CN106981723B - 一种分形阵列仿生超宽带天线 - Google Patents

一种分形阵列仿生超宽带天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分形阵列仿生超宽带天线，具体包括基板和贴覆在所述基板正面的分形阵列仿生辐射贴片；所述分形阵列仿生辐射贴片是由25个光子晶体蝙蝠翼仿生小天线按照十字分形阵列结构排列组成的天线阵列。本发明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。

Description

一种分形阵列仿生超宽带天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是一种分形阵列仿生超宽带天线。
背景技术
超宽带（UWB）通信技术是目前国际上电子通信科研领域的研究热点之一。本世纪初发展的新型通信技术开始将UWB应用于民用高速、近距离无线通信领域，并取得了较快发展，凭借高速率、低功耗、低成本等优势，UWB短距离通信技术标准已经开始对蓝牙的传统领域提出了挑战。其除了具备蓝牙技术现有的特点外，还具有速率高、耗电省（不到现有无线技术的1%）、成本更低等优点，也将是未来短距离无线互联的主要手段之一，具有极其广阔的应用领域和市场前景。在国家863计划长期持续支持下，我国在超宽带无线通信关键技术研发方面已经取得了重要进展，初步形成了芯片、软件和应用系统的开发能力，具备了针对行业需求开展系统级研发和应用创新的技术条件。美国联邦通信委员会（FCC）确定的超宽带(UWB)通信的频段为3.100～10.600 GHz，这一标准现在已成为超宽带通信系统天线的国际标准。超宽带通信系统要求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，具有较大的性能冗余，能够在各种不可预知的恶劣电磁环境下保证无线通信信号的传输质量。
射频识别技术是一种非接触式的自动无线电识别技术，它通过无线射频信号自动识别目标对象并采集相关数据，识别工作无需人工操作，且无需顾虑恶劣的工作环境。射频识别技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便，正在逐步替代条形码技术，在电子商务、自动化控制、交通运输等多个领域有着广泛的应用。目前，射频识别技术最具有应用前景的频段为0.902～0.928 GHz、2.400～2.4835 GHz和5.725～5.875 GHz。
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，我国的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 年移动互联网流量高速增长的发展需求，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 0.905～0.915 GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785 GHz、1.805～1.880 GHz频段，TD-SCDMA 1.880～1.920 GHz、2.010～2.025GHz、2.300～2.400 GHz频段，WCDMA 1.920～1.980 GHz、2.110～2.170 GHz频段，TD-LTE2.570～2.620 GHz频段，第五代移动通信3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz、4.800～4.990 GHz候选频段，并满足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。
移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统都是基于射频无线信号的通信系统，彼此之间具有很大的相通性。如果能设计一款天线，同时覆盖第二代移动通信GSM制式0.905～0.915 GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785 GHz、1.805～1.880 GHz频段，第三代移动通信TD-SCDMA制式1.880～1.920 GHz、2.010～2.025 GHz、2.300～2.400 GHz频段，第三代移动通信WCDMA制式1.920～1.980 GHz、2.110～2.170 GHz频段，第四代移动通信TD-LTE制式 2.570～2.620 GHz频段，第五代移动通信3.300～3.400 GHz、4.400～4.500GHz、4.800～4.990 GHz三个候选频段，射频识别系统0.902～0.928 GHz、2.400～2.4835GHz、5.725～5.875 GHz三个常用频段，超宽带通信系统3.100～10.600 GHz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，就能够实现对第二代、第三代、第四代、第五代移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统的兼容。使用该款天线后，智能手机可以和射频识别读写器、超宽带通信终端设备结合在一起，可实现多种无线通信终端的整合。
