CN109786956B - 生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线，超宽频带天线的辐射面处布设有天线辐射贴片；天线辐射贴片的俯视向形状由多个阵元天线在同个平面内排列而成；所述阵元天线辐射面处设有阵元天线辐射贴片；所述阵元天线辐射贴片的俯视向形状为生长方形缝隙分形图案；所述阵元天线辐射贴片纵横排列于超宽频带天线辐射面处形成生长方形缝隙分形阵列；所述阵元天线辐射贴片的底部边沿中心处设有天线馈电点；本发明是一种具有稳定可靠的超宽频带辐射能力，能够抵抗外界电磁信号干扰，性能冗余充足，尺寸小，辐射强度高，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的生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线。

Description

生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线。

背景技术

无线通信技术在本世纪初取得了重大进展，即将进入多网合一与多系统整合的新的发展阶段。在多网合一时代，多个工作原理相似、通信设备可兼容的无线通信应用系统将被整合在一起，实现具有多种通信功能的智能多用途终端和智能基站。目前最有希望实现多网合一的频段是微波频段，移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统、移动数字电视系统等应用最为广泛、发展最为成熟的无线通信应用系统都工作于微波频段，且工作频率接近，系统间设备有较大的通用性，通过整合实现微波频段多网合一系统的前景较好。

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、1.805～1.880GHz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、5.725～5.875GHz。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。微波频段多网合一设备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辐射能力，能够抵抗外界电磁信号干扰，性能冗余充足，尺寸小，辐射强度高。

发明内容

本发明提出生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线，是一种具有稳定可靠的超宽频带辐射能力，能够抵抗外界电磁信号干扰，性能冗余充足，尺寸小，辐射强度高，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的生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线。

本发明采用以下技术方案。

生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线，所述超宽频带天线的辐射面处布设有天线辐射贴片；所述天线辐射贴片的俯视向形状由多个阵元天线在同个平面内排列而成；所述阵元天线辐射面处设有阵元天线辐射贴片；所述阵元天线辐射贴片的俯视向形状为生长方形缝隙分形图案；所述阵元天线辐射贴片纵横排列于超宽频带天线辐射面处形成生长方形缝隙分形阵列；所述阵元天线辐射贴片的底部边沿中心处设有天线馈电点。

所述生长方形缝隙分形图案的制造方法为；先对方形的阵元天线辐射贴片进行行列单位等分分为若干个正方形单位，然后在方形的阵元天线辐射贴片内部先开出一个4行4列的方形缝隙，然后在方形缝隙的四条边上各开出一个2行2列的小型方形缝隙，最后在每个小型方形缝隙最外侧的边上开出一个1行1列的的微型方形缝隙；阵元天线辐射贴片内的方形缝隙每增加一次，就使阵元天线辐射贴片在信号的高频段新增加一个工作频段，且多个方形缝隙的工作频段可叠加以使阵元天线辐射贴片具备较宽的工作频段。

所述阵元天线辐射面的阵元天线辐射贴片和阵元天线接地板由石墨烯导电墨水印制而成。

所述超宽频带天线包括薄膜基质、贴覆在薄膜基质正面的天线辐射贴片、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。

所述阵元天线为生长方形缝隙分形小天线；阵元天线辐射贴片的俯视向形状为2阶的生长方形缝隙分形结构；所述2阶的生长方形缝隙分形结构为在正方形区域进行生长方形缝隙分形迭代而得到。

所述2阶的生长方形缝隙分形结构为为尺寸为4.55 mm±0.05 mm×4.55 mm±0.05 mm的正方形区域经2阶分形迭代而得到的结果；所述2阶分形迭代的步骤为；

A1、将初始的正方形区域进行1阶生长方形缝隙分形迭代，把正方形区域等分为12行12列144个小正方形，去除特定行列的36个小正方形，形成生长方形缝隙，剩下108个等分的小正方形，则得到1阶生长方形缝隙分形结构；

