CN108091997B - 一种嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线及终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌套感应‑六边形阵列复合超宽频带天线及终端，该天线包括基板、菱形环嵌套感应‑六边形阵列复合辐射贴片和空心正三角形‑六边形阵列复合光子晶体接地板，菱形环嵌套感应‑六边形阵列复合辐射贴片由多个菱形环嵌套感应六边形单元按照六边形阵列结构排列组成，每个菱形环嵌套感应六边形单元由三个菱形环嵌套感应小天线呈六边形排列组成，空心正三角形‑六边形阵列复合光子晶体接地板由多个空心正三角形复合六边形单元按照六边形阵列结构排列组成，每个空心正三角形复合六边形单元由六个空心正三角形接地板呈六边形排列组成。与现有技术相比，本发明具有超强的多频段兼容能力，辐射强度高，性能冗余大，各个工作频段辐射性能稳定。

Description

一种嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线及终端

技术领域

本发明涉及移动通信天线、射频识别天线、超宽带天线、移动数字电视天线技术领域，尤其是涉及一种嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线及终端。

背景技术

无线通信技术的发展要求将工作频段接近的无线通信系统整合在一起，以实现多网合一和多功能复用。移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统、移动数字电视系统都是工作在微波频段的无线通信系统，工作频段接近，整合为微波段多网合一无线通信终端后，该终端可以接打电话、收发短信、无线上网、读写射频识别卡、使用超宽带通信协议进行中近距离高速文件传输、收看移动数字电视节目并进行互动。

目前，我国的第二代、第三代、第四代移动通信技术正在同时使用，第五代移动通信技术也将于2020年投入使用。我国使用的第二代移动通信频段为GSM制式 0.905～0.915GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785 GHz、1.805～1.880 GHz频段；第三代移动通信频段为TD-SCDMA制式1.880～1.920 GHz、2.010～2.025 GHz、2.300～2.400 GHz频段和WCDMA制式 1.920～1.980 GHz、2.110～2.170 GHz频段；第四代移动通信频段为TD-LTE制式 2.570～2.620 GHz频段；第五代移动通信有三个候选频段，分别为：3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz、4.800～4.990 GHz。射频识别系统有三个主要的工作频段：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。移动数字电视系统工作频段为11.700～12.200 GHz。微波段多网合一无线通信终端天线，应该能够同时工作于第二代至第五代移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统和移动数字电视系统，具有超强的多频段兼容能力，辐射强度高、性能冗余大，在各个工作频段辐射性能均匀稳定。

仿生学是研究生物系统的结构和性质并为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学，它通过研究生物体的结构、功能及工作原理，将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器。

中国专利CN206727216U公开了一种矩形环-康托尔复合分形天线，该项专利使用的多层矩形环天线是馈电型分形嵌套环天线，外圈矩形环与内圈矩形环之间有连接，射频电流可以直接从外圈矩形环流入内圈矩形环，使用的是两种分形结构融合而成的复合分形天线结构，且该项专利的天线只能覆盖第五代移动通信的三个候选频段，存在工作带宽有限的缺陷。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线及终端，能够同时工作于第二代至第五代移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统和移动数字电视系统，具有超强的多频段兼容能力，辐射强度高，性能冗余大，在各个工作频段辐射性能均匀稳定。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线，包括基板、贴覆在基板正面的菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片和贴覆在基板背面的空心正三角形-六边形阵列复合光子晶体接地板，所述菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片由多个菱形环嵌套感应六边形单元按照六边形阵列结构排列组成，每个菱形环嵌套感应六边形单元由三个菱形环嵌套感应小天线呈六边形排列组成，所述空心正三角形-六边形阵列复合光子晶体接地板由多个空心正三角形复合六边形单元按照六边形阵列结构排列组成，每个空心正三角形复合六边形单元由六个空心正三角形接地板呈六边形排列组成。

每个菱形环嵌套感应小天线均包括菱形环辐射贴片和设于菱形环辐射贴片内的矩形感应辐射贴片组成。

每个菱形环嵌套感应小天线内至少包括三片矩形感应辐射贴片，各片矩形感应辐射贴片彼此平行。

每个菱形环辐射贴片的四条边外沿长度均为8.0 mm±0.1 mm，菱形环辐射贴片的锐角为60度，钝角为120度。

所述菱形环嵌套感应六边形单元为七个，七个菱形环嵌套感应六边形单元呈中心对称的正六边形结构排列。

所述空心正三角形复合六边形单元为七个，七个空心正三角形复合六边形单元呈中心对称的正六边形结构排列。

所述空心正三角形接地板的各边外沿长度均为8.0 mm±0.1 mm，空心正三角形接地板的各边内沿长度为对应边外沿长度的一半。

所述菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片的底部边沿中心设有天线馈电点。

所述基板为低损耗微波陶瓷基板，相对介电常数为40-50，形状为矩形，尺寸是40mm±0.1 mm×41.6 mm±0.1 mm，厚度为1 mm±0.1 mm。

一种终端，所述终端包括上述的嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明申请的天线由菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片和空心正三角形-六边形阵列复合光子晶体接地板组成。菱形环嵌套感应-六边形阵列复合天线兼具菱形环嵌套感应天线和六边形阵列结构的优点，菱形环嵌套感应天线通过外部菱形环和内部多片不同长度的矩形感应辐射贴片的辐射叠加，保证天线具有较高的辐射强度和较大的工作带宽。六边形阵列结构的完美对称，使射频电流在天线内部均匀分布，保证天线具有很好的宽频带工作性能且在各个工作频段的辐射性能均匀稳定。空心正三角形-六边形阵列复合光子晶体接地板可以在天线工作频段内产生光子带隙，有效地扩展天线的工作频段。

