CN106898872A - 一种复合分形超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合分形超宽带天线，包括天线接地板和辐射贴片，所述天线接地板和辐射贴片分别贴合在基板的两面上，所述天线接地板为全金属接地结构，所述辐射贴片为分裂生长‑康托尔复合分形结构。本发明能够同时覆盖超宽带通信的3.1～10.6 GHz频段、射频识别系统的2.4～2.4835 GHz频段、第四代移动通信TD‑LTE标准的2.57～2.62 GHz频段、第五代移动通信的3.30～3.40 GHz、4.40～4.50 GHz、4.80～4.99 GHz候选频段，并且同时满足小尺寸、低厚度、低回波损耗以及大工作带宽的要求。

Description

一种复合分形超宽带天线

技术领域

本发明涉及天线设计领域，特别是一种复合分形超宽带天线。

背景技术

超宽带通信是一种成本低廉、数据传输率高、信号穿透性好、发射功率低的无线通信技术，在无线个域网、精确测距、金属探测等领域有广泛的应用。在IEEE 802.15.3a标准提出后，超宽带无线接入技术进一步得到规范化。美国联邦通信委员会（FCC）确定的超宽带(UWB)通信的频段为3.1～10.6 GHz。

射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种用射频通信实现的非接触式自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。射频识别技术近年来已经获得了一系列的成果，在仓储物流、商业自动化、交通运输控制管理、防伪、图书、航空等领域均有广泛的应用。目前，射频识别技术最具有应用前景的频段为2.4～2.4835 GHz。

目前，第四代移动通信技术日趋成熟，已进入商业化的实用阶段。TD-LTE标准是中国拥有自主知识产权的第四代移动通信标准，是一种专门为移动高宽带应用而设计的无线通信标准，拥有广阔的应用前景，TD-LTE制式的常用工作频段为2.57～2.62 GHz。

第五代移动通信是目前最新一代的移动通信系统，具有较宽的通信频段、较快的数据传输速度和良好的用户体验。第五代移动通信能够在未来10年内满足移动数据流量高速增长的需求，在频谱利用率和能效方面具有独特的优势，具有巨大的发展潜力，将在2020年前后投入商业运营。2015年，国际电信联盟确定了第五代移动通信的三个候选频段为：3.30～3.40 GHz、4.40～4.50 GHz、4.80～4.99 GHz。

随着无线通信技术的不断发展，不同标准、不同频率、不同制式的多种无线通信频段模式将长期共存。为了适应这种发展趋势，作为无线通信设备不可或缺的天线必将与通信制式发展相适应，天线需要具备多频段的功能。超宽带通信系统、射频识别系统、第四代移动通信系统、第五代移动通信系统工作频率接近，且都需要移动终端（超宽带通信终端、射频识别读写器和智能手机），如果能设计一款天线，同时覆盖超宽带通信的3.1～10.6GHz频段、射频识别系统的2.4～2.4835 GHz频段、第四代移动通信TD-LTE标准的2.57～2.62 GHz频段、第五代移动通信的3.30～3.40 GHz、4.40～4.50 GHz、4.80～4.99 GHz候选频段，并同时满足小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的要求，就能够实现对超宽带通信系统、射频识别系统、第四代移动通信系统、第五代移动通信系统的兼容。使用该款天线后，超宽带通信终端设备、射频识别读写器可以和智能手机结合在一起，可以实现多种无线通信终端的整合。

“分形（Fractal）”是法国数学家Mandelbrot在1983年首次提出的，用于描述一类具有自相似特性的几何形状。1990年D.L.Jaggard提出了分形电动力学（FractalElectrodynamics）的概念，将分形几何与电磁理论相结合，用来解决一系列电磁辐射、传播、散射等问题。目前，分形思想广泛应用于生物化学、物理电磁学等领域，分形理论在天线设计中的应用越来越多。用分形技术设计天线主要是为了实现宽频带工作以及减小天线的尺寸。分形结构的自相似性使得分形天线内部的电流分布较为均匀，天线工作带宽较大；分形结构的复杂折叠结构使天线的尺寸缩减成为可能。

