专利名称：一种射频芯片小天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线射频器件技术领域，尤其涉及一种新型的射频芯片小天线。
背景技术：
随着半导体工艺的高度发展，对当今的电子系统集成度提出了越来越高的要求，器件的小型化成为了整个产业非常关注的技术问题。然而，不同于ic芯片遵循"摩尔定律"的发展，作为电子系统的另外重要组成 一 射频模块，却面临着器件小型化的高难度技术挑战。射频模块主要包括了混频、功放、滤波、射频信号传输、匹配网络与天线等主要器件。其中，天线作为最终射频信号的辐射单元和接收器件，其工作特性将直接影响整个电子系统的工作性能。然而天线的尺寸、带宽、增益等重要指标却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。 同时，随着现代电子系统的复杂化，多模服务的需求在无线通信、无线接入、卫星通信、无线数据网络等系统中变得越来越重要。而多模服务的需求进一步增大了小型化天线多模设计的复杂度。除去小型化的技术挑战，天线的多模阻抗匹配也成为了天线技术的瓶颈。另一方面，多输入多输出系统(MIM0)在无线通信、无线数据服务领域的高速发展更进一步苛刻地要求了天线尺寸的小型化并同时保证良好的隔离度、辐射性能以及抗干扰能力。然而，传统的终端通信天线主要基于电单极子或偶极子的辐射原理进行设计，比如最常用的平面反F天线(PIFA)。传统天线的辐射工作频率直接和天线的尺寸正相关，带宽和天线的面积正相关，使得天线的设计通常需要半波长的物理长度。在一些更为复杂的电子系统中，天线需要多模工作，就需要在馈入天线前额外的阻抗匹配网络设计。但阻抗匹配网络额外的增加了电子系统的馈线设计、增大了射频系统的面积同时匹配网络还引入了不少的能量损耗，很难满足低功耗的系统设计要求。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一个重要技术瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的射频芯片小天线，突破传统天线设
计的框架，省去阻抗匹配网络的复杂设计，保证其小型化和多模化。 为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的 —种射频芯片小天线，包括两片平板状的相互平行的金属片、馈线、接地线；所述两片金属片上均设置有可短接点，分别用于连接馈线和接地线。 其中，所述两片金属片上均镂刻有一个金属微结构或者由至少两个金属微结构组合而成的组阵结构。 其中，所述两片金属片中，其中之一金属片上镂刻的金属微结构或者组阵结构不同于另一金属片上镂刻的金属微结构或者组阵结构。
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其中，在每片金属片上的金属微结构内部，嵌入镂刻有新的金属微结构。 其中，所述金属微结构的外部形状为敞开式的圆形或者多边形。 其中，所述两片金属片上所镂刻的金属微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、互补式弯折线结构、开口螺旋环与弯折
线混合结构、开口螺旋环与双开口螺旋环混合结构中的任一种。 其中，所述两片金属片上均设有金属化通孔，且所述两片金属片通过该金属化通孔短接。 其中，所述两片金属片之间还包括实际填空介质，所述两片金属片分别位于该实际填空介质的上下两层。 其中，所述实际填空介质为空气、陶瓷、或者介质基板。 其中，所述馈线采用电感馈入方式或者电容馈入方式，所述接地线采用电感接地
方式或者电容接地方式。 本发明具有以下有益效果 本发明的射频芯片小天线的设计突破了传统天线的设计框架，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，并可以通过调整馈线的馈入耦合方式、接地线接入方式、上下两层金属片上金属微结构的拓扑结构、上下两层金属片上金属化通孔的位置、以及馈线与接地线与上下两层金属片的可短接点位置来进行调谐，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。同时，本发明的小天线采取芯片模式，因此可以充分利用辐射面积，逼近ChuLimit的天线尺寸极限原理，且双芯片的构造也对局限电磁波、减少外界对天线工作的影响带来技术优势。 综上所述，本发明的射频芯片小天线具有尺寸小、加工简单、成本低廉、天线辐射面积利用率高、容易进行多模天线匹配设计以及抗干扰能力强等优点。从应用领域划分，射频芯片小天线可以通过相应的接口在以下无线设备环境中应用 1)无线局域网(802. 11a/b/g/n/y)。可以应用到的设备包括无线路由器，室内移动终端无线接收器，如电脑，Personal digital assistant (PDA)，无线接入设备AP等。
