專利名稱：具有包含著元材料的介質基片的微帶天線的結構的制作方法
背景技術：
RF電路、傳輸線和天線單元通常是在專門設計的基片板上制造的。常規(guī)電路板基片通常通過諸如鑄造或噴涂的加工形成，這通常產(chǎn)生均勻的基片物理性質，包括均勻的介電常數(shù)。
對于RF電路用途，通常重要的是對阻抗特性保持仔細的控制。如果電路不同部分的阻抗不匹配，會造成信號反射以及低效的功率傳輸。在這些電路中傳輸線和輻射體的電長度可以是關鍵設計因素。
影響電路性能的二個關鍵因素涉及介質基片材料的介電常數(shù)(有時稱為相對介電常數(shù)或εr)以及損耗角正切(有時稱為損耗因數(shù)或δ)。介電常數(shù)決定基片材料中的電波長，從而決定傳輸線以及設置在基片上的其它元件的電長度。損耗角正切決定信號經(jīng)過基片材料時出現(xiàn)的信號損耗量。損耗趨于隨頻率的增大而增加。因此，低損耗材料對于增大的頻率變得甚至更為重要，尤其在設計接收機前端和低噪聲放大器電路時。
RF電路中使用的印制傳輸線、無源電路和輻射元件典型地在三種方式中的一種方式下形成。一種配置稱為微帶，其把信號線設置在板表面上并且提供通常稱為地平面的第二導電層。第二種配置類型稱為隱埋(buried)微帶，除了用介質基片材料覆蓋信號線外，它和前者類似。在稱為微波帶狀線的第三種配置中，信號線夾在二個導電(接地)面之間。
通常，平行板傳輸線，例如微波帶狀線或微帶線的特性阻抗近似等于 其中Ll是單位長度的電感而Cl是單元長度的電容。Ll和Cl的值通常取決于線路結構的物理幾何條件和間距以及用來隔開傳輸線的介質材料的介電常數(shù)。
在常規(guī)RF設計中，基片材料選擇成具有單個介電常數(shù)和相對磁導率值，該相對磁導率值約為1。一旦選擇了基片材料，通常通過控制線路幾何條件、隙縫以及線和隙縫的耦合特性來唯一設定線路的特征阻抗。
射頻(RF)電路典型地包含在混合電路中，在后者中多個有源和無源電路元件安裝在并且互相連接在電絕緣板基片，例如陶瓷基片的表面上。通常通過印制的金屬導體，例如銅、金或鉭，互連各種元件，這些金屬導體充當感興趣的頻率范圍內的傳輸線(例如微波帶狀線或微帶或雙線傳輸線)。
用于傳輸線、無源RF器件或輻射元的選定基片材料的介電常數(shù)決定用于該結構的給定頻率上的RF能量的物理波長。設計微電子RF電路時遇到的一個問題是，選擇一種合理地適用于要在介質板上形成的所有無源元件、輻射元件以及傳輸線電路的該介質板基片材料。
尤其，由于對它們要求獨特的電特性或阻抗特性，某些電路元件的幾何條件物理上可能是大的或小型化的。例如，許多電路元件或調諧電路可能要求具有四分之一波長的電長度。類似地，在許多情況中，格外高的或低的特征阻抗值所需的線寬對于給定基片的實際實現(xiàn)可能過窄或過寬。由于微帶或微波帶狀線的物理尺寸相對于介質材料的介電常數(shù)成反比，所以通過選擇基片板材料可以大大影響傳輸線或輻射器元件的尺寸。
但是，對某些構件的最優(yōu)板基片材料設計選擇可能和用于其它構件例如天線單元的最優(yōu)板基片材料是不一致的。而且，某個電路構件的一些設計目標可能和其它構件的設計目標是不一致的。例如，可能希望減小天線單元的尺寸。這可以通過選擇具有例如值為50到100的高介電常數(shù)的板材料實現(xiàn)。但是，使用高介電常數(shù)的介質通常會造成明顯降低天線的輻射效率。
天線單元有時配置成微帶隙縫天線(microstrip slot antenna)。微帶隙縫天線是有用的天線，因為和其它天線相比它們通常需要較少的空間、較簡單并且通常制造起來較便宜。另外，重要的是，微帶隙縫天線和印制電路技術高度相容。
構建高效微帶隙縫天線中的一個要素是使功率損耗最小，功率損耗是由其中包含介質損耗的幾個因素造成的。介質損耗通常是由于束縛電荷的不良行為造成的，并且只要把介質材料置于時變電磁場中就會存在。常常稱之為損耗角正切的介質損耗和電介質的導電率成正比。介質損耗通常隨運行頻率增加而增加。
特定微帶隙縫天線的介電損耗程度主要由輻射器天線單元(例如隙縫)和饋線間的介電空間的介電常數(shù)決定。自由空間或者大多數(shù)用途下的空氣具有約等于1的相對介電常數(shù)和相對磁導率。
相對介電常數(shù)接近1的介質材料看成是“良好的”介質材料，良好的介質材料在感興趣的運行頻率上呈現(xiàn)低的介質損耗。當采用具有基本和周圍材料相等的相對介電常數(shù)的介質材料時，有效地消除由于阻抗不匹配造成的介質損耗。從而，一種保持微帶隙縫天線系統(tǒng)中的高效率的方法涉及在輻射器天線隙縫和用來激勵隙縫的微帶饋線之間的介質空間中使用相對介電常數(shù)低的材料。
采用介電常數(shù)較低的材料還允許使用較寬的傳輸線，這進而減少導體損耗并且還改進微帶隙縫天線的輻射效率。但是，使用介電常數(shù)低的介電材料會產(chǎn)生某些缺點，例如和在高介電常數(shù)基片上制造的隙縫天線相比在低介電常數(shù)基片上制造的隙縫天線的尺寸大。
通過為饋電選取具有單個均勻介電常數(shù)的特定介質材料來兼顧微帶隙縫天線的效率。在允許較寬的饋線上低介電常數(shù)是有幫助的，這造成較低的電阻損耗，從而使介質感應線損耗最小并使隙縫輻射效率最小。但是，當設置在隙縫和饋線之間的接合區(qū)中時，由于通過隙縫的差的耦合特性，現(xiàn)有的介質材料造成天線輻射效率的降低。
