一种短路贴片天线结构

1.本发明属于半导体集成电路制造技术领域，特别是涉及一种短路贴片天线结构。


背景技术：

2.天线是射频前端最重要的组成部件之一，能够将导行波转换成空间波，在无线通信系统中占据举足轻重的地位。贴片天线具有低剖面、体积小、重量轻、制造简单和易于集成等优点，在无线通信系统终端和便携式移动客户端设备中都得到了广泛的应用。随着无线通信系统的不断升级和迭代，终端设备逐渐朝着小型化和集成化的方向发展，对天线尺寸的要求越来越高。因此，如何实现贴片天线的小型化是目前无线通信系统中亟待解决的关键问题之一。
3.短路贴片天线是一种常见的实现天线小型化的措施，其通过在传统矩形微带贴片天线中心的电场零点位置处加载短路片或短路柱的方式，将天线辐射体的长度缩减一半。这种方式不改变天线本身的工作模式，天线仍在基模tm
10
状态下谐振。
4.但是，现有技术中，四分之一波长的尺寸缩减后的短路贴片天线得到的辐射性能具有一定的局限性，不满足现代无线通信系统对射频前端器件微型化和集成化的高性能要求。因此，如何突破现有的小型化限制，在保证辐射性能的前提下进一步实现贴片天线的尺寸缩减，在紧凑型射频前端系统的设计中尤为重要。
5.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的，不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。