2)蜂窝网通信。可以应用到的设备包括Personal Digital Cellular(PDC)，Global Systems for Mobile Communications (GSM)[可以应用到GSM的各种频率，如400MHz,450MHz,850MHz,900MHz,1800MHz,1900MHz。 ]，IS_95(Code Division MultipleAccess, CDMA)， IS-2000(CDMA2000)， Generalized Packet Relay Service (GPRS)， WideCodeDivision Multiple Access(WCDMA)， Time Division-Synchronous CodeDivisionMultiple Access(TD-SCDMA)， Universal MobileTelecommunications System(UMTS)，High Speed OFDM Packet Access(HS0PA)， High-Speed Uplink Packet Access(HSUPA)，High_SpeedDownlink Packet Access(HSDPA) ， Worldwide InteroperabilityforMicrowave Access (WiMax) ， UMTS Long Term Evolution(LTE)以及多输入输出系统(MIM0)。从以上应用可以看到，IHT芯片小天线可以广泛地应用到各类蜂窝网通信终端中，其中包括各类第二代、第三代以及第四代的无线终端。所设计的小型天线不但可以应用在蜂窝网通信中的各类移动接收终端中，而且稍加改动也可以应用在发射端，如针对于第二代、第三代以及第四代无线通信系统的基站天线等。
3) Global Positioning System (GPS)全球定位系统终端天线。 4)超短距离通信(Ultra-wideband, UWB， 13m以内)。可以应用的设备包括使用
UWB技术的所有无线电子设备。 5)蓝牙无线设备(IEEE802. 15. 1)。可以应用的设备包括IEEE802. 15. 1协议定义 下的所有无线电子设备。 6)ZigBee(IEEE802. 15. 4)协议内的无线通信设备，如工业监控、传感器网络、家庭 网络、安全系统、车载电子系统、伺服执行机构等。由于IEEE802. 15.4定义的无线通信设备 均为功率受限设备，因此要求低功耗。本发明提出的小型天线在大大縮小硬件尺寸的同时 也节省了硬件的功耗，因此这里提出的小天线将非常适合IEEE802. 15. 4协议下的任何无 线电子设备。 7)无有线基础设施支持的移动网络。如传感器网络(SensorNetworks)躯域传感 器网络(Body Sensor Network)与Ad Hoc网络。由于此类网络对无线终端尺寸要求很高， 希望无线终端越小越好，因此这里所设计的小型天线将有效的解决此类无线网络的技术瓶 颈。 8)医用电子无线设备(IEEE 1073)。包括医用通风设备、电震发生器、急性病医 院中的病人监视设备、家庭保健设备、医用成像设备，如核磁共振成像(MRI)等。IEEE 1073 使用的总频谱为14MHz，该频谱是联邦通信委员会(FCC)于2002年10月份专门为医疗无线 应用留出的。FCC计划从608-614， 1395-1400和1427_1432MHz三种频段中提取频谱，为医 疗设备提供无干扰的频谱空间。本专利中提出的小型天线完全适用于这三种频段。因此，本 专利中提出的小型天线可以广泛应用到IEEE 1073标准包括的所有医用电子无线设备中。
9)各类卫星通信的发射接收装置。对于高增益要求的卫星天线可采取基于本发明 的射频芯片小天线的阵列天线系统。 10)各类雷达与微波探测系统，如车载雷达、气象雷达以及海事雷达等。该芯片小 天线可作为雷达系统中的辐射单元。 11)射频标签与识别(RFID)的芯片天线与读写天线。 12)各类无线娱乐消费电子设备，如无线HiFi耳机(2. 4GHz-2. 48GHz和 433MHz-434MHz)、无线移动硬盘、打印机、无线游戏手柄、无线鼠标(27. 085MHz和 27. 135MHz)、键盘(27. 185MHz和27. 035MHz)等小型电子设备，以及所有应用蓝牙天线的电 子设备。 13)以上提到的各类无线技术之间应用的多模式射频设计。
