专利名称：天线装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种天线装置。
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(MIMO)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在于，针对现有技术的上述不足，提供一种小型化且进行多模工作模式的天线装置。一种天线装置包括导电馈点、馈线、接地线、公共地单元、将一导电薄片镂刻一第一图案而形成的第一天线单元；及将另一导电薄片镂刻一第二图案而形成的第二天线单元；第一天线单元与第二天线单元平行相对设置。进一步地，所述天线装置包括一绝缘的介质基板，所述介质基板包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，第一天线单元附着于所述第一表面上；第二天线单元附着于所述第二表面上。进一步地,所述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中的任意一种制得。进一步地，所述第一图案和第二图案为轴对称图案。进一步地，所述第一图案和第二图案为轴不对称图案。进一步地，所述第一图案和第二图案可镂刻成互补式开口谐振环图案、互补式螺旋线图案、开口螺旋环图案、双开口螺旋环图案、互补式弯折线图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的图案。进一步地，所述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。进一步地,所述馈线的馈入方式和接地线的接地方式可以选用馈线电感馈入，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，接地线电容接地四种中的任意一种。 进一步地，所述导电馈点和馈线均形成于第一表面上且相互电连接，第一天线单元与第二天线单元相互电磁耦合。进一步地，所述介质基板开设一个过孔，馈线与第一天线单元电连接，馈线还经所述过孔与第二天线单元电连接。进一步地,所述公共地单元包括第一接地单元和第二接地单元；第一接地单元附着第一表面上；第二接地单元附着第二表面上，第一接地单元和第二接地单元及介质基板对应位置上均开设有至少一个通孔，所述第一接地单元和第二接地单元通过所述至少一个通孔相互电连接。进一步地，所述接地线设置于第二表面上，第二天线单元通过接地线与第二接地单元电连接。上述天线装置中的第一天线单元和第二天线单元根据设计要求将导电薄片镂刻掉部分导电薄片以形成特定形状。由于特定形状导电薄片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和多模化工作模式。本发明可以通过相应的无线接口在以下无线设备环境中应用I)无线局域网(802. lla/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，个人数字助理(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个人数字蜂窝系统(PersonalDigital Cellular, PDC), Global Systems for Mobile Communications(GSM)[可以应用至IJ GSM 的各种频率，如 400MHz、450MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz]，IS-95(Code Division Multiple Access, CDMA)， IS-2000(CDMA2000)， GeneralizedPacket Relay Service(GPRS)， Wide Code Division Multiple Access (WCDMA),TimeDivision-Synchronous Code Division Multiple Access (TD-SCDMA), UniversalMobile Telecommunications System(UMTS), High Speed OFDM Packet Access (HSOPA)，High-Speed Up I ink Packet Access (HSUPA), High-Speed Downlink PacketAccess (HSDPA),Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMax),UMTS LongTerm Evolution(LTE)以及ΜΜ0。即本发明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。本发明不仅可以应用在蜂窝网通信中的各类移动接收终端中，而且还可以应用在发射端，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)全球定位系统(Global Positioning System, GPS)终端天线。4)超短距离通信(Ultra-wideband, UffB, 13m以内)。可以应用的设备包括使用UffB技术的所有无线电子设备。5)蓝牙无线设备(IEEE802. 15. I)。可以应用的设备包括IEEE802. 15. I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缩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(Sensor Networks)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I是本发明中一实施例的天线装置一侧面的平面示意图。图2为图I所示天线装置另一侧面的平面示意图。图3为图I所示导电片上图案示意图；其中，图3(a)是导电片上形成互补式开口谐振环图案，图3(b)是导电片上形成互补式螺旋线图案，图3(c)是是导电片上形成开口螺旋环图案，图3(d)是导电片上形成双开口螺旋环图案，图3(e)是导电片上形成互补式弯折线图案；图3(f)是导电片上形成对称的复合图案。图4是图3所示导电片上可以通过形成衍生方式形成的图案，其中图4(a)为拓扑结构几何形状衍生图案；图4(b)为拓扑结构扩展衍生图案。
具体实施例方式超材料是由具有一定图案形状的人造金属导电片按照特定方式排列于介质基材上。人造金属导电片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，当该人造金属导电片处于谐振频段时，该人造金属导电片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金属导电片的阻抗、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。本发明利用上述原理，设计一种多模式工作的天线装置。其将导电薄片附着于介质基板上，然后将导电薄片镂刻掉部分导电薄片以形成特定形状。由于特定形状导电薄片 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和多模化工作模式。请一并参阅图I和图2，图I是本发明中一实施例的天线装置一侧面的平面示意图；图2为图I所示天线装置另一侧面的平面示意图。天线装置10包括一绝缘的介质基板100,所述介质基板100包括第一表面101和与第一表面101相对的第二表面102。将一导电薄片镂刻一第一图案12a而形成的第一天线单元13a并附着于介质基板100的第一表面101上；将另一导电薄片镂刻一第二图案12b而形成第二天线单元13b且附着于介质基板100的第二表面102上。在本实施方式中，导电薄片米用金属铜,其中第一图案12a和第二图案12b均为轴对称图案且相互分别成影像设置于第一表面101和第二表面102上。