通常使用調諧短截線來解調微帶隙縫天線中的過電抗。但是，短截線的阻抗帶寬通常小于輻射器的阻抗帶寬以及隙縫的阻抗帶寬。因此，盡管常規(guī)短截線通?？捎糜诮庹{天線電路的過電抗，短截線的低阻抗帶寬通常限制整個天電路的性能。

發(fā)明內容
提供一種隙縫饋電微帶貼片天線，包括具有至少一條隙縫的導電地平面，并且包括一條用于對該隙縫或從該隙縫傳送信號能量的饋線。該饋線包括一個超出該隙縫延伸的短截線。第一介質層設置在該饋線和該地平面之間。該第一介質層具有包含第一區(qū)上的第一相對介電常數(shù)的第一組介質特性，并且具有包括第二組介質特性的至少第二區(qū)。第二組介質特性提供比第一相對介電常數(shù)高的相對介電常數(shù)，其中，短截線設置在介電常數(shù)較高的第二區(qū)上。在第二介質層上設置至少一個貼片輻射器，該第二介質層包括提供其中包含第三相對介電常數(shù)的第三組介質特性的第三區(qū)，并且包括包含第四組介質特性的第四區(qū)，第四組介質特性包含比第三相對介電常數(shù)高的相對介電常數(shù)。最好把貼片設置在第四區(qū)上。
各個介質層可以包括具有多個孔隙的陶瓷材料，其中至少一部分的孔隙充填著磁性顆粒。磁性顆?？梢园ㄔ牧?meta-material)。
設置在饋線和隙縫之間的第一接合區(qū)的固有阻抗可以和第四區(qū)匹配。第一接合區(qū)的固有阻抗還可以和短截線下面的第二區(qū)的固有阻抗匹配。第一接合區(qū)的固有阻抗可以和第二區(qū)以及第四區(qū)的固有阻抗匹配。
如文中使用那樣，短語“固有阻抗匹配”指的是，在假定每個區(qū)的相對磁導率為1的前提下，與包括界面的各個區(qū)的實際介電常數(shù)給定情況下將得到的固有阻抗匹配相比改進的阻抗匹配。如前面指出那樣，在本發(fā)明之前，盡管板基片提供對單個相對介電常數(shù)值的選擇，但可用板基片的相對磁導率需接近1。
該天線可以包括通過第三介質層隔開的第一和第二貼片輻射器。第二貼片輻射器最好設置在具有磁性顆粒的第三介質層中的介質區(qū)上。
第一介質可以提供接近隙縫的四分之一波長匹配段，以把饋線匹配到隙縫中。該四分之一波匹配段可以包含磁性顆粒。
隙縫可以包括至少一個的交叉隙縫，并且饋線可以包括至少二條饋線，各饋線被調整相位以提供雙極化發(fā)射圖。
一種隙縫饋電微帶天線包括包含至少一個隙縫的導電地平面，設置在該地平面上的第一介質層，以及至少一條設置在該第一介質材料上用于對該隙縫或從該隙縫傳送信號能量的饋線。該饋線包括短截線部分，其中，第一介質層包含多個磁性顆粒，至少一部分的磁性顆粒設置在饋線和隙縫之間的第一接合區(qū)中。第一介質層提供第一區(qū)上的第一相對介電常數(shù)以及第二區(qū)上的第二相對介電常數(shù)，第二區(qū)具有比第一區(qū)高的相對介電常數(shù)，其中，至少部分短截線設置在第二區(qū)上。
第一介質層可以由包括具有多個孔隙的陶瓷材料，至少一些孔隙充填著磁性顆粒。磁性顆?？梢园牧?。短截線下面的第二區(qū)最好包含磁性顆粒。


圖1是依據(jù)本發(fā)明的一實施例的隙縫饋電微帶天線的側視圖，該天線形成在包含高介電區(qū)和低介電區(qū)的介質上，其中，短截線設置在高介電區(qū)中。
圖2是圖1示出的微帶天線的側視圖，其中，在短截線下面的介電區(qū)中添加磁性顆粒。
圖3是依據(jù)本發(fā)明的另一實施例的隙縫饋電貼片天線的側視圖，其包括第一介質區(qū)和第二介質區(qū)，第一介質區(qū)包括設置在地平面和貼片之間的磁性顆粒，第二介質區(qū)設置在地平面和饋線之間并包括短截線下面的高介質區(qū)，該高介質區(qū)包含磁性顆粒。
圖4是用來說明制造物理尺寸減小、輻射效率高的隙縫饋電微帶天線的過程的流程圖。
圖5是依據(jù)本發(fā)明的一實施例的在包含磁性顆粒的天線介質上形成的隙縫饋電微帶天線的側視圖，該天線提供從饋線到隙縫、從隙縫到環(huán)境以及從隙縫到短截線的阻抗匹配。
圖6是依據(jù)本發(fā)明的一實施例的在包含磁性顆粒的天線介質上形成的隙縫饋電微帶貼片天線的側視圖，該天線提供從饋線到隙縫、從隙縫到它的與貼片下面的天線介質的界面以及到短截線的阻抗匹配。
具體實施例方式
一般對RF設計選擇低介電常數(shù)板材料，例如，可以從RogersMicrowave Products公司的先進電路材料分部(100S.Roosevelt Ave，Chandler，AZ 85226)買到諸如RT/duroid6002(介電常數(shù)2.94；損耗角正切0012)以及RT/duroid5880(介電常數(shù)2.2；損耗角正切.0007)的基于聚四氟乙烯(PTFE)的復合材料。這二種材料都是常用的板材料選擇。上面的這些材料在板面積上提供均勻的厚度和物理特性并且提供具有伴隨著低損耗角正切的相對低的介電常數(shù)的介質層。這二種材料的相對磁導率接近1。
現(xiàn)有技術天線設計采用幾乎均勻的介質材料。均勻的介電特性需要折衷天線性能。出于損耗考慮以及天線輻射效率，對于傳輸線低介電常數(shù)基片是優(yōu)選的，而為了使天線尺寸最小以及優(yōu)化能量耦合，優(yōu)選高介電常數(shù)基片。因此，常規(guī)隙縫饋電微帶天線必然產(chǎn)生低效和折衷。
