CN107834180B - 用于移动数字电视的阵列分形石墨烯天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于移动数字电视的阵列分形石墨烯天线，包括薄膜基质和贴覆在该薄膜基质正面上的生长树分形阵列辐射贴片，生长树分形阵列辐射贴片由生长树分形偶极子小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列。本发明的阵元天线具有很大的工作带宽。多个生长树分形偶极子阵元天线按照矩形阵列结构排列组成天线阵列，多个阵元天线的辐射相叠加，使阵列天线同时具有较大的工作带宽和较强的辐射强度。使用聚对苯二甲酸乙二酯薄膜基质作为天线基质材料，同时使用石墨烯导电墨水印制天线辐射贴片，保证了天线具有优良的物理机械性能，可在较大的温度范围内正常工作，可以耐油、耐稀酸、耐稀碱、耐腐蚀，在户外工作环境下具有稳定可靠的工作性能。
Description
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及一种用于移动数字电视的阵列分形石墨烯天线。
背景技术
移动数字电视是移动互联网时代的全新技术，可以实现在各种快速行驶的车辆中收看数字电视，并通过数字电视渠道开展视频点播、电视购物、宣传推广、远程咨询、互动游戏等业务。移动数字电视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，成为公认的具有较大影响力的新兴媒体。
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。移动数字电视系统主要应用于各种车辆，其工作环境较为复杂，在多种不可预知的恶劣环境下工作的几率较高，这就要求移动数字电视天线具有优良的物理机械性能，有较好的耐腐蚀性能，有较好的耐高、低温性能，在户外工作环境下具有稳定可靠的工作性能。
生长树分形偶极子天线是一种基于生长树分形结构的偶极子天线，具有分形结构的自相似性，每“生长”一次，在高频段就会多一个谐振频点，一个天线的多个较为接近的工作频段彼此叠加，可以获得较大的工作频段。以生长树分形偶极子天线作为阵元天线，按照矩形阵列结构排列组成天线阵列，可以在保留较大工作带宽的同时，让阵元天线的辐射相叠加，增强天线的辐射强度。
聚对苯二甲酸乙二酯（Polyethylene Terephthalate, PET）薄膜基质是一种性能非常稳定的天线基质材料，可以耐油、耐稀酸、耐稀碱，耐大多数溶剂，可在-70℃到150℃的温度范围内正常工作，且高、低温时对其机械性能影响很小。使用聚对苯二甲酸乙二酯薄膜基质作为天线基质材料，可以保证天线在各种恶劣环境下都具有稳定的工作性能。
石墨烯导电墨水是由石墨烯导电填料、粘合剂、溶剂组成的高性能导电墨水。石墨烯是由碳原子组成的单层石墨，具有非常好的导热性、电导性、透光性，而且具有高强度、超轻薄、超大表面积等特性。石墨烯具有很高的电子迁移率，能够容纳强度很高的射频电流，以石墨烯作为导电填料制成的导电墨水，比传统的金属导电填料墨水质量更轻、成本更低、电导率更高、耐热性更好。
发明内容
本发明的目的是提供一种小尺寸、宽频带，具有优良的物理机械性能，在户外工作环境下具有稳定可靠的工作性能，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阵列分形石墨烯天线。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于移动数字电视的阵列分形石墨烯天线，其包括薄膜基质和贴覆在该薄膜基质正面上的生长树分形阵列辐射贴片，所述生长树分形阵列辐射贴片由生长树分形偶极子小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列。
在本发明一实施例中，所述生长树分形偶极子小天线由相互对称的一对偶极子臂构成；偶极子臂之间的对称中心线上开设有断开间隙；每个偶极子臂由馈电点和生长树分形辐射结构所组成；在断开间隙的两侧设有馈电点。
进一步的，所述生长树分形辐射结构使用至少3阶的生长树分形结构。
在本发明一实施例中，所述生长树分形阵列辐射贴片使用矩形阵列结构作为基本阵列排布结构。
进一步的，所述基本阵列排布结构至少包括8行8列共64个生长树分形偶极子小天线。
在本发明一实施例中，所述薄膜基质为聚对苯二甲酸乙二酯薄膜基质。
在本发明一实施例中，所述薄膜基质的形状为矩形。
在本发明一实施例中，所述薄膜基质由至少8行8列共64个小区域组成。
进一步的，每个薄膜基质小区域的相对介电常数沿着薄膜基质长、宽两个方向渐变；相对介电常数最小的小区域位于薄膜基质左上角；相对介电常数最大的小区域位于薄膜基质右下角；每个薄膜基质小区域的相对介电常数按照从左到右、从上到下的顺序逐渐增加，相邻两个薄膜基质小区域的相对介电常数的差值为0.1。
在本发明一实施例中，所述天线辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成。
