CN107799887B - 电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线 - Google Patents

电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线 Download PDF

Info

Publication number
CN107799887B
CN107799887B CN201711224612.9A CN201711224612A CN107799887B CN 107799887 B CN107799887 B CN 107799887B CN 201711224612 A CN201711224612 A CN 201711224612A CN 107799887 B CN107799887 B CN 107799887B
Authority
CN
China
Prior art keywords
antenna
electromagnetic
photonic crystal
substrate
bionic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711224612.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107799887A (zh
Inventor
林斌
刘泽泰
张颖
沈少东
魏昕煜
郑萍
张培涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xiamen University Tan Kah Kee College
Original Assignee
Xiamen University Tan Kah Kee College
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xiamen University Tan Kah Kee College filed Critical Xiamen University Tan Kah Kee College
Priority to CN201711224612.9A priority Critical patent/CN107799887B/zh
Publication of CN107799887A publication Critical patent/CN107799887A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107799887B publication Critical patent/CN107799887B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/364—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith using a particular conducting material, e.g. superconductor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明提出一种电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线，其特征在于，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电磁仿生光子晶体阵列辐射贴片；所述天线接地板为全金属接地结构；所述电磁仿生光子晶体阵列辐射贴片是由电磁仿生光子晶体复合小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列；所述电磁仿生光子晶体复合小天线使用由带正方形孔的金属区域组成的矩形光子晶体结构，所述金属区域由生长式分形电磁仿生结构作为基本构成单元替代。本发明相比于现有技术，覆盖频段更宽、有较大性能冗余，兼具手机通信、射频卡读写、超宽带信号传输和收发移动数字电视信号等多种功能。

