一种高频率通信用高增益高效率引向天线及其制备方法与流程

本发明涉及通信设备领域，具体涉及一种高频率通信用高增益高效率引向天线及其制备方法。

背景技术：

1、具有低延时、高网速、高可靠、低功率、海量连接的第五代移动通信技术(5g)极大地推动了产业升级与社会经济进步。当前5g常用的频段为sub 6g(450mhz-6ghz)频段，未来随电磁波传输频率的进一步提升，由电磁波波长与频率关系公式可知，电磁波将由厘米波过渡为毫米波。因此增强电磁波的透射、降低电磁波的反射、提升电磁波的传输速度与降低电磁波的传输损耗是未来5g通信发展的关键。

2、作为发射和接受电磁波的重要部件，天线显著影响着电磁波的传输性能，天线的带宽衡量了天线在宽频带的稳定性尤其是阻抗的稳定性，带宽越大，天线在宽频带内的性能越稳定，所携带的电磁波信号越多，损失越少；同时将多频段设计在单根天线上，节省基站之间架设的空间，节约资源。

3、为满足未来5g通信低延时、高网速、高可靠、低功率、海量连接的目标，即电磁波信号在更高频率下，以更高速度与更低损耗传播，要求传输介质具有更低的厚度使更高频下更短的电磁波透射传输，要求传输介质具有更低的介电常数，使传输线与空气具有更好的阻抗匹配，提升电磁波的传播速度，还需要传输介质具有更低的损耗因子，使电磁波近乎无损传播，使基站收到更准确的信号。需要开发性能更优异的传输介质开发出满足5g通信的高性能低成本传输线。

4、人工设计具有周期排布的原子或分子或特殊微纳结构的电磁超材料，使超材料在宏观上表现出不同的奇异电磁现象，进而调控电磁波的传输，在5g以及未来6g通信中具有极大的潜力。因此设计具有超低介电性能、具有连续微纳超薄结构以降低短波长电磁波反射的电磁超材料极具优势。专利：cn 208014904 u以电磁超材料为介质基板开发出了应用于基站的天线，但以fr4作为天线的介质材料，其介电常数(4.4)和介电损耗(0.02)较大，在高频下电磁波的传输速率较慢(与空气阻抗匹配差)且损耗会显著提升，易引起信号的失真。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有以fr4玻璃纤维环氧树脂为介质基板开发的天线，其介电常数和介电损耗较大，在高频下电磁波的传输速率较慢，与空气阻抗匹配差，且损耗会显著提升，易引起信号的失真，针对此不足，提出了一种5g通信用高增益高效率引向天线及其制备方法。

2、为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

3、一种高频率通信用高增益高效率引向天线，包括天线贴片和介质基板，所述天线贴片粘贴在介质基板上，所述天线贴片包括无源反射器、有源振子和四个引向器；无源反射器一侧中部设置有有源振子，所述有源振子设置为l型结构；四个所述有引向器依次设置于有源振子另一侧。

4、作为本发明的进一步优选，所述有源振子与相邻引向器之间的间距、其后依次相邻的两个引向器之间的距离采用梯度设置。

5、一种高频率通信用高增益高效率引向天线的制备方法，包括以下步骤：

6、s1、制作电磁超材料；

7、s2、通过cnc将电磁超材料制作成发泡薄片，并进行高频介电测试，得到发泡薄片的介电常数和损耗因子；

8、s3、基于物质对电磁波空间波动的特征的方程式：得到电磁波在特定频率下，在天线内传输的介质波长；

9、s4、基于三维电磁场分析软件，结合s3得到的介质波长，设计最佳天线结构，并制作贴片；

10、s5、以电磁超材料为介质材料，制作介质基板，将贴片粘贴于介质基板上，形成贴片引向天线。

11、作为本发明的进一步优选，所述制作电磁超材料包括：

12、s11、将ppo复合板材置于高压设备内；

13、s12、向高压设备内通入超临界物理发泡剂；

14、s13、升高温度和压强，当温度达到200℃-232℃，压强达到10mpa-20mpa时，对ppo复合板材进行发泡成型；

15、s14、在溶胀3h-4h，快速泄压开模后获得ppo复合发泡板材；

16、s15、通过实验得到ppo复合发泡板材的参数信息；所述参数信息包括发泡倍率、泡孔孔径及孔径分布、泡孔密度和泡孔壁的厚度。

17、作为本发明的进一步优选，所述ppo复合板材厚度为8mm。

18、作为本发明的进一步优选，所述发泡倍率通过排水法以分析天平和密度组件进行测量；所述泡孔孔径及孔径分布、泡孔密度和泡孔壁的厚度通过扫描电子显微镜(sem)管材板材断面的截面信息，结合发泡倍率计算得出。