技术实现要素：

6.鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种短路贴片天线结构，用于解决现有技术中贴片天线无法实现缩减尺寸的同时保证辐射性能的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供一种短路贴片天线结构，所述短路贴片天线结构包括：金属贴片、介质板、金属接地层、金属化孔、短路过孔阵列和馈电结构；
8.所述介质板包括上层介质板和下层介质板，所述金属贴片设置在所述上层介质板的上表面，所述金属接地层设置在所述上层介质板的下表面，所述下层介质板设置在所述金属接地层的下表面，所述馈电结构设置在所述下层介质板的下表面；
9.所述金属贴片包括相对平行设置的第一边沿、第四边沿和相对平行设置的第二边沿、第三边沿，所述第一边沿与所述第二边沿垂直；所述短路过孔阵列设置在所述金属贴片的所述第一边沿并贯穿下方的所述上层介质板，所述金属接地层通过所述短路过孔阵列使所述金属贴片的所述第一边沿接地；所述金属贴片的所述第二边沿和所述第三边沿均加载人工表面等离激元结构，所述人工表面等离激元结构为多个间隔设置的第一凹槽，所述第一凹槽的底面均不平行于所述第二边沿，所述第二边沿上的所有所述第一凹槽的底面在第一平面上，所述第三边沿上的所有所述第一凹槽的底面在第二平面上，所述第一平面与所
述第二平面不平行，所述第一凹槽的深度从所述第一边沿向所述第四边沿的方向递减；所述第四边沿作为所述金属贴片的辐射边进行单一辐射边的电磁能量辐射；
10.所述金属接地层设置有隔离孔，所述金属贴片设置有馈电接口；所述金属化孔穿过所述金属接地层的所述隔离孔将所述馈电结构和所述金属贴片的所述馈电接口连接，所述馈电结构通过所述馈电接口为所述金属贴片提供馈电。
11.可选地，所述人工表面等离激元结构对称加载在所述金属贴片的所述第二边沿和所述第三边沿。
12.可选地，所述人工表面等离激元结构的所述第一凹槽深度满足线性变化规律。
13.可选地，所述馈电接口的位置偏离所述金属贴片的几何中心点，且靠近所述第一边沿。
14.可选地，所述馈电结构包括人工表面等离激元传输线。
15.可选地，所述人工表面等离激元传输线沿平行于所述第二边沿的方向的两侧均间隔设置多个第二凹槽，每个所述第二凹槽的深度相同。
16.可选地，所述馈电结构还包括过渡结构和均匀微带线，所述过渡结构用于连接所述人工表面等离激元传输线和所述均匀微带线，所述过渡结构沿平行于所述第二边沿的方向的两侧均间隔设置多个第三凹槽，所述第三凹槽的深度从所述人工表面等离激元传输线向所述均匀微带线的方向减小。
17.可选地，所述第三凹槽的深度从所述人工表面等离激元传输线向所述均匀微带线的方向逐个等差递减。
18.可选地，所述上层介质板和所述下层介质板为相同的高频印刷电路板。
19.如上，本发明的短路贴片天线结构，具有以下有益效果：
20.本发明通过在金属贴片的非辐射边加载凹槽深度渐变的人工表面等离激元结构，结合短路贴片天线的小型化优势显著减小天线尺寸，同时保留微带天线低剖面、低成本、易于加工制造和系统集成的优点，可应用于超紧凑型无线通信系统的射频前端；
21.本发明通过将馈电结构设置在天线结构的底部，使天线系统的小型化的同时避免馈电结构对天线辐射性能的影响。
附图说明
22.图1显示为本发明中短路贴片天线结构的结构爆炸图示意图。
23.图2显示为本发明中金属贴片的俯视图示意图。
24.图3显示为本发明中馈电结构的俯视图示意图。
25.图4显示为本发明中短路贴片天线结构的反射系数曲线图。
26.图5显示为本发明中短路贴片天线结构的e面辐射方向图。
27.图6显示为本发明中短路贴片天线结构的h面辐射方向图。
28.元件标号说明
29.1、金属贴片；101、第一边沿；102、第二边沿；103、第三边沿；104、第四边沿；105、第一凹槽；106、第一平面；107、第二平面；2、上层介质板；3、金属化孔；4、金属接地层；5、下层介质板；6、馈电结构；601、人工表面等离激元传输线；602、过渡结构；603、均匀微带线；604、第二凹槽；605、第三凹槽；7、馈电接口；8、短路过孔阵列；9、隔离孔。
具体实施方式
30.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
31.如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
32.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。
33.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
34.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
35.图2-图3的坐标轴中，x轴表示与所述第二边沿102平行的方向，y轴表示与第一边沿101平行的方向，x轴与y轴垂直。
36.如图1所示，本发明提供一种短路贴片天线结构，所述短路贴片天线结构包括：金属贴片1、介质板、金属接地层4、金属化孔3、短路过孔阵列8和馈电结构6；
37.所述介质板包括上层介质板2和下层介质板5，所述金属贴片1设置在所述上层介质板2的上表面，所述金属接地层4设置在所述上层介质板2的下表面，所述下层介质板5设置在所述金属接地层4的下表面，所述馈电结构6设置在所述下层介质板5的下表面；