即使對天線和傳輸線使用分開的基片，每個基片的均勻介電特性通常仍折衷天線性能。例如，隙縫饋電天線中的帶有低介電常數(shù)的基片降低饋線損耗，但是由于隙縫區(qū)的較高介電常數(shù)，造成從饋線通過隙縫的差的能量傳輸效率。
相對比而言，本發(fā)明通過允許使用帶有可選擇地控制的介電常數(shù)和磁導率特性的介質層或介質層部分來對電路設計者提供附加的設計靈活性，其中，該可選擇地控制的介電常數(shù)和磁導率允許優(yōu)化電路，從而改進天線的效率、功能和物理外形。
介質區(qū)可包含磁性顆粒，以在不止一個的分立基片區(qū)中產(chǎn)生相對磁導率。在工程應用中，常常相對地而不是絕對地表達磁導率。所涉及的材料的相對磁導率是材料磁導率和自由空間磁導率的比，即μr＝μ/μ0。自由空間的磁導率用符號μ0表示并且具有1.257×10-6H/m的值。
磁性材料是相對磁導率μr大于1或者小于1的材料。通常把磁性材料分類成下面說明的三組。
反磁材料是相對磁導率小于1但典型地從0.99900到0.99999的材料。例如，鉍、鉛、銻、銅、鋅、汞、金和銀是周知的反磁材料。從而，當經(jīng)受磁場時，和真空相比這些材料輕微減小磁通密度。
順磁材料是相對磁導率大于1并且直到大約10的材料。順磁材料的例子是鋁、鉑、錳和鉻。在去掉外部磁場后順磁材料通常失去它們的磁性。
鐵磁材料是提供大于10的相對磁導率的材料。鐵磁材料包括各種鐵氧體、鐵、鋼、鎳、鈷以及商品合金例如磁鋼和鎂鋁錳合金。鐵氧體例如用陶瓷材料做成并且具有范圍約為50到200的相對磁導率。
如文中使用那樣，術語“磁性顆粒”指的是當和介質材料混合時造成該介質材料的相對磁導率μr大于1的材料。從而，鐵磁和順磁材料通常包含在該定義中，而反磁性顆粒通常不包含在其中。取決于期望的應用可以在大范圍上提供相對磁導率μr，例如1.1、2、3、4、6、8、10、20、30、40、50、60、80、100或更高，或者為這些值之間的值。
可以通過在介質基片中包含元材料來實現(xiàn)介質基片的可調和可局部化的電、磁特性。術語“元材料”指的是在非常細小等級例如分子或納米等級上混合二種或更多的不同材料形成的復合材料。
依據(jù)本發(fā)明，提出一種隙縫饋電微帶天線設計，其相對現(xiàn)有技術隙縫饋電微帶天線設計具有改進的效率和性能。這種改進是從包含短截線的改進造成的，其中，短截線改進饋線和隙縫之間的電磁能的耦合。設置在饋線和地平面之間的介質層提供具有第一介電常數(shù)的第一部分并且提供具有第二介電常數(shù)的至少一個第二部分。和第一介電常數(shù)相比第二介電常數(shù)較高。至少一部分的短截線設置在高介電常數(shù)的第二部分上。介質層的各個部分可以包括磁性顆粒，最好包括一個接近短截線的介質區(qū)以進一步提高隙縫天線的效率和總體性能。
參照圖1，圖1給出依據(jù)本發(fā)明的一實施例的隙縫饋電微帶天線100的側視圖。天線100包括基片介質層105?；瑢?05包括第一介質區(qū)112、第二介質區(qū)113(短截線區(qū))和第三介質區(qū)114(設置在饋線和隙縫之間的介質接合區(qū))。第一介質區(qū)112具有相對磁導率μ1和相對介電常數(shù)(或介電常數(shù))ε1，第二介質區(qū)113具有為μ2的相對磁導率和為ε2的相對介電常數(shù)，并且第三介質區(qū)114具有為μ3的相對磁導率和為ε3的相對介電常數(shù)。
包含隙縫106的地平面108設置在介質基片105上。天線100可以包括設置在地平面108上方的選用的介質蓋(未示出)。
設置饋線117以對隙縫或從隙縫傳送信號能量。饋線包括短截線區(qū)118。饋線117可以是微帶線或其它適當?shù)酿伨€配置并且可以經(jīng)適當?shù)倪B接器和界面用各種源驅動。
和介質區(qū)112中的相對介電常數(shù)相比，第二介質區(qū)113具有更高的相對介電常數(shù)。例如，介質區(qū)112中的相對介電常數(shù)可以為2到3，而介質區(qū)113中的相對介電常數(shù)可以至少為4。例如，介質區(qū)113的相對介電常數(shù)可以是4、6、8、10、20、30、40、50、60或更高，或者為這些值之間的值。
盡管地平面108示成具有單個隙縫106，但本發(fā)明也可和多隙縫結構相容?？梢岳枚嘞犊p結構產(chǎn)生雙極化。另外，隙縫通?？梢詾樵陴伨€117和隙縫160之間提供足夠耦合的任何形狀，例如矩形或環(huán)形。
第三介質區(qū)114最好也提供比介質區(qū)112的相對介電常數(shù)高的相對介電常數(shù)，以幫助在該區(qū)中集中電磁場。區(qū)114中的相對介電常數(shù)可以高于、低于或等于區(qū)113中的相對介電常數(shù)。在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，把區(qū)114的固有阻抗選擇成和它的環(huán)境匹配。假定空氣是該環(huán)境，該環(huán)境的行為象真空。在此情況下，μ2＝ε2會使區(qū)114和環(huán)境實現(xiàn)阻抗匹配。