目前在生物科学领域，研究人员对很多生物(例如蝙蝠、海豚)的声纳系统的研究已经取得重大进展。在工程技术领域，很多已应用的和正在发展中的技术(例如水下声纳技术、医学诊断中的超声技术以及机器人定位识别技术)都推动了仿生声纳技术的发展。超声波和电磁波的传播遵循同样的物理定律，将仿生设计方法应用到微波波段，可以帮助人类提高天线的性能，设计出更高性能的仿生天线。
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。
分形结构是通过迭代产生的自相似几何结构，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。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。
与本申请技术最接近的现有技术是仿生超宽带天线，目前已有一项发明专利授权：
1. 刘英、龚书喜、姜文、李延平、洪涛、王文涛，低雷达散射截面的超宽带仿生天线，专利号：200910023245.5，已于2012年9月5日授权。
该项专利使用类似昆虫触角的仿生辐射结构，与本申请的蝙蝠翼仿生辐射结构完全不同。该项专利未使用光子晶体结构。该项专利申请的是单体天线，而本申请将光子晶体蝙蝠翼仿生小天线，按照十字分形阵列结构排列组成阵列天线。
本申请的技术使用了蝙蝠翼仿生辐射结构，它由多对微带开路线对称振子和微带短路线共同组成。微带开路线对称振子的容抗与微带短路线的感抗相互补偿，从而使得各振子都有相近的输入阻抗和辐射阻抗，保证了各振子都得到相近的激励和辐射，各振子的工作频带叠加，保证天线具有很宽的工作频带。本申请在蝙蝠翼仿生小天线的每个对称振子臂上的0.05mm×0.05mm正方形金属区域，都使用了光子晶体结构，利用光子晶体结构的光子带隙进一步展宽天线的工作频带。
光子晶体蝙蝠翼仿生小天线虽然能够实现完全覆盖第二代、第三代、第四代、第五代移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统工作频段，但其毕竟只是单体天线，辐射能量有限，辐射能量分布在如此宽的工作频带上，会造成天线辐射强度较弱。多个阵元天线通过组阵的方法形成天线阵列，可以有效的增强天线辐射强度。本申请使用光子晶体蝙蝠翼仿生小天线作为阵元，按照十字分形阵列结构排列组成分形天线阵列，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。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种分形阵列仿生超宽带天线，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。
本发明采用以下方案实现：一种分形阵列仿生超宽带天线，具体包括基板和贴覆在所述基板正面的分形阵列仿生辐射贴片；所述分形阵列仿生辐射贴片是由25个光子晶体蝙蝠翼仿生小天线按照十字分形阵列结构排列组成的天线阵列。
进一步地，所述光子晶体蝙蝠翼仿生小天线的大小为2.0mm±0.01mm×2.0mm±0.01mm。
进一步地，所述光子晶体蝙蝠翼仿生小天线由9对平行对称振子构成，每对平行对称振子的长度分别为0.85mm±0.01mm、0.70mm±0.01mm、0.55mm±0.01mm、0.40mm±0.01mm、0.25mm±0.01mm、0.40mm±0.01mm、0.55mm±0.01mm、0.70mm±0.01mm、0.85mm±0.01mm。
较佳的，蝙蝠翼仿生小天线的谐振结构由微带开路线对称振子和微带短路线共同组成。从两侧向中间，微带开路线对称振子的臂长逐渐减短，其容抗逐渐增大；与其对应的微带短路线长度逐渐增加，其感抗也逐渐增大，与微带开路线对称振子容抗相互补偿，从而使得各振子都有相近的输入阻抗和辐射阻抗，保证了各振子都得到相近的激励和辐射，各振子的谐振频率接近，工作频带叠加，从而形成天线的宽频带辐射。
进一步地，所述光子晶体蝙蝠翼仿生小天线的每个平行对称振子臂上的0.05mm×0.05mm正方形金属区域都使用了光子晶体结构，所述光子晶体结构是在正方形金属区域开出2行2列共4个正方形孔组成的，每个正方形孔的大小为0.01mm×0.01mm。
较佳的，在蝙蝠翼仿生小天线上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。
进一步地，所述分形阵列仿生辐射贴片使用十字分形阵列结构作为基本阵列排布结构，在阵列内部的每个小正方形区域放置一个光子晶体蝙蝠翼仿生小天线。
进一步地，所述十字分形阵列结构使用至少2阶的十字分形结构。
特别的，十字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，将左上角、左下角、右上角、右下角四个小正方形挖去，剩下5个等分的正方形区域，则得到1阶十字分形结构。将1阶十字分形结构的5个正方形区域分别再做十字分形迭代，则得到2阶十字分形结构。按照这种方法继续迭代，则可得到高阶十字分形结构。
进一步地，所述每个光子晶体蝙蝠翼仿生小天线的几何中心位置两侧均设有馈电点。
进一步地，所述基板为低损耗微波陶瓷基板，其相对介电常数为60-70。
进一步地，所述基板的形状为矩形，尺寸是18mm±0.05mm×18mm±0.05mm，厚度为0.5mm±0.05mm。
进一步地，所述仿生辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。