传统的分形结构，进行迭代时是依靠边沿曲线的不断折叠或对内部结构不断进行有规律的“挖洞”，这些天线都能够多频带工作，其第一个层次的分形结构，在低频处产生了一个谐振点；随着天线分形层次的不断深入，原有的谐振点保持不变，但在高频端增加了新的谐振点，而且谐振点的个数与分形的结构层次数相等。传统的分形天线存在的最大问题是自相似结构只存在于边沿曲线或“挖洞”处，而分形天线内部大部分地方仍然是整块的金属辐射片，射频电流能够较为均匀分布的地方局限于边沿曲线或“挖洞”处附近。此外，传统的分形天线各辐射边距离较近，产生的辐射会相互耦合、相互影响，要将天线产生的多个辐射频段精确地调节到设计者需要的目标辐射频段上，有较大难度。

复合分形天线是将两种不同的分形结构有机的融合为复合分形结构，在天线的基本结构中使用一种面式分形结构，而在天线内部的每个小正方形金属区域使用另一种分形结构，这样天线的边沿曲线和内部金属辐射区都将具有自相似结构，天线的宽频带工作特性能得到提高。

与本申请技术最接近的现有技术是三频段分裂生长式分形微带天线，它是本课题组的前期研究成果，目前已有一项实用新型专利授权：林斌、寇国芃、乔丹洋、陈秉泽、王征增、朱巧丽、陈娴，三频段分裂生长式分形微带天线，专利号：201520029996.9，已于2015年4月22日授权。

三频段分裂生长式分形微带天线实测工作频段为0.802 ~ 1.015 GHz、1.773 ~1.988 GHz、2.312 ~ 2.558 GHz，同时覆盖了移动通信的900 MHz频段、1.9 GHz频段和射频识别的2.45 GHz频段，实现了移动通信系统和射频识别系统的兼容。三频段分裂生长式分形微带天线只使用了单一的分裂生长分形结构，并未使用复合分形结构，属于改进型单一分形天线，其宽频带工作特性与本申请的复合分形超宽带天线相比，还有较大差距。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种复合分形超宽带天线，能够同时覆盖超宽带通信的3.1～10.6 GHz频段、射频识别系统的2.4～2.4835 GHz频段、第四代移动通信TD-LTE标准的2.57～2.62 GHz频段、第五代移动通信的3.30～3.40 GHz、4.40～4.50 GHz、4.80～4.99 GHz候选频段，并且同时满足小尺寸、低厚度、低回波损耗以及大工作带宽的要求。

本发明采用以下方案实现：一种复合分形超宽带天线，包括天线接地板和辐射贴片，所述天线接地板和辐射贴片分别贴合在基板的两面上，所述天线接地板为全金属接地结构，所述辐射贴片为分裂生长-康托尔复合分形结构。