介質區(qū)113還可以明顯影響在饋線117和隙線106之間輻射的電磁場。仔細選擇介質區(qū)113的材料、尺寸、形狀和位置可以造成饋線117和隙縫106之間的耦合改善，即使二者之間存在明顯間隙。
至于介質區(qū)13的形狀，可以把區(qū)113構建為具有三角或橢圓橫截面的柱狀。在另一實施例中，區(qū)113可以為圓柱形。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，把短截線區(qū)113的固有阻抗選擇為和接合區(qū)114的固有阻抗相匹配。通過使介質接合區(qū)114的固有阻抗和短截線區(qū)113的固有阻抗匹配，提高天線100的輻射效率。假定把區(qū)114的固有阻抗選擇成和空氣匹配，可把μ3選擇成等于ε3。使區(qū)113對區(qū)114實現(xiàn)固有阻抗區(qū)配還可以減小信號畸變和瞬變，由相關隙縫天線領域中存在的對短截線的阻抗不匹配造成的信號畸變和瞬變可造成嚴重問題。
在一優(yōu)選實施例中，介質區(qū)113包含大量設置在其中的磁性顆粒以提供大于1的相對磁導率。圖2示出天線200，除了在介質區(qū)113中設置大量磁性顆粒214外，天線200和圖1中示出的天線100相同。磁性顆粒214可以是元材料顆粒，如后面更詳細討論那樣，可以把它們嵌入到基片105，例如陶瓷基片中形成的孔隙中。磁性顆?？梢蕴峁┚哂忻黠@磁導率的介質基片區(qū)。如本文使用那樣，明顯磁導率指的是至少約為1.1的相對磁導率。常規(guī)基片材料具有約為1的相對磁導率。利用本文說明的方法，可以根據(jù)期望的應用在大范圍內提供μr，例如1.1、2、3、4、6、8、10、20、30、40、50、60、80、100或更高，或者為這些值之間的值。
還可以利用本發(fā)明形成效率和性能改進的隙縫饋電微帶貼片天線。圖3示出貼片天線300，該貼片天線300至少包括貼片輻射器309和第二介質層305。除了把參考數(shù)字用300序列數(shù)字重新編號外，第二介質層305下面的結構和圖1及圖2的結構相同。
第二介質設置在地平面308和貼片輻射器309之間。第二介質層305包括第一介質區(qū)310和第二介質區(qū)311，第一介質區(qū)310最好具有比第二介質區(qū)311高的相對介電常數(shù)。區(qū)310最好還包含磁性顆粒314。包含磁性顆粒314允許區(qū)310利用等于區(qū)310中的相對介電常數(shù)的相對磁導率來實現(xiàn)對天線的環(huán)境的阻抗匹配，以和空氣匹配。這樣，通過區(qū)310(隙縫306和貼片309之間)中的固有阻抗和區(qū)314(饋線317和隙縫306之間)的固有阻抗的匹配，天線300提供改進的輻射效率。
例如，介質區(qū)311中的相對介電常數(shù)可以為2至3，而介質區(qū)310中的相對介電常數(shù)可以至少為4。例如，介質區(qū)310的相對介電常數(shù)可以為4、6、8、10、20、30、40、50、60或更高，或者為這些值之間的值。
天線300通過利用改進的短截線318提高從饋線317經(jīng)隙縫306到貼片309的電磁能耦合以實現(xiàn)效率的改進。如前面討論那樣，通過使用接近其的高介電常數(shù)基片區(qū)313(它最好還包括可選用的磁性顆粒324)提供改進的短截線318。如前面指出那樣，通過在接近短截線318的介質區(qū)313中采用比介質區(qū)312高的介電常數(shù)，進一步改進耦合效率。
可以如圖4中所示那樣準備具有用來提供局部化的和可選的磁、介電特性的元材料部分的介質基片板。在步驟410可準備該介質板材料。在步驟420，如后面說明那樣，可以利用元材料不同地修改該介質板材料的至少一部分，以便減小物理尺寸并對天線和關聯(lián)電路達到最佳的可能效率。該修改可包括在介質材料中形成孔隙并且在一些或者大致全部孔隙中填入磁顆料。最后，可以施加一層金屬層以限定和天線單元件關聯(lián)的導電跡線和表面區(qū)以及關聯(lián)的饋電電路，例如貼片輻射器。
如本文定義那樣，術語“元材料”指的是通過以非常細微的等級，例如埃等級或納米等級混合或排列二種或更多的不同材料形成的復合材料。元材料允許調節(jié)復合物的由有效介電常數(shù)(或相對介電常數(shù))以及有效相對磁導率定義的電磁特性。
現(xiàn)在略微詳細地說明步驟410和420中的準備以及修改介質板材料的過程。但是，應理解，本文說明的方法僅僅是例子，從而不意味著本發(fā)明受此限制。
可以從商品材料制造商，例如DuPont和Ferro公司得到適當?shù)慕橘|基片毛材?？梢园堰@種通常稱為Green TapeTM的未處理材料從毛介質帶切成定尺寸的部分，例如6英寸乘6英寸的部分。例如杜邦微電路材料公司提供的Green Tape(生帶)材料系統(tǒng)，例如951低溫Cofire介質帶和Ferro電子材料ULF28-30超低激發(fā)COG介質劑型?？梢允褂眠@些基片材料以提供具有伴隨著相對低的損耗角正切的相對中等的介電常數(shù)的介質層，以供一旦燒制后用于微波頻率下的電路操作。
