CN109390674A - 一种三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线，该天线包括三层薄膜基质、贴覆在第一层薄膜基质正面的镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片、贴覆在第二层薄膜基质正面的镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片、贴覆在第三层薄膜基质正面的镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片、贴覆在第三层薄膜基质背面的钛酸钡薄片、贴覆在钛酸钡薄片背面的坡莫合金镀层。具有较强抵抗周围电磁信号干扰能力，辐射能力强，在微波频段具有超宽频带工作性能，能够完全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，有充足的性能冗余。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线及其应用。
背景技术
无线通信技术诞生于上个世纪70年代，在上个世纪末和本世纪初得到了飞速的发展，出现了多种工作在不同频段的无线通信系统。微波频段是目前无线通信系统的主要工作频段，目前最重要的几种无线通信终端设备：移动通信手机、射频识别读写器、超宽带通信终端、移动数字电视都工作于微波频段。这些微波频段的无线通信终端设备工作频率接近，工作原理相似，具有较大的通用性和可整合性，如果将它们整合在一起，就能够实现微波频段的无线通信多网合一与多频段兼容，设计出多用途的智能终端设备。
微波频段多网合一终端天线需要完全覆盖现有的第二代至第五代移动通信频段、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。我国目前使用的第二代移动通信频段为GSM制式 0.905～0.915 GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785GHz、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。即将投入使用的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。微波频段多网合一终端天线需要完全覆盖上述所有工作频段，具有较强的辐射能力和充足的性能冗余。微波频段多网合一终端设备需要与移动通信基站、射频识别读写器、超宽带通信基站、移动数字电视收发站进行无线通信，会受到多个频段的微波信号源的干扰，这就要求微波频段多网合一终端天线具有较强的抵抗周围电磁信号干扰的能力。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线及其应用，不仅结构简单，而且便捷高效。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线，该天线包括三层薄膜基质、贴覆在第一层薄膜基质正面的镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片、贴覆在第二层薄膜基质正面的镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片、贴覆在第三层薄膜基质正面的镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片、贴覆在第三层薄膜基质背面的钛酸钡薄片、贴覆在钛酸钡薄片背面的坡莫合金镀层。
优选的，所述镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片和镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片结构完全一致，都由两条对称的希尔伯特分形偶极子辐射臂和下方的镜像补偿结构组成。
优选的，所述希尔伯特分形偶极子辐射臂由长度为0.5mm±0.1mm的馈线和希尔伯特分形区域组成，希尔伯特分形偶极子辐射臂线宽为0.2mm±0.01mm，希尔伯特分形区域的尺寸为15mm±0.1mm×15mm±0.1mm。
优选的，所述希尔伯特分形偶极子辐射臂中的希尔伯特分形区域使用至少3阶的希尔伯特分形结构。
优选的，所述镜像补偿结构与两条希尔伯特分形偶极子辐射臂呈镜像对称，镜像补偿结构与希尔伯特分形偶极子辐射臂的距离为1mm±0.1mm。
优选的，所述镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片的两条辐射臂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。
优选的，三层薄膜基质结构一致，都为聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜基质，其形状为矩形，尺寸是32mm±0.1mm×32mm±0.1mm，厚度为0.2mm±0.02mm，相对介电常数为4.0±0.1。
优选的，所述钛酸钡薄片为微波频段低损耗钛酸钡薄片，其形状为矩形，尺寸是32mm±0.1mm×32mm±0.1mm，厚度为0.3mm±0.1mm，相对介电常数为100±5。
优选的，所述坡莫合金镀层的尺寸与钛酸钡薄片的尺寸相同，所用坡莫合金是由78%的镍，21%的铁，1%的铌、钽、钛、铝组成的高硬度高磁导率的坡莫合金；所述镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片和镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成。
一种三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线的应用，应用于移动通信天线、射频识别天线、超宽带天线、移动数字电视天线、分形偶极子天线、镜像结构天线、强抗干扰天线中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：具有较强抵抗周围电磁信号干扰能力，辐射能力强，在微波频段具有超宽频带工作性能，能够完全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，有充足的性能冗余。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的希尔伯特分形迭代规律示意图。