进一步地，所述分裂生长-康托尔复合分形结构采用康托尔分形结构作为基本结构，其内部的小正方形金属区域用分裂生长分形结构进行替代。

进一步地，所述分裂生长-康托尔复合分形结构采用至少2阶的康托尔分形结构。

进一步地，所述分裂生长-康托尔复合分形结构采用至少2阶的分裂生长分形结构。

进一步地，所述分裂生长-康托尔复合分形结构的下侧边沿中心设有天线馈电点。

进一步地，所述基板为低损耗微波陶瓷基板。

较佳的，所述低损耗微波陶瓷基板由21层相对介电常数渐变的正方形陶瓷材料层构成，各层陶瓷材料层的边长相同，均为41.6 mm±1 mm；各层陶瓷材料层的厚度相同，均为为0.1 mm±0.01 mm；第1层陶瓷材料层的相对介电常数为3.0，第2层陶瓷材料层的相对介电常数为3.2，第3层陶瓷材料层的相对介电常数为3.4，第4层陶瓷材料层的相对介电常数为3.6，第5层陶瓷材料层的相对介电常数为3.8，第6层陶瓷材料层的相对介电常数为4.0，第7层陶瓷材料层的相对介电常数为4.2，第8层陶瓷材料层的相对介电常数为4.4，第9层陶瓷材料层的相对介电常数为4.6，第10层陶瓷材料层的相对介电常数为4.8，第11层陶瓷材料层的相对介电常数为5.0，第12层陶瓷材料层的相对介电常数为4.8，第13层陶瓷材料层的相对介电常数为4.6，第14层陶瓷材料层的相对介电常数为4.4，第15层陶瓷材料层的相对介电常数为4.2，第16层陶瓷材料层的相对介电常数为4.0，第17层陶瓷材料层的相对介电常数为3.8，第18层陶瓷材料层的相对介电常数为3.6，第19层陶瓷材料层的相对介电常数为3.4，第20层陶瓷材料层的相对介电常数为3.2，第21层陶瓷材料层的相对介电常数为3.0。

进一步地，所述辐射贴片的总尺寸为41.6 mm±1 mm ×41.6 mm±1 mm。

进一步地，所述天线接地板和辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。

特别的，本发明复合分形结构使用了分裂生长分形结构，这种分形结构用于天线设计时，每一次分裂生长都会增加多个大小和形状相同的方形辐射孔和方形辐射贴片，使天线在高频端增加一个新的谐振点。由于新增的方形辐射贴片在上一级方形辐射贴片外，和上一级方形辐射贴片的距离较远，各级方形辐射贴片相互耦合、相互影响的程度较小，可以较为容易的将天线产生的多个辐射频段精确地调节到设计者需要的目标辐射频段上。为了进一步提高天线的工作带宽，本发明使用由21层相对介电常数渐变的正方形陶瓷材料层构成的渐变介电常数陶瓷基板，作为天线的介质基板。使用渐变介电常数介质基板后，天线整体可看作多个基板参数不同的天线相叠加，每个天线的工作中心频率不同，工作中心频率距离较近时，多个工作频带叠加形成一个辐射强度和工作带宽都较大的工作频带，从而提高天线性能冗余。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：。

1、本发明使用康托尔分形结构作为基本结构，将其内部小正方形金属区域用分裂生长分形结构替代，天线整体上是康托尔分形结构，天线局部是分裂生长分形结构，天线克服了传统分形天线只有边沿曲线具有自相似性的缺点，天线从内到外都具有自相似特性，射频电流在整个天线辐射贴片上可以均匀分布，天线将具有很好的回波损耗性能和很大的工作带宽。

2、天线实测结果显示，该款天线的工作频带范围为2.136～12.898 GHz，工作带宽为10.762 GHz，带宽倍频程为6.04，在整个工作频带内天线回波损耗都低于-10 dB，回波损耗最小值为-22.89 dB。实测结果显示，该款天线完全覆盖了超宽带通信的3.1～10.6 GHz频段、射频识别系统的2.4～2.4835 GHz频段、第四代移动通信TD-LTE标准的2.57～2.62GHz频段、第五代移动通信的3.30～3.40 GHz、4.40～4.50 GHz、4.80～4.99 GHz候选频段。

3、本发明与用于超宽带通信的常规天线比较，该款天线具有突出的优点和显著的效果：该款天线尺寸仅为41.6 mm×41.6 mm×2.1 mm，成功实现了天线的小型化，天线可以放进超宽带通信终端和移动通信手机里；天线回波损耗值较低，且在整个工作频带内回波损耗值较为均匀，天线具有较为稳定的辐射性能；天线工作带宽高达10.762 GHz，实现了对超宽带通信系统、射频识别系统、第四代移动通信系统、第五代移动通信系统的兼容，填补了国内外高兼容性超宽带天线的空白。使用该款天线后，超宽带通信终端设备、射频识别读写器可以和智能手机结合在一起，实现多种无线通信终端的整合。