在利用多塊介質基片材料形成微波電路的過程中，沖擊穿過帶的一層或多層的特征，諸如過孔、孔隙、孔或穴?？梢岳脵C械手段(例如沖加工)或直接能量手段(例如激光打眼，光刻)限定孔隙，但是還可以利用任何其它適當方法限定孔隙。一些過孔可以穿過定尺寸基片的整個厚度，而一些孔隙可以只通過基片厚度方向上的不同部分。
接著對過孔填充金屬或其它介質或磁材料，或者它們的混合物，這通常利用用來精確設置回填材料的模版。在常規(guī)工藝下可以把帶的各個層堆疊到一起以生產(chǎn)完成的多層基片。替代地，可以把帶的各個層堆疊到一起以生產(chǎn)通常稱為“子堆”的未完成多層基片。
帶孔隙區(qū)也可以保留孔隙。若用選定的材料回填，該選定的材料最好包括元材料。元材料成分的選擇可以在從1到約2650的相對連續(xù)的范圍上提供可調的有效介電常數(shù)。還可以從某些元材料得到可調的磁特性。例如，對于大多數(shù)實際RF應用，通過選擇適當?shù)牟牧贤ǔＯ鄬τ行Т艑史秶杉s從4到116。但是，相對有效磁導率可以低至約2或者達到數(shù)千。
可以不同地修改一塊給定的介質基片。本文所使用的術語“不同地修改”指的是，修改(包括摻雜)介質基片層從而造成該基片的一部分相對于另一部分至少在介電和磁特性中之一上是不同的。不同修改的板基片最好包括一個或多個元材料包含區(qū)。例如，該修改可以是選擇性的修改，其中修改某些介質層部分以產(chǎn)生第一組介電或磁特性，同時不同地修改或者不修改其它介質層部分以提供和第一組不同的介電和/或磁特性?？梢园锤鞣N不同方式實現(xiàn)不同的修改。
依據(jù)一實施例，可以對介質層添加輔助介質層?？梢岳眉夹g上的周知技術，例如各種噴涂技術、旋涂技術、各種沉積技術或濺射，施加該輔助介質層?？梢园言撦o助介質層選擇性地添加在局部化區(qū)域中，包括孔隙或孔的內部或者在整個已有介質層的上面。例如，可以利用輔助介質層提供有效介電常數(shù)提高的基片部分。作為輔助層添加的介電材料可包括各種聚合材料。
不同修改步驟還可以包括對介質層或輔助介質層局部地添加補充材料。材料的添加可以用于進一步控制介質層的有效介電常數(shù)或磁特性以實現(xiàn)給定的設計目標。
該補充材料可以包括多種金屬和/或陶瓷顆粒。金屬顆粒最好包括鐵、鎢、鈷、釩、錳、某些稀土金屬、鎳或鈮顆粒。這些顆粒最好是納米尺寸顆粒，通常具有亞微米物理尺寸，以下稱為納顆粒。
顆粒，例如納顆粒，可以最好是有機功能化的復合顆粒。例如，有機功能化的復合顆?？梢园ň哂袔е娊^緣涂層的金屬芯的顆粒或者具有帶有金屬涂層的電絕緣芯的顆粒。
通常適用于控制本文所說明的各種應用中的介質層的磁特性的磁性元材料顆粒包括鐵氧體有機陶瓷(FexCyHz)-(Ca/Sr/Ba陶瓷)。對于8-40GHz頻率范圍的應用這些顆粒工作良好。替代地或者補充地，對于12-40GHz的頻率范圍，鈮有機陶瓷(NbCyHz)-(Ca/Sr/Ba陶瓷)是有用的。這些對高頻指定的材料也可應用于低頻應用?？蓮氖袌錾系玫竭@些和其它類型的復合顆粒。
通常，優(yōu)選帶涂層的顆粒供本發(fā)明使用，因為它們可以幫助和聚合物基質或和側鏈部分結合。除了控制介質的磁特性之外，還可以利用添加的顆?？刂撇牧系挠行Ы殡姵?shù)。采用大約1到70％的復合顆粒填充率，能明顯提高和能降低基片介質層和/或輔助介質層部分的介電常數(shù)。例如，可以利用對介質層添加有機功能化納顆粒來提高修改后的介質層部分的介電常數(shù)。
可以通過各種技術施加顆粒，這些技術包括聚合混合、混合和攪拌下的填充。例如，通過在高達約70％的填充率下使用各種顆粒，可以把介電常數(shù)從等于2的值提高到10。用于此目的金屬氧化物可包括氧化鋁、氧化鈣、氧化錳、氧化鎳、氧化鋯和氧化鈮(II、IV和V)。還可以使用鈮酸鋰(LiNbO3)和鋯酸鹽，例如鋯酸鈣和鋯酸錳。
可選的介電特征可被局部化至約10納米的區(qū)域內或者可覆蓋大的面積區(qū)，包括整個板的基片表面?？梢岳弥T如光刻、蝕刻以及沉積處理的常規(guī)技術用于局部化的介電和磁特性控制。
可以通過和其它材料混合或者可以包括密度變化的帶孔隙區(qū)(它們通常引入空氣)來準備材料，以產(chǎn)生從2到約2650的大致連續(xù)的有效介電常數(shù)，并且引入其它潛在期望的基片特性。例如，呈現(xiàn)低介電常數(shù)(＜2至約4)的材料包括帶有密度變化的帶孔隙穴區(qū)的硅土。帶有密度變化的帶孔隙區(qū)的鋁土可提供大約4到9的介電常數(shù)。硅土和鋁土都不具有明顯的磁導率。但是可以添加磁性顆粒，例如高達20％重量比，以賦予這些和其它材料明顯的磁性。例如，可以利用有機功能性調節(jié)磁特性。添加磁材料影響介電常數(shù)通常造成介電常數(shù)的增加。
中等介電常數(shù)材料通常范圍在從70到500(±10％)。如前面指出那樣，這些材料可以和其它材料或者孔隙混合以提供期望的有效介電常數(shù)值。這些材料可以包括摻雜鐵氧體的鈦酸鈣。摻雜金屬可以包括錳、鍶和鈮。這些材料具有范圍從45到600的磁導率。
