CN109411887A - 三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线及终端 - Google Patents
三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线及终端 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线及终端，包括由上至下依次设置的三层薄膜基质，第一层薄膜基质正面及第三层薄膜基质正面均贴覆有镜像工型缝隙分形偶极子感应辐射贴片，第二层薄膜基质正面贴覆有镜像工型缝隙分形偶极子馈电辐射贴片，第三层薄膜基质背面贴覆有钛酸钡薄片，钛酸钡薄片背面贴覆有的坡莫合金镀层，本天线结构简单，设计合理，具有稳定可靠的超宽频带工作能力，辐射能力强，回波损耗波动较小，性能冗余较大，能够屏蔽微波频段信号源的辐射干扰，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线及终端。
背景技术
天线是无线通信系统的核心关键部件，决定着无线通信系统的无线信号传输质量。微波频段多网合一多用途终端天线需要完全覆盖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、1.710～1.785 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。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、4.800～4.990GHz。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。微波频段多网合一多用途终端天线需要完全覆盖上述所有工作频段，且具有稳定可靠的超宽频带工作能力，辐射能力强，回波损耗波动较小，性能冗余较大，能够屏蔽微波频段信号源的辐射干扰。
发明内容
本发明的目的是针对传统袋笼的缺陷和不足，提供一种三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线及终端。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线，包括由上至下依次设置的三层薄膜基质，第一层薄膜基质正面及第三层薄膜基质正面均贴覆有镜像工型缝隙分形偶极子感应辐射贴片，第二层薄膜基质正面贴覆有镜像工型缝隙分形偶极子馈电辐射贴片，第三层薄膜基质背面贴覆有钛酸钡薄片，钛酸钡薄片背面贴覆有的坡莫合金镀层。
进一步的，所述镜像工型缝隙分形偶极子感应辐射贴片和镜像工型缝隙分形偶极子馈电辐射贴片结构完全一致，都由两条对称的工型缝隙分形偶极子辐射臂和下方的镜像补偿结构组成。
进一步的，所述工型缝隙分形偶极子辐射臂由长度为1 mm±0.1 mm、宽度为0.5mm±0.01 mm的馈线和工型缝隙分形区域组成，工型缝隙分形区域的尺寸为12.5 mm±0.1mm×12.5 mm±0.1 mm。
进一步的，所述工型缝隙分形偶极子辐射臂中的工型缝隙分形区域使用至少2阶的工型缝隙分形结构。
进一步的，所述镜像补偿结构与两条工型缝隙分形偶极子辐射臂呈镜像对称，镜像补偿结构与工型缝隙分形偶极子辐射臂的距离为2 mm±0.1 mm。
进一步的，所述镜像工型缝隙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。
进一步的，三层薄膜基质结构一致，都为聚对苯二甲酸乙二酯薄膜基质，其形状为矩形，尺寸是29 mm±0.1 mm×29 mm±0.1 mm，厚度为0.2 mm±0.02 mm，相对介电常数为5.5±0.1。
进一步的，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29 mm±0.1 mm×29 mm±0.1 mm，厚度为0.3 mm±0.1 mm，相对介电常数为100±5。
进一步的，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。
进一步的，所述镜像工型缝隙分形偶极子感应辐射贴片和镜像工型缝隙分形偶极子馈电辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成。
一种终端，所述终端包括三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：结构简单，设计合理，具有稳定可靠的超宽频带工作能力，辐射能力强，回波损耗波动较小，性能冗余较大，能够屏蔽微波频段信号源的辐射干扰，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。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本天线的结构示意图；
图2为镜像康托尔缝隙分形偶极子感应辐射贴片的结构示意图；
图3为0阶的工型缝隙分形结构示意图；
图4为1阶的工型缝隙分形结构示意图；
图5为2阶的工型缝隙分形结构示意图；
图6为本天线的回波损耗(S11)性能图。
图中：
1-薄膜基质；2-钛酸钡薄片；3-坡莫合金镀层；4-镜像工型缝隙分形偶极子感应辐射贴片；5-镜像工型缝隙分形偶极子馈电辐射贴片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，一种三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线，包括由上至下依次设置的三层薄膜基质，第一层薄膜基质正面及第三层薄膜基质正面均贴覆有镜像工型缝隙分形偶极子感应辐射贴片，第二层薄膜基质正面贴覆有镜像工型缝隙分形偶极子馈电辐射贴片，第三层薄膜基质背面贴覆有钛酸钡薄片，钛酸钡薄片背面贴覆有的坡莫合金镀层。
在本实施例中，所述镜像工型缝隙分形偶极子感应辐射贴片和镜像工型缝隙分形偶极子馈电辐射贴片结构完全一致，都由两条对称的工型缝隙分形偶极子辐射臂和下方的镜像补偿结构组成。
镜像工型缝隙分形偶极子感应辐射贴片和镜像工型缝隙分形偶极子馈电辐射贴片的结构如说明书附图的图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。在镜像工型缝隙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偶极子辐射臂的辐射强度。镜像工型缝隙分形偶极子馈电辐射贴片上方和下方的两块镜像工型缝隙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。
工型缝隙分形的迭代规律如说明书附图的图3-4所示。工型缝隙分形的初始结构是正方形，将其等分为5行5列25个小正方形，将第2行第2列、第2行第4列、第3行第2列、第3行第3列、第3行第4列、第4行第2列、第4行第4列共7个小正方形挖去，形成一个工型缝隙，剩下18个等分的正方形区域，则得到1阶工型缝隙分形结构。将1阶工型缝隙分形结构的18个正方形区域分别再做工型缝隙分形迭代，则得到2阶工型缝隙分形结构。按照这种方法继续迭代，则可得到高阶工型缝隙分形结构。工型缝隙分形结构很适合于对矩形天线辐射贴片的辐射性能进行改进，它可以在不改变天线辐射贴片外部形状的情况下，通过“嵌入式”的分形迭代在天线辐射贴片内部开出分形缝隙，利用高阶分形结构良好的自相似性使天线辐射贴片内部射频电流分布均匀，实现天线的超宽频带工作。
