专利名称：一种超材料射频天线及其制备方法
技术领域：
本发明涉及天线及其制备方法，尤其涉及ー种超材料射频天线及其制备方法。
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，其就显得カ不从心。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。在天线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。因此，小型化、多模式的新型天线技术成为了当代电子集成系统的ー个重要技术瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在干，针对现有技术的上述不足，提出ー种占用空间更小的超材料射频天线及其制备方法。本发明提供ー种超材料射频天线，其包括金属分支，金属分支包括电气相连的第一部分和第二部分，且金属分支的第一部分和金属分支的第二部分分别设置于不同的基片表面上。其中，基片包括第一基片和第二基片，金属分支在平面展开后构成馈线以及人造金属微结构，馈线围绕人造金属微结构设置，其中，第一基片的表面附着有人造金属微结构的第一部分以及馈线的第一部分，第二基片的表面附着有人造金属微结构的第二部分以及馈线的第二部分。其中，人造金属微结构的第一部分断裂端点与人造金属微结构的第二部分断裂端点电连接，馈线的第一部分断裂端点与馈线的第二部分断裂端点电连接，人造金属微结构的第二部分从人造金属微结构的第二部分断裂端点在第二基片上延伸的方向与人造金属微结构的第一部分从人造金属微结构的第一部分断裂端点在第一基片上延伸的方向一致。其中，第一基片上还设置有第一金属化通孔和第二金属化通孔，第一金属化通孔两端对应于人造金属微结构的第一部分断裂端点与人造金属微结构的第二部分断裂端点，第二金属化通孔两端对应于馈线的第一部分断裂端点与馈线的第二部分断裂端点；人造金属微结构的第一部分和人造金属微结构的第二部分通过第一金属化通孔电连接，馈线的第一部分和馈线的第二部分通过第二金属化通孔电连接。其中，第一基片的侧面设置有第一连接部和第二连接部，第一连接部两端对应于人造金属微结构的第一部分断裂端点与人造金属微结构的第二部分断裂端点，第二连接部两端对应于馈线的第一部分断裂端点与馈线的第二部分断裂端点；人造金属微结构的第一部分和人造金属微结构的第二部分通过该第一连接部电连接，馈线的第一部分和馈线的第二部分通过第二连接部电连接。其中，基片包括第一表面和与第一表面相対的第二表面，金属分支在平面展开后构成馈线以及人造金属微结构，馈线围绕人造金属微结构设置，其中，基片的第一表面附着有人造金属微结构的第一部分以及馈线的第一部分，基片的第二表面附着有人造金属微结构的第二部分以及馈线的第二部分。其中，人造金属微结构的第一部分断裂端点与人造金属微结构的第二部分断裂端点电连接，馈线的第一部分断裂端点与馈线的第二部分断裂端点电连接；人造金属微结构的第二部分从人造金属微结构的第二部分断裂端点在基片的第二表面上延伸的方向与人造金属微结构的第一部分从人造金属微结构的第一部分断裂端点在基片的第一表面上延伸的方向一致。其中，基片上还设置有第一金属化通孔和第二金属化通孔，第一金属化通孔两端对应于人造金属微结构的第一部分断裂端点与人造金属微结构的第二部分断裂端点，第二金属化通孔两端对应于馈线的第一部分断裂端点与馈线的第二部分断裂端点；人造金属微结构的第一部分和人造金属微结构的第二部分通过第一金属化通孔电连接，馈线的第一部分和馈线的第二部分通过第二金属化通孔电连接。其中，基片的侧面设置有第一连接部和第二连接部，第一连接部两端对应于人造金属微结构的第一部分断裂端点与人造金属微结构的第二部分断裂端点，第二连接部两端对应于馈线的第一部分断裂端点与馈线的第二部分断裂端点；人造金属微结构的第一部分和人造金属微结构的第二部分通过该第一连接部电连接，馈线的第一部分和馈线的第二部分通过第二连接部电连接。其中，人造金属微结构的拓扑图案为互补式开ロ谐振环结构、互补式螺旋线结构、开ロ螺旋环结构、双开ロ螺旋环结构以及互补式弯折线结构中的ー种，或者是通过前面五种结构的其中ー种结构衍生、其中多种结构复合或其中一种结构组阵得到的结构。本发明提供ー种超材料射频天线的制备方法，其包括以下步骤:S1:制作基片；