本发明使用生长树分形偶极子天线作为阵元天线，高阶分形结构的自相似性使阵元天线具有很大的工作带宽。多个生长树分形偶极子阵元天线按照矩形阵列结构排列组成天线阵列，多个阵元天线的辐射相叠加，使阵列天线同时具有较大的工作带宽和较强的辐射强度。使用聚对苯二甲酸乙二酯薄膜基质作为天线基质材料，同时使用石墨烯导电墨水印制天线辐射贴片，保证了天线具有优良的物理机械性能，可在较大的温度范围内正常工作，可以耐油、耐稀酸、耐稀碱、耐腐蚀，在户外工作环境下具有稳定可靠的工作性能。
附图说明
图1为本发明一实施例的生长树分形结构的迭代过程示意图。
图2为本发明一实施例的生长树分形偶极子小天线的结构示意图。
图3为本发明一实施例的生长树分形阵列辐射贴片的结构示意图。
图4为本发明一实施例的薄膜基质的结构示意图。
图5为本发明一实施例的回波损耗(S11)性能图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
一种用于移动数字电视的阵列分形石墨烯天线，其包括薄膜基质和贴覆在该薄膜基质正面上的生长树分形阵列辐射贴片，所述生长树分形阵列辐射贴片由生长树分形偶极子小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列。
在本发明一实施例中，所述生长树分形偶极子小天线由相互对称的一对偶极子臂构成；偶极子臂之间的对称中心线上开设有断开间隙；每个偶极子臂由馈电点和生长树分形辐射结构所组成；在断开间隙的两侧设有馈电点。
进一步的，所述生长树分形辐射结构使用至少3阶的生长树分形结构。
在本发明一实施例中，所述生长树分形阵列辐射贴片使用矩形阵列结构作为基本阵列排布结构。
进一步的，所述基本阵列排布结构至少包括8行8列共64个生长树分形偶极子小天线。
在本发明一实施例中，所述薄膜基质为聚对苯二甲酸乙二酯薄膜基质。
在本发明一实施例中，所述薄膜基质的形状为矩形。
在本发明一实施例中，所述薄膜基质由至少8行8列共64个小区域组成。
进一步的，每个薄膜基质小区域的相对介电常数沿着薄膜基质长、宽两个方向渐变；相对介电常数最小的小区域位于薄膜基质左上角；相对介电常数最大的小区域位于薄膜基质右下角；每个薄膜基质小区域的相对介电常数按照从左到右、从上到下的顺序逐渐增加，相邻两个薄膜基质小区域的相对介电常数的差值为0.1。
在本发明一实施例中，所述天线辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成。
本发明涉及的生长树分形结构的迭代过程如说明书附图的图1所示，其原始结构为偶极子天线，将两个偶极子臂作为“树干”，在其顶端各生长出两个垂直于偶极子臂、长度为偶极子臂一半的“树枝”，构成1阶生长树分形结构；在1阶生长树分形结构的4个“树枝”顶端各生长出两个垂直于“树枝”、长度为“树枝”一半的“小树枝”，构成2阶生长树分形结构；在2阶生长树分形结构的8个“小树枝”顶端各生长出两个垂直于“小树枝”、长度为“小树枝”一半的“微树枝”，构成3阶生长树分形结构。按照这种方法继续迭代，则可得到高阶生长树分形结构。
生长树分形偶极子小天线的结构如说明书附图的图2所示。在本发明一具体实施例中，其大小为1.1 mm±0.1 mm×1.1 mm±0.1 mm。
生长树分形偶极子小天线由相互对称的一对偶极子臂构成，每个偶极子臂由馈电点和生长树分形辐射结构所组成。所述每个生长树分形偶极子小天线的一对偶极子臂之间的对称中心线上开设有断开间隙，在断开间隙的两侧设有天线馈电点。
较佳的，生长树分形辐射结构使用至少3阶的生长树分形结构。
生长树分形阵列辐射贴片的结构如说明书附图的图3所示，其使用矩形阵列结构作为基本阵列排布结构，该矩形阵列结构至少包括8行8列共64个生长树分形偶极子小天线。
单个生长树分形偶极子天线的工作带宽虽然较大，但是辐射强度较弱，多个生长树分形偶极子天线按照矩形阵列结构排列组成天线阵列，可以让它们的辐射相叠加，进一步增强天线的辐射强度。
所述薄膜基质为聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜基质。
所述薄膜基质的形状优先为矩形，具体实施例中，其尺寸是8.8 mm±0.1 mm×8.8mm±0.1 mm，厚度为0.2 mm±0.01 mm。
所述薄膜基质的结构如说明书附图的图4所示，其由至少8行8列共64个小区域组成，图4中数字表示某个小区域的相对介电常数。每个薄膜基质小区域的相对介电常数沿着薄膜基质长、宽两个方向渐变；相对介电常数最小的小区域位于薄膜基质左上角，其相对介电常数为3.5；相对介电常数最大的小区域位于薄膜基质右下角，其相对介电常数为4.9；每个薄膜基质小区域的相对介电常数按照从左到右、从上到下的顺序逐渐增加，相邻两个薄膜基质小区域的相对介电常数的差值为0.1。
在阵列天线设计中使用这种新型薄膜基质后，每个阵元天线的基质相对介电常数都不相同，因此每个阵元天线的工作频点不同。当不同阵元天线的工作频点较为接近时，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辐射性能和带宽性能。
