CN114221119A - 一种低剖面介质天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低剖面介质天线，包括自上到下依次设置的低剖面辐射贴片结构、中间层介质基板及底层介质基板，其中，低剖面辐射贴片结构上两个相对的端面上均设置有缝隙结构，所述缝隙结构内设置有银涂层，中间层介质基板与底层介质基板之间设置有金属底板平面层，所述金属底板平面层的中部开设有一字型的耦合缝隙，底层介质基板的底部设置有微带馈线结构，其中，金属底板平面层与微带馈线结构组成馈电结构，该天线具有小型化、低功耗以及温度稳定性的特点。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种低剖面介质天线。
背景技术
近年来，随着第五代(5G)移动通信技术的迅速发展，5G技术目前已成为全球通信行业新一轮技术竞争的焦点。这促使开发具有高集成度、高温度稳定性和超低功耗的新型无源微波器件越来越受到重视。其中，推动5G技术发展的无源器件之一是微波天线，它在通信***的终端发挥着重要的作用。因此，为了提高天线的性能和减小天线的尺寸，设计一款能够同时使用高性能的电介质材料和新型天线结构具有重要的研究与应用价值，能够在5G技术激烈的竞争环境中获得更大的适用性。
在众多的介质材料中，微波介质陶瓷一直被认为是众多电子产品中极为关键的材料，在滤波器、双工器、振荡器、环行器和谐振器中均有广泛的应用。高品质因数的微波介质陶瓷材料一般具有优异的介电属性，其中高的介电常数(εr)能够实现微波器件的小型化，高的Q×f(Q＝1/tanδ)能够降低微波器件的功耗，低谐振频率温度系数(TCF)能够使得微波器件在不同温度下稳定工作。目前，介质天线相比于介质谐振器天线来说，该介质天线不仅具有低的剖面，而且具有高的辐射增益。同时，相比于传统的金属天线，由于其不考虑金属的欧姆损耗，因此，该介质天线具有较高的辐射效率，且加工成本低。然而，目前现有的介质天线大多都采用高损耗的介质材料，且天线的带宽往往比较窄，这导致无论介质天线的功耗还是尺寸和带宽都很难满足5G移动通信技术的发展需求。
综上所述，随着现代通信技术对于微波通讯器件微型化、集成化和高频化的迫切需求，探索研发出具备小型化、低功耗以及温度稳定性的5G天线始终是当前的研究热点与重点。通过在介质天线中使用高品质因数的微波介质陶瓷材料作为一种新颖的研究思路，引入微波介质陶瓷能够从根本上解决天线的剖面尺寸、功耗和稳定性。同时又将烧结金属电极引入陶瓷制备工艺，来实现一个宽带的介质天线。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种低剖面介质天线，该天线具有小型化、低功耗以及温度稳定性的特点。
为达到上述目的，本发明所述的低剖面介质天线包括自上到下依次设置的低剖面辐射贴片结构、中间层介质基板及底层介质基板，其中，低剖面辐射贴片结构上两个相对的端面上均设置有缝隙结构，所述缝隙结构内设置有银涂层，中间层介质基板与底层介质基板之间设置有金属底板平面层，所述金属底板平面层的中部开设有一字型的耦合缝隙，底层介质基板的底部设置有微带馈线结构，其中，金属底板平面层与微带馈线结构组成馈电结构。
中间层介质基板及底层介质基板的材质为树脂材料。
馈电结构的材质为金属铜。
低剖面辐射贴片结构采用陶瓷线切割技术加工而成。
所述银涂层在制备时，先将银浆涂抹于缝隙结构上，再进行高温烧结。
低剖面辐射贴片结构的材质为高品质因数CTLA钙钛矿固溶体微波介质陶瓷材料。
高品质因数CTLA钙钛矿固溶体微波介质陶瓷材料的相对介电常数为εr～44.8，品质因数为Q×f～[email protected]，Q＝1/tanδ，谐振频率温度系数为TCF～0ppm/℃。
低剖面辐射贴片结构的介电常数为44.8，损耗角为8.3×10-5，厚度为1mm；
中间层介质基板的厚度为1.524mm；
