CN106911009B

CN106911009B - 用于移动通信的光子晶体分形阵列天线

Info

Publication number: CN106911009B
Application number: CN201710098838.2A
Authority: CN
Inventors: 林斌; 张培涛; 蔡沅坤; 叶广雅; 毛云海; 林畅; 张宇
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: 2019-12-20
Anticipated expiration: 2037-02-23
Also published as: CN106911009A

Abstract

本发明涉及一种用于移动通信的光子晶体分形阵列天线，该天线包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的光子晶体分形阵列辐射贴片，所述天线接地板为全金属接地结构，所述光子晶体分形阵列辐射贴片是由144个光子晶体小天线按照康托尔分形阵列结构排列组成的天线阵列。其中，该天线使用尺寸为32mm±1mm×32mm±1mm的2阶康托尔分形结构作为基本阵列排布结构，在其内部144个尺寸为2mm×2mm的小正方形区域放置一个光子晶体小天线，组成光子晶体分形阵列辐射贴片。本发明提供的光子晶体分形阵列天线同时覆盖多种移动通信制式的工作频段，并且能够放入移动通信手机里，同时满足小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的要求。

Description

用于移动通信的光子晶体分形阵列天线

技术领域

本发明涉及多频段兼容移动通信手机天线领域，特别是涉及一种用于移动通信的光子晶体分形阵列天线。

背景技术

移动通信是无线技术的最重要应用之一，能够支撑多频段、多标准、多模式的移动通信技术，是面向未来我国无线通信应用事业发展的核心关键技术。目前，GSM制式的通信频段为 905～915MHz、950～960MHz、1710～1785 MHz、1805～1880 MHz，TD-SCDMA制式的通信频段为1880～1920 MHz、2010～2025 MHz、2300～2400 MHz，WCDMA制式的通信频段为1920～1980 MHz、2110～2170 MHz。目前，第四代移动通信技术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2570～2620 MHz。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，国际电信联盟2015年已初步确定第五代移动通信的候选频段为3300～3400 MHz、4400～4500 MHz、4800～4990 MHz。

多代移动通信系统将在很长的一段时间内共存，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905～915MHz、950～960MHz、1710～1785 MHz、1805～1880MHz、1880～1920 MHz、1920～1980 MHz、2010～2025 MHz、2110～2170 MHz 、2300～2400MHz、2570～2620 MHz、3300～3400 MHz、4400～4500 MHz、4800～4990 MHz 等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，能够放入移动通信终端设备里，同时满足小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的要求。

要实现天线的宽频带和小型化设计，使用具有自相似性和尺寸压缩效果的分形结构是一种很好的选择。使用现有的分形结构设计移动通信天线，可以实现小型化、高辐射强度、宽频带工作这三个设计目标中的一个，但是难以同时实现三个设计目标。第四代、第五代移动通信对天线宽频带工作的要求比第二代、第三代移动通信更高，而目前最新的手机预留给天线的尺寸却比以往更小。在尺寸受限的条件下，要实现分形天线的宽频带工作，就需要对现有的分形结构进行改进。现有的分形结构迭代时依靠边沿曲线的不断折叠或对内部结构进行有规律的“挖洞”，其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。

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表面分形结构间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。

复合分形结构虽然具有较好的宽频带工作特性，但毕竟是单体天线，本课题组设计的三款复合分形天线虽然工作带宽较大，但只是覆盖了第四代、第五代移动通信频段，未能实现对第二代、第三代、第四代、第五代移动通信频段的同时覆盖。

本专利申请的技术是分形阵列天线，以具有良好的宽频带工作特性的144个光子晶体小天线作为阵元，按照康托尔分形阵列结构排列组成天线阵列。这种阵列天线兼具光子晶体结构和分形结构的优点，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，可以同时覆盖第二代、第三代、第四代、第五代移动通信频段。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于移动通信的光子晶体分形阵列天线，能够同时覆盖905～915MHz、950～960MHz、1710～1785 MHz、1805～1880 MHz、1880～1920MHz、1920～1980 MHz、2010～2025 MHz、2110～2170 MHz 、2300～2400 MHz、2570～2620MHz、3300～3400 MHz、4400～4500 MHz、4800～4990 MHz 等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，能够放入移动通信手机里，同时满足小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的要求。

