CN110649393B

CN110649393B - 一种树形生长式阵列超宽频带天线

Info

Publication number: CN110649393B
Application number: CN201910937179.6A
Authority: CN
Inventors: 林斌; 李振昌; 潘依郎; 陈林鹏; 唐荻; 颜逸朋
Original assignee: Xiamen University Tan Kah Kee College
Current assignee: Xiamen University Tan Kah Kee College
Priority date: 2019-09-29
Filing date: 2019-09-29
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2039-09-29
Also published as: CN110649393A

Abstract

本发明涉及一种树形生长式阵列超宽频带天线，包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的树形生长式阵列辐射贴片，所述树形生长式阵列辐射贴片是由56个感应多折线天线按照树形生长式阵列结构排列组成的天线阵列。本发明能够用一个回波损耗波动较小的单一工作频带，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，性能冗余充足。

Description

一种树形生长式阵列超宽频带天线

技术领域

本发明涉及通信系统天线设计领域，特别是一种树形生长式阵列超宽频带天线。

背景技术

无线通信网络的融合复用和无线通信终端设备的多功能兼容，是目前无线通信技术发展中亟待解决的问题。随着5G技术逐渐成熟并投入商业化运营，无线通信领域最重要的分支——移动通信领域将出现第二代、第三代、第四代、第五代移动通信技术长期并存、共同发展的局面。移动通信系统工作于微波频段，与其工作频段接近的射频识别系统、超宽带通信系统、移动数字电视系统近年来也得到了飞速发展。要实现微波频段的无线通信多网合一和多频段兼容，就必须实现对第二代至第五代移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统、移动数字电视系统的整合。

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 2.570～2.620GHz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。整合完成后的微波频段多网合一系统天线需要用一个回波损耗波动较小的单一工作频带，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，并满足尺寸小，辐射强度高，性能冗余充足等要求。然而现有技术中却没有出现能够胜任上述要求的天线。

感应多折线天线是一种利用感应辐射和叠加原理实现超宽频段工作的天线，它由最外侧的1组馈电垂直折线和内侧3组长度逐渐减小的感应垂直折线组成，内侧的感应垂直折线会吸收外侧馈电垂直折线的部分辐射能量，产生感应辐射。4组垂直折线的长度不同，工作频段不同。

树形生长式阵列结构的初始结构是8行4列共32个阵元天线组成的矩形阵列，将初始结构作为“树干”，在“树干”的顶端生长出2个“树枝”，每个“树枝”是4行2列共8个阵元天线组成的矩形阵列，可以得到1阶树形生长式阵列结构。在1阶树形生长式阵列结构的每个“树枝”顶端生长出2个“小树枝”，每个“小树枝”是2行1列共2个阵元天线组成的矩形阵列，可以得到2阶树形生长式阵列结构。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种树形生长式阵列超宽频带天线，能够用一个回波损耗波动较小的单一工作频带，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，性能冗余充足。

本发明采用以下方案实现：一种树形生长式阵列超宽频带天线，包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的树形生长式阵列辐射贴片，所述树形生长式阵列辐射贴片是由56个感应多折线天线按照树形生长式阵列结构排列组成的天线阵列。

本发明利用多组工作频段不同的馈电垂直折线和感应垂直折线的辐射叠加，保证阵元天线具有超宽频段工作能力和较强兼容性；使用迭代生成、具有自相似性的树形生长式阵列结构作为基本阵列排布结构，保证天线阵列兼具高辐射强度和超宽工作频带。

进一步地，所述天线接地板为全导电结构。

进一步地，所述感应多折线天线的尺寸为2.0 mm±0.1 mm×2.0 mm±0.1 mm。

进一步地，每个感应多折线天线由4组垂直折线组成，线宽为0.2 mm±0.01 mm，4组垂直折线的横向线段长度分别为0.6 mm±0.01 mm、1.0 mm±0.01 mm、1.4 mm±0.01mm、1.8 mm±0.01 mm，4组垂直折线的纵向线段长度分别为0.6 mm±0.01 mm、1.0 mm±0.01 mm、1.4 mm±0.01 mm、1.8 mm±0.01 mm。

进一步地，每个感应多折线天线的最外侧的垂直折线的横向线段与纵向线段交汇处设有天线馈电点。

进一步地，所述树形生长式阵列辐射贴片使用树形生长式阵列结构作为基本阵列排布结构，在树形生长式阵列结构的每个大小为2.0 mm±0.1 mm×2.0 mm±0.1 mm的阵元天线区域中心，放置一个感应多折线天线。

进一步地，所述树形生长式阵列结构是2阶树形生长式阵列结构，是在一个由10行12列共120个方形区域组成的矩形区域中，在第1行的第1列、第12列，第2行的第1列、第12列，第3行的第1列、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11列、第12列，第4行的第1列、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11列、第12列，第5行的第1列、第5列、第6列、第7列、第8列、第12列，第6行的第1列、第5列、第6列、第7列、第8列、第12列，第7行的第5列、第6列、第7列、第8列，第8行的第5列、第6列、第7列、第8列，第9行的第5列、第6列、第7列、第8列，第10行的第5列、第6列、第7列、第8列，共56个方形区域放置阵元天线。