图1是本发明提出的射频芯片小天线第一实施例的结构示意图；
图2是本发明提出的射频芯片小天线第二实施例的结构示意图；其中，图2(a)是 镂刻有互补式开口谐振环结构的射频芯片小天线，图2(b)是镂刻有互补式螺旋线结构的 射频芯片小天线，图2(c)是镂刻有互补式开口螺旋环结构的射频芯片小天线，图2(d)是镂 刻有双开口螺旋环结构的射频芯片小天线，图2(e)是镂刻有混合结构的射频芯片小天线， 图2(f)是镂刻有互补式弯折线结构的射频芯片小天线，图2(g)是镂刻有开口螺旋环与弯 折线混合结构的射频芯片小天线，图2(h)是镂刻有开口螺旋环与双开口螺旋环混合结构的射频芯片小天线；且图2(a)-2(h)中，左图表示接馈线的金属片，右图表示接接地线的金 属片，A、B点表示两金属片平行放置时的对应点； 图3是射频芯片小天线在对其馈线与接地线的引线长度(馈线与接地线的引线长 度分别指馈点到金属片微结构的距离、接地点到金属片微结构的距离)采用不同设计时的 全波仿真结果对比示意图；其中，图3(a)为镂刻有互补式开口谐振环结构的射频芯片小天 线的示意图，图3(b)为针对图3(a)所示结构的天线，对其引线长度采用不同设计时的全波 仿真结果对比示意图； 图4是射频芯片小天线在对其金属微结构采用不同尺寸及拓扑结构设计时的全
波仿真结果对比示意图；其中图4(a)为镂刻有互补式开口谐振环结构的射频芯片小天线
的示意图，图4(b)为针对图4(a)所示结构的天线，对其金属微结构采用不同尺寸设计时的
全波仿真结果对比示意图，图4(c)为镂刻有互补式开口谐振环和互补式双开口谐振环的
混合结构的射频芯片小天线，图4(d)是图4(c)所示结构的天线的全波仿真结果； 图5是图2(a)所示的射频芯片小天线的反射测试结果示意图； 图6是图2(a)所示的射频芯片小天线的拓扑结构衍生示意图；其中图6(a)为拓
扑结构几何形状衍生示意图，图6(b)为拓扑结构扩展衍生示意图； 图7是图2(a)所示的射频芯片小天线的拓扑复合结构示意图； 图8是图2(a)所示的射频芯片小天线的组阵结构示意图；其中图8(a)为单馈入
多芯片组阵示意图，图8(b)为多馈入单芯片组阵示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的描述
实施例一 请参阅图1所示的拓扑结构，本实施例中的射频芯片小天线由馈线、接地线、两片 具有平面拓扑结构的金属片组成。两片金属片平行放置，馈线馈入其中一金属片，接地线接 另一金属片，且两金属片上可设有金属化通孔，用来实现金属片的短接。 其中，馈线和接地线一般可以视为射频芯片小天线的两个引脚，以标准50欧姆阻
抗馈入，但馈线的馈入方式与接地线的接地方式可以是容性耦合也可以是感性耦合，具体
来说，馈线的馈入方式与接地线的接入方式共有四种组合，分别是馈线电感馈入，接地线
电感接地；馈线电感馈入，接地线电容接地；馈线电容馈入，接地线电感接地；馈线电容馈
入，接地线电容接地。上下两个金属片的拓扑微结构与尺寸可以相同，也可以不同，从而进
行混合结构设计，并不改变基本辐射原理。此时，两金属片之间的介质为实际填充介质(介
质材料可以任意选择，一般可以是空气、陶瓷或者介质基板)，上下两个金属片可通过金属
化的通孔进行短接，由于金属化通孔相当于电等离子材料，则两个金属片短接时，该天线的
辐射参数将会发生很大变化。关于馈线与接地线的可短接点位置，除了图1中所示的位置
之外(位于金属微结构左侧)，可短接点还可以位于金属片上的其它任意位置。 对于本实施例中的射频芯片小天线，可通过调整馈线的馈入耦合方式、接地线的
接地方式、上下两层金属片的拓扑微结构与尺寸大小、上下两层金属片的金属化通孔位置、 以及馈线与接地线与上下两层金属微结构的可短接点位置来进行调谐。 人工电磁材料是一种利用金属微结构进行加工制造的等效特种材料，其性能直接取决于其亚波长的金属微结构。在谐振频段，人工电磁材料通常体现出高度的色散特性，换 言之，其阻抗、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。因而可采用 人工电磁材料对两金属片之间介质的基本特性进行改造，使得两金属片之间等效地插入了 一个高度色散的特种电磁材料，从而实现辐射特性丰富的新型天线。下面将通过实施例二 进行详细说明