Description

电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线
技术领域
本发明属于移动终端天线领域，尤其涉及一种电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线。
背景技术
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兼容的功能。目前，中国的移动通信工作频段为：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，TD-SCDMA制式1.880～1.920 GHz、2.010～2.025 GHz、2.300～2.400 GHz频段，WCDMA制式 1.920～1.980 GHz、2.110～2.170 GHz频段，TD-LTE制式 2.570～2.620 GHz频段，第五代移动通信3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz、4.800～4.990 GHz三个候选频段；射频识别系统的三个工作频段为0.902～0.928 GHz、2.400～2.4835 GHz、5.725～5.875 GHz；超宽带系统的工作频段为3.100～10.600 GHz；基于卫星传输的移动数字电视系统工作频段为11.700～12.200 GHz。
如果一款天线具有超宽的工作频段，能够完全覆盖上述的所有移动通信工作频段、射频识别系统工作频段、超宽带系统工作频段、移动数字电视系统工作频段，使用该天线的智能终端将兼具手机通信、射频卡读写、超宽带传输和移动数字电视等多种功能，在多网合一不断推进的时代，具有广阔的应用前景。
生长式分形电磁仿生结构是一种具有自相似性的生长型迭代结构，很适合于设计宽频带天线。它像生物体一样具有“分裂生长”能力，每次“分裂生长”之后，都会在保留原有辐射频点的基础上，在更高的频段新增一个辐射频点，高阶的生长式分形电磁仿生结构具有多个工作频段，它们叠加在一起可以形成一个很宽的工作频段。
光子晶体结构是由一种介质在另一种介质中周期性排布组成的新型光学材料，其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。
与本专利相关的专利包括：CN101640310B、CN106911009A、CN205595447U。
发明内容
针对现有技术存在的不足和空白，本发明采用以下技术方案：
一种电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线，其特征在于，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电磁仿生光子晶体阵列辐射贴片；所述天线接地板为全金属接地结构；所述电磁仿生光子晶体阵列辐射贴片是由电磁仿生光子晶体复合小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列；所述电磁仿生光子晶体复合小天线使用由带正方形孔的金属区域组成的矩形光子晶体结构，所述金属区域由生长式分形电磁仿生结构作为基本构成单元替代。
优选地，所述电磁仿生光子晶体复合小天线的大小为7mm±0.1mm×7mm±0.1mm。
优选地，所述电磁仿生光子晶体复合小天线使用的矩形光子晶体结构至少包括3行3列共9个正方形孔。
优选地，所述电磁仿生光子晶体复合小天线的使用的生长式分形电磁仿生结构至少为2阶的生长式分形电磁仿生结构。
优选地，所述电磁仿生光子晶体复合小天线的底边中心位置设有馈电点。
优选地，所述矩形阵列结构至少包括4行4列共16个作为阵元小天线的电磁仿生光子晶体复合小天线。
优选地，所述基板为低损耗透波陶瓷基板。
优选地，基板形状为矩形，基板总体尺寸为36mm±1mm×36mm±1mm，厚度为0.5mm±0.1mm。
优选地，所述基板由至少4行4列共16个小陶瓷块组成，所述小陶瓷块与阵元小天线的位置一一对应；所述小陶瓷块的相对介电常数沿着基板长、宽两个方向渐变；其中，相对介电常数最小的小陶瓷块位于基板左上角，其相对介电常数为3.0；相对介电常数最大的小陶瓷块位于基板右下角；所述小陶瓷块的相对介电常数按照从左到右、从上到下的顺序逐渐增加，相邻两个小陶瓷块的相对介电常数的差值为0.5。
优选地，所述天线接地板和电磁仿生光子晶体阵列辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。
本发明将生长式分形电磁仿生结构与光子晶体结构相结合，并采用天线阵列的设计方案，既保证了实现对移动通信工作频段、射频识别系统工作频段、超宽带系统工作频段、移动数字电视系统工作频段的同时覆盖，也保证天线同时具有宽频工作特性和较高的辐射强度。使用具有渐变介电常数特性的低损耗透波陶瓷基板作为天线基板，可以进一步展宽天线阵列的工作频带，保证天线阵列有足够的性能冗余。
本发明相比于现有技术，覆盖频段更宽（包括第二代至第五代移动通信所有工作频段、射频识别系统频段、超宽带系统频段和移动数字电视系统频段）、有较大性能冗余，兼具手机通信、射频卡读写、超宽带信号传输和收发移动数字电视信号等多种功能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例中0阶、1阶、2阶生长式分形电磁仿生结构示意图；
图2为本发明实施例中矩形光子晶体结构示意图；
图3为本发明实施例中电磁仿生光子晶体复合小天线示意图；
图4为本发明实施例中基板介电常数分布示意图；
图5为本发明实施例整体结构示意图；
图6为本发明实施例回波损耗性能图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
本发明实施例包括：基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的电磁仿生光子晶体阵列辐射贴片；天线接地板为全金属接地结构。
如图5所示，电磁仿生光子晶体阵列辐射贴片是由电磁仿生光子晶体复合小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列；
如图2、图3所示，电磁仿生光子晶体复合小天线使用由带正方形孔的金属区域组成的矩形光子晶体结构，金属区域由生长式分形电磁仿生结构作为基本构成单元替代。
如图3所示，电磁仿生光子晶体复合小天线的大小为7mm±0.1mm×7mm±0.1mm；电磁仿生光子晶体复合小天线使用的矩形光子晶体结构包括3行3列共9个正方形孔。
生长式分形电磁仿生结构如图1所示，其原始结构为正方形贴片（0阶，a），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，b），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（2阶，c）。这样依次迭代，可以得到高阶生长式分形电磁仿生结构。
如图3所示，本实施例中，电磁仿生光子晶体复合小天线的使用的生长式分形电磁仿生结构为2阶的生长式分形电磁仿生结构，电磁仿生光子晶体复合小天线的底边中心位置设有馈电点。