所述特定行列的小正方形包括

第2行第8列，

第3行第7列、第8列，

第4行第7列、第8列，

第5行第2列、第3列、第4列、第5列、第6列、第7列、第8列，

第6行第3列、第4列、第5列、第6列、第7列、第8列，

第7行第5列、第6列、第7列、第8列、第9列、第10列，

第8行第5列、第6列、第7列、第8列、第9列、第10列、第11列，

第9行第5列、第6列，

第10行第5列、第6列，

第11行第5列，共36个小正方形；

A2、对1阶生长方形缝隙分形迭代后剩下的108个正方形区域，分别按A1所述步骤再次进行生长方形缝隙分形迭代，则得到2阶的生长方形缝隙分形结构。

所述薄膜基质由至少4行4列共16个小区域组成，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22.0；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28.0；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。

所述薄膜基质为聚对苯二甲酸乙二酯薄膜基质，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。

所述钽铌酸钾薄片为在微波频段具备低损耗特征的钽铌酸钾薄片，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。

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。

本发明提出的该款天线，使用生长方形缝隙结构和“嵌入式”缝隙分形迭代结构结合而成的生长方形缝隙分形天线作为阵元天线，分形结构的自相似性和多次“生长”后多个缝隙的工作频段叠加，保证了天线具有良好的带宽性能；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；使用相对介电常数渐变的聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜作为天线基质材料，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，并利用叠加原理进一步提高阵列天线的辐射性能和带宽性能。在天线结构中使用钽铌酸钾薄片和铁基纳米晶合金镀层，可以有效提高天线抵抗外界电磁场干扰的能力。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0.426～16.452 GHz，工作带宽为16.026 GHz，带宽倍频程为38.62，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-49.13 dB。该款天线在实测中能够有效抵抗外界电磁信号干扰，放置在射频信号源附近时能够正常辐射工作。该款天线完全覆盖了0.902～0.928 GHz、0.905～0.915GHz、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、2.300～2.400 GHz、2.400～2.4835GHz、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：该款天线实现了单一频段的超宽频带工作，用一个工作带宽超过16 GHz，带宽倍频程高达38.62的超大工作频段，一次性覆盖了移动通信工作频段、射频识别频段、超宽带通信频段和移动数字电视频段，性能远远优于现有的超宽带天线；该款天线有充足的性能冗余，在工作频段内大部分区域回波损耗值低于-45 dB，回波损耗最小值低达-49.13 dB，且回波损耗值波动很小，天线辐射性能稳定可靠；该款天线有优异的抗干扰性能，能够放置在移动通信基站、射频识别读写器、超宽带通信发射机、移动数字电视发射机等射频信号源附近正常工作，天线辐射性能不会受到影响。

本发明中，生长方形缝隙结构可以看作是在方形辐射贴片内部先开出一个4行4列的方形缝隙，然后在方形缝隙的四条边上各开出一个2行2列的方形小缝隙，最后在每个方形小缝隙最外侧的边上开出一个1行1列的方形单位缝隙。方形小缝隙可以看成是“生长”在方形缝隙外侧，方形单位缝隙可以看成是“生长”在方形小缝隙外侧。缝隙每“生长”一次，就在高频段新增加一个工作频段，多个缝隙的工作频段叠加，保证了天线具有良好的带宽性能。生长方形缝隙分形结构是一种全新的“嵌入式”缝隙分形迭代方式，兼具生长方形缝隙和“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。

单个生长方形缝隙分形小天线的工作带宽虽然较大，但是辐射强度较弱，本发明以多个生长方形缝隙分形小天线按照矩形阵列结构排列组成天线阵列，可以让它们的辐射相叠加，进一步增强天线的辐射强度。

本发明使用聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜作为天线基质材料，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，可以保证天线有稳定的物理和化学性质。

本发明中，相对介电常数渐变的PET薄膜基质可以划分为多行多列多个小区域，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，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；在阵列天线设计中使用这种相对介电常数渐变的薄膜基质后，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。

本发明中，以钽铌酸钾薄片贴覆在天线接地板背面；钽铌酸钾薄片背面贴覆有铁基纳米晶合金镀层；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。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的示意图；

