬片電連接；該第一金屬片上形成有微槽結構或是由具有人造金屬微結構的金屬走線形成所述第一金屬片。
9. 根據申請專利範圍第8項所述之MIMO天線，其中：該MIMO天線中的每一饋線連接一接收/發射機，所有的接收/發射機連接基帶信號處理器。
10. 一種超材料射頻天線，其中：包括饋線、第一金屬片、與該第一金屬片相對設置的第二金屬片；該饋線通過耦合方式饋入該第一金屬片，該第二金屬片與該饋線電連接；該第一金屬片上形成有微槽結構或是由具有人造金屬微結構的金屬走線形成所述第一金屬片，該微槽結構或人造金屬微結構為互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構、互補式彎折線結構或是通過所述五種結構的其中一種結構衍生、其中多種結構複合或其中一種結構組陣得到的結構，該超材料射頻天線還包括填充於該第一金屬片與該第二金屬片之間的介質，該介質形成有通孔，通過該通孔將該饋線和該第二金屬片電連接。
11. 根據申請專利範圍第10項所述之超材料射頻天線，其中：該饋線通過電容耦合方式饋入該第一金屬片。
12. 根據申請專利範圍第10項所述之超材料射頻天線，其中：該人造金屬微結構通過蝕刻、鑽刻、光刻、電子刻、粒子刻形成於該第一金屬片上。
13. 根據申請專利範圍第10項所述之超材料射頻天線，其中：該人造金屬微結構通過對金屬片進行蝕刻、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻而形成。
14. 根據申請專利範圍第10項所述之超材料射頻天線，其中：該介質為陶瓷、環氧樹脂基板或聚四氟乙烯基板。