CN109728434B - 菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线,其特征在于，包括：薄膜基质、贴覆在薄膜基质正面的菱形多缝隙分形阵列馈电辐射贴片、贴覆在薄膜基质背面的天线接地板、贴覆在天线接地板背面的钽铌酸钾薄片、贴覆在钽铌酸钾薄片背面的铁基纳米晶合金镀层。本发明将菱形多缝隙结构和“嵌入式”缝隙分形结构相结合，使用菱形多缝隙分形天线作为阵元天线，保证了天线整体具有优异的宽频段工作能力；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。

Description

菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线

技术领域

本发明涉及移动通信天线领域，具体涉及一种菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线。

背景技术

随着无线通信技术在21世纪的飞速发展，越来越多基于无线通信的应用系统在近年来陆续投入使用。不同原理、不同制式、不同工作频段、不同基站和终端设备的多种无线通信应用系统长期共存，将是无线通信技术发展的“新常态”。将多个无线通信应用系统整合在一起，实现无线通信多网合一，是21世纪无线通信技术发展过程中需要解决的重要问题。

移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统、移动数字电视系统是最有发展潜力的四种无线通信应用系统，它们都工作在微波频段，有望通过整合实现微波频段的多网合一。多网合一系统要求天线具备多频段兼容功能。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、4.800～4.990 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11.700～12.200GHz。微波频段多网合一天线需要完全覆盖上述所有工作频段，具有优异的超宽频带工作能力和抗干扰能力，尺寸小，辐射强度高，工作性能稳定可靠，性能冗余充足。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线，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。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线，包括：薄膜基质、贴覆在薄膜基质正面的菱形多缝隙分形阵列馈电辐射贴片、贴覆在薄膜基质背面的天线接地板、贴覆在天线接地板背面的钽铌酸钾薄片、贴覆在钽铌酸钾薄片背面的铁基纳米晶合金镀层。

进一步的，所述菱形多缝隙分形阵列馈电辐射贴片是由菱形多缝隙分形小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列。

进一步的，所述菱形多缝隙分形小天线是在尺寸为4.4 mm±0.1 mm×4.4 mm±0.1 mm的矩形区域进行菱形多缝隙分形迭代而得到。

进一步的，所述菱形多缝隙分形小天线使用至少2阶的菱形多缝隙分形结构。

进一步的，所述每个菱形多缝隙分形小天线的底部边沿中心处设有天线馈电点。

进一步的，所述薄膜基质为聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜基质，其形状为矩形，尺寸是20 mm±0.1 mm×20 mm±0.1 mm，厚度为0.2 mm±0.02 mm。

进一步的，所述菱形多缝隙分形阵列馈电辐射贴片包括4行4列共16个菱形多缝隙分形小天线。

一种菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线的2阶的菱形多缝隙分形结构的构建方法，包括以下步骤：

步骤S1:菱形多缝隙分形结构的初始结构是正方形，将其等分为11行11列121个小正方形;

步骤S2:将第2行第6列，第4行第4列、第5列、第6列、第7列、第8列，第6行第2列、第3列、第4列、第5列、第6列、第7列、第8列、第9列、第10列，第8行第4列、第5列、第6列、第7列、第8列，第10行第6列，共21个小正方形挖去，形成菱形多缝隙，剩下100个等分的正方形区域，得到1阶菱形多缝隙分形结构；

步骤S3:将1阶菱形多缝隙分形结构的100个正方形区域，分别再做菱形多缝隙分形迭代，则得到2阶菱形多缝隙分形结构。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明具有优异的超宽频带工作能力和抗干扰能力，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，尺寸小，辐射强度高，工作性能稳定可靠，性能冗余充足。

附图说明

图1是本发明菱形多缝隙分形结构进阶示意图；

图2是本发明薄膜基质的结构示意图；

图3是本发明菱形多缝隙分形天线的结构示意图；

图4是本发明整体结构示意图；

图5是本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图4，本发明提供一种菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线，包括：薄膜基质、贴覆在薄膜基质正面的菱形多缝隙分形阵列馈电辐射贴片、贴覆在薄膜基质背面的天线接地板、贴覆在天线接地板背面的钽铌酸钾薄片、贴覆在钽铌酸钾薄片背面的铁基纳米晶合金镀层。所述菱形多缝隙分形阵列馈电辐射贴片是由菱形多缝隙分形小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列，所述菱形多缝隙分形小天线是在尺寸为4.4 mm±0.1 mm×4.4mm±0.1 mm的矩形区域进行菱形多缝隙分形迭代而得到。所述菱形多缝隙分形小天线使用至少2阶的菱形多缝隙分形结构。

在本实施例中，所述每个菱形多缝隙分形小天线的底部边沿中心处设有天线馈电点。

在本实施例中，所述薄膜基质为聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜基质，其形状为矩形，尺寸是20 mm±0.1 mm×20 mm±0.1 mm，厚度为0.2 mm±0.02 mm。所述薄膜基质的结构如说明书附图的图2所示，其由至少4行4列共16个小区域组成，图2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19.0；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25.0；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1.0。