所述天线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，辐射贴片中没有金属，在露天工作环境中不易被腐蚀，具有很高的工作稳定性。
说明书附图的图5给出了本发明具体实施例的回波损耗(S11)性能图。从图5可知，实测结果显示，该款天线的工作中心频率为12.000 GHz，天线工作频带为10.841～14.136GHz，工作带宽为3.295 GHz，相对带宽为26.38%，回波损耗最小值为-32.45 dB。实测结果显示，该款天线完全覆盖了移动数字电视系统工作频段，是一款小尺寸、宽频带、集成化的移动数字电视天线，能够满足移动数字电视系统信号稳定、覆盖广泛、接收迅速、画面清晰、移动性强等要求，在多种不可预知的恶劣环境下可以保证移动数字电视信号的传输质量，在移动数字电视设备中有望得到广泛应用。
本发明使用生长树分形偶极子天线作为阵元天线，高阶分形结构的自相似性使阵元天线具有很大的工作带宽。多个阵元天线按照矩形阵列结构排列组成天线阵列，阵元天线的辐射相叠加，使阵列天线同时具有较大的工作带宽和较强的辐射强度，天线有较大的性能冗余，在多种不可预知的恶劣环境下可以保证移动数字电视信号的传输质量。使用具有渐变介电常数特性的聚对苯二甲酸乙二酯薄膜基质作为天线基质材料，使用石墨烯导电墨水制作天线辐射结构，保证了天线具有优良的物理机械性能，在户外工作环境下具有稳定可靠的工作性能。
天线实测结果显示，该款天线的工作中心频率为12.000 GHz，天线工作频带为10.841～14.136 GHz，工作带宽为3.295 GHz，相对带宽为26.38%，回波损耗最小值为-32.45 dB。实测结果显示，该款天线完全覆盖了移动数字电视系统工作频段。
与用于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：该款天线在拥有64个阵元天线的情况下，尺寸仅为8.8 mm×8.8 mm×0.2 mm，是一款微型超薄天线，可以放进各种移动数字电视设备中。该款天线具有优良的物理机械性能，可在-70℃到150℃的温度范围内正常工作，可以耐油、耐稀酸、耐稀碱、耐腐蚀，在户外环境下具有稳定可靠的工作性能。该款天线工作带宽高达3.295 GHz，回波损耗最小值低达-32.45dB，完全覆盖了移动数字电视系统工作频段，且有较大的性能冗余。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种用于移动数字电视的阵列分形石墨烯天线，其特征在于：包括薄膜基质和贴覆在该薄膜基质正面上的生长树分形阵列辐射贴片，所述生长树分形阵列辐射贴片由生长树分形偶极子小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列；
所述生长树分形偶极子小天线由相互对称的一对偶极子臂构成；偶极子臂之间的对称中心线上开设有断开间隙；每个偶极子臂由馈电点和生长树分形辐射结构所组成；在断开间隙的两侧设有馈电点；
所述生长树分形辐射结构使用至少3阶的生长树分形结构；
所述生长树分形阵列辐射贴片使用矩形阵列结构作为基本阵列排布结构；
所述基本阵列排布结构至少包括8行8列共64个生长树分形偶极子小天线；
所述生长树分形偶极子小天线为工作带宽大但是辐射强度较弱的天线，多个生长树分形偶极子天线按照矩形阵列结构排列组成天线阵列以使各天线的辐射相叠加以增强天线的辐射强度；
所述生长树分形阵列辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成；
所述天线为使用石墨烯导电墨水制作的印刷天线，辐射贴片中没有金属以使其在露天工作环境中不易被腐蚀；
所述薄膜基质由至少8行8列共64个小区域组成；
每个薄膜基质小区域的相对介电常数沿着薄膜基质长、宽两个方向渐变；相对介电常数最小的小区域位于薄膜基质左上角；相对介电常数最大的小区域位于薄膜基质右下角；每个薄膜基质小区域的相对介电常数按照从左到右、从上到下的顺序逐渐增加，相邻两个薄膜基质小区域的相对介电常数的差值为0.1。
2.根据权利要求1所述的用于移动数字电视的阵列分形石墨烯天线，其特征在于：所述薄膜基质为聚对苯二甲酸乙二酯薄膜基质。
3.根据权利要求1所述的用于移动数字电视的阵列分形石墨烯天线，其特征在于：所述薄膜基质的形状为矩形。
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| 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(第02期) * |
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| Publication number | Publication date |
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| CN107834180A (zh) | 2018-03-23 |
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