對于高介電常數(shù)應用，可以使用摻雜鐵氧體或鈮的鈣或鋇的鈦酸鋯酸鹽。這些材料具有約2200到2650的介電常數(shù)。這些材料的摻雜率通常從約1到10％。如對其它材料指出那樣，這些材料可以和其它材料或者孔隙混合以產(chǎn)生期望的有效介質電常數(shù)值。
通?？梢酝ㄟ^各種分子修改處理來修改這些材料。修改處理可以包括形成孔隙，接著填充諸如基于碳和氟的有機功能材料，例如聚四氟乙烯PTFE。
作為對有機功能合成的替代或補充，處理可以包括固體自由形式加工(SFF)以及光、紫外線、X線、電子束或離子束照射。還可以利用光、紫外線、X線、電子束或離子束輻射進行光刻。
可以對各基片層(各子堆)的不同區(qū)域施加不同的材料，包括元材料，從而各基片層(各子堆)的多個區(qū)域具有不同的介電和/或磁特性?？梢赃B同一個或更多的補充處理步驟使用例如前面提到的回填材料，以便局部地或者在整個基片部分上得到期望的介電和/或磁特性。
通常接著對修改的基片層、子堆或完整的堆施加頂層導體印制?？梢岳帽∧ぜ夹g、厚膜技術、電鍍技術或者任何其它適當?shù)募夹g設置導體跡線。用來限定導體圖案的處理包括但不限于標準光刻術和模版。
接著，通常得到基板以用于整理并且對齊多塊修改后的板基片。為此，可以使用穿過每塊基片板的對齊孔。
接著，利用從各個方向對材料加壓的均衡壓力，或者利用只從一個方向對材料加壓的單軸壓力，可以把多個基片層、一個或多個子堆或者層和子堆的組合疊壓(例如機壓)到一起。疊層基片接著如上面說明那樣進一步處理或者放到爐中以加熱到適于被處理的基片的溫度(對于上面提到的材料大約850℃到900℃)。
接著，可以利用適當?shù)?、能按適于所使用基片材料的速率控制溫升的爐子燒制多個陶瓷帶狀層以及基片的堆疊子堆。仔細為基片材料以及任何在其中回填的或者在其上沉積的材料選擇處理條件，例如溫升速率、最終溫度、冷卻分布以及任何必要的支持。燒制后，典型地利用聲、光、掃描電子或X線顯微鏡對疊層基片板檢查瑕疵。
接著，可以任選地把疊層陶瓷基片切割成所需的小帶片以滿足電路功能要求。在最后檢查之后，可以接著把基片帶片安裝到檢查裝置上以評估它們的各種特性，從而確保介電、磁和/或電特性在規(guī)定的限制之內。
這樣，可以提供帶有局部可調的介電和磁特性的介質基片材料，以改進電路的密度和性能，包括構成微帶天線，例如隙縫饋電微帶貼片天線的電路的密度和性能。
例子現(xiàn)在給出幾個依據(jù)本發(fā)明利用包含磁性顆粒的介質處理阻抗匹配的具體例子。展示從饋線到隙縫、從隙縫到短載線以及從隙縫到環(huán)境(例如空氣)的阻抗匹配。
對于法向入射(θi＝0°)平面波，二個不同介質之間的界面處的固有阻抗相等的必要條件是μnϵn=μmϵm.]]>使用該式以得到隙縫中的電介質和相鄰的電介質，例如空氣環(huán)境(例如上方為空氣的隙縫天線)或者其它介質(例如貼片天線情況中的天線介質)之間的阻抗匹配。對環(huán)境的阻抗匹配和頻率無關。在許多實際應用中，假定入射角為零通常是合理的近似。但是，當入射角明顯大于零時，應和上式一起使用余弦項以便匹配二種介質的固有阻抗。
所考慮的材料全部假定是各向同性的?？梢岳糜嬎銠C程序計算這些參數(shù)。但是，因為本發(fā)明之前尚未使用過用來匹配二種介質之間的固有阻抗的用于微波電路的磁材料，所以目前不存在用來計算阻抗匹配所要求的材料參數(shù)的可靠軟件。
為了示出涉及到的物理原理，簡化給出的計算?？梢圆捎酶鼑栏竦姆椒ɡ缬邢拊治鲈诰忍岣叩那闆r下對本文給出的問題建模。
例1上方為空氣的隙縫參照圖5，隙縫天線500示成為上方為空氣(介質1)。天線500包括傳輸線505和地平面510，該地平面包含隙縫515。介電常數(shù)εr＝7.8的介質530設置在傳輸線505和地平面510之間，并且包括區(qū)/介質5、區(qū)/介質4、區(qū)/介質3以及區(qū)/介質2。區(qū)/介質3具有用參照符號532指示的關聯(lián)長度(L)。在區(qū)/介質5的下面設置傳輸線505的短截線區(qū)540。假定超出短截線540延伸的區(qū)525對分析的影響很小從而被忽略。
利用介質2和3的固有阻抗匹配條件確定介質2和3的相對磁導率值(μr2和μr3)。具體地，確定介質2的相對磁導率μr2以使介質2的固有阻抗和介質1(環(huán)境)的固有阻抗匹配。類似地，確定介質3的相對磁導率μr3以使介質2對介質4實現(xiàn)阻抗匹配。另外，確定介質3中的匹配段的長度L以匹配介質2和4的固有阻抗。長度L為選定運行頻率下的波長的四分之一。
首先，利用下式阻抗匹配介質1和2以理論上消除它們界面處的反射系數(shù)μr1ϵr1=μr2ϵr2---(1)]]>
接著，按如下得出介質2的相對磁導率μr2=μr1ϵr2ϵr1=1·7.81μr2=7.8---(2)]]>這樣，為使隙縫對環(huán)境(例如空氣)匹配，介質2的相對磁導率μr2為7.8。