如图4、图5所示，本实施例中，天线阵列的矩形阵列结构包括4行4列共16个作为阵元小天线的电磁仿生光子晶体复合小天线。
其中，如图4所示，基板为低损耗透波陶瓷基板，基板形状为矩形，基板总体尺寸为36mm±1mm×36mm±1mm，厚度为0.5mm±0.1mm，基板由4行4列共16个小陶瓷块组成，小陶瓷块与阵元小天线的位置一一对应；小陶瓷块的相对介电常数沿着基板长、宽两个方向渐变；其中，相对介电常数最小的小陶瓷块位于基板左上角，其相对介电常数为3.0；相对介电常数最大的小陶瓷块位于基板右下角，其相对介电常数为6.0；小陶瓷块的相对介电常数按照从左到右、从上到下的顺序逐渐增加，相邻两个小陶瓷块的相对介电常数的差值为0.5。在阵列天线设计中使用这种渐变介电常数陶瓷基板后，每个阵元天线的介质基板参数都不相同，因此每个阵元天线的谐振频点不同。当不同阵元天线的谐振频点较为接近时，它们的辐射和工作频带会相互叠加，形成一个辐射强度和工作带宽都较大的工作频带，从而提高阵列天线的性能冗余。
本实施例中，天线接地板和电磁仿生光子晶体阵列辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。
如图6所示，对本实施例天线实测结果显示，该款天线的工作频带范围为0.567～14.298 GHz，工作带宽为13.731 GHz，带宽倍频程为25.22，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-37.64 dB。该款天线完全覆盖了0.902～0.928 GHz、0.905～0.915 GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785 GHz、1.805～1.880 GHz、1.880～1.920 GHz、1.920～1.980 GHz、2.010～2.025 GHz、2.110～2.170 GHz、2.300～2.400GHz、2.400～2.4835 GHz、2.570～2.620 GHz、3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz、4.800～4.990 GHz、5.725～5.875 GHz、3.100～10.600 GHz、11.700～12.200 GHz等第二代至第五代移动通信工作频段、射频识别系统工作频段、超宽带系统工作频段、移动数字电视系统工作频段。
与用于移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统、移动数字电视系统的常规天线比较，该款天线具有突出的优点和显著的效果：该款天线属于超薄天线，厚度仅为0.5mm，可以放进手机、射频识别读写器、射频识别标签、各种小型超宽带移动终端和移动数字电视终端里；该款天线在移动通信工作频段、射频识别系统工作频段、超宽带系统工作频段、移动数字电视系统工作频段的辐射性能均匀而稳定，工作频段内的回波损耗值波动很小，在0.863～13.102 GHz频带内，天线的回波损耗都低于-30 dB，这保证了天线对很宽频段内的无线信号都有较好的传输质量；该款天线有较大的性能冗余，工作带宽高达13.731GHz，回波损耗最小值低达-37.64 dB，能够应付各种不可预知的恶劣电磁环境。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线，其特征在于，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电磁仿生光子晶体阵列辐射贴片；所述天线接地板为全金属接地结构；所述电磁仿生光子晶体阵列辐射贴片是由电磁仿生光子晶体复合小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列；所述电磁仿生光子晶体复合小天线使用由带正方形孔的金属区域组成的矩形光子晶体结构，所述金属区域由生长式分形电磁仿生结构作为基本构成单元替代；
所述电磁仿生光子晶体复合小天线使用的矩形光子晶体结构至少包括3行3列共9个正方形孔；
所述电磁仿生光子晶体复合小天线的使用的生长式分形电磁仿生结构至少为2阶的生长式分形电磁仿生结构；
所述基板由至少4行4列共16个小陶瓷块组成，所述矩形阵列结构至少包括4行4列共16个作为阵元小天线的电磁仿生光子晶体复合小天线；所述小陶瓷块与阵元小天线的位置一一对应；所述小陶瓷块的相对介电常数沿着基板长、宽两个方向渐变；其中，相对介电常数最小的小陶瓷块位于基板左上角，其相对介电常数为3.0；相对介电常数最大的小陶瓷块位于基板右下角；所述小陶瓷块的相对介电常数按照从左到右、从上到下的顺序逐渐增加，相邻两个小陶瓷块的相对介电常数的差值为0.5。
2.根据权利要求1所述的电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线，其特征在于：所述电磁仿生光子晶体复合小天线的大小为7mm±0.1mm×7mm±0.1mm。
3.根据权利要求1所述的电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线，其特征在于：所述电磁仿生光子晶体复合小天线的底边中心位置设有馈电点。
4.根据权利要求1-3其中任一所述的电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线，其特征在于：所述基板为低损耗透波陶瓷基板。
5.根据权利要求4所述的电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线，其特征在于：基板形状为矩形，基板总体尺寸为36mm±1mm×36mm±1mm，厚度为0.5mm±0.1mm。
6.根据权利要求1-3其中任一所述的电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线，其特征在于：所述天线接地板和电磁仿生光子晶体阵列辐射贴片的材质为铜、银、金或铝。
CN201711224612.9A 2017-11-29 2017-11-29 电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线 Active CN107799887B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711224612.9A CN107799887B (zh) 2017-11-29 2017-11-29 电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711224612.9A CN107799887B (zh) 2017-11-29 2017-11-29 电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107799887A CN107799887A (zh) 2018-03-13
CN107799887B true CN107799887B (zh) 2023-06-16