S2:在基片表面附着所需金属分支；S3:电连接基片表面的金属分支。其中，步骤S3包括:S311:在需要电连接的金属分支末端通过数控钻床钻孔、数控冲床冲孔或激光打孔方式在基片上形成通孔；S312:通过丝网印刷、掩膜印刷或者通孔铸浆方式将液态金属填充于通孔。其中，在步骤SI至步骤S3中，基片为陶瓷基片。其中，步骤SI具体包括:S11:混合有机载体和玻璃陶瓷粉；S12:流延。其中，制备方法还包括步骤S4:将多个基片压制为一体。其中，制备方法还包括步骤S5:将步骤S4中压制一体的多个基片烧结。烧结温度低于1000度。本发明将平面天线结构立体化、空间化，通过将平面金属微结构和馈线附着于基片上电连接，并且设置于不同的基片表面上的部分金属微结构和部分馈线使得天线整体占用平面空间更小，充分利用了天线所处空间，使得天线更加小型化。进ー步地，本发明采用陶瓷材料作为本发明基片的材料，使得本发明具有易于实现、エ艺简单、电磁參数优良的有益效果。
图1为现有技术天线结构示意图；图2 图6为现有技术天线人造金属微结构拓扑图案；图7为本发明超材料射频天线的第一实施例的结构示意图；图8为本发明超材料射频天线的第二实施例的结构示意图；图9为本发明超材料射频天线的第三实施例的结构示意图；图10为本发明超材料射频天线的第四实施例的结构示意图；图11为本发明超材料射频天线的制备エ艺流程图；图12为本发明超材料射频天线采用陶瓷基片制备的エ艺流程图；图13为本发明超材料射频天线采用陶瓷基片制备エ艺SI步骤的具体实施流程图；图14为本发明超材料射频天线制备エ艺S3步骤的具体实施流程图。
具体实施例方式图1所示的现有技术的天线结构包括馈线2和人造金属微结构1，其中人造金属微结构I的拓扑图案是多种多样的，分别如图2至图6所示。图中各种图案均为平面图案，占用空间较大，因此均可以利用本发明设计思想改进。下面选取其中ー种图案进行详细说明，但应知利用本发明的原理将能轻易地得知其他图案的设计。同时，为了适应电子设备内部给天线预留的平面空间形状，本发明的基片的截面形状可设计为各种形状，如圆形、椭圆形、多边形等。下面所述实施例为使图示方便均使用截面形状为四边形基片为例加以说明。如图7所示，图7为本发明超材料射频天线的第一实施例的结构示意图，其包括第一基片101和第二基片102。其中第一基片101上印刷有人造金属微结构的第一部分1011和馈线的第一部分1012，人造金属微结构的第一部分1011和馈线的第一部分1012的末端均设置有金属化通孔1013和1014。第二基片102上印刷有人造金属微结构的第二部分1021和馈线的第二部分1022。金属化通孔1013两端分别对应于人造金属微结构的第一部分断裂端点IOlla与人造金属微结构的第二部分断裂端点1021a，金属化通孔1014两端分别对应于馈线的第一部分断裂端点1012a与馈线的第二部分断裂端点1022a。人造金属微结构的第二部分1021从人造金属微结构的第二部分断裂端点1021a在第二基片102上延伸的方向与人造金属微结构的第一部分1011从人造金属微结构的第一部分断裂端点IOlla在第一基片101上延伸的方向一致。第一基片101和第二基片102上印刷的所有的金属结构平面展开后即构成了图1所示的天线结构。由于采用空间立体结构设计超材料射频天线使得其所占平面面积减少了 1/2。当天线尺寸要求更小时，可以进一歩利用立体空间，如图8所示。图8为本发明超材料射频天线的第二实施例的结构示意图。其与第一实施例的区别在于其没有在两片基片上设置金属化通孔，而是在基片的侧边上印刷连接上下金属结构的连接部1015和1016，连接部的材质与其连接的馈线部分和人造金属微结构部分材质相同且连接部1015的两端分别对应于人造金属微结构的第一部分断裂端点和人造金属微结构的第二部断裂端点，连接部1016的两端分别对应于馈线的第一部断裂端点和馈线的第二部分断裂端点。