2、本发明申请的菱形环嵌套感应天线是感应型嵌套天线，外部菱形环和内部矩形感应辐射贴片之间无连接，嵌套环天线的结构与现有技术完全不同。本专利申请的是由菱形环嵌套感应结构和和六边形阵列结构组成的复合结构，菱形环嵌套感应结构和六边形阵列结构都不属于分形结构，天线结构与现有技术有较大区别。本专利申请的天线能够同时覆盖第二代至第五代移动通信频段、射频识别频段、超宽带通信频段和移动数字电视频段，是一款微波段多网合一无线通信终端天线，本专利申请的天线在应用领域上通用性更强。

3、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：该款天线回波损耗最小值为-51.87dB，天线辐射强度较高，且有很大的性能冗余，传输无线通信信号的能力较强；该款天线带宽倍频程达到30，具有优异的宽频带工作特性，且在0.603～14.788 GHz的频率范围内，天线回波损耗值波动很小，都低于-50 dB，天线在各个工作频段辐射性能均匀稳定；天线使用了六边形阵列仿生结构，具有很高的机械强度，抗破坏性强。

附图说明

图1为嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线的正面示意图；

图2为嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线的背面示意图；

图3为六边形阵列结构的示意图；

图4为菱形环嵌套感应小天线的结构示意图；

图5为菱形环嵌套感应六边形单元的结构示意图；

图6为空心正三角形复合六边形单元的结构示意图；

图7为嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线的回波损耗(S₁₁)性能图。

图中，1、基板，2、菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片，31、菱形环嵌套感应小天线，311、菱形环辐射贴片，312、矩形感应辐射贴片，4、空心正三角形-六边形阵列复合光子晶体接地板，5、空心正三角形复合六边形单元，51、空心正三角形接地板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，一种嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线包括基板1、贴覆在基板1正面的菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片2和贴覆在基板1背面的空心正三角形-六边形阵列复合光子晶体接地板4，菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片2由多个菱形环嵌套感应六边形单元按照六边形阵列结构排列组成，每个菱形环嵌套感应六边形单元由三个菱形环嵌套感应小天线31呈六边形排列组成，空心正三角形-六边形阵列复合光子晶体接地板4由多个空心正三角形复合六边形单元5按照六边形阵列结构排列组成，每个空心正三角形复合六边形单元5由六个空心正三角形接地板51呈六边形排列组成。

六边形阵列结构是模仿自然界中蜂巢结构的仿生结构，其空间利用率高，且极其坚固，具有很高的机械强度和很好的抗破坏性。六边形阵列结构是一种完美对称结构，射频电流在其内部可以均匀分布，保证了天线具有超宽频带工作特性。

如图4所示，每个菱形环嵌套感应小天线31均包括菱形环辐射贴片311和设于菱形环辐射贴片311内的矩形感应辐射贴片312组成，菱形环辐射贴片311的形状为菱形环，外部利用菱形环通过馈电产生辐射，内部嵌套矩形感应辐射贴片312，能够吸收外部菱形环的辐射，并产生感应辐射。每个菱形环嵌套感应小天线31内至少包括三片矩形感应辐射贴片312，各片矩形感应辐射贴片312彼此平行，每片矩形感应辐射贴片312的长度不同，产生的感应辐射频段不同，外部菱形环和内部多片不同长度的矩形感应辐射贴片312的辐射相叠加，可以形成一个较宽的辐射频段。图4中，五片矩形感应辐射贴片312平行于菱形的一对角线且均匀布设。

光子晶体结构是一种能够有效改善天线带宽性能的改进结构，由一种介质周期性的分布在另一种介质中形成。在天线的金属空心正三角形-六边形阵列复合光子晶体接地板4中，正三角形孔有规律地周期性分布，可以形成光子晶体结构，经过合理设计后，其产生的光子带隙会位于天线工作频段内，部分地阻止天线在原工作频段的辐射，让天线在相邻的频段产生辐射，从而扩展天线的工作频段。

本实施例中，正六边形结构如图3所示，由6个正六边形围绕1个正六边形组成，菱形环嵌套感应六边形单元为七个，如图5所示，七个菱形环嵌套感应六边形单元呈中心对称的正六边形结构排列，图5中菱形环嵌套感应六边形单元中矩形感应辐射贴片312呈自中心向外放射状设置，空心正三角形复合六边形单元5为七个，如图6所示，七个空心正三角形复合六边形单元5呈中心对称的正六边形结构排列。即菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片2是由21个菱形环嵌套感应小天线31按照六边形阵列结构排列组成的复合天线；空心正三角形-六边形阵列复合光子晶体接地板4是由42个空心正三角形按照六边形阵列结构排列组成的复合光子晶体接地板。

