贴片天线

技术领域

本发明涉及贴片天线技术领域，具体涉及一种软质材料包覆高介电系数材料的贴片天线。

背景技术

现今Sub-6G频带贴片天线主要是以FR4板材来进行设计，因频段较低，天线尺寸偏大，并且本身材料不具透明性和可绕性，使的应用范围有所限制。Sub-6G频带中贴片天线(Patch Antenna)也可使用FPC PI(Polyamide)设计，则因受限于基板厚度不足使天线性能不佳。

贴片天线目前使用FR4或是FPC来设计，馈入方式多使用钻孔式馈入以获得良好的频率匹配。其他类型的天线形态则反而会因为周围金属环境和接地形式等而受限，指向性效率也较贴片天线差。

申请号CN202011363160.4的中国发明专利中公开了一种微带天线及终端设备，该微带天线在传统的U型金属贴片的基础上，在U型金属贴片的第一竖直部31和第二竖直部32分别开设通孔34，延长了电流的流经路径，使得天线的谐振频率降低，从而提高了天线的带宽。另外，由于只是在第一竖直部31和第二竖直部32上分别开设通孔34，故不需要增加金属贴片的长度和宽度，重量更轻，更容易满足结构紧凑的要求。

上述专利延长了电流的流经路径，使得天线的谐振频率降低，而无法解决PCB基材设计贴片天线尺寸过大，应用性不佳，软板FPC基材的贴片天线因厚度太薄的限制无法使用在Sub-6G频段，同时使用贴片天线也会有带宽较差的现象，若是不使用贴片天线则无法达到较高的指向性增益的问题，因此本文提出一种贴片天线。

使用LCP材料包覆玻璃形成一贴片型式天线，以由玻璃的高介电系数(K值>6)可使贴片天线尺寸缩减，同时玻璃可提供足够的厚度来使天线具备较佳的性能，仍可维持贴片天线高指向性的特性，以此使天线有更广泛的应用范围，在贴片天线上使用微带线槽孔馈入以克服玻璃无法钻孔馈入的问题，并获得良好的馈入匹配。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种贴片天线，用于解决上述存在的问题。本发明公开一种贴片天线，包括：一介质基板，包含相对的一第一表面与一第二表面，及多个环设在该第一表面与该第二表面之间的侧表面，其中该介质基板由一软质材料包覆一高介电系数材料而成；一辐射金属臂，设置在该第一表面上，形成金属薄层；一接地金属板，设置在该第二表面上；一寄生金属臂，由该接地金属板延伸，经过至少该侧表面之一至该第一表面，且与该辐射金属臂接近但不连接。

在本发明的一个实施例中，该软质材料为一层或多层LCP材料。

在本发明的一个实施例中，该高介电系数材料为介电系数K>6的玻璃材质。

在本发明的一个实施例中，该介质基板在运行贴片天线时，使用槽孔馈入方式或运用LCP多层馈入方式。

在本发明的一个实施例中，该辐射金属臂内还包括至少一封闭的槽孔。

在本发明的一个实施例中，该槽孔总长与该高介电系数下的一个波长相等。

在本发明的一个实施例中，该寄生金属臂在该第一表面上往该侧表面延伸总长度与该高介电系数下的1/4波长相等。

在本发明的一个实施例中，该第一表面，该第二表面或该侧表面设有一天线馈入区域；该辐射金属臂由该第一表面延伸与该天线馈入区域连接。

在本发明的一个实施例中，该金属薄层材质为铜、铝或银。

在本发明的一个实施例中，该辐射金属臂上还设有至少一馈入槽孔。

在本发明的一个实施例中，该馈入槽孔位于辐射体的金属薄层与寄生金属臂之间。

本发明的LCP包覆玻璃材质的天线，使用贴片天线型式设计，其中运用微带线使用槽孔馈入方式可运用LCP多层馈入方式，可克服玻璃材质无法使用一般钻孔馈入的频率匹配问题。并在贴片天线辐射面之中设计ㄇ形槽孔以及侧边寄生金属臂提升天线可工作带宽。所设计的玻璃贴片天线具有更小型化，具有足够的可工作带宽，具有高指向性与更多的可工作带宽，并可设计在Sub-6G多种频带之上，其中5GHz天线增益可达到3.4dBi，带宽比为18％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的贴片天线的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的贴片天线的天线馈入分区示意图。

