CN105896030A - 一种多频段分形结构移动终端天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多频段分形结构移动终端天线，包括辐射体、接地板、介质基板与馈线；辐射体与接地板分别覆于介质基板正反面上；馈线与辐射体相接。其中，辐射体为n个铜带结构贴片层层嵌套相接形成的一体结构；各层贴片均为具有正方形接口的圆形结构；内层贴片位于外层贴片的正方形接口内，且周向上与正方形接口四边处具有重叠部分；同时内层贴片中正方形接口的四个定点位于4条割线构成的正方形四条边的中心点连线上。本发明在有限的尺寸实现十二个常用移动频段的覆盖，且具有很好的频段隔离度，在辐射方向性、增益和效率方面可以满足移动终端天线的要求。

Description

一种多频段分形结构移动终端天线
技术领域
本发明涉及一种移动终端天线，具体来说是一种多频段分形结构移动终端天线。
背景技术
分形几何是研究无限复杂而具有特定意义下的自相似图形和结构的几何学，自相似就是局部的形态与整体形态的相似，分形具有两大特征：自相似性和空间填充性(即分数维)。分形天线是几何属性上具有分形特征的天线，是分形电动力学的众多应用之一。国外在分形天线单元和分形天线阵列研究方面已取得实质性进展，但国内在这方面的研究还很少，分形天线是分形理论和天线技术的融合，表现出与传统天线相比的许多优势，是近几年天线领域的研究热点。分形天线的研究和应用，在军事和民用方面都有着巨大的潜力，尤其在无线、卫星和移动通信系统中将会发挥巨大的作用，有着非常广阔的市场前景。
传统的微带天线要实现多频段工作通常需要采用多个辐射单元或电抗性负载贴片或多频介质谐振天线，这些都增加了天线的复杂性和制作的难度及成本。现代无线通信要求用低剖面、小尺寸、多频带(宽频带)、可集成的天线，分形天线能更好的满足这种要求。分形是通过迭代产生的分数维自相似结构，其整体与局部、局部与局部之间都具有自相似性。因此，分形是一种与标度无关的几何，这与宽带天线的频率无关性比较相似。由于分形几何两个独特的特征：自相似性(self-similarity)和空间填充性(space-filling)，结合天线的特征，使得分形天线在尺寸大小和频带宽窄以及多频带等方面的性能与传统天线相比有了极大的改善，解决了传统天线的两个局限性：(1)传统天线的性能都依赖于天线的电尺寸。这意味着对于固定的天线尺寸，主要天线参数(增益、输入阻抗、方向图和副瓣电平等)将随着工作频率的改变而改变。分形的自相似性使分形天线可具有多频和宽频特性。(2)分形的空间填充性，使一些天线的尺寸得到减缩。
宽频带天线的重要特征是其性能与频率无关，如我们熟悉的螺旋天线和对数周期天线等一类非频变天线(即频率无关天线)都是分形天线。当频率变化时能保持其阻抗和方向图特性不变，即以频率为尺度时，其电性能不变。分形几何是一种与标度无关的几何，具有相似的结构，这意味着分形天线形状在不同的尺度变化下保持相似性，从而具有相似的电特性，形成多频带天线。
多频带和小型化是目前移动终端天线的主要研究方向。微带单极子天线具有重量轻、体积小、成本低、制作精度高、易于加载、便于集成等优点，在各种小型化移动终端设备中得到了广泛应用。而普通的微带单极子天线频带非常窄，对于应用于多通信频段的小型化移动终端来说，很难实现多工作频段的覆盖。
传统的天线在几何形状上基本上都是基于欧几里德几何的设计。虽然，随着天线技术的不断发展出现了微带天线，具有低剖面、重量轻、成本低，可与各种载体共形，适合印刷电路板技术批量生产、易于实现圆极化、双极化、双频段工作等优点，但其主要的缺点是窄带性，从而限制了它的广泛应用。因此，迫切需要运用新的理论和方法，探索现代天线的设计，解决传统的天线设计中出现的问题和矛盾。
发明内容
针对上述问题，本发明将分形几何应用到天线工程，提出了一种为手持移动终端系统覆盖GSM/DCS1800/GPS/北斗/CDMA/WiMAX/LTE/ISM/WLAN等应用频段的多频段小型化分形结构微带天线。
本发明一种多频段分形结构移动终端天线，采用微带线结构，实现多频段和结构小型化，包括辐射体、接地板、介质基板与馈线。辐射体与接地板分别覆于介质基板正反面上；馈线与辐射体相接。
所述辐射体为n个铜带结构贴片层层嵌套相接形成的一体结构；令由内至外各层贴片分别为1、2、……、n层，则：其中，第n层贴片外圈为圆形，内部具有内接正方形接口，内接n-1层贴片；正方形接口的四个顶点与外圈之间均具有等大小距离。n-1层到1层贴片结构相同，则n-1层到1层贴片结构为：外圈为被周向4条割线切除一段圆弧后的圆形，且4条割线构成正方形；同时，内部具有内接正方形接口，正方形接口的四个顶点与外圈之间均具有等大小距离；且该正方形接口的四角位于4条割线构成的正方形四条边的中心点上。
本发明的优点在于：
1、本发明多频段分形结构移动终端天线，在有限的尺寸实现十二个常用移动频段的覆盖，且具有很好的频段隔离度，在辐射方向性、增益和效率方面可以满足移动终端天线的要求。
附图说明
图1为本发明多频段分形结构移动终端天线整体结构示意图；
图2为本发明多频段分形结构移动终端天线的0阶分形结构示意图；
图3为本发明多频段分形结构移动终端天线的1阶分形结构示意图；