本发明使用具有宽频带工作特性的蝙蝠翼仿生小天线作为阵元，在蝙蝠翼仿生小天线上使用光子晶体结构进一步增大天线工作带宽。将阵元天线按照十字分形阵列结构排列组成天线阵列，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，得到具有优异的宽频带工作特性的分形阵列仿生超宽带天线，实现对第二代、第三代、第四代、第五代移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统的兼容。
天线实测结果显示，本发明天线的工作频带范围为0.728～12.739 GHz，工作带宽为12.011 GHz，带宽倍频程为17.49，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-23.18 dB。实测结果显示，本发明的天线完全覆盖了第二代移动通信GSM制式 0.905～0.915 GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785 GHz、1.805～1.880 GHz频段，第三代移动通信TD-SCDMA制式1.880～1.920 GHz、2.010～2.025 GHz、2.300～2.400 GHz频段，第三代移动通信WCDMA制式 1.920～1.980 GHz、2.110～2.170 GHz频段，第四代移动通信TD-LTE制式 2.570～2.620 GHz频段，第五代移动通信3.300～3.400 GHz、4.400～4.500GHz、4.800～4.990 GHz三个候选频段，射频识别系统0.902～0.928 GHz、2.400～2.4835GHz、5.725～5.875 GHz三个常用频段，超宽带通信系统3.100～10.600 GHz频段。
与用于移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统的常规天线比较，本发明的天线具有突出的优点和显著的效果：本发明的天线尺寸仅为18 mm×18 mm×0.5 mm，不到常规天线尺寸的四分之一，在小型化方面有独特的优势；本发明的天线用一个很宽的工作频段完全覆盖了第二代至第五代移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统工作频段，天线性能远远优于用多个工作频段叠加的方式实现覆盖的常规超宽带天线；本发明的天线的带宽倍频程高达17.49，低频段辐射性能较好，解决了常规超宽带天线较难在2GHz以下频段工作的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中十字分形结构的迭代过程。
图2为本发明实施例中光子晶体蝙蝠翼仿生小天线的结构。
图3为本发明实施例中分形阵列仿生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仿生超宽带天线，具体包括基板和贴覆在所述基板正面的分形阵列仿生辐射贴片；所述分形阵列仿生辐射贴片是由25个光子晶体蝙蝠翼仿生小天线按照十字分形阵列结构排列组成的天线阵列。
在本实施例中，所述光子晶体蝙蝠翼仿生小天线的大小为2.0mm±0.01mm×2.0mm±0.01mm。
如图2所示，在本实施例中，所述光子晶体蝙蝠翼仿生小天线由9对平行对称振子构成，每对平行对称振子的长度分别为0.85mm±0.01mm、0.70mm±0.01mm、0.55mm±0.01mm、0.40mm±0.01mm、0.25mm±0.01mm、0.40mm±0.01mm、0.55mm±0.01mm、0.70mm±0.01mm、0.85mm±0.01mm。
较佳的，在本实施例中，蝙蝠翼仿生小天线的谐振结构由微带开路线对称振子和微带短路线共同组成。从两侧向中间，微带开路线对称振子的臂长逐渐减短，其容抗逐渐增大；与其对应的微带短路线长度逐渐增加，其感抗也逐渐增大，与微带开路线对称振子容抗相互补偿，从而使得各振子都有相近的输入阻抗和辐射阻抗，保证了各振子都得到相近的激励和辐射，各振子的谐振频率接近，工作频带叠加，从而形成天线的宽频带辐射。
在本实施例中，所述光子晶体蝙蝠翼仿生小天线的每个平行对称振子臂上的0.05mm×0.05mm正方形金属区域都使用了光子晶体结构，所述光子晶体结构是在正方形金属区域开出2行2列共4个正方形孔组成的，每个正方形孔的大小为0.01mm×0.01mm。
较佳的，在本实施例中，在蝙蝠翼仿生小天线上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。
在本实施例中，所述分形阵列仿生辐射贴片使用十字分形阵列结构作为基本阵列排布结构，在阵列内部的每个小正方形区域放置一个光子晶体蝙蝠翼仿生小天线。
在本实施例中，所述十字分形阵列结构使用至少2阶的十字分形结构。
特别的，如图1所示，在本实施例中，十字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，将左上角、左下角、右上角、右下角四个小正方形挖去，剩下5个等分的正方形区域，则得到1阶十字分形结构。将1阶十字分形结构的5个正方形区域分别再做十字分形迭代，则得到2阶十字分形结构。按照这种方法继续迭代，则可得到高阶十字分形结构。
在本实施例中，所述每个光子晶体蝙蝠翼仿生小天线的几何中心位置两侧均设有馈电点。
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60-70。
在本实施例中，所述基板的形状为矩形，尺寸是18mm±0.05mm×18mm±0.05mm，厚度为0.5mm±0.05mm。