附图2是本发明所述天线的分层示意图；

附图3是本发明二次分形迭代的示意图；

附图4是本发明天线的薄膜基质的各区域的相对介电常数的示意图；

附图5是本发明的回波损耗(S11)性能图

图中：1-天线辐射贴片；2-阵元天线；3-天线接地板；4-薄膜基质；5-钽铌酸钾薄片；6-铁基纳米晶合金镀层。

具体实施方式

如图1-5所示，生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线，所述超宽频带天线的辐射面处布设有天线辐射贴片1；所述天线辐射贴片的俯视向形状由多个阵元天线2在同个平面内排列而成；所述阵元天线辐射面处设有阵元天线辐射贴片；所述阵元天线辐射贴片的俯视向形状为生长方形缝隙分形图案；所述阵元天线辐射贴片纵横排列于超宽频带天线辐射面处形成生长方形缝隙分形阵列；所述阵元天线辐射贴片的底部边沿中心处设有天线馈电点。

所述生长方形缝隙分形图案的制造方法为；先对方形的阵元天线辐射贴片进行行列单位等分分为若干个正方形单位，然后在方形的阵元天线辐射贴片内部先开出一个4行4列的方形缝隙，然后在方形缝隙的四条边上各开出一个2行2列的小型方形缝隙，最后在每个小型方形缝隙最外侧的边上开出一个1行1列的的微型方形缝隙；阵元天线辐射贴片内的方形缝隙每增加一次，就使阵元天线辐射贴片在信号的高频段新增加一个工作频段，且多个方形缝隙的工作频段可叠加以使阵元天线辐射贴片具备较宽的工作频段。

所述阵元天线辐射面的阵元天线辐射贴片和阵元天线接地板由石墨烯导电墨水印制而成。

所述超宽频带天线包括薄膜基质4、贴覆在薄膜基质正面的天线辐射贴片、贴覆在薄膜基质背面的天线接地板3、贴覆在天线接地板背面的钽铌酸钾薄片5、贴覆在钽铌酸钾薄片背面的铁基纳米晶合金镀层6。

所述阵元天线为生长方形缝隙分形小天线；阵元天线辐射贴片的俯视向形状为2阶的生长方形缝隙分形结构；所述2阶的生长方形缝隙分形结构为在正方形区域进行生长方形缝隙分形迭代而得到。

所述2阶的生长方形缝隙分形结构为为尺寸为4.55 mm±0.05 mm×4.55 mm±0.05 mm的正方形区域经2阶分形迭代而得到的结果；所述2阶分形迭代的步骤为；

A1、将初始的正方形区域进行1阶生长方形缝隙分形迭代，把正方形区域等分为12行12列144个小正方形，去除特定行列的36个小正方形，形成生长方形缝隙，剩下108个等分的小正方形，则得到1阶生长方形缝隙分形结构；

所述特定行列的小正方形包括

第2行第8列，

第3行第7列、第8列，

第4行第7列、第8列，

第5行第2列、第3列、第4列、第5列、第6列、第7列、第8列，

第6行第3列、第4列、第5列、第6列、第7列、第8列，

第7行第5列、第6列、第7列、第8列、第9列、第10列，

第8行第5列、第6列、第7列、第8列、第9列、第10列、第11列，

第9行第5列、第6列，

第10行第5列、第6列，

第11行第5列，共36个小正方形；

A2、对1阶生长方形缝隙分形迭代后剩下的108个正方形区域，分别按A1所述步骤再次进行生长方形缝隙分形迭代，则得到2阶的生长方形缝隙分形结构。

所述薄膜基质由至少4行4列共16个小区域组成，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22.0；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28.0；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。

所述薄膜基质为聚对苯二甲酸乙二酯薄膜基质，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。

所述钽铌酸钾薄片为在微波频段具备低损耗特征的钽铌酸钾薄片，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。

Claims (8)