38.如图2所示，所述金属贴片1包括相对平行设置的第一边沿101、第四边沿104和相对平行设置的第二边沿102、第三边沿103，所述第一边沿101与所述第二边沿102垂直；所述短路过孔阵列8设置在所述金属贴片1的所述第一边沿101并贯穿下方的所述上层介质板2，所述金属接地层4通过所述短路过孔阵列8使所述金属贴片1的所述第一边沿101接地；所述金属贴片1的所述第二边沿102和所述第三边沿103均加载人工表面等离激元结构，所述人工表面等离激元结构为多个间隔设置的第一凹槽105，所述第一凹槽105的底面均不平行于所述第二边沿102，所述第二边沿102上的所有所述第一凹槽105的底面在第一平面106上，所述第三边沿103上的所有所述第一凹槽105的底面在第二平面107上，所述第一平面106与所述第二平面107不平行，所述第一凹槽105的深度从所述第一边沿101向所述第四边沿104的方向递减；所述第四边沿104作为所述金属贴片1的辐射边进行单一辐射边的电磁能量辐射；
39.所述金属接地层4设置有隔离孔9，所述金属贴片1设置有馈电接口7；所述金属化孔3穿过所述金属接地层4的所述隔离孔9将所述馈电结构6和所述金属贴片1的所述馈电接
口7连接，所述馈电结构6通过所述馈电接口7为所述金属贴片1提供馈电。
40.本发明中所述第二边沿102和所述第三边沿103为非辐射边，通过加载深度渐变的所述第一凹槽105组成的具有慢波特性的人工表面等离激元结构，从而引入较大的相位常数，缩减短路贴片天线所需要的尺寸，配合短路贴片天线本身具有的小型化优势，显著减小了天线的几何尺寸；同时本发明通过将基于人工表面等离激元传输线601的馈电结构6设置在短路贴片天线结构的底部，而非与天线结构的辐射结构(即金属贴片1)共面，从而在兼顾天线系统小型化的同时，还降低馈电结构6的辐射对天线的辐射性能的影响；另外本发明在实现小型化的同时保留了微带天线低剖面、低成本、易于加工制造和系统集成等优点，可广泛应用于超紧凑型无线通信系统的射频前端。
41.具体地，所述金属贴片1工作在tm
10
模式。
42.具体地，所述第一凹槽105对称加载在所述金属贴片1的所述第二边沿102和所述第三边沿103。
43.具体地，所述人工表面等离激元结构的所述第一凹槽105深度满足线性变化规律，所述金属贴片1上的所述第一凹槽105的底面坐标满足线性函数表达式y＝ax+b，其中的系数a和b由实际工作频率确定。
44.在一个实施例中，所述短路过孔阵列为多个短路过孔成单列设置的阵列，也可以根据具体需求进行其他阵列形状的设置。
45.在一个实施例中，所述馈电结构6的材料为金属。
46.在一个实施例中，所述馈电结构6包括人工表面等离激元传输线601。
47.在一个实施例中，如图3所示，所述人工表面等离激元传输线601沿平行于所述第二边沿102的方向的两侧均间隔设置多个第二凹槽604，每个所述第二凹槽604的深度相同。
48.在一个实施例中，如图3所示，所述馈电结构6还包括过渡结构602和均匀微带线603，所述过渡结构602用于连接所述人工表面等离激元传输线601和所述均匀微带线603，所述过渡结构602沿平行于所述第二边沿102的方向的两侧均间隔设置多个第三凹槽605，所述第三凹槽605的深度从所述人工表面等离激元传输线601向所述均匀微带线603的方向减小。
49.在一个实施例中，所述馈电结构6平行于x轴，所述人工表面等离激元传输线601远离所述均匀微带线603的一侧通过所述金属化孔3连接至所述金属贴片1的所述馈电接口7。
50.具体地，所述均匀微带线603满足50ω的阻抗值，用于实验测试和工程应用。
51.在一个实施例中，根据实际工作频率选取合适的射频转接器与所述均匀微带线603相连，以提供射频能量输入。
52.本发明通过设置第三凹槽605深度渐变的过渡结构602使所述人工表面等离激元传输线601均匀过渡连接至所述均匀微带线603，以实现所述人工表面等离激元传输线601和所述均匀微带线603的阻抗匹配和模式转换。
53.在一个实施例中，所述第三凹槽605的深度从所述人工表面等离激元传输线601向所述均匀微带线603的方向逐个等差递减。
54.在一个实施例中，所述第二凹槽604和/或所述第三凹槽605沿平行于所述金属贴片1的截面为矩形或梯形。
55.在一个实施例中，所述人工表面等离激元传输线601中相邻两个所述第二凹槽604
的中心点之间的距离为2毫米，所述第二凹槽604的深度均为0.25毫米；所述均匀微带线603沿所述第二边沿102的方向上投影的长度为4毫米，所述均匀微带线603沿所述第一边沿101的方向上投影的长度为1.1毫米。
56.具体地，通过设置所述过渡结构602中所述第三凹槽605的数量来设置所述人工表面等离激元传输线601和所述均匀微带线603的匹配特性。
57.在一个实施例中，所述上层介质板2的介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，长为60毫米，宽为60毫米，厚度为1.524毫米；所述下层介质板5的介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，长为60毫米，宽为60毫米，厚度为0.508毫米；所述金属接地层4的长为60毫米，宽为60毫米，厚度为0.018毫米；所述金属贴片1的所述第一边沿101的长度为9.2毫米，所述第二边沿102的长度为10毫米，厚度为0.018毫米。
58.在一个实施例中，相邻两个所述第一凹槽105之间的间距为0.4毫米，每个所述第一凹槽105沿所述第二边沿102的方向上投影的长度为0.4毫米，所述第一凹槽105的最大深度为4毫米，所述第一凹槽105的底面在所述第一边沿101的方向上投影的长度与所述第一凹槽105的底面在所述第二边沿102的方向上投影的长度之比为0.476。