19、作为本发明的进一步优选，所述贴片包括无源反射器、有源振子和四个引向器；其中，无源反射器、源振子和引向器的尺寸均根据介质基板的介质波长进行设计，并依据谐振频率来调整。

20、作为本发明的进一步优选，所述有源振子初始尺寸为1/4的介质波长，所述无源反射器和引向器初始尺寸为1/2的介质波长。

21、本发明提出的一种高频率通信用高增益高效率引向天线及其制备方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：

22、1、具有连续微纳尺度结构的电磁超材料作为传输线的传输介质显著提升了高频下短波长电磁波的散射和反射，增强了电磁波在传输线内的透射，因此降低了传输损耗；

23、2、超低介电常数显著提升了与空气的匹配程度，提升了电磁波信号在传输线内的传输速度，提升了引向天线的增益；超低损耗因子显著降低了电磁波的传输损耗，提升了引向天线的增益和效率；

24、3、超低介电常数带来的低q值，提升天线的带宽，提高宽频段天线性能稳定性的同时，节省基站之间架设的空间，节约资源；

25、4、超低介电常数天线可提升引向天线的有源振子的尺寸，降低天线加工难度，使天线易于成型加工；

26、5、超低介电性能带来的高增益在拓宽基站之间的距离的同时，抑制电磁波波束收窄，维持较宽的覆盖范围。可减少基站的数量，降低5g通信的成本；

27、6、以电磁超材料作为介质制作的贴片天线，与fr4和高性能rogers rt5880开发的引向天线相比，具有更低的介电常数、介电损耗，更高的增益与效率。

技术特征：

1.一种高频率通信用高增益高效率引向天线，包括天线贴片和介质基板，所述天线贴片粘贴在介质基板上，其特征在于，所述天线贴片包括无源反射器、有源振子和四个引向器；无源反射器一侧中部设置有有源振子，所述有源振子设置为l型结构；四个所述有引向器依次设置于有源振子另一侧。

2.根据权利要求1所述的一种高频率通信用高增益高效率引向天线，其特征在于，所述介质基板采用电磁超材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种高频率通信用高增益高效率引向天线，其特征在于，所述有源振子与相邻引向器之间的间距、其后依次相邻的两个引向器之间的距离采用梯度设置。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种高频率通信用高增益高效率引向天线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种高频率通信用高增益高效率引向天线的制备方法，其特征在于，所述制作电磁超材料包括：

6.根据权利要求5所述的一种高频率通信用高增益高效率引向天线的制备方法，其特征在于，所述ppo复合板材厚度为8mm。

7.根据权利要求5所述的一种高频率通信用高增益高效率引向天线的制备方法，其特征在于，所述发泡倍率通过排水法以分析天平和密度组件进行测量；所述泡孔孔径及孔径分布、泡孔密度和泡孔壁的厚度通过扫描电子显微镜（sem）管材板材断面的截面信息，结合发泡倍率计算得出。

8.根据权利要求4所述的一种高频率通信用高增益高效率引向天线的制备方法，其特征在于，所述贴片包括无源反射器、有源振子和四个引向器；其中，无源反射器、源振子和引向器的尺寸均根据介质基板的介质波长进行设计，并依据谐振频率来调整。

9.根据权利要求8所述的一种高频率通信用高增益高效率引向天线的制备方法，其特征在于，所述有源振子初始尺寸为1/4的介质波长，所述无源反射器和引向器初始尺寸为1/2的介质波长。

技术总结
本发明公开了一种高频率通信用高增益高效率引向天线，包括天线贴片和介质基板，天线贴片粘贴在介质基板上，天线贴片包括无源反射器、有源振子和四个引向器；无源反射器一侧中部设置有有源振子，有源振子设置为L型结构；四个有引向器依次设置于有源振子另一侧，相比先有技术，本发明采用具有连续微纳尺度结构的电磁超材料作为传输线的传输介质显著提升了高频下短波长电磁波的散射和反射，增强了电磁波在传输线内的透射，降低了传输损耗；超低介电常数显著提升了与空气的匹配程度，提升了电磁波信号在传输线内的传输速度；超低介电常数带来的低Q值，提升天线的带宽，提高宽频段天线性能稳定性的同时，节省基站之间架设的空间，节约资源。

技术研发人员：龚鹏剑,李光宪,金碧辉,何思林,王炤,吴炳田
受保护的技术使用者：江苏集萃先进高分子材料研究所有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15