在本实施例中，所述仿生辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。
更加具体的，如图3所示，本实施例上设有基板和贴覆在基板正面的分形阵列仿生辐射贴片。本实施例使用尺寸为18mm±0.05mm×18mm±0.05mm的2阶十字分形结构作为基本阵列排布结构，在其内部25个尺寸为2mm×2mm的小正方形区域放置一个光子晶体蝙蝠翼仿生小天线，组成分形阵列仿生辐射贴片。
每个光子晶体蝙蝠翼仿生小天线的大小为2.0mm±0.01mm×2.0mm±0.01mm，它由9对平行对称振子构成，每对平行对称振子的长度分别为0.85mm±0.01mm、0.70mm±0.01mm、0.55mm±0.01mm、0.40mm±0.01mm、0.25mm±0.01mm、0.40mm±0.01mm、0.55mm±0.01mm、0.70mm±0.01mm、0.85mm±0.01mm。光子晶体蝙蝠翼仿生小天线的每个平行对称振子臂上的0.05mm×0.05mm正方形金属区域，都使用了光子晶体结构，该结构是在正方形金属区域开出2行2列共4个正方形孔组成的，每个正方形孔的大小为0.01mm× 0.01mm。
天线基板为低损耗微波陶瓷基板，其相对介电常数为60-70，基板的形状为矩形，尺寸是18mm±0.05mm×18mm±0.05mm，厚度为0.5mm±0.05mm。
图4给出了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，本实施例的天线的工作频带范围为0.728～12.739 GHz，工作带宽为12.011 GHz，带宽倍频程为17.49，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-23.18 dB。实测结果显示，该款天线完全覆盖了第二代移动通信GSM制式 0.905～0.915 GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785 GHz、1.805～1.880 GHz频段，第三代移动通信TD-SCDMA制式1.880～1.920 GHz、2.010～2.025 GHz、2.300～2.400 GHz频段，第三代移动通信WCDMA制式1.920～1.980 GHz、2.110～2.170 GHz频段，第四代移动通信TD-LTE制式2.570～2.620GHz频段，第五代移动通信3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz、4.800～4.990 GHz三个候选频段，射频识别系统0.902～0.928 GHz、2.400～2.4835 GHz、5.725～5.875 GHz三个常用频段，超宽带通信系统3.100～10.600 GHz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，能够实现对第二代、第三代、第四代、第五代移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统的兼容。
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 (5)

1.一种分形阵列仿生超宽带天线，其特征在于：包括基板和贴覆在所述基板正面的分形阵列仿生辐射贴片；所述分形阵列仿生辐射贴片是由25个光子晶体蝙蝠翼仿生小天线按照十字分形阵列结构排列组成的天线阵列；
所述光子晶体蝙蝠翼仿生小天线的大小为2.0mm±0.01mm×2.0mm±0.01mm；
所述光子晶体蝙蝠翼仿生小天线由9对平行对称振子构成，每对平行对称振子的长度分别为0.85mm±0.01mm、0.70mm±0.01mm、0.55mm±0.01mm、0.40mm±0.01mm、0.25mm±0.01mm、0.40mm±0.01mm、0.55mm±0.01mm、0.70mm±0.01mm、0.85mm±0.01mm；
所述光子晶体蝙蝠翼仿生小天线的每个平行对称振子臂上的0.05mm×0.05mm正方形金属区域都使用了光子晶体结构，所述光子晶体结构是在正方形金属区域开出2行2列共4个正方形孔组成的，每个正方形孔的大小为0.01mm×0.01mm；
所述分形阵列仿生辐射贴片使用十字分形阵列结构作为基本阵列排布结构，在阵列内部的每个小正方形区域放置一个光子晶体蝙蝠翼仿生小天线；
所述十字分形阵列结构使用至少2阶的十字分形结构。
2.根据权利要求1所述的一种分形阵列仿生超宽带天线，其特征在于：所述每个光子晶体蝙蝠翼仿生小天线的几何中心位置两侧均设有馈电点。
3.根据权利要求1或2所述的一种分形阵列仿生超宽带天线，其特征在于：所述基板为低损耗微波陶瓷基板，其相对介电常数为60-70。
4.根据权利要求1或2所述的一种分形阵列仿生超宽带天线，其特征在于：所述基板的形状为矩形，尺寸是18mm±0.05mm×18mm±0.05mm，厚度为0.5mm±0.05mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种分形阵列仿生超宽带天线，其特征在于：所述仿生辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。
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