在本实施例中，使用这种相对介电常数渐变的薄膜基质，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。

在本实施例中，所述钽铌酸钾薄片为微波频段低损耗钽铌酸钾薄片，其形状为矩形，尺寸是20 mm±0.1 mm×20 mm±0.1 mm，厚度为0.3 mm±0.1 mm，相对介电常数为200±5。

在本实施例中，所述铁基纳米晶合金镀层的尺寸与钽铌酸钾薄片的尺寸相同，所用铁基纳米晶合金是以铁元素为主，添加少量铌、铜、硅、硼元素，使用快速凝固工艺制成的非晶态低损耗高磁导率合金材料。

天线整体的分层截面结构如说明书附图的图4所示。钽铌酸钾是一种有着良好的热稳定性、化学稳定性、机械稳定性的高介电常数低损耗化合物，能够形成高效的电场屏蔽层，防止外部电场干扰天线工作。铁基纳米晶合金是一种理想的高性能软磁材料，具有超高磁导率、良好的耐蚀性和磁稳定性、极低的损耗，可以有效阻止外界磁场对天线工作的干扰。将钽铌酸钾薄片和铁基纳米晶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。

在本实施例中，所述天线辐射贴片和天线接地板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。

如图1所示，在本实施例中，一种菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线的2阶的菱形多缝隙分形结构的构建方法，包括以下步骤：

步骤S1:菱形多缝隙分形结构的初始结构是正方形，将其等分为11行11列121个小正方形;

步骤S2:将第2行第6列，第4行第4列、第5列、第6列、第7列、第8列，第6行第2列、第3列、第4列、第5列、第6列、第7列、第8列、第9列、第10列，第8行第4列、第5列、第6列、第7列、第8列，第10行第6列，共21个小正方形挖去，形成菱形多缝隙，剩下100个等分的正方形区域，得到1阶菱形多缝隙分形结构；

步骤S3:将1阶菱形多缝隙分形结构的100个正方形区域，分别再做菱形多缝隙分形迭代，则得到2阶菱形多缝隙分形结构。

在本实施例中，菱形多缝隙结构由多条长度逐渐变化的直线缝隙组成，每条缝隙的长度不一样，工作频率不一样，多条缝隙的辐射叠加可以实现宽频段工作。菱形多缝隙分形结构是一种全新的“嵌入式”缝隙分形迭代方式，兼具菱形多缝隙结构和“嵌入式”缝隙分形结构的优点，具有优异的宽频带工作能力。在天线设计中使用这种“嵌入式”缝隙分形，可以在不改变天线辐射贴片整体形状、尺寸和外部辐射缝隙的情况下，在天线辐射贴片内部引入分形缝隙结构，在不改变天线工作中心频率的情况下，利用分形缝隙结构的自相似性使天线辐射贴片内部具有均匀的电流分布，保证天线具有稳定的超宽频带工作性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (5)

1.一种菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线,其特征在于，包括：薄膜基质、贴覆在薄膜基质正面的菱形多缝隙分形阵列馈电辐射贴片、贴覆在薄膜基质背面的天线接地板、贴覆在天线接地板背面的钽铌酸钾薄片、贴覆在钽铌酸钾薄片背面的铁基纳米晶合金镀层；所述菱形多缝隙分形阵列馈电辐射贴片是由菱形多缝隙分形小天线按照矩形阵列结构排列组成的天线阵列；所述菱形多缝隙分形小天线使用至少2阶的菱形多缝隙分形结构；所述菱形多缝隙分形阵列馈电辐射贴片包括4行4列共16个菱形多缝隙分形小天线。

2.根据权利要求1所述的菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线,其特征在于：所述菱形多缝隙分形小天线是在尺寸为（4.4 mm±0.1 mm）×（4.4 mm±0.1 mm）的矩形区域进行菱形多缝隙分形迭代而得到。

3.根据权利要求1所述的菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线,其特征在于：所述每个菱形多缝隙分形小天线的底部边沿中心处设有天线馈电点。

4.根据权利要求1所述的菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线,其特征在于所述薄膜基质为聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜基质，其形状为矩形，尺寸是（20 mm±0.1 mm）×（20mm±0.1 mm），厚度为0.2 mm±0.02 mm。

5.根据权利要求1所述的菱形多缝隙分形阵列超宽频带天线的2阶的菱形多缝隙分形结构的构建方法,其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:菱形多缝隙分形结构的初始结构是正方形，将其等分为11行11列121个小正方形;

步骤S2:将第2行第6列，第4行第4列、第5列、第6列、第7列、第8列，第6行第2列、第3列、第4列、第5列、第6列、第7列、第8列、第9列、第10列，第8行第4列、第5列、第6列、第7列、第8列，第10行第6列，共21个小正方形挖去，形成菱形多缝隙，剩下100个等分的正方形区域，得到1阶菱形多缝隙分形结构；

步骤S3:将1阶菱形多缝隙分形结构的100个正方形区域，分别再做菱形多缝隙分形迭代，则得到2阶菱形多缝隙分形结构。

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