实施例二 本实施例利用人工电磁材料的特性，采用在上下金属片上镂刻金属微结构的方 式，使得金属片之间等效填充一个介电常数按照洛仑兹材料谐振模型色散的电磁材料，实 现改变天线的辐射特性的目的。 请参阅图2，该图给出了一系列可能的等效电磁材料的微结构，其中，图2(a)所示 为镂刻有互补式开口谐振环结构的射频芯片小天线的示意图；图2(b)为镂刻有互补式螺 旋线结构的射频芯片小天线的示意图；图2(c)为镂刻有开口螺旋环结构的射频芯片小天 线的示意图；图2(d)为镂刻有双开口螺旋环结构的射频芯片小天线的示意图；图2(e)为 镂刻有混合结构的射频芯片小天线的示意图；图2(f)为镂刻有互补式弯折线结构的射频 芯片小天线的示意图；图2(g)为镂刻有开口螺旋环与弯折线混合结构的射频芯片小天线 的示意图；图2(h)为镂刻有开口螺旋环与双开口螺旋环混合结构的射频芯片小天线的示 意图。其中，互补式开口环结构、互补式螺旋线结构可以等效为具有电谐振特性的电磁材 料；双互补式开口环结构、互补式弯折线结构可以等效为具有磁谐振特性的电磁材料；任 意两种不同结构的组合(比如说上下金属片各一种)可以组成色散更为丰富的等效电磁材 料。金属微结构的设计种类有无穷多种，不局限于图2的举例，但基本都是谐振结构。由于 金属化通孔相当于电等离子材料，会和镂刻的金属微结构形成混合模式，所以本实施例中 还可将上下金属片通过金属化通孔短接来对其等效的电磁材料特性、辐射参数进行较大地 调整。 本实施例中，关于天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，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制造均可满足本发明的加工要求。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的縮写，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。
其次，关于馈线与接地线的可短接点位置，该可短接点可以位于其所在金属片上 的任意位置。馈线的馈入方式与接地线的接地方式可以是容性耦合也可以是感性耦合，具 体来说，馈线的馈入方式与接地线的接入方式共有四种组合，分别是馈线电感馈入，接地 线电感接地；馈线电感馈入，接地线电容接地；馈线电容馈入，接地线电感接地；馈线电容 馈入，接地线电容接地。上下两个金属片的拓扑微结构与尺寸可以相同，也可以不同，从而 进行混合结构设计，并不改变基本辐射原理，但会改变天线具体的辐射性能。
同时，由于射频芯片小天线的主要性能都集中在金属微结构拓扑和芯片部分的设 计，因此，馈线与接地线的引线对天线的辐射频率影响相对较小。基于这个特点，射频芯片 小天线可以被灵活的摆放在系统的任何位置，简化的安装测试的复杂度。
请参阅图3，其中图3(a)为镂刻有互补式开口谐振环结构的射频芯片小天线的示 意图，图3(b)为针对图3(a)所示结构的天线，对其馈线与接地线的引线长度采用不同设计 时的全波仿真结果对比示意图，由此可以看出，馈线与接地线引线长度对天线的辐射频率 的影响较小。 请参阅图4，其中图4(a)为镂刻有互补式开口谐振环结构的射频芯片小天线的示 意图，图4(b)为针对图4(a)所示结构的天线，对其金属微结构采用不同尺寸设计时的全波 仿真结果对比示意图，由此可以看出，天线的辐射频率随着微结构的尺寸设计的不同而发 生着大幅度的变化；图4(c)为镂刻有互补式开口谐振环和互补式双开口谐振环的混合结 构的射频芯片小天线，图4(d)是图4(c)所示结构的天线的全波仿真结果，通过对比图4(d) 和图4(b)可知，天线的辐射频率随着金属微结构的拓扑设计不同而发生着大幅度的变化。 因此，调节芯片与芯片上微结构的拓扑设计与尺寸大小可以对本发明的小天线进行具体参 数优化，以达到应用要求。 请参阅图5，该图所示为图2(a)所示的射频芯片小天线的反射(S11)测试结 果。本例中，该天线设计尺寸为13咖*16咖，其加工采取了聚四氟乙烯(FR4)介质板材，馈 线采取电容耦合，接地线采用短接电感耦合，两片金属片均被镂刻了互补的开口谐振环微 结构，上下两片金属片之间没有任何短接。由图可以看出，该小天线具有多个频段的良好 辐射特性，五个主要辐射频率从900腿z —直分布到5. 5GHz，几乎涵盖了 GSM、 CDMA、蓝牙、 WLAN(IEEE802. 11协议)、GPS等各个主要的通信频率，具有非常高的集成度以及极具有竞 争力的小尺寸。在实际开发中，其天线的尺寸可以根据需要引入更多的谐振微结构，来进一 步的减小天线尺寸，使其毕竟天线辐射的极限制。本发明不限于以上所述的样例，具体的开 发可以有多种结构设计以及制造加工的方式。 本发明所提出的射频芯片小天线中，上下两层金属片的拓扑微结构具有衍生、混 合、复合与组阵特性，因而金属片上金属微结构的设计可以根据金属片的拓扑特性进行修 改，下面将具体描述 请参阅图6，该图所示为图2(a)所示的射频芯片小天线的拓扑结构衍生示意图。