图3为本发明实施例提供的贴片天线的返回损耗频率响应示意图。

图4为现有技术贴片天线仿真响应示意图。

图5为天线增益3D辐射示意图。

主要组件符号说明：

1为辐射金属臂；2为ㄇ字型槽孔；3为馈入槽孔；4为寄生金属臂；5为玻璃；6为接地金属板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1及图2，本发明实施例提供一种贴片天线，包括：一介质基板，由软质材料包覆高介电系数材料形成，具有一第一表面，相对的第二表面及多个侧表面环设在该第一表面及该第二表面之间。一辐射金属臂1设置在该第一表面上，通过光刻或化学蚀刻等工艺制作具有特定形状的金属薄层。一接地金属板6，设置在该第二表面上。一寄生金属臂4，由该第二表面上的该接地金属板6延伸，经过至少该侧表面之一至该第一表面，形成特定形状，与该辐射金属臂1接近但不连接。

在本实施例中，LCP材料具有低损耗与低吸水的良好特性并具备良好的可绕性，因此提供天线较稳定的可弯折应用，是高频天线良好的材料选择。

在本实施例中，介质基板在运行贴片天线时，使用槽孔馈入方式或LCP多层馈入方式。

在本实施例中，该软质材料选用LCP材料，并设置一层或多层的LCP材料，该高介电系数材料选用玻璃材质，其中该玻璃5材质的介电系数K>6。

在本实施例中，该寄生金属臂4在该第一表面上往该侧面延伸总长度与该高介电系数下的1/4波长相等。

在本实施例中，该辐射金属臂1上设有天线馈入区域，即辐射金属臂1上还设有至少一馈入槽孔3，该馈入槽孔3位于辐射体的金属薄层与寄生金属臂4之间。

在本实施例中，介质基板的厚度远小于波长，基板的第二表面(底部)与接地金属板6相接，第一表面(正面)则通过光刻工艺制作具有特定形状的金属薄层作为辐射金属臂1。辐射金属臂1的形状根据要求可进行多种变化，且由该接地金属板6延伸，经过至少该侧表面之一至该第一表面，形成特定形状，与该辐射金属臂1接近但不连接。

在其他实施例中，辐射金属臂1的形状可以是规则的矩形、多边形或不规则的椭圆形、环形或者扇形等，其最大辐射方向一般都在测射方向，即垂直于基片的方向。而成形方式不限于光刻，也可以是气态或电浆等干式或湿式蚀刻加工方法。

在本实施例中，辐射金属臂1可由在第一表面的金属薄层，通过光刻等工艺制作出特定形状以及封闭性的槽孔。

在本实施例中，辐射金属臂1内具有一封闭性的槽孔。该封闭性的槽孔为ㄇ字型槽孔2(或倒U字型槽孔)，该槽孔需开在该辐射金属臂1内，在其他实施例中，该封闭性槽孔形状并不限定于ㄇ字型，也可以是其他形状，例如弯月形或尖塔形，但该槽孔需开在该辐射金属臂1之内。

在其他实施例中，该辐射体的金属薄层光刻的ㄇ字型槽孔2总长度约一个波的长度，其单位为mm。

在本实施例中，设置在介质基板底部第二表面的接地金属板6延伸出两寄生金属臂4并与该辐射金属臂1接近但不连接。

本发明的辐射金属臂1内的封闭型槽孔，以中央线计算，总长度大致与波长相等，而寄生金属长度大致为四分之一波长。以频率5.5GHz为例，波长约21.00mm，所以槽孔长度约21.50～22.50mm，寄生金属臂4长度约4.85～5.65mm都能获得较佳的表现。

本实施例中，选择金属臂1内的封闭型槽孔长度为22mm，寄生金属臂4长度为5.28mm，进行辐射时可在5.76频率下获得最佳表现，因此还可以本实施例反向匹配较佳的天线频率。具体可使用一微带线自天线侧边进行馈入，整体天线的馈入点可随实际应用进行调整，微带线馈入天线辐射金属区域会使用一馈入槽孔3设计方便调整天线整体匹配条件，制造出天线适当的工作条件与良好的辐射条件。

在本实施例中，如图1所示。以中心频率5.5GHz为例，馈入槽孔3位于辐射体的金属薄层与寄生金属臂4之间。馈入槽孔3的深度为3-5mm，宽度为0.4-0.6mm，可以在该频率获得较佳的频率响应。