附图说明

图1为本发明实施例中的分裂生长-康托尔复合分形辐射贴片结构示意图。

图2为本发明实施例中康托尔分形结构的迭代过程。

图3为本发明实施例中分裂生长分形结构的迭代过程。

图4为本发明实施例中低损耗微波陶瓷基板示意图。

图5为本发明实施例中回波损耗（S₁₁）性能图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种复合分形超宽带天线，包括天线接地板和辐射贴片，所述天线接地板和辐射贴片分别贴合在基板的两面上，所述天线接地板为全金属接地结构，所述辐射贴片为分裂生长-康托尔复合分形结构。

在本实施例中，所述分裂生长-康托尔复合分形结构采用康托尔分形结构作为基本结构，其内部的小正方形金属区域用分裂生长分形结构进行替代。

在本实施例中，所述分裂生长-康托尔复合分形结构采用至少2阶的康托尔分形结构。其康托尔分形结构的迭代过程如图2所示，其原始结构为正方形贴片，将其等分为4行4列16个小正方形。删除第1行第3列、第2行第1列、第3行第4列、第4行第2列的小正方形，剩下12个小正方形，构成1阶康托尔分形结构。将1阶康托尔分形结构的每个小正方形再分别做康托尔分形迭代，得到2阶康托尔分形结构。按照这种方法继续迭代，则可得到高阶康托尔分形结构。

在本实施例中，所述分裂生长-康托尔复合分形结构采用至少2阶的分裂生长分形结构。其分裂生长分形结构的迭代过程如图3所示，其原始结构为正方形贴片（0阶方形），第一次迭代时在其中间挖出一个各边边长为0阶方形一半的方形孔，并在0阶方形的四条边上连接上四个各边边长为0阶方形一半的方形（1阶方形），迭代过程可以看做是1阶方形从0阶方形中分裂出去并生长在0阶方形四周。第二次迭代时，每个1阶方形中分裂生长出各边边长为其一半的2阶方形，1阶方形的一边与0阶方形相连，另外三边与分裂生长出的2阶方形相连。这样依次迭代，可以得到高阶分裂生长分形结构。

在本实施例中，所述分裂生长-康托尔复合分形结构的下侧边沿中心设有天线馈电点。

在本实施例中，所述基板为低损耗微波陶瓷基板。

较佳的，如图4所示，在本实施例中，所述低损耗微波陶瓷基板由21层相对介电常数渐变的正方形陶瓷材料层构成，各层陶瓷材料层的边长相同，均为41.6 mm±1 mm；各层陶瓷材料层的厚度相同，均为为0.1 mm±0.01 mm；第1层陶瓷材料层的相对介电常数为3.0，第2层陶瓷材料层的相对介电常数为3.2，第3层陶瓷材料层的相对介电常数为3.4，第4层陶瓷材料层的相对介电常数为3.6，第5层陶瓷材料层的相对介电常数为3.8，第6层陶瓷材料层的相对介电常数为4.0，第7层陶瓷材料层的相对介电常数为4.2，第8层陶瓷材料层的相对介电常数为4.4，第9层陶瓷材料层的相对介电常数为4.6，第10层陶瓷材料层的相对介电常数为4.8，第11层陶瓷材料层的相对介电常数为5.0，第12层陶瓷材料层的相对介电常数为4.8，第13层陶瓷材料层的相对介电常数为4.6，第14层陶瓷材料层的相对介电常数为4.4，第15层陶瓷材料层的相对介电常数为4.2，第16层陶瓷材料层的相对介电常数为4.0，第17层陶瓷材料层的相对介电常数为3.8，第18层陶瓷材料层的相对介电常数为3.6，第19层陶瓷材料层的相对介电常数为3.4，第20层陶瓷材料层的相对介电常数为3.2，第21层陶瓷材料层的相对介电常数为3.0。使用渐变介电常数介质基板后，天线整体可看作多个基板参数不同的天线相叠加，每个天线的工作中心频率不同，工作中心频率距离较近时，多个工作频带叠加形成一个辐射强度和工作带宽都较大的工作频带，从而提高天线性能冗余。