人造金属微结构第二部分1021从人造金属微结构的第二部分断裂端点在第二基片102上延伸的方向与人造金属微结构的第一部分1011从人造金属微结构的第一部分断裂端点在第一基片101上延伸的方向一致。此不仅节省成本而且还使得陶瓷天线整体更为小型化，更为重要的是，由于采用连接部连接相邻基片的人造金属微结构各部分使得天线整体抗干扰能力更强、电磁兼容能力亦更强。如图9所示，图9为本发明超材料射频天线的第三实施例的结构示意图。与前两个实施例相比，第三实施例主要的区别在于其仅包括一个基片200，将人造金属微结构进行拆分并将其分布于基片200的上下表面。具体而言，基片200包括第一表面201和与第一表面201相对的第二表面202。其中第一表面201上印刷有人造金属微结构的第一部分2011和馈线的第一部分2012，人造金属微结构的第一部分2011和馈线的第一部分2012的末端均设置有金属化通孔2013和2014。第二表面202上印刷有人造金属微结构的第二部分2021和馈线的第二部分2022。金属化通孔2013两端分别对应于人造金属微结构的第一部分断裂端点2011a与人造金属微结构的第二部分断裂端点2021a，金属化通孔2014两端分别对应于馈线的第一部分断裂端点2012a与馈线的第二部分断裂端点2022a。人造金属微结构的第二部分2021从人造金属微结构的第二部分断裂端点2021a在第二表面202上延伸的方向与人造金属微结构的第一部分2011从人造金属微结构的第一部分断裂端点2011a在第一表面201上延伸的方向一致。第一表面201和第二表面202上印刷的所有的金属结构平面展开后即构成了图1所示的天线结构。由于采用空间立体结构设计超材料射频天线使得其所占平面面积减少了 1/2。当天线尺寸要求更小时，可以进一歩利用立体空间，如图10所示。图10为本发明超材料射频天线的第四实施例的结构示意图。其与第三实施例的区别在于其没有在基片上设置金属化通孔，而是在基片的侧边上印刷连接上下金属结构的连接部2015和2016，连接部的材质与与其连接的馈线部分和人造金属微结构部分材质相同且连接部2015的两端分别对应于人造金属微结构的第一部分断裂端点和人造金属微结构的第二部分断裂端点，连接部2016的两端分别对应于馈线的第一部分断裂端点和馈线的第二部分断裂端点。人造金属微结构的第二部分2021从人造金属微结构的第二部断裂端点在第二表面202上延伸的方向与人造金属微结构的第一部分2011从人造金属微结构的第一部分断裂端点在第一表面201上延伸的方向一致。由此不仅节省成本而且还使得陶瓷天线整体更为小型化，更为重要的是，由于采用连接部连接设置于相邻不同表面的人造金属微结构的各部分，使得天线整体抗干扰能力更强、电磁兼容能力亦更强。本发明的基片材质可采用陶瓷、高分子聚合物、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。其中高分子聚合物优选采用FR-4或F4B材料。更优选地，本发明的基片采用陶瓷基片，由于陶瓷材料优良的电磁特性使得本发明超材料射频天线具有优良的电磁參数。接下来详细描述本发明超材料射频天线的制备方法。如图11所示，具有多层基片的超材料射频天线的制备过程包括:S1:制作基片；S2:在基片表面附着所需金属分支；
S3:电连接基片表面的金属分支。其中，S3步骤电连接基片表面的金属分支可通过在基片上形成金属化通孔以电连接基片表面的金属分支，或者通过在基片侧边印刷连接部以电连接基片表面的金属分支。如图14所示，其中步骤S3还包括:S311:在需要电连接的金属分支末端打孔,通孔直径为0.1至0.5mm,打孔可选用数控钻床钻孔、数控冲床冲孔以及激光打孔等多种方式；S312:通孔填充，通孔填充可采用丝网印刷、掩膜印刷以及通孔铸浆等多种方式将液态金属填充于小孔中，其中通孔铸浆为较优方式。当采用多个基片，采用陶瓷材料作为本发明基片材料时，本发明制备エ艺如图12所示，根据天线电磁參数需求，图11中的方法还包括:步骤S4:将多个基片压制为一体；S5:将步骤S4中压制一体的多个基片烧结。