在本实施例中，在天线辐射臂内挖有一ㄇ字型槽孔2(也可以是倒U字型槽孔)，以由此一槽孔共振路径，可在工作频率范围内达到带宽优化的结果，同时在第二表面接地金属板6延伸两金属寄生支路4与辐射金属臂1接近但不连接，此寄生支路也可对带宽产生优化的效果。

在本实施例中，如图2所示，接地金属板6上设有天线馈入区域。该金属薄层选用为铜层、铝层或银层，然而在其他实施例中也可以是其他导电材质。

在本实施例中，为改善贴片天线带宽较小的天线特性，以中心频率5.5GHz为例，该ㄇ字型槽孔2中央线总长约19.90mm，寄生金属臂4长度约4.95mm，参考图3所示，S11＝-6dB的带宽为98MHz，参考图4为现有技术贴片天线的仿真响应图，S11＝-6dB的带宽为51MHz。在本实施例中具备ㄇ字型槽孔2与寄生金属臂4可使带宽增加约92％。

在本实施例中，天线仿真响应图如图3所示，以本实施例运用该型式天线的中心频率为5.5GHz，其返回损耗为-16dB，S11＝-6dB的带宽比为18％，天线整体尺寸为15*15*2mm。单体天线的3D辐射场型，天线增益可达到3.4dBi，如图5所示。同样的天线设计可运用在更多Sub-6G频带之上。

在本实施例中，使用LCP材料将天线包覆玻璃5(高介电透明材料K值大于6)做一贴片天线设计，其中第一表面为辐射金属臂1，另一第二表面为可接地的接地金属板6，且由该接地金属板6延伸，经过至少该侧表面之一至该第一表面，形成特定形状，与该辐射金属臂1接近但不连接。

本实施例馈入机制使用微带线侧边馈入，微带线馈入区域使用一槽孔以获得良好的馈入匹配，微带线长度不限可做延伸以方便装置馈入为主。

更进一步的实施时，馈入区域也可使用LCP多层结构不同层别设立馈入微带线的馈入方式。也可使用LCP多层板在不同层别设计不同金属形式，以达到相似效果。

在其他实施例中，接地金属板6延伸出寄生金属臂4，该寄生金属臂4会接近于馈入区域，同时与馈入区域端产生耦合的效果，该寄生金属臂4需连接或非常靠近于接地金属板6。根据高频响应公式可知当电容值越高，阻抗值越低，当电容值高到一定程度，阻抗接近0可视作短路。

阻抗公式如下：

其中，f为频率，

进一步地，可利用部分被动组件或金属重叠方式使寄生金属臂4与接地金属板6产生一定大的电容效应，可以产生相似效果。

一般PCB基材设计贴片天线尺寸过大，应用性不佳，软板FPC基材贴片天线因厚度太薄的限制无法使用在Sub-6G频段，同时使用贴片天线也会有带宽较差的现象，但若是不使用贴片天线则无法达到较高的指向性增益。

使用LCP材料包覆玻璃5形成一贴片型式天线，以由玻璃5的高介电系数(K值>6)可使贴片天线尺寸缩减，同时玻璃5可提供足够的厚度来使天线具备较佳的特性，仍可维持贴片天线高指向性的特性，以此使天线有更广泛的应用范围，在贴片天线上使用微带线槽孔馈入以克服玻璃无法灌孔馈入的问题，并获得良好的馈入匹配。并在贴片天线辐射面之中设计ㄇ形槽孔以及侧边寄生金属臂4提升天线可工作带宽。

综上所述，本发明实施例提供的LCP包覆玻璃材质的天线，使用贴片天线型式设计，其中运用微带线使用槽孔馈入方式也可运用LCP多层馈入方式，可克服玻璃材质无法使用一般钻孔馈入的频率匹配问题。并在贴片天线辐射面之中设计ㄇ形槽孔以及侧边寄生金属臂4提升天线可工作带宽。所设计的玻璃贴片天线具有更小型化，具有足够的可工作带宽，并且因为基材为玻璃5可以广泛的运用于各种产品应用。

本发明实施例提出的天线架构贴片天线具有高指向性与更多的可工作带宽，并可设计在Sub-6G多种频带之上，其中5GHz天线增益可达到3.4dBi，带宽比为18％。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的一般技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。