CN106898873A

CN106898873A - 一种分形阵列复合螺旋天线

Info

Publication number: CN106898873A
Application number: CN201710098428.8A
Authority: CN
Inventors: 林斌; 张培涛; 蔡沅坤; 叶广雅; 毛云海; 林畅; 张宇; 颜逾越
Original assignee: Xiamen University Tan Kah Kee College
Current assignee: Xiamen University Tan Kah Kee College
Priority date: 2017-02-23
Filing date: 2017-02-23
Publication date: 2017-06-27

Abstract

本发明涉及一种分形阵列复合螺旋天线，包括基板和贴覆在基板正面的分形阵列复合螺旋辐射贴片，所述分形阵列复合螺旋辐射贴片包括由64个复合螺旋小天线按照谢尔宾斯基分形阵列结构排列组成的天线阵列。本发明能够兼容第二代、第三代、第四代、第五代移动通信频段，并且能够同时覆盖905～915 MHz、950～960 MHz、1710～1785 MHz、1805～1880 MHz、1880～1920 MHz、1920～1980 MHz、2010～2025 MHz、2110～2170 MHz、2300～2400 MHz、2570～2620 MHz、3300～3400 MHz、4400～4500 MHz、4800～4990 MHz 等多个通信频段，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

一种分形阵列复合螺旋天线

技术领域

本发明涉及天线设计领域，特别是一种分形阵列复合螺旋天线。

背景技术

我国的第二代、第三代移动通信技术已实现了成熟的商业化运作，GSM、TD-SCDMA、WCDMA等不同制式的移动通信信号将长期共存。第四代移动通信技术日趋成熟，中国拥有自主知识产权的TD-LTE标准已进入商业化的实用阶段，拥有广阔的应用前景。第五代移动通信是面向2020 年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，具有超高的频谱利用率和能效，在传输速率和资源利用率等方面有较大优势。国际电信联盟（ITU）召开的2015年世界无线电通信大会确定了第五代移动通信的候选频段。

目前，第二代移动通信依然得到广泛应用、第三代移动通信方兴未艾、第四代移动通信已开始普及，正在研发中的第五代移动通信系统将与其他无线移动通信技术密切结合，构成新一代无所不在的移动信息网络，满足未来10 年移动互联网流量增加1000 倍的发展需求，将在2020年前后投入商业运营。不同频率、不同制式的移动通信无线信号将在空间长期共存，这就要求移动通信天线具备多频段兼容的功能，能够同时覆盖GSM 905～915MHz、950～960 MHz、1710～1785 MHz、1805～1880 MHz频段，TD-SCDMA 1880～1920 MHz、2010～2025 MHz、2300～2400 MHz频段，WCDMA 1920～1980 MHz、2110～2170 MHz频段，TD-LTE 2570～2620 MHz频段，第五代移动通信3300～3400 MHz、4400～4500 MHz、4800～4990MHz候选频段，并实现移动通信系统小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的要求。

平面螺旋天线是一种具有超宽工作频带的非频变天线，很适合用于设计多频段兼容移动通信天线。现有的平面螺旋天线是单一的平面等角螺旋结构或阿基米德螺旋结构。平面等角螺旋天线所需尺寸较小，电流在其上迅速衰减，满足截断条件，但变化较快的电流也导致其宽频带工作性能在螺旋类天线中相对较弱；阿基米德螺旋天线是一种等线宽的螺旋天线，电流在其上缓慢衰减，天线具有超大的工作带宽和稳定的工作频率，但因为电流衰减较慢，要满足截断条件，阿基米德螺旋线需要旋转10个周期以上，导致天线需要较大的尺寸。

与本申请技术最接近的现有技术是平面等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线，它们是本课题组成员的前期研究成果，目前已有两项发明专利授权：

1. 游佰强、林斌、周建华、熊兆贤、郑建森、汤伟、徐伟明，射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线，专利号：200810071310.7，已于2012年01月04日授权。

2. 周建华、罗勇、林斌、郑建森、李伟文、游佰强、熊兆贤，三频光子带隙介电常数渐变陶瓷阿基米德螺旋天线，专利号：200810071967.3，已于2012年07月04日授权。

单一的平面等角螺旋天线或阿基米德螺旋天线虽然具有较大的工作带宽，但作为单体天线，难以实现对第二代、第三代、第四代、第五代移动通信频段的同时覆盖。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种分形阵列复合螺旋天线，能够兼容第二代、第三代、第四代、第五代移动通信频段，并且能够同时覆盖905～915 MHz、950～960 MHz、1710～1785 MHz、1805～1880 MHz、1880～1920 MHz、1920～1980 MHz、2010～2025 MHz、2110～2170 MHz 、2300～2400 MHz、2570～2620 MHz、3300～3400 MHz、4400～4500 MHz、4800～4990 MHz 等多个通信频段，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：一种分形阵列复合螺旋天线，包括基板和贴覆在基板正面的分形阵列复合螺旋辐射贴片，所述分形阵列复合螺旋辐射贴片包括由64个复合螺旋小天线按照谢尔宾斯基分形阵列结构排列组成的天线阵列。

进一步地，所述复合螺旋小天线的大小为3.5mm±0.1mm×3.5mm±0.1mm。

进一步地，所述复合螺旋小天线由阿基米德螺旋结构和平面等角螺旋结构组合而成，其中复合螺旋小天线的始端为阿基米德螺旋结构，复合螺旋小天线的终端为平面等角螺旋结构。平面等角螺旋天线的螺旋增长率较快，臂上电流在流过约一个周长后，迅速衰减到20 dB以下，产生终端弱效应，存在电流截断效应，天线螺旋臂只需要旋转1-2个周期，天线尺寸较小。而阿基米德螺旋天线由于其螺旋增长率缓慢，电流分布均匀性要优于平面等角螺旋天线，工作带宽更大，频率特性更稳定，然而其电流在工作区后不明显减小，不能满足截断要求，天线螺旋臂需要旋转10个周期以上，导致天线需要较大的尺寸。本发明设计的复合螺旋天线结合了两种螺旋天线的优点，天线的始端为阿基米德螺旋结构，具有较大的工作带宽和稳定的频率特性；天线的终端为平面等角螺旋结构，电流在其上迅速衰减，满足截断要求，保证了天线具有较小的尺寸。

进一步地，所述分形阵列复合螺旋辐射贴片采用谢尔宾斯基分形阵列结构作为基本阵列排布结构，在其内部的每个小正方形区域放置一个复合螺旋小天线。

进一步地，所述谢尔宾斯基分形阵列结构采用至少2阶的谢尔宾斯基分形结构。

较佳的，分形几何是通过迭代产生的具有自相似特性的几何结构，它的整体与局部之间以及局部与局部之间都具有自相似性，天线的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合。与传统电磁器件相比，基于分形结构的电磁器件具有小型化、宽频带、多频工作、自加载等优点，能够很好的满足移动通信系统对电磁器件的性能要求。分形阵列是将多个阵元天线按照分形迭代规律排布为天线阵列的组阵方法，可以充分发挥分形结构自相似性的优点，在通过组阵增强天线辐射强度的同时，保证天线阵列具有较大的工作带宽。

谢尔宾斯基分形结构的迭代过程为：其原始结构为正方形，将其等分为3行3列9个小正方形，将等分后居中的那个正方形区域挖空为正方形孔，剩下8个等分的正方形区域，则得到1阶谢尔宾斯基分形结构。将1阶谢尔宾斯基分形结构的8个正方形区域分别再做谢尔宾斯基分形迭代，则得到2阶谢尔宾斯基分形结构。按照这种方法继续迭代，则可得到高阶谢尔宾斯基分形结构。阵列天线使用谢尔宾斯基分形结构作为阵列排布结构时，在谢尔宾斯基分形结构内部每个小正方形区域放置一个阵元天线。

进一步地，所述复合螺旋小天线由两条对称的螺旋臂组成，每个复合螺旋小天线的两条螺旋臂的对称中心线上开设有断开间隙，在每个断开间隙的两侧设有天线馈电点。

进一步地，所述基板为低损耗微波陶瓷基板。

进一步地，所述低损耗微波陶瓷基板的相对介电常数为80-90。

进一步地，所述基板的形状为矩形，所述基板的尺寸为31.5mm±1mm×31.5mm±1mm，所述基板的厚度为1mm±0.1mm。

低损耗微波陶瓷基板以微波陶瓷粉、分散剂、卡拉胶为原料，经过球磨、加热、搅拌、除气、冷却固化、脱模、烘干、烧结等多道工艺制得，克服了传统高介电常数材料对射频信号有较大损耗的问题，在介电常数10-100的范围内，对射频信号的损耗角正切小于0.005，能够满足射频天线的基底材料要求。采用较高介电常数的基底材料可以获取尺寸更小的天线，本发明使用这种高介电常数、低介质损耗的微波陶瓷材料可以实现天线的微型化设计。

进一步地，所述分形阵列复合螺旋辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。

综上，本发明使用了复合螺旋结构，将平面等角螺旋结构和阿基米德螺旋结构相结合，能够兼具两种螺旋结构的优点，天线的始端为阿基米德螺旋结构，具有较大的工作带宽和稳定的频率特性；天线的终端为平面等角螺旋结构，电流在其上迅速衰减，满足截断要求，保证了天线具有较小的尺寸。为了进一步提高天线的辐射性能和带宽性能，本发明使用复合螺旋天线作为阵元，按照谢尔宾斯基分形阵列结构排列组成天线阵列。这种组阵方法可以充分发挥分形结构自相似性的优点，多个阵元天线的辐射能够同相叠加，天线具有较高的辐射强度和超宽的工作带宽，可以实现对GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、第五代移动通信候选频段等移动通信制式的所有工作频段的兼容。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1.本发明设计的复合螺旋结构，将平面等角螺旋结构和阿基米德螺旋结构相结合，能够兼具两种螺旋结构的优点，天线的始端为阿基米德螺旋结构，保证具有较大的工作带宽；天线的终端为平面等角螺旋结构，保证电流在天线终端迅速衰减，满足截断要求。使用复合螺旋天线作为阵元，按照谢尔宾斯基分形阵列结构排列组成天线阵列，可以进一步提高天线的辐射性能和带宽性能，实现对GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、第五代移动通信候选频段等移动通信制式的所有工作频段的兼容。

2.天线实测结果显示，本发明的天线的工作频带范围为0.782～5.434 GHz，天线工作带宽为4.652 GHz，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-26.54 dB。实测结果显示，该款天线完全覆盖了905～915 MHz、950～960 MHz、1710～1785 MHz、1805～1880 MHz、1880～1920 MHz、1920～1980 MHz、2010～2025 MHz、2110～2170 MHz 、2300～2400 MHz、2570～2620 MHz、3300～3400 MHz、4400～4500 MHz、4800～4990 MHz 等第二代、第三代、第四代、第五代移动通信频段。

3.与用于移动通信的常规阵列天线比较，本发明的天线具有突出的优点和显著的效果：天线尺寸较小，在拥有64个复合螺旋阵元天线的情况下，天线尺寸只有31.5mm×31.5mm，天线厚度只有1mm，能够放入移动通信终端设备里；天线辐射强度大，回波损耗最小值低达-26.54 dB，保证了天线对移动通信无线信号有较好的传输效果；天线工作带宽达到4.652 GHz，实现了对GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、第五代移动通信候选频段等移动通信制式的所有工作频段的兼容。该款天线同时满足小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的要求。

附图说明

图1为本发明实施例的谢尔宾斯基分形结构的迭代过程示意图。

图2为本发明实施例的复合螺旋小天线的结构示意图。

图3为本发明实施例的辐射贴片结构示意图。

图4为本发明实施例的回波损耗(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。

本实施例提供了一种分形阵列复合螺旋天线，包括基板和贴覆在基板正面的分形阵列复合螺旋辐射贴片，所述分形阵列复合螺旋辐射贴片包括由64个复合螺旋小天线按照谢尔宾斯基分形阵列结构排列组成的天线阵列。

在本实施例中，所述复合螺旋小天线的大小为3.5mm±0.1mm×3.5mm±0.1mm。

如图2所示，在本实施例中，所述复合螺旋小天线由阿基米德螺旋结构和平面等角螺旋结构组合而成，其中复合螺旋小天线的始端为阿基米德螺旋结构，复合螺旋小天线的终端为平面等角螺旋结构。平面等角螺旋天线的螺旋增长率较快，臂上电流在流过约一个周长后，迅速衰减到20 dB以下，产生终端弱效应，存在电流截断效应，天线螺旋臂只需要旋转1-2个周期，天线尺寸较小。而阿基米德螺旋天线由于其螺旋增长率缓慢，电流分布均匀性要优于平面等角螺旋天线，工作带宽更大，频率特性更稳定，然而其电流在工作区后不明显减小，不能满足截断要求，天线螺旋臂需要旋转10个周期以上，导致天线需要较大的尺寸。本发明设计的复合螺旋天线结合了两种螺旋天线的优点，天线的始端为阿基米德螺旋结构，具有较大的工作带宽和稳定的频率特性；天线的终端为平面等角螺旋结构，电流在其上迅速衰减，满足截断要求，保证了天线具有较小的尺寸。

在本实施例中，所述分形阵列复合螺旋辐射贴片采用谢尔宾斯基分形阵列结构作为基本阵列排布结构，在其内部的每个小正方形区域放置一个复合螺旋小天线。

在本实施例中，所述谢尔宾斯基分形阵列结构采用至少2阶的谢尔宾斯基分形结构。

较佳的，在本实施例中，分形几何是通过迭代产生的具有自相似特性的几何结构，它的整体与局部之间以及局部与局部之间都具有自相似性，天线的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合。与传统电磁器件相比，基于分形结构的电磁器件具有小型化、宽频带、多频工作、自加载等优点，能够很好的满足移动通信系统对电磁器件的性能要求。分形阵列是将多个阵元天线按照分形迭代规律排布为天线阵列的组阵方法，可以充分发挥分形结构自相似性的优点，在通过组阵增强天线辐射强度的同时，保证天线阵列具有较大的工作带宽。

如图1所示，谢尔宾斯基分形结构的迭代过程为：其原始结构为正方形，将其等分为3行3列9个小正方形，将等分后居中的那个正方形区域挖空为正方形孔，剩下8个等分的正方形区域，则得到1阶谢尔宾斯基分形结构。将1阶谢尔宾斯基分形结构的8个正方形区域分别再做谢尔宾斯基分形迭代，则得到2阶谢尔宾斯基分形结构。按照这种方法继续迭代，则可得到高阶谢尔宾斯基分形结构。阵列天线使用谢尔宾斯基分形结构作为阵列排布结构时，在谢尔宾斯基分形结构内部每个小正方形区域放置一个阵元天线。

在本实施例中，所述复合螺旋小天线由两条对称的螺旋臂组成，每个复合螺旋小天线的两条螺旋臂的对称中心线上开设有断开间隙，在每个断开间隙的两侧设有天线馈电点。

在本实施例中，所述基板为低损耗微波陶瓷基板。

在本实施例中，所述低损耗微波陶瓷基板的相对介电常数为80-90。

在本实施例中，所述基板的形状为矩形，所述基板的尺寸为31.5mm±1mm×31.5mm±1mm，所述基板的厚度为1mm±0.1mm。

在本实施例中，所述分形阵列复合螺旋辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。

如图3所示，本实施例上设有分形阵列复合螺旋辐射贴片，贴覆在介质基板正面，辐射贴片结构如图3所示。本实施例使用尺寸为31.5mm±1mm ×31.5mm±1mm的2阶谢尔宾斯基分形结构作为基本阵列排布结构，在其内部每个尺寸为3.5mm×3.5mm的小正方形区域放置一个复合螺旋小天线，组成分形阵列复合螺旋辐射贴片。复合螺旋小天线由阿基米德螺旋结构和平面等角螺旋结构组合而成，复合螺旋小天线的始端为阿基米德螺旋结构，复合螺旋小天线的终端为平面等角螺旋结构。

其中，天线介质基板为低损耗微波陶瓷基板，其相对介电常数为80-90，介质基板形状为矩形，尺寸是31.5mm±1mm×31.5mm±1mm，厚度为1mm±0.1mm。

图4为本实施例的回波损耗(S11)性能图。从图4可以看出，实测结果显示该款天线的工作频带范围为0.782～5.434 GHz，天线工作带宽为4.652 GHz，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-26.54 dB。实测结果显示，该款天线能够兼容第二代、第三代、第四代、第五代移动通信频段，能够同时覆盖905～915 MHz、950～960MHz、1710～1785 MHz、1805～1880 MHz、1880～1920 MHz、1920～1980 MHz、2010～2025MHz、2110～2170 MHz 、2300～2400 MHz、2570～2620 MHz、3300～3400 MHz、4400～4500MHz、4800～4990 MHz 等多个通信频段，同时满足小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的要求。

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

1.一种分形阵列复合螺旋天线，其特征在于：包括基板和贴覆在基板正面的分形阵列复合螺旋辐射贴片，所述分形阵列复合螺旋辐射贴片包括由64个复合螺旋小天线按照谢尔宾斯基分形阵列结构排列组成的天线阵列。

2.根据权利要求1所述的一种分形阵列复合螺旋天线，其特征在于：所述复合螺旋小天线的大小为3.5mm±0.1mm×3.5mm±0.1mm。

3.根据权利要求1所述的一种分形阵列复合螺旋天线，其特征在于：所述复合螺旋小天线由阿基米德螺旋结构和平面等角螺旋结构组合而成，其中复合螺旋小天线的始端为阿基米德螺旋结构，复合螺旋小天线的终端为平面等角螺旋结构。

4.根据权利要求1所述的一种分形阵列复合螺旋天线，其特征在于：所述分形阵列复合螺旋辐射贴片采用谢尔宾斯基分形阵列结构作为基本阵列排布结构，在其内部的每个小正方形区域放置一个复合螺旋小天线。

5.根据权利要求4所述的一种分形阵列复合螺旋天线，其特征在于：所述谢尔宾斯基分形阵列结构采用至少2阶的谢尔宾斯基分形结构。

6.根据权利要求1所述的一种分形阵列复合螺旋天线，其特征在于：所述复合螺旋小天线由两条对称的螺旋臂组成，每个复合螺旋小天线的两条螺旋臂的对称中心线上开设有断开间隙，在每个断开间隙的两侧设有天线馈电点。

7.根据权利要求1所述的一种分形阵列复合螺旋天线，其特征在于：所述基板为低损耗微波陶瓷基板。

8.根据权利要求7所述的一种分形阵列复合螺旋天线，其特征在于：所述低损耗微波陶瓷基板的相对介电常数为80-90。

9.根据权利要求1所述的一种分形阵列复合螺旋天线，其特征在于：所述基板的形状为矩形，所述基板的尺寸为31.5mm±1mm×31.5mm±1mm，所述基板的厚度为1mm±0.1mm。

10.根据权利要求1所述的一种分形阵列复合螺旋天线，其特征在于：所述分形阵列复合螺旋辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。