在本实施例中，所述工型缝隙分形偶极子辐射臂由长度为1 mm±0.1 mm、宽度为0.5 mm±0.01 mm的馈线和工型缝隙分形区域组成，工型缝隙分形区域的尺寸为12.5 mm±0.1 mm×12.5 mm±0.1 mm。
在本实施例中，所述工型缝隙分形偶极子辐射臂中的工型缝隙分形区域使用至少2阶的工型缝隙分形结构。
进一步的，所述镜像补偿结构与两条工型缝隙分形偶极子辐射臂呈镜像对称，镜像补偿结构与工型缝隙分形偶极子辐射臂的距离为2 mm±0.1 mm。
在本实施例中，所述镜像工型缝隙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薄膜基质，其形状为矩形，尺寸是29 mm±0.1 mm×29 mm±0.1 mm，厚度为0.2 mm±0.02 mm，相对介电常数为5.5±0.1。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29 mm±0.1 mm×29 mm±0.1 mm，厚度为0.3 mm±0.1 mm，相对介电常数为100±5。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。
在本实施例中，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,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。
在本实施例中，所述镜像工型缝隙分形偶极子感应辐射贴片和镜像工型缝隙分形偶极子馈电辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成。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。
一种终端，所述终端包括三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线。
从图6可以看出，实测结果显示，该款天线的工作频带范围为0.461～15.852 GHz，工作带宽为15.391 GHz，带宽倍频程为34.39，在整个工作频带内天线回波损耗都低于-10dB，回波损耗最小值为-47.31 dB。该款天线放置在射频信号源附近时，仍然能够正常工作。该款天线具有稳定可靠的超宽频带工作能力，辐射能力强，回波损耗波动较小，能够屏蔽微波频段信号源的辐射干扰，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，有较大的应用潜力。
该款天线使用高阶工型缝隙分形结构来改进偶极子天线臂的辐射性能，利用“嵌入式”的分形缝隙使天线辐射贴片内部射频电流分布均匀，在不改变天线辐射贴片外部形状的情况下，实现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。
天线实测结果显示，该款天线的工作频带范围为0.461～15.852 GHz，工作带宽为15.391 GHz，带宽倍频程为34.39，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-47.31 dB。该款天线能够屏蔽微波频段信号源的辐射干扰，放置在射频信号源附近时，仍然能够正常工作。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、1.880～1.920GHz、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：该款天线辐射能力较强且回波损耗值波动很小，工作频段内的大部分区域，回波损耗值都低于-40 dB，回波损耗最小值低达-47.31 dB，其工作稳定性远好于一般的微波频段多频天线；该款天线性能冗余较大，工作带宽达到15.391 GHz，带宽倍频程达到34.39，用一个超宽的工作频段覆盖了多个无线通信系统工作频段，具有优异的超宽频段工作性能；该款天线放置在射频信号源附近时，仍然能够正常工作，天线的抵抗微波频段信号源的辐射干扰能力较强。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：包括由上至下依次设置的三层薄膜基质，第一层薄膜基质正面及第三层薄膜基质正面均贴覆有镜像工型缝隙分形偶极子感应辐射贴片，第二层薄膜基质正面贴覆有镜像工型缝隙分形偶极子馈电辐射贴片，第三层薄膜基质背面贴覆有钛酸钡薄片，钛酸钡薄片背面贴覆有的坡莫合金镀层。
2.根据权利要求1所述的三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：所述镜像工型缝隙分形偶极子感应辐射贴片和镜像工型缝隙分形偶极子馈电辐射贴片结构完全一致，都由两条对称的工型缝隙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所述的三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：所述工型缝隙分形偶极子辐射臂由长度为1 mm±0.1 mm、宽度为0.5 mm±0.01 mm的馈线和工型缝隙分形区域组成，工型缝隙分形区域的尺寸为12.5 mm±0.1 mm×12.5 mm±0.1mm。
4.根据权利要求3所述的三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：所述工型缝隙分形偶极子辐射臂中的工型缝隙分形区域使用至少2阶的工型缝隙分形结构。
5.根据权利要求2所述的三维镜像工型缝隙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工型缝隙分形偶极子辐射臂呈镜像对称，镜像补偿结构与工型缝隙分形偶极子辐射臂的距离为2 mm±0.1 mm。
6.根据权利要求2所述的三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线，其特征在于：所述镜像工型缝隙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任意一项所述的三维镜像工型缝隙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薄膜基质，其形状为矩形，尺寸是29 mm±0.1 mm×29 mm±0.1 mm，厚度为0.2 mm±0.02 mm，相对介电常数为5.5±0.1。
8.根据权利要求1-6任意一项的三维镜像工型缝隙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29 mm±0.1mm×29 mm±0.1 mm，厚度为0.3 mm±0.1 mm，相对介电常数为100±5。
9.根据权利要求1-6任意一项所述的三维镜像工型缝隙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,所述镜像工型缝隙分形偶极子感应辐射贴片和镜像工型缝隙分形偶极子馈电辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成。
10.一种终端，其特征在于:所述终端包括如权利要求1-6任意项所述的三维镜像工型缝隙分形偶极子超宽频带天线。
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