本发明采用以下方案实现：一种用于移动通信的光子晶体分形阵列天线，该天线包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的光子晶体分形阵列辐射贴片，所述天线接地板为全金属接地结构，所述光子晶体分形阵列辐射贴片是由144个光子晶体小天线按照康托尔分形阵列结构排列组成的天线阵列。

进一步地，所述光子晶体小天线的大小为1.4mm±0.1mm1.4mm±0.1mm。

进一步地，所述光子晶体小天线是在正方形金属贴片上开出3行3列共九个正方形孔组成的，每个正方形孔的大小为0.2mm0.2mm，第一行正方形孔与正方形金属贴片上边沿之间的距离、第一行正方形孔与第二行正方形孔之间的距离、第二行正方形孔与第三行正方形孔之间的距离、第三行正方形孔与正方形金属贴片下边沿之间的距离都为0.2mm，第一列正方形孔与正方形金属贴片左边沿之间的距离、第一列正方形孔与第二列正方形孔之间的距离、第二列正方形孔与第三列正方形孔之间的距离、第三列正方形孔与正方形金属贴片右边沿之间的距离都为0.2mm。

进一步地，所述光子晶体分形阵列辐射贴片使用康托尔分形阵列结构作为基本阵列排布结构，在其内部每个小正方形区域放置一个光子晶体小天线。

进一步地，所述康托尔分形阵列结构为至少2阶的康托尔分形结构。

进一步地，所述每个光子晶体小天线的底部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。

进一步地，所述低损耗微波陶瓷基板的相对介电常数为70-80。

进一步地，所述基板的形状为矩形，尺寸是32mm±1mm×32mm±1mm，厚度为1mm±0.1mm。

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。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：该天线使用具有宽频带工作特性的光子晶体小天线作为阵元，按照康托尔分形阵列结构排列组成天线阵列，可以将光子晶体结构和分形结构的优点相结合，得到具有优异的宽频带工作特性的光子晶体分形阵列天线，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。

天线实测结果显示，该款天线的工作频带范围为0.772～6.184 GHz，工作带宽为5.412 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-22.14 dB。实测结果显示，该款天线完全覆盖了905～915MHz、950～960MHz、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。

与用于移动通信的常规阵列天线比较，该款天线具有突出的优点和显著的效果：天线使用了高介电常数低损耗微波陶瓷基板作为介质基板，在拥有较好的辐射性能的同时，成功的实现了天线的小型化，在拥有144个光子晶体阵元小天线的情况下，天线尺寸只有32mm×32mm，天线厚度只有1mm，属于超薄手机天线，能够放进各类移动通信手机里；天线回波损耗较低，且在工作频带内回波损耗值变化较为平稳，天线工作带宽达到5.412 GHz，天线性能冗余较大，保证了天线在各种不可预知的恶劣环境下对移动通信手机信号都能有较好的传输效果。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，能够同时用于第二代、第三代、第四代、第五代移动通信系统。

附图说明

图1是本发明实施例中光子晶体分形阵列天线的结构示意图。

图2是本发明实施例中光子晶体小天线结构示意图。

图3是本发明实施例中康托尔分形结构的迭代过程示意图。

图4是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。

本实施例提供一种用于移动通信的光子晶体分形阵列天线，如图1所示，该天线包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的光子晶体分形阵列辐射贴片，所述天线接地板为全金属接地结构，所述光子晶体分形阵列辐射贴片是由144个光子晶体小天线按照康托尔分形阵列结构排列组成的天线阵列。

在本实施例中，所述光子晶体小天线的大小为1.4mm±0.1mm1.4mm±0.1mm，其结构如图2所示。

在本实施例中，所述光子晶体小天线是在正方形金属贴片上开出3行3列共九个正方形孔组成的，每个正方形孔的大小为0.2mm0.2mm，第一行正方形孔与正方形金属贴片上边沿之间的距离、第一行正方形孔与第二行正方形孔之间的距离、第二行正方形孔与第三行正方形孔之间的距离、第三行正方形孔与正方形金属贴片下边沿之间的距离都为0.2mm，第一列正方形孔与正方形金属贴片左边沿之间的距离、第一列正方形孔与第二列正方形孔之间的距离、第二列正方形孔与第三列正方形孔之间的距离、第三列正方形孔与正方形金属贴片右边沿之间的距离都为0.2mm。