Family

ID=61537855

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711224612.9A Active CN107799887B (zh) 2017-11-29 2017-11-29 电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107799887B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109768375A (zh) * 2019-01-24 2019-05-17 厦门大学嘉庚学院 方形嵌套缝隙分形阵列超宽频带天线
CN109786957A (zh) * 2019-01-24 2019-05-21 厦门大学嘉庚学院 一种折线螺旋缝隙分形阵列超宽频带天线

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7522105B1 (en) * 2006-07-17 2009-04-21 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Antenna using a photonic bandgap structure
CN205595447U (zh) * 2016-04-08 2016-09-21 厦门大学嘉庚学院 太赫兹波段分形光子晶体天线
CN106911009A (zh) * 2017-02-23 2017-06-30 厦门大学嘉庚学院 用于移动通信的光子晶体分形阵列天线
CN106981723A (zh) * 2017-05-26 2017-07-25 厦门大学嘉庚学院 一种分形阵列仿生超宽带天线

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7522105B1 (en) * 2006-07-17 2009-04-21 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Antenna using a photonic bandgap structure
CN205595447U (zh) * 2016-04-08 2016-09-21 厦门大学嘉庚学院 太赫兹波段分形光子晶体天线
CN106911009A (zh) * 2017-02-23 2017-06-30 厦门大学嘉庚学院 用于移动通信的光子晶体分形阵列天线
CN106981723A (zh) * 2017-05-26 2017-07-25 厦门大学嘉庚学院 一种分形阵列仿生超宽带天线

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Composite spiral antenna with π snowflake fractal PBG structure designed for modern RFID system;Bin Lin 等;《2011 IEEE International Conference on Anti-Counterfeiting, Security and Identification》;全文 *
Electromagnetic bionic photonic crystal array ultra wide band antenna;lin bin;《Proceedings of SPIE》;全文 *
顶加载分形光子晶体太赫兹波段天线设计;林斌;《电子技术应用》;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107799887A (zh) 2018-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109004340B (zh) 无外加滤波电路的宽带双极化基站滤波天线单元及其阵列
JP4918594B2 (ja) メタマテリアル構造に基づくアンテナ
CN207459165U (zh) 电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线结构
CN101164199A (zh) 具有带阻特性的超宽带天线
CN101752665A (zh) 具有带阻特性的超宽带天线
Inclan-Sanchez et al. High isolation proximity coupled multilayer patch antenna for dual-frequency operation
Trimukhe et al. Compact ultra-wideband antenna with triple band notch characteristics using EBG structures
CN108767465B (zh) 基于人工小型化超材料结构双频段陷波超宽带天线
Mishra et al. Implementation of defected ground structure for microstrip filtenna design
CN107799887B (zh) 电磁仿生光子晶体阵列超宽频带天线
Malaisamy et al. Design and analysis of 4× 4 MIMO antenna with DGS for WLAN applications
Aldhaheri et al. A Compact CPW-Fed UWB Antenna with Dual-Band Notched Characteristics for WiMAX/WLAN Applications.
CN101777691A (zh) 开槽印制单极超宽带天线
Patil et al. Multiband smart fractal antenna design for converged 5G wireless networks
Suganthi Optimized metamaterial loaded square fractal antenna for gain and bandwidth enhancement
Xi et al. CPW‐fed trapezoidal antenna with dual band‐notched characteristic for UWB application
Khabba et al. Beam-steering millimeter-wave antenna array for fifth generation smartphone applications
Chen et al. Compact design of T‐type monopole antenna with asymmetrical ground plane for WLAN/WiMAX applications
Essid et al. A design of phased array antenna with metamaterial circular SRR for 5G applications
Pandeeswari et al. Non-bianisotropic split ring resonator based CPW-fed dual band antenna
CN113964534A (zh) 一种具有双陷波特性的陷波超宽带天线
CN109728432B (zh) 渐变方形缝隙分形阵列超宽频带天线
Kim et al. Frequency selective surface superstrate for wideband code division multiple access system
CN110649395B (zh) 一种生长环阵列超宽频带天线
CN110649381B (zh) 一种梯形多缝隙分形分裂生长式阵列天线

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant