CN109494465A - 三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线及终端 - Google Patents

三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线及终端 Download PDF

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Abstract

本发明涉及三维镜像矩形嵌套‑康托尔复合分形缝隙天线及终端，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矩形嵌套‑康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片，第二层薄膜基质正面贴覆有矩形嵌套‑康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片，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，具有良好的超宽频带工作能力和稳定可靠工作性能，能够用一个工作频带实现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，有较强辐射能力和充足性能冗余，有较好的抗干扰能力和抗破坏性能。

Description

三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线及终端
技术领域
本发明涉及一种三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线及终端。
背景技术
无线通信技术，特别是应用于微波频段的无线通信技术，在21世纪得到了快速的发展，多种无线通信系统陆续投入使用，不同工作原理、不同通信频段的无线通信终端设备同时共存。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，它们对终端设备的要求相似，工作原理相近，有较大的整合潜力。
将多个无线通信系统整合在一起，实现无线通信多网合一，设计出无线通信多功能终端设备，是21世纪无线通信技术发展中亟待解决的重要问题。无线通信多功能终端设备需要实现多频段兼容，我国目前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。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。微波频段无线通信多功能终端天线需要完全覆盖上述所有工作频段，且具有良好的超宽频带工作能力和稳定可靠工作性能，有较强辐射能力和充足性能冗余，有较好的抗干扰能力和抗破坏性能，辐射性能不会受到微波频段信号源的影响。
发明内容
本发明的目的是针对传统袋笼的缺陷和不足，提供一种三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线及终端。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线，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矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片，第二层薄膜基质正面贴覆有矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片，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，所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片和矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片结构完全一致。
进一步的，所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片和矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片都是在尺寸为8.1 mm±0.1 mm×8.1 mm±0.1 mm的矩形区域进行矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙迭代而得到。
进一步的，所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片和矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片使用至少2阶的矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙结构。
进一步的，所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片的底部边沿中心处设有天线馈电点。
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8.1 mm±0.1 mm×8.1 mm±0.1 mm，厚度为0.2 mm±0.02 mm，相对介电常数为10±0.5。
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8.1 mm±0.1 mm×8.1 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，所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片和矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙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矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线。
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，具有良好的超宽频带工作能力和稳定可靠工作性能，能够用一个工作频带实现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，有较强辐射能力和充足性能冗余，有较好的抗干扰能力和抗破坏性能。
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为矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片的结构示意图；
图3为0阶的矩形嵌套-康托尔复合分形结构示意图；
图4为1阶的矩形嵌套-康托尔复合分形结构示意图；
图5为2阶的矩形嵌套-康托尔复合分形结构示意图；
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-矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片；5-矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片。
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，一种三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线，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矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片，第二层薄膜基质正面贴覆有矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片，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，所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片和矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片结构完全一致。
矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片和矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙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结构完全一致。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。只要合理调节天线馈电辐射结构与镜像补偿结构的距离，就可使二者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馈电辐射结构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。馈电辐射贴片上方和下方的两块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。
矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙结构的迭代规律如说明书附图的图3-5所示。矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙结构的初始结构是正方形，将其等分为9行9列共81个小正方形，这些小正方形可分为5圈矩形环，最外圈矩形环有32个小正方形，第二圈矩形环有24个小正方形，第三圈矩形环有16个小正方形，第四圈矩形环有8个小正方形，最内圈是1个小正方形，将第二圈矩形环和第四圈矩形环的32个小正方形用康托尔分形缝隙替代，形成一个矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙，剩下49个等分的正方形区域和128个独立的微型正方形区域，则得到1阶矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙结构。将1阶矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙结构的49个等分的正方形区域，分别再做矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙迭代，则得到2阶矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙结构。按照这种方法继续迭代，则可得到高阶的矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙结构。