底层介质基的厚度为0.813mm。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的低剖面介质天线在具体操作时，通过引入高品质因数的低剖面辐射贴片结构，并将其置于中间层介质基板的中央位置处，从而构成多模式准腔体谐振结构，不仅有利于拓展天线的带宽，而且还能够有效降低天线的辐射损耗。另外，通过在低剖面辐射贴片结构中引入具有银涂层的缝隙结构，通过调节缝隙结构的大小，使得所激励起的介质天线的高次模式发生移动，当高次模向基模方向移动到合适的位置时，能够使得两个模式所对应的谐振频率发生融合，从而能够实现一个相对宽的工作频带，同时本发明通过低剖面辐射贴片结构和中间层介质基板共同组成多模式准腔体谐振结构，以实现提高天线增益的效果，有效解决了5G通信***中天线的高损耗的问题、天线剖面高的问题、相对工作带宽以及工作温度稳定性的问题，同时易于加工、价格低廉，利于在5G通信***中推广应用。
附图说明
图1为本发明的侧视图；
图2为本发明的***图；
图3为本发明的│S11│参数仿真测试结果图；
图4为本发明的增益与效率仿真测试结果图；
图5为本发明的仿真与测试辐射方向图。
其中，1为低剖面辐射贴片结构、2为缝隙结构、3为中间层介质基板、4为底层介质基板、5为金属底板平面层、6为微带馈线结构。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1及图2，本发明所述的低剖面介质天线包括自上到下依次设置的低剖面辐射贴片结构1、中间层介质基板3及底层介质基板4，其中，低剖面辐射贴片结构1上两个相对的端面上均设置有缝隙结构2，所述缝隙结构2内设置有银涂层，中间层介质基板3与底层介质基板4之间设置有金属底板平面层5，所述金属底板平面层5的中部开设有一字型的耦合缝隙，底层介质基板4的底部设置有微带馈线结构6，其中，金属底板平面层5与微带馈线结构6组成馈电结构；中间层介质基板3及底层介质基板4的材质为树脂材料；馈电结构的材质为金属铜；低剖面辐射贴片结构1采用陶瓷线切割技术加工而成；所述银涂层在制备时，先将银浆涂抹于缝隙结构2上，再进行高温烧结。
低剖面辐射贴片结构1的材质为高品质因数CTLA钙钛矿固溶体微波介质陶瓷材料，高品质因数CTLA钙钛矿固溶体微波介质陶瓷材料的相对介电常数为εr～44.8，品质因数为Q×f～[email protected](Q＝1/tanδ)，谐振频率温度系数为TCF～0ppm/℃。
其中，所述高品质因数CTLA钙钛矿固溶体微波介质陶瓷材料的制备方法包括以下步骤：将CaCO3、TiO2、La2O3及Al2O3分散于去离子水中，通过一次球磨使得氧化物混合均匀，通过预烧结，使得氧化物进行初步反应，然后再通过二次球磨，使得混合物颗粒尺寸进一步细化，并通过二次保温烧结，使得混合物样品物象分散均匀，最后进行冷等静压处理，再将其烧结成瓷。
由于高品质因数CTLA钙钛矿固溶体微波介质陶瓷材料具有良好的介电属性，因此低剖面辐射贴片结构1可以将金属天线的辐射贴片进行替换，低剖面辐射贴片结构1作为介质天线的磁壁来类比金属贴片天线的电壁，从而实现良好的辐射功能。并且低剖面辐射贴片结构1因其没有欧姆损耗，可以实现非常低的损耗。同时，通过选择合适的介质贴片的尺寸，来激励起介质天线的基模和高次模两种谐振模式，且通过具有银涂层的缝隙结构2使得高次模所对应的谐振频率往低频移动。
本发明具有以下特点：
1)通过引入高品质因数的低剖面辐射贴片结构1，并将其置于中间层介质基板3的中央位置处，从而构成多模式准腔体谐振结构，不仅有利于拓展天线的带宽，而且还能够有效降低天线的辐射损耗。
2)通过在低剖面辐射贴片结构1中引入具有银涂层的缝隙结构2，通过调节缝隙结构2的大小，使得所激励起的介质天线的高次模式发生移动，当高次模向基模方向移动到合适的位置时，能够使得两个模式所对应的谐振频率发生融合，从而能够实现一个相对宽的工作频带。