进一步地，所述基板为低损耗环氧树脂玻璃布基板，其相对介电常数为7.0-8.0。

进一步地，所述基板的形状为矩形，尺寸是28 mm±0.1 mm×28 mm±0.1 mm，厚度为1 mm±0.1 mm。

进一步地，所述辐射贴片和天线接地板的材质为铜、银、金或铝。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明的天线具有优异的超宽频带工作能力，实现了宽达16.708 GHz的单一工作频段稳定覆盖，且在工作频段内回波损耗波动较小，能够同时兼容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；该款天线在小型化设计方面优势明显，作为拥有56个阵元天线的大规模阵列天线，尺寸仅为28 mm×28 mm×1 mm，可以作为小型化终端设备天线使用；该款天线回波损耗最小值低达-46.31 dB，带宽倍频程达到28.66，在各个工作频段辐射性能均匀稳定，拥有充足的性能冗余，能够保证微波频段多网合一无线通信信号有较好的传输效果。

附图说明

图1为本发明实施例的感应多折线天线结构示意图。

图2为本发明实施例的树形生长式阵列结构的迭代规律示意图。其中（a）为0阶，（b）为1阶，（c）为2阶。

图3为本发明实施例的天线结构示意图。

图4为本发明实施例的天线的回波损耗性能图。

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。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图3所示，本实施例提供了一种树形生长式阵列超宽频带天线，包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的树形生长式阵列辐射贴片，所述树形生长式阵列辐射贴片是由56个感应多折线天线按照树形生长式阵列结构排列组成的天线阵列。

本实施例利用多组工作频段不同的馈电垂直折线和感应垂直折线的辐射叠加，保证阵元天线具有超宽频段工作能力和较强兼容性；使用迭代生成、具有自相似性的树形生长式阵列结构作为基本阵列排布结构，保证天线阵列兼具高辐射强度和超宽工作频带。

在本实施例中，所述天线接地板为全导电结构。

在本实施例中，所述感应多折线天线的尺寸为2.0 mm±0.1 mm×2.0 mm±0.1mm。

在本实施例中，每个感应多折线天线由4组垂直折线组成，线宽为0.2 mm±0.01mm，4组垂直折线的横向线段长度分别为0.6 mm±0.01 mm、1.0 mm±0.01 mm、1.4 mm±0.01 mm、1.8 mm±0.01 mm，4组垂直折线的纵向线段长度分别为0.6 mm±0.01 mm、1.0 mm±0.01 mm、1.4 mm±0.01 mm、1.8 mm±0.01 mm。

其中，如图1所示，感应多折线天线由最外侧的1组馈电垂直折线和内侧3组长度逐渐减小的感应垂直折线组成，内侧的感应垂直折线会吸收外侧馈电垂直折线的部分辐射能量，产生感应辐射。4组垂直折线的长度不同，工作频段不同，4个不同的工作频段叠加在一起，可以实现超宽频段覆盖。

在本实施例中，每个感应多折线天线的最外侧的垂直折线的横向线段与纵向线段交汇处设有天线馈电点。

在本实施例中，所述树形生长式阵列辐射贴片使用树形生长式阵列结构作为基本阵列排布结构，在树形生长式阵列结构的每个大小为2.0 mm±0.1 mm×2.0 mm±0.1 mm的阵元天线区域中心，放置一个感应多折线天线。

在本实施例中，所述树形生长式阵列结构是2阶树形生长式阵列结构，是在一个由10行12列共120个方形区域组成的矩形区域中，在第1行的第1列、第12列，第2行的第1列、第12列，第3行的第1列、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11列、第12列，第4行的第1列、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11列、第12列，第5行的第1列、第5列、第6列、第7列、第8列、第12列，第6行的第1列、第5列、第6列、第7列、第8列、第12列，第7行的第5列、第6列、第7列、第8列，第8行的第5列、第6列、第7列、第8列，第9行的第5列、第6列、第7列、第8列，第10行的第5列、第6列、第7列、第8列，共56个方形区域放置阵元天线。

其中，将多个感应多折线天线组成天线阵列，可以利用阵元天线的辐射叠加有效增强天线的辐射强度，解决单一感应多折线天线辐射强度不足的问题。天线阵列设计中最重要的问题是在增强辐射强度的同时，保证阵列天线具有和阵元天线一样的超宽频带工作特性。树形生长式阵列结构的迭代规律如图2所示。树形生长式阵列结构的初始结构是8行4列共32个阵元天线组成的矩形阵列，将初始结构作为“树干”，在“树干”的顶端生长出2个“树枝”，每个“树枝”是4行2列共8个阵元天线组成的矩形阵列，可以得到1阶树形生长式阵列结构。在1阶树形生长式阵列结构的每个“树枝”顶端生长出2个“小树枝”，每个“小树枝”是2行1列共2个阵元天线组成的矩形阵列，可以得到2阶树形生长式阵列结构。本实施例树形生长式阵列结构的排布规律具有自相似性，可以保证天线阵列兼具高辐射强度和超宽工作频带。

