使用光子带隙材料的多频带天线

摘要

一种使用光子带隙材料的多频带天线装置，包括：微带天线；作为所述微带天线一部分的第一天线单元，用于接收/发送第1频带的信号；作为所述微带天线一部分的第二天线单元，所述第二天线单元与由光子带隙材料制成的光子带隙材料板紧密接触，并与所述第一天线单元构成一体，用于接收/发送第2频带的信号；其中由光子带隙材料制成的所述光子带隙材料板对所述第1频带呈现带阻特性。另外，可以利用由印刷电路板制成的光子带隙构造板代替由光子带隙材料制成的光子带隙材料板，以降低天线的制造成本。

说明书

技术领域

本发明涉及使用光子带隙材料的多频带天线，特别是涉及利用光子带隙(PBG)材料的带阻特性，在不增加天线尺寸的基础上实现天线的多频带发射/接收。

背景技术

随着无线接收设备在移动终端中的增加，接收/发送天线的数量也同时增加。另一方面，随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也越来越小，这就需要天线减小自身尺寸。在不影响天线的增益和效率的同时减小天线的尺寸是一项艰巨的工作。电子设备集成度的提高，经常需要一个天线在较宽的频率范围内支持两个或更多的无线服务，宽带和多频带天线能满足这样的需要。

多频带天线通常要在两个或两个以上特定的窄频带上提供较好的阻抗匹配和性能。随着各种服务和频率的要求日益增多，多频带天线是一种比较经济的解决方法。宽带天线在一个频率范围之内的性能都保持不变。

对于大多数的实例，增加一个频带往往需要对天线的物理结构进行较大的改动，同时也意味着天线变得更加复杂，天线的尺寸有所增大。

光子带隙(以下简称为PBG：Photonic Band-Gap)结构最早应用在光学领域，是可以实现光子带隙的周期性结构。随着对光子晶体研究的不断深入，现在已经应用到微波和毫米波领域，利用其带阻特性，可以实现宽带滤波，改善天线的方向图。图1显示了PBG在微波领域中实现的带阻特性的示意图。

光子带隙(PBG)通常由全介质材料构成。近年来，由金属介质构成的PBG材料以其奇异的电磁波传播特性引起了人们很大兴趣。根据Bragg散射理论，PBG中人工介质结构的周期大小是半波长的整数倍时，所对应的频率将被散射，形成带阻的频率特性。但是对于工作频率为GHz的微波带隙，如果采用通常的全介质材料构成，这样的设计要求将使得材料的基本尺寸过大，从而大大限制了PBG在微波通信领域中的应用。

近年来，为了克服这些问题，提出了在金属与电介质PBG的金属单元之间引入特殊的连接方法，使PBG在微波领域也有了很大的发展。利用传输线和相邻金属单元之间的构造，实现局部的电感(L)电容(C)共振单元。PBG的中心频率仅与局域单元的共振频率(LC)^-1/2有关，而与PBG的结构周期大小无关。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用光子带隙材料的多频带天线，能够在不增加天线尺寸的基础上增加天线接收的频带，实现结构简单的多频带天线。

本发明提供一种使用光子带隙材料的多频带天线装置，包括：微带天线；作为所述微带天线一部分的第一天线单元，用于接收/发送第1频带的信号；作为所述微带天线一部分的第二天线单元，所述第二天线单元与由光子带隙材料制成的光子带隙材料板紧密接触，并与所述第一天线单元构成一体，用于接收/发送第2频带的信号；其中由光子带隙材料制成的所述光子带隙材料板对所述第1频带呈现带阻特性。

根据本发明的使用光子带隙材料的多频带天线，对于接收/发送第2频率的微带天线，利用PBG材料使微带天线的一部分，即第二天线单元，对第1频率具有带阻特性。因此，在不增加天线尺寸的基础上，利用不与PBG材料相邻的剩余天线部分，即第一天线单元，实现第1频率信号的接收和发送。根据本发明，可以利用简单的结构，在不增加天线尺寸的基础上，实现多频带天线。另外，可以利用由印刷电路板制成的光子带隙构造板代替由光子带隙材料制成的光子带隙材料板，以降低天线的制造成本。

附图说明

通过下面结合附图说明本发明的优选实施例，将使本发明的上述及其它目的、特征和优点更加清楚，其中：

图1是显示PBG在微波领域中实现的带阻特性的示意图；

图2是根据本发明第一实施例的具有多频带天线的无线电装置的结构示意图；

图3是在印刷电路板上简单加工形成的PBG构造的示意图；

图4是根据本发明第二实施例的使用在印刷电路板上加工的简单结构形成PBG构造的多频带天线的无线电装置的结构示意图；

图5A是显示在r/a<0.25时的仿真结果；

图5B是显示在r/a＝0.25时的仿真结果；

图5C是显示在r/a>0.25时的仿真结果；

图6是在印刷电路板上加工的简单PBG构造的仿真结果。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施例进行详细说明，在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混淆。