将小正方形等分为4行4列16个小正方形，将第1行第1列、第1行第2列、第1行第4列、第2行第2列、第2行第3列、第2行第4列、第3行第1列、第3行第2列、第3行第4列、第4行第1列、第4行第3列、第4行第4列共12个小正方形挖去，剩下4个等分的小正方形，形成一个康托尔分形缝隙。
矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙结构由矩形环嵌套结构和康托尔分形缝隙结构融合而成。矩形环嵌套结构具有多个工作在不同频段的环形缝隙，它们的辐射叠加可以保证天线有较宽的工作频带；康托尔分形缝隙结构具有分形结构的自相似性，可以使天线辐射贴片内部有均匀分布的射频电流，可以有效展宽天线的工作频段。矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙结构兼具两种宽频段辐射结构的优点，用于天线设计时，可以在不改变天线整体结构的情况下，通过迭代挖洞在天线辐射贴片内部形成分形自相似缝隙，保证天线具有优异的超宽频带工作性能。
在本实施例中，所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片和矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片都是在尺寸为8.1 mm±0.1 mm×8.1 mm±0.1 mm的矩形区域进行矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙迭代而得到。
在本实施例中，所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片和矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片使用至少2阶的矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙结构。
在本实施例中，所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片的底部边沿中心处设有天线馈电点。
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8.1 mm±0.1 mm×8.1 mm±0.1 mm，厚度为0.2 mm±0.02 mm，相对介电常数为10±0.5。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8.1 mm±0.1 mm×8.1 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，所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片和矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙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矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线。
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0.341～16.788 GHz，工作带宽为16.447 GHz，带宽倍频程为49.23，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-47.48 dB。该款天线辐射性能不会受到射频信号源的干扰，能够在射频信号源附近正常工作。该款天线具有良好的超宽频带工作能力和稳定可靠工作性能，能够用一个工作频带实现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，有较强辐射能力和充足性能冗余，有较好的抗干扰能力和抗破坏性能，应用前景较大。
该款天线使用矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙结构作为天线的辐射贴片，矩形环嵌套结构和康托尔分形缝隙结构这两种宽频段辐射结构的组合，保证天线具有优异的超宽频带工作性能和高度稳定的辐射特性；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0.341～16.788 GHz，工作带宽为16.447 GHz，带宽倍频程为49.23，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-47.48 dB。该款天线有较好的抗干扰能力，辐射性能不会受到射频信号源的干扰，能够在射频信号源附近正常工作。实测结果显示，该款天线完全覆盖了0.902～0.928GHz、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：该款天线具有优异的超宽频带工作性能，工作带宽超过16 GHz，带宽倍频程接近50，用一个工作频带实现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，是目前已知的工作带宽和带宽倍频程最大的微波频段超宽频带天线；该款天线具有很强的抗干扰性和抗破坏性，能够在射频信号源附近正常工作，其辐射贴片即使被破坏四分之三，仍然能够正常工作；该款天线在工作频带内的大部分区域，回波损耗值都低于-40 dB，回波损耗最小值低达-47.48 dB，性能冗余较大且辐射性能稳定可靠。
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)

1.一种三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线，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矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片，第二层薄膜基质正面贴覆有矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片，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所述的三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线，其特征在于：所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片和矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片结构完全一致。
3.根据权利要求2所述的三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线，其特征在于：所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片和矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片都是在尺寸为8.1 mm±0.1 mm×8.1 mm±0.1 mm的矩形区域进行矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙迭代而得到。
4.根据权利要求3所述的三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线，其特征在于：所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片和矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片使用至少2阶的矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙结构。
5.根据权利要求2所述的三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线，其特征在于：所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙馈电辐射贴片的底部边沿中心处设有天线馈电点。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线，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8.1 mm±0.1 mm×8.1 mm±0.1 mm，厚度为0.2 mm±0.02 mm，相对介电常数为10±0.5。
7.根据权利要求1-5任意一项的三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线，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8.1 mm±0.1mm×8.1 mm±0.1 mm，厚度为0.3 mm±0.1 mm，相对介电常数为100±5。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线，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。
9.根据权利要求1-5任意一项所述的三维镜像矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线，其特征在于：所述矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙感应辐射贴片和矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙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矩形嵌套-康托尔复合分形缝隙天线。
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