其中，S5步骤中烧结温度低于1000度。同时，制备陶瓷基片的步骤如图13所示，SI步骤更包括:S11:混合有机载体和玻璃陶瓷粉，混合后的混合物将有助于提高陶瓷基片的品质因素并使得陶瓷基片的相对介电常数范围为5至30 ；S12:流延而制成多个陶瓷基片。综上所述，本发明的超材料射频天线及其制备方法利用超材料设计中的电磁耦合原理在基片加上对称或不对称的金属微结构，此种金属微结构可以是传统超材料设计中使用的任意拓扑结构，即:金属微结构的拓扑结构包括但不限于为互补式开ロ谐振环结构、互补式螺旋线结构、开ロ螺旋环结构、双开ロ螺旋环结构以及互补式弯折线结构中的ー种，或者是通过前面五种结构的其中ー种结构衍生、其中多种结构复合或其中一种结构组阵得到的结构，然后通过打孔或连接部将金属微结构的第一部分和第二部分电连接接在一起，这样在基片上形成了折叠的金属微结构。此种设计充分利用了天线的空间面积，在等效的面积内加大了天线的电长度。这样ー来就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率上的超材料小天线。由于此种设计增加了天线的结构类型，使得天线非常容易产生多模谐振，这样ー来同时满足了天线小体积、低工作频率、宽带多模的要求。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明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发明的启示下，在不脱离本发明宗g和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种超材料射频天线，其特征在于，所述超材料射频天线包括金属分支，所述金属分支包括电气相连的第一部分和第二部分，且所述金属分支的第一部分和所述金属分支的第二部分分别设置于不同的基片表面上。
2.根据权利要求1所述的超材料射频天线，其特征在于，所述基片包括第一基片和第ニ基片，所述金属分支在平面展开后构成馈线以及人造金属微结构，所述馈线围绕所述人造金属微结构设置，其中，所述第一基片的表面附着有所述人造金属微结构的第一部分以及所述馈线的第一部分，所述第二基片的表面附着有所述人造金属微结构的第二部分以及所述馈线的第二部分。
3.根据权利要求2所述的超材料射频天线，其特征在于，所述人造金属微结构的第一部分断裂端点与所述人造金属微结构的第二部分断裂端点电连接，所述馈线的第一部分断裂端点与所述馈线的第二部分断裂端点电连接，所述人造金属微结构的第二部分从所述人造金属微结构的第二部分断裂端点在所述第二基片上延伸的方向与所述人造金属微结构的第一部分从所述人造金属微结构的第一部分断裂端点在所述第一基片上延伸的方向一致。
4.根据权利要求3所述的超材料射频天线，其特征在于，所述第一基片上还设置有第一金属化通孔和第二金属化通孔，所述第一金属化通孔两端对应于所述人造金属微结构的第一部分断裂端点与所述人造金属微结构的第二部分断裂端点，所述第二金属化通孔两端对应于所述馈线的第一部分断裂端点与所述馈线的第二部分断裂端点；所述人造金属微结构的第一部分和所述人造金属微结构的第二部分通过所述第一金属化通孔电连接，所述馈线的第一部分和所述馈线的第二部分通过所述第二金属化通孔电连接。
5.根据权利要求3所述的超材料射频天线，其特征在于，所述第一基片的侧面设置有第一连接部和第二连接部，所述第一连接部两端对应于所述人造金属微结构的第一部分断裂端点与所述人造金属微结构的第二部分断裂端点，所述第二连接部两端对应于所述馈线的第一部分断裂端点与所述馈线的第二部分断裂端点；所述人造金属微结构的第一部分和所述人造金属微结构的第二部分通过该第一连接部电连接，所述馈线的第一部分和所述馈线的第二部分通过所述第二连接部电连接。
6.根据权利要求1所述的超材料射频天线，其特征在于，所述基片包括第一表面和与所述第一表面相対的第二表面，所述金属分支在平面展开后构成馈线以及人造金属微结构，所述馈线围绕所述人造金属微结构设置，其中，所述基片的第一表面附着有所述人造金属微结构的第一部分以及所述馈线的第一部分，所述基片的第二表面附着有所述人造金属微结构的第二部分以及所述馈线的第二部分。