图2为镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片和镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片的结构示意图。
图3为天线整体的分层截面结构示意图。
图4为本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1~4所示，一种三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线，该天线包括三层薄膜基质、贴覆在第一层薄膜基质正面的镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片、贴覆在第二层薄膜基质正面的镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片、贴覆在第三层薄膜基质正面的镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片、贴覆在第三层薄膜基质背面的钛酸钡薄片、贴覆在钛酸钡薄片背面的坡莫合金镀层。
在本发明实施例中，所述镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片和镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片结构完全一致，都由两条对称的希尔伯特分形偶极子辐射臂和下方的镜像补偿结构组成。
在本发明实施例中，所述希尔伯特分形偶极子辐射臂由长度为0.5mm±0.1mm的馈线和希尔伯特分形区域组成，希尔伯特分形偶极子辐射臂线宽为0.2mm±0.01mm，希尔伯特分形区域的尺寸为15mm±0.1mm×15mm±0.1mm。
在本发明实施例中，所述希尔伯特分形偶极子辐射臂中的希尔伯特分形区域使用至少3阶的希尔伯特分形结构。
在本发明实施例中，所述镜像补偿结构与两条希尔伯特分形偶极子辐射臂呈镜像对称，镜像补偿结构与希尔伯特分形偶极子辐射臂的距离为1mm±0.1mm。
在本发明实施例中，所述镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片的两条辐射臂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。
在本发明实施例中，三层薄膜基质结构一致，都为聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜基质，其形状为矩形，尺寸是32mm±0.1mm×32mm±0.1mm，厚度为0.2mm±0.02mm，相对介电常数为4.0±0.1。
在本发明实施例中，所述钛酸钡薄片为微波频段低损耗钛酸钡薄片，其形状为矩形，尺寸是32mm±0.1mm×32mm±0.1mm，厚度为0.3mm±0.1mm，相对介电常数为100±5。
在本发明实施例中，所述坡莫合金镀层的尺寸与钛酸钡薄片的尺寸相同，所用坡莫合金是由78%的镍，21%的铁，1%的铌、钽、钛、铝组成的高硬度高磁导率的坡莫合金；所述镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片和镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成。
一种三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线的应用，应用于移动通信天线、射频识别天线、超宽带天线、移动数字电视天线、分形偶极子天线、镜像结构天线、强抗干扰天线中。
在本发明实施例中，希尔伯特分形是一种很适合于设计偶极子天线辐射臂的线分形结构。良好的自相似性使希尔伯特分形结构作为天线辐射结构时，内部具有很均匀的射频电流分布，可以保证天线具有优异的宽频带工作性能。同时希尔伯特分形结构具有很高的线压缩率，可以高效提升分形边缘的长度，对天线小型化设计具有独特的优势。
在本发明实施例中，镜像补偿结构是一种“万能”的偶极子天线辐射性能改进结构。镜像补偿结构尺寸结构与偶极子天线的馈电辐射臂完全一致。如果天线附近存在金属导体，金属导体因受天线产生的电磁场的作用要激起电流，这种感应电流也会在空间激发电磁场，可以称其为二次场。空间任一点的场都是天线直接激发的场与二次场的叠加。当偶极子长度确定时，只要合理调节有源偶极子与镜像补偿结构的距离 ，就可使镜像补偿结构上的电流与有源偶极子天线臂上的电流有相同或相近的相位。这时，空间任一点的场都是天线直接激发的场与镜像补偿结构激发的二次场的同相叠加，天线的辐射性能将得到较大的提高。平面型镜像补偿结构可以有效提高偶极子天线辐射臂的辐射强度。在馈电偶极子辐射贴片上方和下方添加两块感应偶极子辐射贴片，可以看作是在三维空间中使用了镜像补偿结构，它们可以进一步增强天线整体的辐射能力。
在本发明实施例中，聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜的化学稳定性非常好，可以耐油、耐稀酸、耐稀碱，耐大多数溶剂，在-70℃到150℃的温度范围内都可以正常工作，使用它作为天线基质材料，可以保证天线有稳定的物理和化学性质。
在本发明实施例中，钛酸钡是一种具有高介电常数和低介电损耗的强介电化合物，能够形成有效的电场屏蔽层，阻止外界电场对天线辐射的干扰。坡莫合金是由镍和铁组成的合金，含镍78%，含铁21%，并添加铌、钽、钛、铝的坡莫合金，兼具高硬度和高磁导率，可以有效屏蔽外界磁场对天线辐射的影响，并为天线结构提供机械防护。将钛酸钡薄片和坡莫合金镀层组合在一起，可以有效阻止天线周围环境电磁场对天线辐射的干扰，保证天线具有较强抵抗周围电磁信号干扰能力。
在本发明实施例中，石墨烯具有很高的电子迁移率，制作成导电墨水后能通过的射频电流强度大，以石墨烯导电墨水印制天线辐射贴片，可以增强天线内部的射频电流强度，提高天线辐射强度。石墨烯导电墨水不含金属，印制天线辐射贴片可以有效防止腐蚀。