图4为本发明多频段分形结构移动终端天线的2阶分形结构示意图；
图5为本发明多频段分形结构移动终端天线的回波损耗曲线图；
图6为采用3阶分型结构的多频段分形结构移动终端天线在2.43GHz中心谐振频率的E/H面方向图仿真结果；
图7为采用3阶分型结构的多频段分形结构移动终端天线在3.54GHz中心谐振频率的E/H面方向图仿真结果；
图8为采用3阶分型结构的多频段分形结构移动终端天线在5.16GHz中心谐振频率的E/H面方向图仿真结果；图9为采用3阶分型结构的多频段分形结构移动终端天线在6.22GHz中心谐振频率的E/H面方向图仿真结果；
图10为采用3阶分型结构的多频段分形结构移动终端天线在7.81GHz中心谐振频率的E/H面方向图仿真结果。
具体实时方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明多频段分形结构移动终端天线，采用微带线结构，实现多频段和结构小型化，包括辐射体1、接地板2、介质基板3与馈线4；其中，介质基板采用矩形FR-4环氧玻璃布层压板，辐射体与接地板分别覆于介质基板正反面上；同时，馈线采用阶跃结构，与辐射体相接。
所述辐射体为铜质材料，一体成形，其结构具体可视为n个铜带结构贴片层层嵌套相接，如图1所示。令由内至外各层贴片分别为1、2、……、n层，则：其中，第n层贴片外圈为圆形，内部具有内接正方形接口，内接n-1层贴片；正方形接口的四个顶点与外圈之间均具有等大小距离。n-1层到1层贴片相同，由于层层嵌套相接的关系，尺寸不同，则n-1层到1层贴片为：外圈为被周向4条割线切除一段圆弧后的圆形，且4条割线构成正方形；同时，内部具有内接正方形接口，正方形接口的四个顶点与外圈之间均具有等大小距离；且该正方形接口的四个顶点位于4条割线构成的正方形四条边的中心点连线上。上述n层贴片中，相邻两层贴片相接方式相同，内层贴片中四条割线分别与外层贴片的正方形接口四边相接。由此形成本发明中辐射体整体结构。上述结构辐射体，可使天线表面的电流路径更多，流经的长度更长，从而可以实现在更小的天线尺寸下，实现更低频和多频段的覆盖。
实施例：
辐射体经三次分型嵌套成形，在金属材料圆形贴片作内接正方形接口,此结构为0阶分形天线,如图2所示；在0阶分形天线上的正方形接口内作内接圆,且使内接圆周向上在0阶分形天线内接正方形4条边处，与0阶分型天线间具有等大小重叠，形成1阶分型天线，如图3所示。同理，在1阶分形天线上的正方形接口内作内接圆,且使内接圆周向上在1阶分形天线内接正方形4条边处，与1阶分型天线间具有等大小重叠，形成2阶分型天线，如图4所示。依次类推得到2阶分型天线与3阶分形天线，最终形成如图1所示的辐射体。
采用Ansoft公司HFSS软件对上述分形天线进行仿真。图5给出了天线的回波损耗S11曲线,由图中曲线可以看出，随着分形阶数的不断提高,天线的-10dB带宽明显变宽,当天线分形阶数为3时,在低频段(0.5GHz-2.87GHz)可覆盖GSM/DCS1800/GPS/北斗/TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000/WiMAX/ISM/WLAN等应用，中频段(3.2GHz-3.92GHz)可覆盖WiMAX/LTE-band42/43等应用，高频段(4.23GHz-6.73GHz)可覆盖WLAN等应用。综上可看出，上述3阶分形天线实现了十二个常用移动频段的覆盖，并且具有很好的频段隔离度，满足移动终端天线的要求。如果考虑更高频段覆盖的话，可在上述3阶分形天线的基础上进行4阶及以上分形；若考虑500MHz以下更低频段的覆盖时，可将上述3阶分形天线的最外层外部增加分形结构，即将3阶分形天线最外层视为内层分形结构，在其外部设计新的外层分形结构。
图6～图10分别给出了3阶分形天线分别在2.43GHz、3.54GHz、5.16GHz、6.22GHz、7.81GHz中心谐振频率下的E/H面方向图仿真结果。可以看出,在低频范围内天线辐射方向图与单极子天线基本一致,随着频率的升高,天线辐射性能变差,但在频带范围内基本仍为全向辐射。

Claims (3)

1.一种多频段分形结构移动终端天线，采用微带线结构，实现多频段和结构小型化，包括辐射体、接地板、介质基板与馈线；辐射体与接地板分别覆于介质基板正反面上；馈线与辐射体相接；其特征在于：
所述辐射体为n个铜带结构贴片层层嵌套相接形成的一体结构；令由内至外各层贴片分别为1、2、……、n层，则：其中，第n层贴片外圈为圆形，内部具有内接正方形接口，内接n-1层贴片；正方形接口的四个顶点与外圈之间均具有等大小距离；n-1层到1层贴片结构相同，则n-1层到1层贴片结构为：外圈为被周向4条割线切除一段圆弧后的圆形，且4条割线构成正方形；同时，内部具有内接正方形接口，正方形接口的四个顶点与外圈之间均具有等大小距离；且该正方形接口的四个顶点位于4条割线构成的正方形四条边的中心点连线上。
2.如权利要求1所述一种多频段分形结构移动终端天线，其特征在于：介质基板采用矩形FR-4环氧玻璃布层压板。
3.如权利要求1所述一种多频段分形结构移动终端天线，其特征在于：馈线采用阶跃结构。
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