7.根据权利要求6所述的超材料射频天线，其特征在于，所述人造金属微结构的第一部分断裂端点与所述人造金属微结构的第二部分断裂端点电连接，所述馈线的第一部分断裂端点与所述馈线的第二部分断裂端点电连接；所述人造金属微结构的第二部分从所述人造金属微结构的第二部分断裂端点在所述基片的第二表面上延伸的方向与所述人造金属微结构的第一部分从所述人造金属微结构的第一部分断裂端点在所述基片的第一表面上延伸的方向一致。
8.根据权利要求7所述的超材料射频天线，其特征在于，所述基片上还设置有第一金属化通孔和第二金属化通孔，所述第一金属化通孔两端对应于所述人造金属微结构的第一部分断裂端点与所述人造金属微结构的第二部分断裂端点，所述第二金属化通孔两端对应于所述馈线的第一部分断裂端点与所述馈线的第二部分断裂端点；所述人造金属微结构的第一部分和所述人造金属微结构的第二部分通过所述第一金属化通孔电连接，所述馈线的第一部分和所述馈线的第二部分通过所述第二金属化通孔电连接。
9.根据权利要求7所述的超材料射频天线，其特征在于，所述基片的侧面设置有第一连接部和第二连接部，所述第一连接部两端对应于所述人造金属微结构的第一部分断裂端点与所述人造金属微结构的第二部分断裂端点，所述第二连接部两端对应于所述馈线的第一部分断裂端点与所述馈线的第二部分断裂端点；所述人造金属微结构的第一部分和所述人造金属微结构的第二部分通过该第一连接部电连接，所述馈线的第一部分和所述馈线的第二部分通过所述第二连接部电连接。
10.根据权利要求2或6所述的超材料射频天线，其特征在于，所述人造金属微结构的拓扑图案为互补式开ロ谐振环结构、互补式螺旋线结构、开ロ螺旋环结构、双开ロ螺旋环结构以及互补式弯折线结构中的ー种，或者是通过前面五种结构的其中ー种结构衍生、其中多种结构复合或其中一种结构组阵得到的结构。
11.一种超材料射频天线的制备方法，其特征在于:所述制备方法包括以下步骤: 51:制作基片； 52:在所述基片表面附着所需金属分支； 53:电连接所述基片表面的所述金属分支。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3包括: S311:在需要电连接的所述金属分支末端通过数控钻床钻孔、数控冲床冲孔或激光打孔方式在所述基片上形成通孔； S312:通过丝网印刷、掩膜印刷或者通孔铸浆方式将液态金属填充于所述通孔。
13.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤SI至所述步骤S3中，所述基片为陶瓷基片。
14.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述步骤SI具体包括: 511:混合有机载体和玻璃陶瓷粉； 512:流延。
15.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤S4:将多个所述基片压制为一体。
16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括步骤S5:将所述步骤S4中压制一体的多个所述基片烧结，所述烧结温度低于1000度。
全文摘要
本发明涉及一种超材料射频天线及其制备方法，其包括金属分支，金属分支包括电气相连的第一部分和第二部分，且金属分支的第一部分和金属分支的第二部分分别设置于不同的基片表面上。本发明将传统的超材料射频天线的平面金属微结构和馈线立体化、空间化，最大地利用了天线所占的空间使得天线进一步地小型化。
文档编号H01Q1/38GK103094665SQ20111033784
公开日2013年5月8日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者刘若鹏, 季春霖, 李岳峰, 徐冠雄 申请人:深圳光启高等理工研究院