本专利使用高阶希尔伯特分形结构作为偶极子天线的辐射臂，利用高阶分形结构的自相似性实现了天线的超宽频带工作；平面镜像补偿结构与天线辐射臂的辐射同相叠加，有效地提高了天线的辐射性能；馈电辐射贴片上方和下方的两块感应辐射贴片形成三维空间中的镜像补偿结构，进一步增强了天线整体的辐射能力。使用聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜作为天线基质材料，可以保证天线具有很好的温度适应性、抗腐蚀性和稳定的物理、化学特性。在天线结构中使用钛酸钡薄片和坡莫合金镀层，可以有效阻止天线周围环境电磁场对天线辐射的干扰。使用石墨烯导电墨水印制天线的辐射贴片，可以有效防止腐蚀并提高天线辐射强度。
在本发明实施例中，希尔伯特分形的迭代规律如说明书附图1所示。希尔伯特分形的初始结构是一条由3段等长线段组成的垂直三折线，将每条线段3等分，按照顺时针旋转的顺序，将第1段线段的前部1/3用一条各线段长度为初始单元各线段长度1/3的小三折线替代，将第2段线段的中部1/3用一条各线段长度为初始单元各线段长度1/3的小三折线替代，将第3段线段的后部1/3用一条各线段长度为初始单元各线段长度1/3的小三折线替代，则得到1阶希尔伯特分形结构。将1阶希尔伯特分形结构中的各个三折线区域做相似的迭代后，则得到2阶希尔伯特分形结构。按照这种方法继续迭代，则可得到高阶希尔伯特分形结构。良好的自相似性使希尔伯特分形结构作为天线辐射结构时，内部具有很均匀的射频电流分布，可以保证天线具有优异的宽频带工作性能。同时希尔伯特分形结构具有很高的线压缩率，可以高效提升分形边缘的长度，对天线小型化设计具有独特的优势。
镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片和镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片的结构如说明书附图2所示。镜像补偿结构是一种利用感应辐射原理，提高偶极子天线辐射性能的改进结构。镜像补偿结构尺寸结构与天线的馈电辐射臂完全一致。如果天线附近存在金属导体，金属导体因受天线产生的电磁场的作用要激起电流，这种感应电流也会在空间激发电磁场，可以称其为二次场。空间任一点的场都是天线直接激发的场与二次场的叠加。当偶极子长度确定时，只要合理调节有源偶极子与镜像补偿结构的距离，就可使镜像补偿结构上的电流与有源偶极子天线臂上的电流有相同或相近的相位。这时，空间任一点的场都是天线直接激发的场与镜像补偿结构激发的二次场的同相叠加，天线的辐射性能将得到较大的提高。
在镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片中，平面型镜像补偿结构可以有效提高希尔伯特分形偶极子辐射臂的辐射强度。镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片上方和下方的两块镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片可以看作是三维空间中的镜像补偿结构，它们进一步增强了天线整体的辐射能力。
天线整体的分层截面结构如说明书附图3所示。聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜的化学稳定性非常好，可以耐油、耐稀酸、耐稀碱，耐大多数溶剂，在-70℃到150℃的温度范围内都可以正常工作，使用它作为天线基质材料，可以保证天线有稳定的物理和化学性质。钛酸钡是一种具有高介电常数和低介电损耗的强介电化合物，能够形成有效的电场屏蔽层，阻止外界电场对天线辐射的干扰。坡莫合金是由镍和铁组成的合金，含镍78%，含铁21%，并添加铌、钽、钛、铝的坡莫合金，兼具高硬度和高磁导率，可以有效屏蔽外界磁场对天线辐射的影响，并为天线结构提供机械防护。将钛酸钡薄片和坡莫合金镀层组合在一起，可以有效阻止天线周围环境电磁场对天线辐射的干扰，保证天线具有较强抵抗周围电磁信号干扰能力。
该款天线使用高阶希尔伯特分形结构作为偶极子天线的辐射臂，利用高阶分形结构的自相似性实现了天线的超宽频带工作；平面镜像补偿结构与天线辐射臂的辐射同相叠加，有效地提高了天线的辐射性能；馈电辐射贴片上方和下方的两块感应辐射贴片形成三维空间中的镜像补偿结构，进一步增强了天线整体的辐射能力。使用聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜作为天线基质材料，可以保证天线具有很好的温度适应性、抗腐蚀性和稳定的物理、化学特性。在天线结构中使用钛酸钡薄片和坡莫合金镀层，可以有效阻止天线周围环境电磁场对天线辐射的干扰。使用石墨烯导电墨水印制天线的辐射贴片，可以有效防止腐蚀并提高天线辐射强度。
天线实测结果显示，该款天线的工作频带范围为0.604～15.532 GHz，工作带宽为14.928 GHz，带宽倍频程为25.72，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-47.76 dB。该款天线放置在射频信号源附近时，辐射性能基本不变，能够正常工作。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、1.880～1.920 GHz、1.920～1.980GHz、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、4.800～4.990 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所有制式所有工作频段、射频识别频段、超宽带通信频段和移动数字电视频段。
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：该款天线具有较强抵抗周围电磁信号干扰能力，能够屏蔽整个微波频段各种信号源对天线辐射的干扰，保证微波频段多网合一无线通信信号有较好的传输质量；该款天线具有优异的超宽频段工作性能，绝对工作带宽达到14.928 GHz，带宽倍频程达到25.72，性能远远好于现有的微波频段天线；该款天线工作频段内的大部分区域，天线回波损耗值都小于-40 dB，天线辐射性能稳定且有充足的性能冗余。