[第一实施例]

下面参考图2描述使用光子带隙材料的多频带天线的结构的第一实施例。如图2所示，根据本实施例的天线装置包括微带天线104，基板105，光子带隙材料板106，第一馈电线107，第二馈电线108，第一接收/发送无线电路109，第二电接收/发送无线电路110。

在本实施例的天线装置101中，光子带隙材料板106设置在基板105上，紧贴基板105。微带天线104沿光子带隙材料板106的长度方向设置在光子带隙材料板106之上，即，微带天线104的长度方向与光子带隙材料板106的长度方向相同。微带天线104的长度比光子带隙材料板106的长度长。微带天线104由沿其长度方向排列的第一天线单元102和第二天线单元103构成。各作为微带天线104一部分的第一天线单元102与第二天线单元103在微带天线104的长度方向构成一体。光子带隙材料板106设置在第二天线单元103之下，与第二天线单元103紧密接触。第一天线单元102的正下方没有光子带隙材料板106，其下表面与基板105相对。第一天线单元102通过第一馈电线107与第一接收/发送无线电路109相连。第二天线单元103通过第二馈电线108与第二接收/发送无线电路110相连。

第一天线单元102适合于通过第一接收/发送无线电部分109接收/发送第1频带的信号。与第二天线单元103紧密接触的光子带隙材料板106的频谱特性在第1频率附近表现为带阻特性，即，在第二天线单元103中对第1频带范围内的信号呈现高阻态。第1频带的信号无法在第二天线单元103中传输，而只能在通过第一天线单元传输。构成光子带隙材料板106的PBG材料对于与第1频带不同的第2频带呈现通带特性，使第2频率可以在第二天线单元103中自由传输。第一天线单元102和第二天线单元103结合构成的微带天线，作为接收/发送第2频率的天线。作为实例，第2频带的频率可以低于第1频带的频率。但本发明不限于此，也可以根据具体需要，通过选择PBG材料的特性而使第2频带的频率可以高于第1频带的频率。

下面以无线局域网的通信作为实例来描述本实施例的天线装置101的工作。无线局域网的标准为IEEE 802.11，其中IEEE 802.11a的工作频率为5GHz，IEEE 802.11b的工作频率为2.4GHz。本发明的天线装置101使用一根微带天线可以同时接收/发送频率为2.4GHz和5GHz的信号。

微带天线104接收/发送2.4GHz(可以作为第2频带)的无线信号。为了提高天线效率，使其达到最大，可以使微带天线104的长度为频率为2.4GHz的信号在微带天线104中传输的半波长(即，二分之一波长，约为63mm)的整数倍。微带天线分104分为第一天线单元102和第二天线单元103。如上所述，第一天线单元102用于接收/发送与第2频带(2.4GHz)不同频带，即5GHz(可以作为第1频带)，的信号。为了接收/发送5GHz的信号，第一天线单元102的尺寸(长度)约为5GHz的信号在第一天线单元102中传输的半波长(约为30mm)的整数倍。微带天线104的剩余天线部分就是第二天线单元103。

微带天线103的第二天线单元103设置在由光子带隙材料制成的尺寸为长度(L)×宽度(W)的光子带隙材料板106之上，与光子带隙材料板106紧密接触。光子带隙材料板106的宽度W要大于微带天线104的宽度。第一天线单元102的正下方没有PBG材料。光子带隙材料可以是材料内部具有间距是在第1频带信号的1/2波长的整数倍的多个空隙的介质材料。另外，光子带隙材料可以是材料内部具有间距是第1频带信号的1/2波长的整数倍的多个介质颗粒的介质材料。这种介质颗粒的介电常数和前述介质材料的介电常数不同。

可以通过采用在均匀材质的介质中注入更高介电常数的物质等方法使所使用的PBG材料获得需要的带阻特性。但是PBG材料的频谱特性必须在与5GHz附近的频带(即，第1频带)对应的频带范围形成相应的带阻特性。