59.在一个实施例中，所述馈电接口的位置偏离所述金属贴片的几何中心点，且靠近第一边沿。
60.在一个实施例中，所述馈电接口7与所述金属贴片1的几何中心点距离为3.75毫米。
61.在一个实施例中，所述上层介质板2和所述下层介质板5为相同的高频印刷电路板。
62.在一个实施例中，所述短路贴片天线结构均由pcb(printedcircuitboard，印刷电路板)工艺加工实现。
63.在一个实施例中，所述上层介质板2和所述下层介质板5均使用rogersro4350介质板。
64.如图4所示为使用上述参数设置得到的短路贴片天线结构的反射系数图，得到的谐振频率为3.06ghz，相对阻抗带宽为0.6％；如图5所示为使用上述参数设置得到的短路贴片天线结构的e面(电面)辐射方向图，最大辐射方向为20
°
，3db主瓣波束宽度为88
°
；如图6所示为使用上述参数设置得到的短路贴片天线结构的h面(磁面)辐射方向图，3db主瓣波束宽度为84
°
。
65.综上，本发明的短路贴片天线结构，可以通过在金属贴片的非辐射边加载凹槽深度渐变的人工表面等离激元结构，结合短路贴片天线的小型化优势显著减小天线尺寸，同时保留微带天线低剖面、低成本、易于加工制造和系统集成的优点，可应用于超紧凑型无线通信系统的射频前端；另外通过将馈电结构设置在天线结构的底部，使天线系统小型化的同时避免馈电结构对天线辐射性能的影响。
66.所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
67.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种短路贴片天线结构，其特征在于，所述短路贴片天线结构包括：金属贴片、介质板、金属接地层、金属化孔、短路过孔阵列和馈电结构；所述介质板包括上层介质板和下层介质板，所述金属贴片设置在所述上层介质板的上表面，所述金属接地层设置在所述上层介质板的下表面，所述下层介质板设置在所述金属接地层的下表面，所述馈电结构设置在所述下层介质板的下表面；所述金属贴片包括相对平行设置的第一边沿、第四边沿和相对平行设置的第二边沿、第三边沿，所述第一边沿与所述第二边沿垂直；所述短路过孔阵列设置在所述金属贴片的所述第一边沿并贯穿下方的所述上层介质板，所述金属接地层通过所述短路过孔阵列使所述金属贴片的所述第一边沿接地；所述金属贴片的所述第二边沿和所述第三边沿均加载人工表面等离激元结构，所述人工表面等离激元结构为多个间隔设置的第一凹槽，所述第一凹槽的底面均不平行于所述第二边沿，所述第二边沿上的所有所述第一凹槽的底面在第一平面上，所述第三边沿上的所有所述第一凹槽的底面在第二平面上，所述第一平面与所述第二平面不平行，所述第一凹槽的深度从所述第一边沿向所述第四边沿的方向递减；所述第四边沿作为所述金属贴片的辐射边进行单一辐射边的电磁能量辐射；所述金属接地层设置有隔离孔，所述金属贴片设置有馈电接口；所述金属化孔穿过所述金属接地层的所述隔离孔将所述馈电结构和所述金属贴片的所述馈电接口连接，所述馈电结构通过所述馈电接口为所述金属贴片提供馈电。2.根据权利要求1所述的短路贴片天线结构，其特征在于，所述人工表面等离激元结构对称加载在所述金属贴片的所述第二边沿和所述第三边沿。3.根据权利要求1所述的短路贴片天线结构，其特征在于，所述人工表面等离激元结构的所述第一凹槽深度满足线性变化规律。4.根据权利要求1所述的短路贴片天线结构，所述馈电接口的位置偏离所述金属贴片的几何中心点，且靠近所述第一边沿。5.根据权利要求1所述的短路贴片天线结构，其特征在于，所述馈电结构包括人工表面等离激元传输线。6.根据权利要求5所述的短路贴片天线结构，其特征在于，所述人工表面等离激元传输线沿平行于所述第二边沿的方向的两侧均间隔设置多个第二凹槽，每个所述第二凹槽的深度相同。7.根据权利要求6所述的短路贴片天线结构，其特征在于，所述馈电结构还包括过渡结构和均匀微带线，所述过渡结构用于连接所述人工表面等离激元传输线和所述均匀微带线，所述过渡结构沿平行于所述第二边沿的方向的两侧均间隔设置多个第三凹槽，所述第三凹槽的深度从所述人工表面等离激元传输线向所述均匀微带线的方向减小。8.根据权利要求7所述的短路贴片天线结构，其特征在于，所述第三凹槽的深度从所述人工表面等离激元传输线向所述均匀微带线的方向逐个等差递减。9.根据权利要求1所述的短路贴片天线结构，其特征在于，所述上层介质板和所述下层介质板为相同的高频印刷电路板。

技术总结
本发明提供一种短路贴片天线结构，金属贴片设置在上层介质板的上表面，金属接地层设置在上层介质板的下表面，下层介质板设置在金属接地层的下表面，馈电结构设置在下层介质板的下表面，金属贴片在非辐射边设置底面在同一平面上的多个凹槽组成的人工表面等离激元结构，金属接地层通过短路过孔阵列使金属贴片的一侧边沿接地短路，金属化孔穿过金属接地层的隔离孔将馈电结构和金属贴片的馈电接口连接。本发明通过在金属贴片的非辐射边加载凹槽深度渐变的人工表面等离激元结构，结合短路贴片天线的小型化优势显著减小天线尺寸，同时保留微带天线低剖面、低成本、易于加工制造和系统集成的优点，适用于超紧凑型无线通信系统的射频前端。前端。前端。


技术研发人员：唐旻 王美妮
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/11