其中图6(a)为拓扑结构几何形状衍生示意图，这里拓扑几何形状衍生是指在本发明中金
属微结构的形状不仅仅局限于长方形，也可以为任意平面几何图形，如圆形、三角形、多边
形。图6(b)为拓扑结构扩展衍生示意图，这里的拓扑结构扩展衍生是指在不改变原有金属
微结构本质特性前提下，可以任意添加金属线从而扩展原有金属微结构。 请参阅图7，该图所示为图2(a)所示的射频芯片小天线的拓扑复合结构示意图，
这里拓扑复合结构是指在原有金属微结构的形状中嵌套新的几何形状，此嵌入的新几何形
状可以相同，也可以不同。 请参阅图8，该图所示为图2(a)所示的射频芯片小天线的组阵结构示意图。其中 图8(a)为单馈入多芯片组阵示意图，图8(b)为多馈入单芯片组阵示意图。这里的芯片组 阵单元的拓扑结构同时满足衍生、混合与复合特性。 综上所述，由于本实施例中的天线集成了人工电磁材料，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，并可通过调整馈线的馈入耦合方式、接地线的接地 方式、上下两层金属片上金属微结构与尺寸大小、上下两层金属片金属化通孔位置、以及上 下两层金属片上的可短接点位置来进行调谐。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案
8而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理 解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和 范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种射频芯片小天线，其特征在于，包括两片平板状的相互平行的金属片、馈线、接地线；所述两片金属片上均设置有可短接点，分别用于连接馈线和接地线。
2. 如权利要求1所述的射频芯片小天线，其特征在于，所述两片金属片上均镂刻有一个金属微结构或者由至少两个金属微结构组合而成的组阵结构。
3. 如权利要求2所述的射频芯片小天线，其特征在于，所述两片金属片中，其中之一金属片上镂刻的金属微结构或者组阵结构不同于另一金属片上镂刻的金属微结构或者组阵结构。
4. 如权利要求2所述的射频芯片小天线，其特征在于，在每片金属片上的金属微结构内部，嵌入镂刻有新的金属微结构。
5. 如权利要求2或4所述的射频芯片小天线，其特征在于，所述金属微结构的外部形状为敞开式的圆形或者多边形。
6. 如权利要求5所述的射频芯片小天线，其特征在于，所述两片金属片上所镂刻的金属微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、互补式弯折线结构、开口螺旋环与弯折线混合结构、开口螺旋环与双开口螺旋环混合结构中的任一种。
7. 如权利要求1至4任一所述的射频芯片小天线，其特征在于，所述两片金属片上均设有金属化通孔，且所述两片金属片通过该金属化通孔短接。
8. 如权利要求1至4任一所述的射频芯片小天线，其特征在于，所述两片金属片之间还包括实际填空介质，所述两片金属片分别位于该实际填空介质的上下两层。
9. 如权利要求8所述的射频芯片小天线，其特征在于，所述实际填空介质为空气、陶瓷、或者介质基板。
10. 如权利要求1所述的射频芯片小天线，其特征在于，所述馈线采用电感馈入方式或者电容馈入方式，所述接地线采用电感接地方式或者电容接地方式。
全文摘要
本发明公开了一种射频芯片小天线，包括两片平板状的相互平行的金属片、馈线、接地线；所述两片金属片上均设置有可短接点，分别用于连接馈线和接地线。本发明的射频芯片小天线集成了新型人工电磁材料，因此具有丰富的色散特性，可形成多种辐射模式，即可免去繁琐的阻抗匹配网络，并可通过调整馈线的馈入耦合方式、接地线接入方式、金属微结构的拓扑结构、金属化通孔的位置、以及馈线与接地线与上下两层金属片的可短接点位置来进行调谐，为多频点的阻抗匹配带来了极大的便利；同时，本发明的小天线采取芯片模式，可充分利用辐射面积，逼近Chu Limit的天线尺寸极限原理，且双芯片的构造也对局限电磁波、减少外界对天线工作的影响带来技术优势。
文档编号H01Q13/10GK101740862SQ20081021736
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月20日 优先权日2008年11月20日
发明者刘波 申请人:东莞市启汉电子科技有限公司