接著，可以使介質4對介質2實現(xiàn)阻抗匹配。利用區(qū)3中的匹配段532的長度(L)(其具有選定工作頻率(假定為3GHz)下四分之一波長的電長度)，介質3用于匹配介質2和4。這樣，匹配段532充當四分之一波轉換器。為使介質4對介質2匹配，要求四分之一段532具有固有阻抗η3=η2·η4---(3)]]>區(qū)2的固有阻抗為η2=μr2ϵr2η0---(4)]]>其中η0是自由空間的固有阻抗，其為η0＝120πΩ≈377Ω (5)這樣，介質2的固有阻抗η2變?yōu)?amp;eta;2=7.87.8·377Ω=377Ω---(6)]]>區(qū)4的固有阻抗是η4=μr4ϵr4η0=17.8·377Ω≈135Ω---(7)]]>把(7)和(6)代入(3)得出介質3的固有阻抗η3=377·135Ω=225.6Ω---(8)]]>接著按如下得出介質3的相對磁導率η3=225.6Ω=μr3ϵr3·η0=μr37.8·377]]>μr3=7.8·(225.6377)2=2.79---(9)]]>
3GHz下介質3中的導波波長為λ3=cf1ϵr3·μr3=3×1010cm/s3×109Hz·17.8·2.79=2.14cm---(10)]]>其中c是光速，f是運行頻率。
由此，四分之一波匹配段532的長度(L)為L=λ34=2.144cm=0.536cm---(11)]]>注意，介質2和3之間的電抗必須為零或者非常小，以便利用位于介質3中的四分之一波轉換器使介質2的阻抗和介質4的阻抗匹配。該事實在四分之一波轉換器的理論中是周知的。
類似地，可使介質5對介質2實現(xiàn)阻抗匹配。如前面指出那樣，通過在高介電常數(shù)介質/區(qū)5上設置短截線540并且使介質5對介質2阻抗匹配，具有高Q的改進的短截線540可以允許形成效率改進的隙縫天線。由于區(qū)2對空氣阻抗匹配，區(qū)5應具有和區(qū)/介質5的介電常數(shù)值相等的相對磁導率值。例如，如果εr＝20，則也要把μr置為20。
例2上方帶有介質的隙縫，該介質的相對磁導率為1并且介電常數(shù)為10。
參照圖6，圖中示出在介電常數(shù)εr＝10和相對磁導率μr＝1的天線介質610上形成的隙縫饋電微帶貼片天線600的側視圖。天線600包括微帶貼片天線615和地平面620。地平面620包括含有隙縫625的切去區(qū)。饋線介質630設置在地平面620和微帶饋線605之間。
饋線介質630包括區(qū)/介質5、區(qū)/介質4、區(qū)/介質3和區(qū)/介質2。區(qū)/介質3具有用參照數(shù)字632表示的關聯(lián)長度L。傳輸線605的短截線區(qū)640設置在區(qū)/介質5上。超出短截線640延伸的區(qū)635假定為對本分析影響很小從而被忽略。
由于天線介質的相對磁導率等于1而介電常數(shù)為10，該天線介質明顯對于相對磁導率和介電常數(shù)相等的空氣不匹配，從而該天線介質應需要μr＝10和εr＝10。盡管未在該例中展示，但可以利用本發(fā)明實現(xiàn)這樣的匹配。在本例中，為了介質2和4之間的以及介質1和2之間的最優(yōu)阻抗匹配而計算介質2和3的相對磁導率。另外，接著確定介質3中的匹配段的長度，其具有選定運行頻率下的四分之一波長的長度。在本例中，未知的仍是介質2的相對磁導率μr2，介質3的相對磁導率μr3以及L。首先，利用式μr1ϵr1=μr2ϵr2---(12)]]>介質2中的相對磁導率為μr2=μr1ϵr2ϵr1=1·7.810=0.78---(13)]]>為了匹配介質2和介質4，要求四分之一波段632的固有阻抗為η3=η2·η4---(14)]]>介質2的固有阻抗為η2=μr2ϵr2η0---(15)]]>其中η0是自由空間的固有阻抗，并為η0＝120πΩ≈377Ω(16)此樣，介質2的固有阻抗η2變?yōu)?amp;eta;2=0.787.8·377Ω=119.2Ω---(17)]]>介質4的固有阻抗是η4=μr4ϵr4η0=17.8·377Ω≈135Ω---(18)]]>把式(18)和(17)代入到(14)中得出介質3的固有阻抗η3=119.2·135Ω=126.8Ω---(19)]]>接著得出介質3的相對磁導率為η3=126.8Ω=μr3ϵr3·η0=μr37.8·377]]>μr3=7.8·(126.8377)2=0.8823---(20)]]>3GHz下介質3中的導波波長為
λ3=cf1ϵr3·μr3=3×1010cm/s3×109Hz·17.8·0.8823=3.81cm---(21)]]>其中c是光速而f是運行頻率。由此，長度L為L=λ34=3.814cm=0.952cm---(22)]]>和例1樣，可以通過介質2對介質5的固有阻抗匹配進一步改進天線的輻射效率。這可以通過設定介質/區(qū)5中的相對磁導率和介電常數(shù)值以提供對η2阻抗匹配的固有阻抗來實現(xiàn)。
由于此例中阻抗匹配所需的相對磁導率值包括明顯小于1的值，這種匹配難以利用已有材料實現(xiàn)。從而，本例的具體實現(xiàn)將要求開發(fā)專門為本應用或類似的要求相對磁導率小于1的應用定制的新材料。
例3上方帶有介質的隙縫，該介質相對磁導率為10，介電常數(shù)為20。
除了天線介質610的介電常數(shù)εr為20而不是1之外，該例類似例2，并具有圖6中示出的結構。由于天線介質610的相對磁導率等于10并且和它的相對介電常數(shù)不同，天線介質610也不和空氣匹配。和前一個例子一樣，在本例中對介質2和3計算用于介質2和4之間的最優(yōu)阻抗匹配以及介質1和2之間的最優(yōu)阻抗匹配的磁導率。此外，接著確定介質3中的匹配段的長度，其具有選定運行頻率下的四分之一波長的長度。如前面一樣，確定介質2的相對磁導率μr2、介質3的μr3以及介質3中的長度L，以和相鄰電介質阻抗匹配。