在本实施例中，所述辐射贴片的总尺寸为41.6 mm±1 mm ×41.6 mm±1 mm。

在本实施例中，所述天线接地板和辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。

本实施例使用尺寸为41.6 mm±1 mm ×41.6 mm±1 mm的2阶康托尔分形结构作为基本结构，将其内部144个尺寸为2.6 mm×2.6 mm的小正方形金属区域用2阶分裂生长分形结构替代，组成分裂生长-康托尔复合分形辐射贴片。

图5给出了本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。从图5可以看出，实测结果显示，该款天线的工作频带范围为2.136～12.898 GHz，工作带宽为10.762 GHz，带宽倍频程为6.04，在整个工作频带内天线回波损耗都低于-10 dB，回波损耗最小值为-22.89 dB。实测结果显示，该款天线完全覆盖了超宽带通信的3.1～10.6 GHz频段、射频识别系统的2.4～2.4835 GHz频段、第四代移动通信TD-LTE标准的2.57～2.62 GHz频段、第五代移动通信的3.30～3.40 GHz、4.40～4.50 GHz、4.80～4.99 GHz候选频段。该款天线成功实现了对超宽带通信系统、射频识别系统、第四代移动通信系统、第五代移动通信系统的兼容。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种复合分形超宽带天线，其特征在于：包括天线接地板和辐射贴片，所述天线接地板和辐射贴片分别贴合在基板的两面上，所述天线接地板为全金属接地结构，所述辐射贴片为分裂生长-康托尔复合分形结构。

2.根据权利要求1所述的一种复合分形超宽带天线，其特征在于：所述分裂生长-康托尔复合分形结构采用康托尔分形结构作为基本结构，其内部的小正方形金属区域用分裂生长分形结构进行替代。

3.根据权利要求1所述的一种复合分形超宽带天线，其特征在于：所述分裂生长-康托尔复合分形结构采用至少2阶的康托尔分形结构。

4.根据权利要求1所述的一种复合分形超宽带天线，其特征在于：所述分裂生长-康托尔复合分形结构采用至少2阶的分裂生长分形结构。

5.根据权利要求1所述的复合分形超宽带天线，其特征在于：所述分裂生长-康托尔复合分形结构的下侧边沿中心设有天线馈电点。

6.根据权利要求1所述的一种复合分形超宽带天线，其特征在于：所述基板为低损耗微波陶瓷基板。

7.根据权利要求6所述的一种复合分形超宽带天线，其特征在于：所述低损耗微波陶瓷基板由21层相对介电常数渐变的正方形陶瓷材料层构成，各层陶瓷材料层的边长相同，均为41.6 mm±1 mm；各层陶瓷材料层的厚度相同，均为为0.1 mm±0.01 mm；第1层陶瓷材料层的相对介电常数为3.0，第2层陶瓷材料层的相对介电常数为3.2，第3层陶瓷材料层的相对介电常数为3.4，第4层陶瓷材料层的相对介电常数为3.6，第5层陶瓷材料层的相对介电常数为3.8，第6层陶瓷材料层的相对介电常数为4.0，第7层陶瓷材料层的相对介电常数为4.2，第8层陶瓷材料层的相对介电常数为4.4，第9层陶瓷材料层的相对介电常数为4.6，第10层陶瓷材料层的相对介电常数为4.8，第11层陶瓷材料层的相对介电常数为5.0，第12层陶瓷材料层的相对介电常数为4.8，第13层陶瓷材料层的相对介电常数为4.6，第14层陶瓷材料层的相对介电常数为4.4，第15层陶瓷材料层的相对介电常数为4.2，第16层陶瓷材料层的相对介电常数为4.0，第17层陶瓷材料层的相对介电常数为3.8，第18层陶瓷材料层的相对介电常数为3.6，第19层陶瓷材料层的相对介电常数为3.4，第20层陶瓷材料层的相对介电常数为3.2，第21层陶瓷材料层的相对介电常数为3.0。

8.根据权利要求1所述的一种复合分形超宽带天线，其特征在于：所述辐射贴片的总尺寸为41.6 mm±1 mm ×41.6 mm±1 mm。

9.根据权利要求1所述的一种复合分形超宽带天线，其特征在于：所述天线接地板和辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。