利用这种光子带隙材料与第二天线单元103的紧密结合，在第二天线单元103中对频率为5GHz的信号形成带阻特性，但对频率为2.4GHz的信号则为带通特性。对于频率为2.4GHz的信号，微带天线104的整体作为有效天线，而对于频率为5GHz的信号，由于第二天线单元103在5GHz附近的带阻特性，可以等效为没有连接第二天线单元103，只有第一天线单元102的微带天线部分为其有效的天线。就是说，利用用于2.4GHz频率的微带天线和光子带隙材料，使原有微带天线实现了针对2.4GHz和5GHz信号的多频带天线，并达到了分别使用2.4GHz和5GHz频率的独立天线的接收/发送性能。

如果没有光子带隙材料，对于频率为5GHz的信号，原有的微带天线104整体作为天线。而从微带天线的中间部分进行馈电的构造，使得天线的长度不能满足频率为5GHz的信号的半波长的整数倍。另外，考虑到从与第二天线单元连接的馈电点108逃逸的信号部分，其接收/发送特性无法和独立的5GHz的微带天线相比。

通过使用光子带隙材料，第二天线单元对5GHz的频率形成带阻，所以针对5GHz频率的有效天线只有第一天线单元102，当第一天线单元102的长度达到频率为5GHz的信号的半波长的整数倍时，其接收/发送性能基本能达到单独的5GHz的微带天线的性能。

第一馈电线107使第一天线单元102与第一接收/发送无线电路109相连，用于接收/发送5GHz的无线信号。另外，第二馈电线108使第二天线单元103与第二接收/发送无线电路110相连，用于接收/发送2.4GHz的无线信号。第一和第二接收/发送无线电路109，110用于对要发送的信号和接收的信号进行处理，以便分别通过第一和第二天线单元发送相应的信号，以及由通信装置的后续部件对接收的信号进行相应处理。具体的信号处理方式，可以采用本领域中常用的方式。因为信号处理不属于本发明的内容，在此省略对它们的描述。

以上描述了本发明的多频带天线装置的一个优选实施例。通常，根据具体情况，可以在馈电线与无线接收/发送电路之间设置连接匹配和滤波电路，使天线接收/发送的效率达到最大，并且滤除干扰信号。

另外，应该指出，所述天线单元不限于微带天线，也可以是螺旋天线，或折线天线。

[第二实施例]

在第一实施例中，使用PBG材料与第二天线单元103紧密接触来实现多频带信号的接收/发送。

由于使用PBG材料将增加天线的成本，出于成本的考虑，有时无法使用PBG材料来实现多频带天线。本发明的第二实施例提供了一种通过对印刷电路板上进行处理来实现PBG构造而获得的多频带天线装置。根据第二实施例的多频带天线装置的成本非常低廉，甚至可以忽略不计。

现有技术中提出了在印刷电路板上加工出周期性的结构，来实现PBG构造。图3示出了根据本发明第二实施例构成的PBG构造的结构示意图。如图3所示，第二实施例中使用的PBG构造包括微带天线204，介质层302，和金属层303。

在金属层303中贯穿金属层按周期(预定)间隔除去圆形通孔304。与金属层紧密接触的介质层302由均匀材质构成，没有除去与圆形通孔304对应的部分。金属层303的圆形通孔304的中心排列在一条直线上，并且圆形通孔304中心之间的距离相同。微带天线204的轴线在圆形通孔304的中心所在直线的正上方。微带天线301与介质层302紧密接触。微带天线204的轴向方向与圆形通孔304的中心所在直线的方向一致。

微带天线204，金属层303和金属层的圆形通孔304之间实现了局部的电感(L)和电容(C)共振单元。该共振单元可以等效为拥有一定带宽的带阻滤波器。当电磁波沿着微带天线204的方向传播，经过这些共振单元形成的带阻滤波器时，其对应的频率无法通过微带天线204传输。通过研究发现，圆形通孔304之间的距离应该与阻隔频率的信号在介质层302中传播的半波长相等。圆形通孔304的数量最好是3个以上，数量越多越好，其原理与LC滤波器的原理一样。对于相同频率特性的带阻滤波器，串联的个数越多，其带阻衰减的特性越好。虽然圆形通孔的数量越多衰减特性越好，但是其尺寸相应也会加大。因此，优选的是设置3个圆形通孔。电磁波在介质中传播的波长与介电常数之间的关系如下：

${\lambda }_g=\frac{c}{f\sqrt{{ϵ}_r}}$

其中λ_g表示电磁波在介质中的传播波长，ε_r表示介电常数，f表示在介质中传输的频率，和c表示光速。

如同第一实施例，以天线装置接收/发送频率为2.4GHz和5GHz的信号为例，当频率为5GHz，印刷电路板的介电常数为9.6时，根据上式计算波长约为20mm。可以设置圆形通孔304中心之间的间隔a，圆形通孔的半径r。与上面第一实施例中的情况类似，可以设置圆形通孔304中心之间的间隔a为半波长，即10mm。根据实验可以得出，圆形通孔的半径r与圆形通孔中心间隔a之比r/a大约为0.25时为最佳值，即，优选通孔的半径r约为2.5mm。