说明书附图4给出了本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。从图4可以看出，实测结果显示，该款天线的工作频带范围为0.604～15.532 GHz，工作带宽为14.928 GHz，带宽倍频程为25.72，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-47.76dB。该款天线放置在射频信号源附近时，辐射性能基本不变，能够正常工作。该款天线具有较强抵抗周围电磁信号干扰能力，辐射能力强，有充足的性能冗余，在微波频段具有超宽频带工作性能，能够完全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，具有超强的工作稳定性和多频段兼容能力，应用潜力巨大。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线及其应用。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 (10)
1.一种三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：该天线包括三层薄膜基质、贴覆在第一层薄膜基质正面的镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片、贴覆在第二层薄膜基质正面的镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片、贴覆在第三层薄膜基质正面的镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片、贴覆在第三层薄膜基质背面的钛酸钡薄片、贴覆在钛酸钡薄片背面的坡莫合金镀层。
2.根据权利要求1所述的三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：所述镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片和镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片结构完全一致，都由两条对称的希尔伯特分形偶极子辐射臂和下方的镜像补偿结构组成。
3.根据权利要求2所述的三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：所述希尔伯特分形偶极子辐射臂由长度为0.5mm±0.1mm的馈线和希尔伯特分形区域组成，希尔伯特分形偶极子辐射臂线宽为0.2mm±0.01mm，希尔伯特分形区域的尺寸为15mm±0.1mm×15mm±0.1mm。
4.根据权利要求2所述的三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：所述希尔伯特分形偶极子辐射臂中的希尔伯特分形区域使用至少3阶的希尔伯特分形结构。
5.根据权利要求2所述的三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：所述镜像补偿结构与两条希尔伯特分形偶极子辐射臂呈镜像对称，镜像补偿结构与希尔伯特分形偶极子辐射臂的距离为1mm±0.1mm。
6.根据权利要求1所述的三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：所述镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片的两条辐射臂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。
7.根据权利要求1-6任一所述的三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：三层薄膜基质结构一致，都为聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜基质，其形状为矩形，尺寸是32mm±0.1mm×32mm±0.1mm，厚度为0.2mm±0.02mm，相对介电常数为4.0±0.1。
8.根据权利要求1-6任一所述的三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：所述钛酸钡薄片为微波频段低损耗钛酸钡薄片，其形状为矩形，尺寸是32mm±0.1mm×32mm±0.1mm，厚度为0.3mm±0.1mm，相对介电常数为100±5。
9.根据权利要求1-6任一所述的三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：所述坡莫合金镀层的尺寸与钛酸钡薄片的尺寸相同，所用坡莫合金是由78%的镍，21%的铁，1%的铌、钽、钛、铝组成的高硬度高磁导率的坡莫合金；所述镜像希尔伯特分形偶极子感应辐射贴片和镜像希尔伯特分形偶极子馈电辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成。
10.一种三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线的应用，其特征在于：将权利要求1至9中任一项所述的三维镜像希尔伯特分形偶极子超宽频带天线应用于移动通信天线、射频识别天线、超宽带天线、移动数字电视天线、分形偶极子天线、镜像结构天线、强抗干扰天线中。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115395209A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-11-25 | 北京航空航天大学 | 一种加载三维希尔伯特分形曲线的小型化套筒单极子天线 |
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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