CN107732450B - 用于移动数字电视的多层渐变分形缝隙石墨烯天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于移动数字电视的多层渐变分形缝隙石墨烯天线，它包括三层结构，第一层结构包括第一基板和贴覆在第一基板正面的第一分形缝隙感应辐射贴片；第二层结构包括第二基板、贴覆在第二基板背面的天线接地板和贴覆在第二基板正面的第一分形缝隙馈电辐射贴片，天线接地板为全导电区域接地结构；第三层结构包括第三基板和贴覆在第三基板正面的第二分形缝隙感应辐射贴片。本发明的目的在于提供一种回波损耗低、工作带宽大，能够完全覆盖移动数字电视11.700～12.200 GHz工作频段，有较大性能冗余的用于移动数字电视的多层渐变分形缝隙石墨烯天线。

Description

用于移动数字电视的多层渐变分形缝隙石墨烯天线

技术领域

本发明涉及一种用于移动数字电视的多层渐变分形缝隙石墨烯天线结构。

背景技术

移动数字电视是基于卫星收发信号的全新电视技术，主要用于高速行驶的车辆上。移动数字电视将高清电视技术、卫星通信技术、移动互联网、互动电视技术结合在一起，可以实现收看电视、点播视频、制作自媒体视频、远程多人互动、电视购物、车载游戏等功能，已覆盖了全国多个主要城市，在公共交通工具和私人汽车上已广泛使用。

天线设计及制造技术是移动数字电视系统的核心关键技术之一，天线的性能极大地影响了移动数字电视系统的工作性能及应用领域。根据国际电信联盟的频段划分，基于卫星传输的移动数字电视频段为11.700～12.200 GHz。移动数字电视天线必须完全覆盖11.700～12.200 GHz频段，并满足移动数字电视系统信号稳定、接收迅速、画面清晰、移动性强等要求。

与本专利申请技术最接近的现有技术是用于移动数字电视的光子晶体阵列天线，它是本课题组的前期研究成果，目前已有1项实用新型专利授权：

1. 林斌、陈娴、林宏健、林子健、寇国芃、乔丹洋、陈秉泽、王征增、朱巧丽，用于移动数字电视的光子晶体阵列天线，专利号：201520420399.9，已于2015年9月16日授权。

该项专利使用的是单层阵列天线，使用FR4介质基板作为天线基质，使用铜、银、金或铝等金属制作天线接地板和辐射贴片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种回波损耗低、工作带宽大，能够完全覆盖移动数字电视11.700～12.200 GHz工作频段，有较大性能冗余的用于移动数字电视的多层渐变分形缝隙石墨烯天线，改善天线的匹配性能，进一步增大天线的工作带宽，提高天线的辐射性能和工作稳定性。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：一种用于移动数字电视的多层渐变分形缝隙石墨烯天线，它包括三层结构，第一层结构包括第一基板和贴覆在第一基板正面的第一分形缝隙感应辐射贴片；第二层结构包括第二基板、贴覆在第二基板背面的天线接地板和贴覆在第二基板正面的第一分形缝隙馈电辐射贴片，天线接地板为全导电区域接地结构；第三层结构包括第三基板和贴覆在第三基板正面的第二分形缝隙感应辐射贴片。

进一步地，每层天线结构的大小为45 mm±1 mm×45 mm±1 mm，两层天线结构之间的距离为2 mm±0.1 mm。

进一步地，所述第一分形缝隙感应辐射贴片、第二分形缝隙感应辐射贴片和第一分形缝隙馈电辐射贴片均是在正方形辐射贴片的中央区域开出分形缝隙得到，开缝区域的大小为27 mm±1 mm×27 mm±1 mm。

进一步地，所述第一分形缝隙感应辐射贴片使用1阶十字分形结构，第一分形缝隙馈电辐射贴片使用2阶十字分形结构，第二分形缝隙感应辐射贴片使用3阶十字分形结构。

进一步地，第一分形缝隙馈电辐射贴片的底边中心位置设有馈电点。

进一步地，所述第一基板、第二基板和第三基板均为低损耗透波陶瓷基板，相对介电常数为20-30。

进一步地，所述第一基板、第二基板和第三基板的形状为矩形，尺寸是45 mm±1mm×45 mm±1 mm，厚度为1.5 mm±0.1mm。

进一步地，所述天线接地板、第一分形缝隙感应辐射贴片、第二分形缝隙感应辐射贴片和第一分形缝隙馈电辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）使用三层天线结构，中层的馈电辐射贴片上有电流流过时，上、下层的感应辐射贴片上的金属部分会产生感应电流，只要适当调整各层天线之间的距离，就可使感应电流与馈电电流有相同或相近的相位。这时空间任一点的场都是馈电辐射贴片直接激发的场与感应辐射贴片激发的感应场的同相叠加，天线的辐射强度和工作带宽都将大大增加。

（2）使用分形缝隙结构，将馈电辐射贴片和感应辐射贴片都设计为分形缝隙辐射贴片，可以在天线辐射贴片内部引入分形自相似变化规律，改善天线的带宽性能。利用三层天线的分形阶数的渐变可以实现天线辐射阻抗的渐变，改善天线的匹配性能，进一步增大天线的工作带宽。

（3）使用石墨烯导电墨水印制天线接地板和辐射贴片，可以保证天线有较好的辐射性能和很高的工作稳定性。

附图说明

图1为本发明用于移动数字电视的多层渐变分形缝隙石墨烯天线的结构示意图；

图2（a）为0阶十字分形结构；

图2（b）为1阶十字分形结构；

图2（c）为2阶十字分形结构；

图2（d）为3阶十字分形结构；

图3为本发明第一分形缝隙感应辐射贴片的分形结构；

图4 为本发明第一分形缝隙馈电辐射贴片的分形结构；

图5为本发明第二分形缝隙感应辐射贴片的分形结构；

图6为本发明实施例的回波损耗（S11）性能图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明内容进行详细说明：

一种用于移动数字电视的多层渐变分形缝隙石墨烯天线，它包括三层结构，第一层结构包括第一基板和贴覆在第一基板正面的第一分形缝隙感应辐射贴片；第二层结构包括第二基板、贴覆在第二基板背面的天线接地板和贴覆在第二基板正面的第一分形缝隙馈电辐射贴片，天线接地板为全导电区域接地结构；第三层结构包括第三基板和贴覆在第三基板正面的第二分形缝隙感应辐射贴片。

如图1所示，每层天线结构的大小为45 mm±1 mm×45 mm±1 mm，两层天线结构之间的距离为2 mm±0.1 mm。

第一分形缝隙感应辐射贴片、第二分形缝隙感应辐射贴片和第一分形缝隙馈电辐射贴片均是在正方形辐射贴片的中央区域开出分形缝隙得到，开缝区域的大小为27 mm±1mm×27 mm±1 mm。

十字分形结构的迭代过程如图2（a）图2（b）图2（c）图2（d）所示，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。

如图3、图4、图5所示,在本实施例中，第一分形缝隙感应辐射贴片使用1阶十字分形结构，第一分形缝隙馈电辐射贴片使用2阶十字分形结构，第二分形缝隙感应辐射贴片使用3阶十字分形结构。分形结构的整体和局部以及局部和局部之间都具有自相似性，具有宽频带工作特性。

第一分形缝隙馈电辐射贴片的底边中心位置设有馈电点，第一基板、第二基板和第三基板均为低损耗透波陶瓷基板，相对介电常数为20-30，第一基板、第二基板和第三基板的形状为矩形，尺寸是45 mm±1 mm×45 mm±1 mm，厚度为1.5 mm±0.1mm，天线接地板、第一分形缝隙感应辐射贴片、第二分形缝隙感应辐射贴片和第一分形缝隙馈电辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成。

使用石墨烯导电墨水制作的印刷天线，接地板和辐射贴片中没有金属，不易被腐蚀，具有很高的工作稳定性。石墨烯材料具有很好的导电性，可以保证天线有较好的辐射性能。

图6给出了本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。实测结果显示，本发明天线的工作中心频率为12.000 GHz，天线工作频带为10.026～14.938 GHz，工作带宽为4.912GHz，相对带宽为39.35%，回波损耗最小值为-39.14 dB。实测结果显示，本发明天线完全覆盖了移动数字电视系统工作频段，同时满足回波损耗小、工作带宽大、抗破坏性能强、工作稳定性高等优点，能够在各种恶劣环境中保证移动数字电视信号的传输质量，在移动数字电视领域有广阔的应用前景。

与用于移动数字电视系统的常规天线比较，本发明天线具有突出的优点和显著的效果：本发明天线回波损耗最小值低达-39.14 dB，工作带宽高达4.912 GHz，性能冗余较大，能够在各种恶劣环境中保证移动数字电视信号的传输质量；本发明天线使用了具有自相似性的十字分形缝隙结构，具有很强的抗破坏性能，即使天线结构只剩下四分之一，天线仍然能够正常工作；本发明天线使用石墨烯导电墨水印制导电区域，避免了导电区域长时间工作后被腐蚀的风险，天线具有高度稳定可靠的工作性能。

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，皆应属本发明涵盖范围。

Claims (6)

1.一种用于移动数字电视的多层渐变分形缝隙石墨烯天线，其特征在于：它包括三层结构，第一层结构包括第一基板和贴覆在第一基板正面的第一分形缝隙感应辐射贴片；第二层结构包括第二基板、贴覆在第二基板背面的天线接地板和贴覆在第二基板正面的第一分形缝隙馈电辐射贴片，天线接地板为全导电区域接地结构；第三层结构包括第三基板和贴覆在第三基板正面的第二分形缝隙感应辐射贴片；

每层天线结构的大小为45 mm±1 mm×45 mm±1 mm，两层天线结构之间的距离为2 mm±0.1 mm；

所述第一分形缝隙感应辐射贴片、第二分形缝隙感应辐射贴片和第一分形缝隙馈电辐射贴片均是在正方形辐射贴片的中央区域开出分形缝隙得到，开缝区域的大小为27 mm±1mm×27 mm±1 mm。

2.根据权利要求1所述的多层渐变分形缝隙石墨烯天线，其特征在于：所述第一分形缝隙感应辐射贴片使用1阶十字分形结构，第一分形缝隙馈电辐射贴片使用2阶十字分形结构，第二分形缝隙感应辐射贴片使用3阶十字分形结构。

3.根据权利要求1所述的多层渐变分形缝隙石墨烯天线，其特征在于：第一分形缝隙馈电辐射贴片的底边中心位置设有馈电点。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的多层渐变分形缝隙石墨烯天线，其特征在于：所述第一基板、第二基板和第三基板均为低损耗透波陶瓷基板，相对介电常数为20-30。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的多层渐变分形缝隙石墨烯天线，其特征在于：所述第一基板、第二基板和第三基板的形状为矩形，尺寸是45 mm±1 mm×45 mm±1 mm，厚度为1.5 mm±0.1mm。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的多层渐变分形缝隙石墨烯天线，其特征在于：所述天线接地板、第一分形缝隙感应辐射贴片、第二分形缝隙感应辐射贴片和第一分形缝隙馈电辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成。