首先利用式μr1ϵr1=μr2ϵr2---(23)]]>得出介質2的相對磁導率為μr2=μr1ϵr2ϵr1=10·7.820=3.9---(24)]]>為了使介質2對介質4阻抗匹配，要求四分之一波長段的固有阻抗為η3=η2·η4---(25)]]>介質2的固有阻抗為
η2=μr2ϵr2η0---(26)]]>其中η0是自由空間的固有阻抗，其為η0＝120πΩ≈377Ω (27)這樣，介質2的固有阻抗變?yōu)?amp;eta;2=3.97.8·377Ω=266.58Ω---(28)]]>介質4的固有阻抗為η4=μr4ϵr4η0=17.8·377Ω≈135Ω---(29)]]>把式(29)和(28)代入(25)得出介質3的固有阻抗，其為η3=266.58·135Ω=189.7Ω---(30)]]>接著，得出介質3的相對磁導率η3=189.7Ω=μr3ϵr3·η0=μr37.8·377]]>μr3=7.8·(189.7377)2=1.975---(31)]]>3GHz下介質3中的導波波長為λ3=cf1ϵr3·μr3=3×1010cm/s3×109Hz·17.8·1.975=2.548cm---(32)]]>其中c是光速而f是運行頻率。由此，得出長度632(L)為L=λ34=2.5484cm=0.637cm---(33)]]>和例1和2中一樣，可以通過介質2對介質5的固有阻抗匹配來進一步改進天線的輻射效率。這可以通過設定介質/區(qū)5中的相對磁導率和介電常數(shù)值以提供對η2阻抗匹配的固有阻抗來實現(xiàn)。
比較例2和3，通過使用相對磁導率明顯大于1的天線介質610便于介質1和2之間以及介質2和4之間、介質2和5之間的阻抗匹配，這是因為如本文說明那樣，容易實現(xiàn)匹配各介質所需的介質2、3和5的磁導率。
權利要求
1.一種隙縫饋電微帶貼片天線，包括導電地平面，所述地平面具有至少一個隙縫；用于對所述隙縫或從所述隙縫傳送信號能量的饋線，所述饋線包含超出所述隙縫延伸的短截線；設置在所述饋線和所述地平面之間的第一介質層，所述第一介質層具有包含關于第一區(qū)的第一相對介電常數(shù)的第一組介質特性，并且所述第一介質層的至少一個第二區(qū)具有第二組介質特性，所述第二組介質特性提供比所述第一相對介電常數(shù)高的相對介電常數(shù)，其中，所述短截線設置在所述第二區(qū)上，以及至少一個貼片輻射器和第二介質層，所述第二介質層設置在所述地平面和所述貼片輻射器之間，其中，所述第二介質層包括提供包含第三相對介電常數(shù)的第三組介質特性的第三區(qū)，并且包括包含第四組介質特性的至少一個第四區(qū)，所述第四組介質特性包含比所述第三相對介電常數(shù)高的相對介電常數(shù)。
2.如權利要求1的天線，其中，所述第一和第二介質層中至少之一包括陶瓷材料，所述陶瓷材料具有多個孔隙，至少一部分的所述孔隙充填著磁性顆粒。
3.如權利要求2的天線，其中，所述磁性顆粒由包括元材料。
4.如權利要求1的天線，其中，所述至少一個第一貼片輻射器包括第一和第二貼片輻射器，所述第一和所述第二貼片輻射器由第三介質層隔開。
5.如權利要求1的天線，其中，所述第一介質提供接近所述隙縫的四分之一波長匹配段，以把所述饋線匹配到所述隙縫中。
6.如權利要求1的天線，其中，所述隙縫包括至少一個交叉隙縫，并且所述饋線包括至少二條饋線，所述饋線被調整相位以提供雙極化發(fā)射圖。
7.一種隙縫饋電微帶天線，包括導電地平面，所述地平面具有至少一個隙縫；設置在所述地平面上的第一介質層，以及至少一條設置在所述第一介質材料上、用于對所述隙縫或從所述隙縫傳送信號能量的饋線，所述饋線包括短截線部分，其中，所述第一介質層包含多個磁性顆粒，至少一部分所述磁性顆粒設置在所述饋線和所述隙縫之間的第一接合區(qū)中，所述第一介質層具有關于第一區(qū)的第一相對介電常數(shù)和關于第二區(qū)的第二相對介電常數(shù)，所述第二區(qū)具有比所述第一區(qū)高的相對介電常數(shù)，其中，至少一部分的所述短截線設置在所述第二區(qū)上。
8.如權利要求7的天線，其中，所述第一介質層包括陶瓷材料，所述陶瓷材料具有多個孔隙，至少一些所述孔隙充填著磁性顆粒。
9.如權利要求8的天線，其中，所述磁性顆粒包括元材料。
全文摘要
一種隙縫饋電微帶貼片天線(300)，包括一個導電地平面(308)，該導電地平面(308)包含至少一個隙縫(306)。在地平面(308)和至少一條饋線(317)之間設置介質材料，其中至少一部分介質層(313)包含磁性顆粒(324)。饋線(317)和地平面(308)之間的介質層提供具有高相對介電常數(shù)(313)和低相對介電常數(shù)的(312)區(qū)。至少一部分短截線(318)設置在高相對介電常數(shù)區(qū)(313)上。
文檔編號H01Q1/38GK1784810SQ200480012553
公開日2006年6月7日 申請日期2004年3月23日 優(yōu)先權日2003年3月31日
發(fā)明者威廉姆·D·基倫, 蘭迪·T·皮克, 赫里伯托·J·戴爾噶多 申請人:哈里公司