图4示出了根据第二实施例，采用在印刷电路板构成的PBG构造的多频带天线装置的结构示意图。在图4中，与图2所示第一实施例的天线装置相同的部件将用相同和类似的参考标号表示，并且为了简化起见，省略对相应部分的描述。

第二实施例的天线装置201包括微带天线204，基板205，PBG构造206，第一馈电线207，第二馈电线208，第一接收/发送无线电路209，第二接收/发送无线电路210。

微带天线204接收/发送频率为2.4GHz的无线信号。为了使天线效率达到最大，微带天线204的长度大约是频率为2.4GHz的信号在微带天线中传输的半波长，即约为63mm。微带天线204分为第一天线单元202和第二天线单元203。第一天线单元202的尺寸是频率为5GHz的信号在微带天线中传输的半波长，即约为30mm，剩余的天线部分为第二天线单元203。微带天线的第二天线单元203位于图3所示的、在印刷电路板上构成的PBG构造206之上，并与PBG构造206紧密接触。第一天线单元202的正下方没有光子带隙材料板206，其下表面与基板205相对。

微带天线204可以位于圆形通孔304的中心所在直线的正上方，其轴线方向与圆形通孔304的中心形成的直线的方向一致。优选的是，圆形通孔304的中心间距a＝10mm，通孔半径r＝2.5mm时，由微带天线，介质，金属层，金属层中圆形通孔所构成的PBG构造的频谱特性在5GHz的频率前后形成一个带阻特性，如图6所示。应该指出，通孔的中心间距和通孔半径不限于上面给出的数字，如同第一实施例所述，只要保持微带天线204的长度大约是频率为2.4GHz的信号在微带天线中传输的半波长的整数倍，即可得到多频带天线的效果。

利用第二实施例中所述的光子带隙结构，在第二天线单元中形成对5GHz频率的信号呈现带阻特性，但对2.4GHz频率的信号呈现带通特性。对于频率为2.4GHz的信号，微带天线204整体作为有效的天线，而对于频率为5GHz的信号，由于第二天线单元203为带阻特性，可以等效为没有连接第二天线单元203，微带天线的第一天线单元202为其有效的天线。即，利用2.4GHz的微带天线和光子带隙材料，使原有微带天线实现2.4GHz和5GHz信号的多频带天线，并达到分别使用2.4GHz和5GHz的独立天线的接收和发送性能。

与上面的第一实施例中相同，第一天线单元202的尺寸(长度)约为5GHz的信号在第一天线单元202中传输的半波长(约为30mm)的整数倍。

通过第一馈电线207使第一天线单元202与第一接收/发送无线电路209相连，用于接收/发送5GHz的无线信号。另外，通过第二馈电线208使第二天线单元203与第二接收/发送无线电路210相连，用于接收发送2.4GHz的无线信号。

以上描述了本发明的多频带天线装置的另一个优选实施例。在第二实施例中，用在印刷电路板上构成的PBG构造来代替由光子带隙材料制成的PBG同样可以实现多频率天线装置的功能，并且降低了制造成本。

另外，根据具体情况，可以在馈电线与无线接收/发送电路之间设置连接匹配和滤波电路，使天线接收/发送的效率达到最大，并且滤除干扰信号。

图5A至5C显示了当r/a的值变化时，频谱特性的变化示意图。图5A是显示当r/a<0.25时PBG构造的带阻特性曲线。图5B是显示当r/a＝0.25时PBG构造的带阻特性曲线。图5C是显示当r/a>0.25时PBG构造的带阻特性曲线。

如图5A所示，从S参数可以看出，当r/a<0.25时，PBG构造的带阻特性并不理想，虽然大部分信号被反射回来，但是一部分信号仍然通过了微带线。当r/a>0.25时，如图5C所示，PBG构造的阻隔频带过宽，影响到第2频频(2.4GHz)的接收特性。另外，由于半径r的增加也意味着天线整体面积的增加。当r/a＝0.25左右时，如图5B所示，根据第二实施例的PBG构造能够对第1频率(5GHz)实现良好的带阻特性。

另外，应该指出，所述天线单元不限于微带天线，也可以是螺旋天线，或折线天线。

根据本发明的天线可以用于无线通信系统中诸如移动电话、个人数字助理之类的移动终端上，以及其它通信设备上。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不应该被理解为被局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。