在本实施例中，所述基板为低损耗环氧树脂玻璃布基板，其相对介电常数为7.0-8.0。

在本实施例中，所述基板的形状为矩形，尺寸是28 mm±0.1 mm×28 mm±0.1 mm，厚度为1 mm±0.1 mm。

在本实施例中，所述辐射贴片和天线接地板的材质为铜、银、金或铝。

本实施的天线使用感应多折线天线作为阵元天线，利用多组工作频段不同的馈电垂直折线和感应垂直折线的辐射叠加，保证阵元天线具有超宽频段工作能力和较强兼容性；使用迭代生成、具有自相似性的树形生长式阵列结构作为基本阵列排布结构，保证天线阵列兼具高辐射强度和超宽工作频带。

同时本实施例的天线在小型化设计方面优势明显，作为拥有56个阵元天线的大规模阵列天线，尺寸仅为28 mm×28 mm×1 mm，可以作为小型化终端设备天线使用；该款天线回波损耗最小值低达-46.31 dB，带宽倍频程达到28.66，在各个工作频段辐射性能均匀稳定，拥有充足的性能冗余，能够保证微波频段多网合一无线通信信号有较好的传输效果。

特别的，如图4所示，图4给出了本实施例天线的回波损耗(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0.604～17.312 GHz，工作带宽为16.708GHz，带宽倍频程为28.66，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-46.31 dB。该款天线具有稳定的超宽频带工作性能，能够用一个回波损耗波动较小的单一工作频带，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，性能冗余充足，有望作为微波频段多网合一终端设备天线得到广泛使用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种树形生长式阵列超宽频带天线，其特征在于，包括基板、贴覆在基板背面的天线接地板和贴覆在基板正面的树形生长式阵列辐射贴片，所述树形生长式阵列辐射贴片是由56个感应多折线天线按照树形生长式阵列结构排列组成的天线阵列；

其中，每个感应多折线天线的最外侧的垂直折线的横向线段与纵向线段交汇处设有天线馈电点。

2.根据权利要求1所述的一种树形生长式阵列超宽频带天线，其特征在于，所述天线接地板为全导电结构。

3.根据权利要求1所述的一种树形生长式阵列超宽频带天线，其特征在于，所述感应多折线天线的尺寸为2.0 mm±0.1 mm×2.0 mm±0.1 mm。

4.根据权利要求1所述的一种树形生长式阵列超宽频带天线，其特征在于，每个感应多折线天线由4组垂直折线组成，线宽为0.2 mm±0.01 mm，4组垂直折线的横向线段长度分别为0.6 mm±0.01 mm、1.0 mm±0.01 mm、1.4 mm±0.01 mm、1.8 mm±0.01 mm，4组垂直折线的纵向线段长度分别为0.6 mm±0.01 mm、1.0 mm±0.01 mm、1.4 mm±0.01 mm、1.8 mm±0.01 mm。

5.根据权利要求1所述的一种树形生长式阵列超宽频带天线，其特征在于，所述树形生长式阵列辐射贴片使用树形生长式阵列结构作为基本阵列排布结构，在树形生长式阵列结构的每个大小为2.0 mm±0.1 mm×2.0 mm±0.1 mm的阵元天线区域中心，放置一个感应多折线天线。

6.根据权利要求1所述的一种树形生长式阵列超宽频带天线，其特征在于，所述树形生长式阵列结构是2阶树形生长式阵列结构，是在一个由10行12列共120个方形区域组成的矩形区域中，在第1行的第1列、第12列，第2行的第1列、第12列，第3行的第1列、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11列、第12列，第4行的第1列、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11列、第12列，第5行的第1列、第5列、第6列、第7列、第8列、第12列，第6行的第1列、第5列、第6列、第7列、第8列、第12列，第7行的第5列、第6列、第7列、第8列，第8行的第5列、第6列、第7列、第8列，第9行的第5列、第6列、第7列、第8列，第10行的第5列、第6列、第7列、第8列，共56个方形区域放置阵元天线。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种树形生长式阵列超宽频带天线，其特征在于，所述基板为低损耗环氧树脂玻璃布基板，其相对介电常数为7.0-8.0。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种树形生长式阵列超宽频带天线，其特征在于，所述基板的形状为矩形，尺寸是28 mm±0.1 mm×28 mm±0.1 mm，厚度为1 mm±0.1 mm。

9.根据权利要求1-6任一项所述的一种树形生长式阵列超宽频带天线，其特征在于，所述辐射贴片和天线接地板的材质为铜、银、金或铝。