3)通过低剖面辐射贴片结构1和中间层介质基板3共同组成多模式准腔体谐振结构，以实现提高天线增益的效果。
本发明的传输响应如图3所示，由如图3可知，在4.92GHz和5.55GHz两个谐振频率下，仿真和测试结果高度一致，同时，仿真和测试的阻抗带宽(|S11|<-10dB)分别为20.1％(4.69GHz～5.74GHz)及24.2％(4.65GHz～5.93GHz)。天线的辐射响应如图4所示，可以发现测试结果的频率范围从4.88GHz到5.69GHz具有大约7.13dBi的稳定实际增益，同时在图4中也可以发现，天线的辐射效率在4.41GHz～5.88GHz频率范围内高于90％。图5为在4.92GHz和5.55GHz两个谐振频率处的天线仿真和测试方向图，其中，左侧的两个图为H面(xoz平面)所对应的谐振频率为4.92GHz，右侧的两个图为E面(yoz平面)所对应的谐振频率为5.55GHz。由图4也可以发现，天线的辐射方向图为宽边方向辐射，且测试的交叉极化至少比主极化低25dB。本发明采用薄的CTLA钙钛矿固溶体微波介质陶瓷贴片作为低剖面辐射贴片结构1，其介电常数为44.8，损耗角为8.3×10-5，厚度为1mm。中间层介质基板3的厚度为1.524mm，底层介质基板4的厚度为0.813mm。中间层介质基板3及底层介质基板4所使用的材料均为树脂材料，介电常数为3.55，损耗角为2.7×10-4。
综上所述，本发明基于高品质因数的CTLA钙钛矿固溶体微波介质陶瓷贴片的辐射架构，极大的提高了天线的辐射效率，进一步拓宽工作带宽，具有低剖面、温度稳定性、易于加工以及价格低廉的优点。
本发明提供了一种低剖面介质天线的思路以及设计方法，具体实现该技术方案的方式和途径有很多种，以上所述仅是本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出相关改进，这些改进也应该视为本发明的保护范围，本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种低剖面介质天线，其特征在于，包括自上到下依次设置的低剖面辐射贴片结构(1)、中间层介质基板(3)及底层介质基板(4)，其中，低剖面辐射贴片结构(1)上两个相对的端面上均设置有缝隙结构(2)，所述缝隙结构(2)内设置有银涂层，中间层介质基板(3)与底层介质基板(4)之间设置有金属底板平面层(5)，所述金属底板平面层(5)的中部开设有一字型的耦合缝隙，底层介质基板(4)的底部设置有微带馈线结构(6)，其中，金属底板平面层(5)与微带馈线结构(6)组成馈电结构。
2.根据权利要求1所述的低剖面介质天线，其特征在于，中间层介质基板(3)及底层介质基板(4)的材质为树脂材料。
3.根据权利要求1所述的低剖面介质天线，其特征在于，馈电结构的材质为金属铜。
4.根据权利要求1所述的低剖面介质天线，其特征在于，低剖面辐射贴片结构(1)采用陶瓷线切割技术加工而成。
5.根据权利要求1所述的低剖面介质天线，其特征在于，所述银涂层在制备时，先将银浆涂抹于缝隙结构(2)上，再进行高温烧结。
6.根据权利要求1所述的低剖面介质天线，其特征在于，低剖面辐射贴片结构(1)的材质为高品质因数CTLA钙钛矿固溶体微波介质陶瓷材料。
7.根据权利要求6所述的低剖面介质天线，其特征在于，高品质因数CTLA钙钛矿固溶体微波介质陶瓷材料的相对介电常数为εr～44.8，品质因数为Q×f～[email protected]，Q＝1/tanδ，谐振频率温度系数为TCF～0ppm/℃。
8.根据权利要求1所述的低剖面介质天线，其特征在于，低剖面辐射贴片结构(1)的介电常数为44.8，损耗角为8.3×10-5，厚度为1mm；
中间层介质基板(3)的厚度为1.524mm；
底层介质基板(4)的厚度为0.813mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220322 |