每个菱形环辐射贴片311的四条边外沿长度均为8.0 mm±0.1 mm，菱形环辐射贴片311的两个菱形锐角为60度，两个菱形钝角为120度。空心正三角形接地板51的各边外沿长度均为8.0 mm±0.1 mm，空心正三角形接地板51的各边内沿长度为对应边外沿长度的一半。则菱形环嵌套感应小天线31和空心正三角形接地板51构成的每个正六边形的边长都为8.0 mm±0.1 mm，如图3所示。菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片2的底部边沿中心设有天线馈电点。

基板1为低损耗微波陶瓷基板，相对介电常数为40-50，形状为矩形，尺寸是40 mm±0.1 mm×41.6 mm±0.1 mm，厚度为1 mm±0.1 mm。菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片2和空心正三角形-六边形阵列复合光子晶体接地板4的材质为铜、银、金或铝。

该嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线制作过程为：

1）在基板1正面上，菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片2使用六边形阵列结构作为基本结构，将每个正六边形区域划分为3个菱形区域，并用菱形环嵌套感应小天线31填充21个菱形区域；

2）在基板1背面上，空心正三角形-六边形阵列复合光子晶体接地板4使用六边形阵列结构作为基本结构，将每个正六边形区域划均匀分为6个大小相等的正三角形区域，再在每个正三角形中心位置挖出一个各边边长为正三角形各边边长一半的正三角形孔而得到空心正三角形，即用空心正三角形填充42个正三角形区域，组成复合光子晶体接地板。

一种终端，该终端包括上述的嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线。经过试验验证，从图7可以看出，实测结果显示，该款天线的工作频带范围为0.511～15.332 GHz，工作带宽为14.821 GHz，带宽倍频程为30，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-51.87 dB。实测结果显示，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、1.880～1.920GHz、1.920～1.980 GHz、2.010～2.025 GHz、2.110～2.170 GHz、2.300～2.400 GHz、2.400～2.4835 GHz、2.570～2.620 GHz、3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz、4.800～4.990GHz、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所有制式所有工作频段、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，该款天线能够同时工作于第二代至第五代移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统和移动数字电视系统，具有超强的多频段兼容能力，辐射强度高、性能冗余大，在各个工作频段辐射性能均匀稳定，有较大的应用前景。

Claims (8)

1.一种嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线，其特征在于，包括基板（1）、贴覆在基板（1）正面的菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片（2）和贴覆在基板（1）背面的空心正三角形-六边形阵列复合光子晶体接地板（4），所述菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片（2）由多个菱形环嵌套感应六边形单元按照六边形阵列结构排列组成，每个菱形环嵌套感应六边形单元由三个菱形环嵌套感应小天线（31）呈六边形排列组成，所述空心正三角形-六边形阵列复合光子晶体接地板（4）由多个空心正三角形复合六边形单元（5）按照六边形阵列结构排列组成，每个空心正三角形复合六边形单元（5）由六个空心正三角形接地板（51）呈六边形排列组成；每个菱形环嵌套感应小天线（31）均包括菱形环辐射贴片（311）和设于菱形环辐射贴片（311）内的矩形感应辐射贴片（312）组成；所述菱形环嵌套感应-六边形阵列复合辐射贴片（2）的底部边沿中心设有天线馈电点。

2.根据权利要求1所述的一种嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线，其特征在于，每个菱形环嵌套感应小天线（31）内至少包括三片矩形感应辐射贴片（312），各片矩形感应辐射贴片（312）彼此平行。

3.根据权利要求1所述的一种嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线，其特征在于，每个菱形环辐射贴片（311）的四条边外沿长度均为8.0 mm±0.1 mm，菱形环辐射贴片（311）的锐角为60度，钝角为120度。

4.根据权利要求1所述的一种嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线，其特征在于，所述菱形环嵌套感应六边形单元为七个，七个菱形环嵌套感应六边形单元呈中心对称的正六边形结构排列。

5.根据权利要求1所述的一种嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线，其特征在于，所述空心正三角形复合六边形单元（5）为七个，七个空心正三角形复合六边形单元（5）呈中心对称的正六边形结构排列。

6.根据权利要求1所述的一种嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线，其特征在于，所述空心正三角形接地板（51）的各边外沿长度均为8.0 mm±0.1 mm，空心正三角形接地板（51）的各边内沿长度为对应边外沿长度的一半。

7.根据权利要求1所述的一种嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线，其特征在于，所述基板（1）为低损耗微波陶瓷基板，相对介电常数为40-50，形状为矩形，尺寸是40 mm±0.1 mm×41.6 mm±0.1 mm，厚度为1 mm±0.1 mm。

8.一种终端，其特征在于，所述终端包括如权利要求1-7任一项所述的嵌套感应-六边形阵列复合超宽频带天线。