光子晶体是一种介质在另一种介质中周期排列所组成的周期结构。光子晶体产生的光子带隙能够全部或部分阻碍电磁波的传播。在天线设计中使用光子晶体结构时，经过严格设计，可以使光子晶体产生的光子带隙频率与天线的工作中心频率一致，这时光子带隙将部分阻止天线在原工作中心频率的能量辐射，使能量扩散到附近的频率辐射，从而增加了天线辐射能量的频率范围，增大天线的工作带宽。因此在设计中使用光子晶体小天线作为天线阵列的阵元，保证了天线具有良好的宽频带工作特性。

在本实施例中，所述光子晶体分形阵列辐射贴片使用康托尔分形阵列结构作为基本阵列排布结构，在其内部每个小正方形区域放置一个光子晶体小天线。

在本实施例中，所述康托尔分形阵列结构使用至少2阶的康托尔分形结构。

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。

在本实施例中，康托尔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，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。阵列天线使用康托尔分形结构作为阵列排布结构时，在康托尔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，如图1所示，使用尺寸为32mm±1mm ×32mm±1mm的2阶康托尔分形结构作为基本阵列排布结构，在其内部144个尺寸为2mm×2mm的小正方形区域放置一个光子晶体小天线，组成光子晶体分形阵列辐射贴片。

在本实施例中，所述每个光子晶体小天线的底部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，其相对介电常数为70-80。所述基板的形状为矩形，尺寸是32mm±1mm×32mm±1mm，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，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。

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。

在本实施例中，图4给出了本发明实施例的回波损耗(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0.772～6.184 GHz，工作带宽为5.412 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-22.14 dB。实测结果显示，该款天线完全覆盖了905～915MHz、950～960MHz、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。该款天线成功实现了第二代、第三代、第四代、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

1.一种用于移动通信的光子晶体分形阵列天线，其特征在于：该天线包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的光子晶体分形阵列辐射贴片，所述天线接地板为全金属接地结构，所述光子晶体分形阵列辐射贴片是由144个光子晶体小天线按照康托尔分形阵列结构排列组成的天线阵列；

其中，所述光子晶体小天线是在正方形金属贴片上开出3行3列共九个正方形孔组成的，每个正方形孔的大小为0.2mm0.2mm，第一行正方形孔与正方形金属贴片上边沿之间的距离、第一行正方形孔与第二行正方形孔之间的距离、第二行正方形孔与第三行正方形孔之间的距离、第三行正方形孔与正方形金属贴片下边沿之间的距离都为0.2mm，第一列正方形孔与正方形金属贴片左边沿之间的距离、第一列正方形孔与第二列正方形孔之间的距离、第二列正方形孔与第三列正方形孔之间的距离、第三列正方形孔与正方形金属贴片右边沿之间的距离都为0.2mm。

2.根据权利要求1所述的一种用于移动通信的光子晶体分形阵列天线，其特征在于：所述光子晶体小天线的大小为1.4mm±0.1mm1.4mm±0.1mm。

3.根据权利要求1所述的用于移动通信的光子晶体分形阵列天线，其特征在于：所述光子晶体分形阵列辐射贴片使用康托尔分形阵列结构作为基本阵列排布结构，在其内部每个小正方形区域放置一个光子晶体小天线。

4.根据权利要求3所述的用于移动通信的光子晶体分形阵列天线，其特征在于：所述康托尔分形阵列结构为至少2阶的康托尔分形结构。

5.根据权利要求1所述的一种用于移动通信的光子晶体分形阵列天线，其特征在于：所述每个光子晶体小天线的底部边沿中心设有天线馈电点。

6.根据权利要求1所述的一种用于移动通信的光子晶体分形阵列天线，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所述的一种用于移动通信的光子晶体分形阵列天线，其特征在于：所述低损耗微波陶瓷基板的相对介电常数为70-80。

8.根据权利要求1所述的一种用于移动通信的光子晶体分形阵列天线，其特征在于：所述基板的形状为矩形，尺寸是32mm±1mm×32mm±1mm，厚度为1mm±0.1mm。

9.根据权利要求1所述的一种用于移动通信的光子晶体分形阵列天线，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。