1.生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线，其特征在于：所述超宽频带天线的辐射面处布设有天线辐射贴片；所述天线辐射贴片的俯视向形状由多个阵元天线在同个平面内排列而成；所述阵元天线辐射面处设有阵元天线辐射贴片；所述阵元天线辐射贴片的俯视向形状为生长方形缝隙分形图案；所述阵元天线辐射贴片纵横排列于超宽频带天线辐射面处形成生长方形缝隙分形阵列；所述阵元天线辐射贴片的底部边沿中心处设有天线馈电点；

所述生长方形缝隙分形图案的制造方法为；先对方形的阵元天线辐射贴片进行行列单位等分分为若干个正方形单位，然后在方形的阵元天线辐射贴片内部先开出一个4行4列的方形缝隙，然后在方形缝隙的四条边上各开出一个2行2列的小型方形缝隙，最后在每个小型方形缝隙最外侧的边上开出一个1行1列的的微型方形缝隙；阵元天线辐射贴片内的方形缝隙每增加一次，就使阵元天线辐射贴片在信号的高频段新增加一个工作频段，且多个方形缝隙的工作频段可叠加以使阵元天线辐射贴片具备较宽的工作频段；

所述阵元天线为生长方形缝隙分形小天线；阵元天线辐射贴片的俯视向形状为2阶的生长方形缝隙分形结构；2阶的生长方形缝隙分形结构为在正方形区域进行生长方形缝隙分形迭代而得到；

所述超宽频带天线包括薄膜基质、贴覆在薄膜基质正面的天线辐射贴片、贴覆在薄膜基质背面的天线接地板；

所述薄膜基质按多行多列划分为多个小区域，每个薄膜基质小区域的相对介电常数不同，且沿着薄膜基质长、宽两个方向渐变，使每个阵元天线的基质相对介电常数都不相同，以使每个阵元天线的工作频点不同，形成辐射和工作频带的相互叠加，形成一个辐射强度和工作带宽都较大的工作频带，以提高天线的辐射性能和带宽性能。

2.根据权利要求1所述的生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线，其特征在于：所述阵元天线辐射面的阵元天线辐射贴片和阵元天线接地板由石墨烯导电墨水印制而成。

3.根据权利要求1所述的生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线，其特征在于：所述超宽频带天线还包括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。

4.根据权利要求1所述的生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线，其特征在于：所述2阶的生长方形缝隙分形结构为尺寸为4.55 mm±0.05 mm×4.55 mm±0.05 mm的正方形区域经2阶分形迭代而得到的结果；所述2阶分形迭代的步骤为；

A1、将初始的正方形区域进行1阶生长方形缝隙分形迭代，把正方形区域等分为12行12列144个小正方形，去除特定行列的36个小正方形，形成生长方形缝隙，剩下108个等分的小正方形，则得到1阶生长方形缝隙分形结构；

所述特定行列的小正方形包括

第2行第8列，

第3行第7列、第8列，

第4行第7列、第8列，

第5行第2列、第3列、第4列、第5列、第6列、第7列、第8列，

第6行第3列、第4列、第5列、第6列、第7列、第8列，

第7行第5列、第6列、第7列、第8列、第9列、第10列，

第8行第5列、第6列、第7列、第8列、第9列、第10列、第11列，

第9行第5列、第6列，

第10行第5列、第6列，

第11行第5列，共36个小正方形；

A2、对1阶生长方形缝隙分形迭代后剩下的108个正方形区域，分别按A1所述步骤再次进行生长方形缝隙分形迭代，则得到2阶的生长方形缝隙分形结构。

5.根据权利要求4所述的生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线，其特征在于：所述薄膜基质由至少4行4列共16个小区域组成，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22.0；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28.0；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。

6.根据权利要求5所述的生长方形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薄膜基质，其形状为矩形，尺寸是20 mm±0.1 mm×20 mm±0.1mm，厚度为0.2 mm±0.02 mm。

7.根据权利要求6所述的生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线，其特征在于：所述钽铌酸钾薄片为在微波频段具备低损耗特征的钽铌酸钾薄片，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。

8.根据权利要求7所述的生长方形缝隙分形阵列超宽频带天线，其特征在于：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。

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