第一图案12a和第二图案12b的形状可以相同，也可以不相同。在其他实施方式中，导电薄片采用金属铜，第一图案12a和第二图案12b可采用轴不对称图案。在第一表面101上还形成一导电馈点14和与导电馈点14电连接的馈线11。在本实施方式中，所述馈线11和第一天线单元13a相互电磁耦合，即通过电磁耦合方式相互传递信息；所述第一天线单元13a与第二天线单元13b相互电磁耦合。在其他实施方式中，馈线11分别与第一天线单元13a和第二天线单元13b电连接，即在介质基板100开设一个过孔，馈线11经所述过孔与第二天线单元13b电连接。第一表面101和第二表面102上均设置有第一接地单元15a和第二接地单元15b，所述接地单元15a、15b上均开设有至少一个通孔150,所述第一接地单元15a和第二接地单元15b通过所述至少一个通孔150相互电连接以形成一公共地单元。第二表面102上还设置有接地线16，所述接地线16将第二接地单元15b与第二天线单元13b电连接。其中，馈线11和接地线16 —般可以视为天线的两个引脚，以标准50欧姆阻抗馈入，但馈线11的馈入方式与接地线16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11的馈入方式与接地线16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。第一天线单元13a、第二天线单元13b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。
本发明中天线装置10，可通过调整馈线11的馈入耦合方式、接地线16的接地方式、天线单元13a、13b的拓扑结构与尺寸大小、以及馈线11与接地线16与天线单元13a、13b的可短接点位置来进行调谐，从而使天线形成多模工作。请参阅图3，第一图案12a和第二图案12b包括但不限于互补式开口谐振环图案(如图3(a)所示)、互补式螺旋线图案(如图3(b)所示)、开口螺旋环图案(如图3(c)所示)、双开口螺旋环图案(如图3 (d)、(e)所示)、互补式弯折线图案中的一种以及通过前面几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的图案(如图3(f)所示)。上述第一图案12a和第二图案12b还可以通过如图4所示衍生方式以形成更多的衍生图案，其中图4 (a)为几何形状衍生方式示意图，几何形状衍生是指在本发明中导电片13a、13b中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、多边形等；图4(b)为扩展衍生方式示意图；扩展衍生是指在不改变原有导电片13a、13b本质特性前提下，可以任意镂刻掉部分导电片从而扩展衍生出对称或者不对称的图案来。由天线原理可知，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。根据公式f= 1/(2 π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。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天线。本发明的介质基板100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FR4。在本发明中，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RadioFrequency 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，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种天线装置，其包括导电馈点、馈线、接地线及公共地单元，其特征在于，所述天线装置还包括将一导电薄片镂刻一第一图案而形成的第一天线单元；及将另一导电薄片镂刻一第二图案而形成的第二天线单元；第一天线单元与第二天线单元平行相对设置。
2.根据权利要求I所述的天线装置，其特征在于，所述天线装置包括一绝缘的介质基板，所述介质基板包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，第一天线单元附着于所述第一表面上；第二天线单元附着于所述第二表面上。
3.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，所述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中的任意一种制得。
4.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，所述第一图案和第二图案为轴对称图案。
5.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，所述第一图案和第二图案为轴不对称图案。
6.根据权利要求4或5所述的天线装置，其特征在于，所述第一图案和第二图案可镂刻成互补式开口谐振环图案、互补式螺旋线图案、开口螺旋环图案、双开口螺旋环图案、互补式弯折线图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的图案。
7.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，所述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。
8.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，所述馈线的馈入方式和接地线的接地方式可以选用馈线电感馈入,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，接地线电容接地四种中的任意一种。
9.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，所述导电馈点和馈线均形成于第一表面上且相互电连接，第一天线单元与第二天线单元相互电磁耦合。
10.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，所述介质基板开设一个过孔，馈线与第一天线单元电连接，馈线还经所述过孔与第二天线单元电连接。
11.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，所述公共地单元包括第一接地单元和第二接地单元；第一接地单元附着第一表面上；第二接地单元附着第二表面上，第一接地单元和第二接地单元及介质基板对应位置上均开设有至少一个通孔，所述第一接地单元和第二接地单元通过所述至少一个通孔相互电连接。
12.根据权利要求11所述的天线装置，其特征在于，所述接地线设置于第二表面上，第二天线单元通过接地线与第二接地单元电连接。
全文摘要
一种天线装置包括导电馈点、馈线、接地线、公共地单元、将一导电薄片镂刻一第一图案而形成的第一天线单元；及将另一导电薄片镂刻一第二图案而形成的第二天线单元；第一天线单元与第二天线单元平行相对设置；所述第一天线单元和第二天线单元的尺寸均少于谐振电磁波波长的十分之一。第一天线单元和第二天线单元由导电薄片镂刻成特定形状；由于特定形状导电薄片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和多模化工作模式。
文档编号H01Q1/48GK102790263SQ20111013175
公开日2012年11月21日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者刘若鹏, 徐冠雄, 李岳峰, 杨松涛 申请人:深圳光启创新技术有限公司, 深圳光启高等理工研究院