CN110649395B

CN110649395B - 一种生长环阵列超宽频带天线

Info

Publication number: CN110649395B
Application number: CN201910937181.3A
Authority: CN
Inventors: 林斌; 陈林鹏; 潘依郎; 李振昌; 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: CN110649395A

Abstract

本发明涉及一种生长环阵列超宽频带天线，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方形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片，所述方形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片是由184个方形角缺陷分形天线按照生长环阵列结构排列组成的天线阵列。本发明满足小尺寸、高辐射强度、大性能冗余要求，具有超强兼容性和超宽频带工作能力，能够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

一种生长环阵列超宽频带天线

技术领域

本发明涉及移动通信天线设计领域，特别是一种生长环阵列超宽频带天线。

背景技术

随着无线通信技术在21世纪不断高速发展，越来越多的无线通信应用系统完成了技术开发和系统完善，已投入商业化的实际运营。完成多个无线通信应用系统的整合，实现多网合一、多频段兼容和终端设备多功能化，是无线通信技术发展中迫在眉睫需要解决的问题。移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统、移动数字电视系统都是工作于微波频段的无线通信应用系统，工作频段接近，对终端设备的要求相似，有较大的整合潜力，有望整合成为微波频段多网合一系统。

我国目前处于第二代、第三代、第四代、第五代移动通信共存的时期，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、1.710～1.785GHz、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。微波频段多网合一系统天线需要满足小尺寸、高辐射强度、大性能冗余要求，具有超强兼容性和超宽频带工作能力，能够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。然而现有技术中却还没有出现能够完全胜任上述要求的天线。

方形角缺陷分形结构是一种通过迭代生成的面分形结构，其初始图形是一个正方形，将其等分为4行4列共16个小正方形，挖去左上角、左下角、右上角、右下角4个小正方形，剩下12个小正方形，可得到1阶方形角缺陷分形结构。对1阶方形角缺陷分形结构的12个小正方形分别作方形角缺陷分形迭代，可得到2阶方形角缺陷分形结构。这样依次迭代下去，可以得到高阶方形角缺陷分形结构。

生长环阵列结构是一种具有自相似性的、迭代生成的多环阵列结构，其初始结构是由40个阵元天线组成的、外圈边长为11、内圈边长为9的正方形环阵列。在初始结构的四个边角生长出4个外圈边长为5、内圈边长为3的小正方形环阵列，可以得到1阶生长环阵列结构。在1阶生长环阵列结构的每个小正方形环阵列的边角生长出3个外圈边长为3、内圈边长为1的微型正方形环阵列，可以得到2阶生长环阵列结构。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种生长环阵列超宽频带天线，满足小尺寸、高辐射强度、大性能冗余要求，具有超强兼容性和超宽频带工作能力，能够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。

本发明采用以下方案实现：一种生长环阵列超宽频带天线，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方形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片，所述方形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片是由184个方形角缺陷分形天线按照生长环阵列结构排列组成的天线阵列。

进一步地，所述天线接地板为全导电接地结构。

进一步地，每个方形角缺陷分形天线是在尺寸为1.6 mm±0.1 mm×1.6 mm±0.1mm的矩形区域进行方形角缺陷分形迭代而得到。

进一步地，所述方形角缺陷分形天线为至少2阶的方形角缺陷分形结构。

进一步地，每个方形角缺陷分形天线的底部边沿中心处设有天线馈电点。

进一步地，所述方形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片使用生长环阵列结构作为基本阵列排布结构，在生长环阵列结构的每个大小为1.6 mm±0.1 mm×1.6 mm±0.1 mm的阵元天线区域中心，放置一个方形角缺陷分形天线。

进一步地，所述生长环阵列结构为2阶生长环阵列结构，是在一个由23行23列共529个方形区域组成的矩形区域中，在第1行的第1列、第2列、第3列、第7列、第8列、第9列、第15列、第16列、第17列、第21列、第22列、第23列，第2行的第1列、第3列、第7列、第9列、第15列、第17列、第21列、第23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15列、第16列、第17列、第18列、第19列、第20列、第21列、第22列、第23列，第4行的第3列、第7列、第17列、第21列，第5行的第3列、第7列、第17列、第21列，第6行的第3列、第7列、第17列、第21列，第7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13列、第14列、第15列、第16列、第17列、第18列、第19列、第20列、第21列、第22列、第23列，第8行的第1列、第3列、第7列、第17列、第21列、第23列，第9行的第1列、第2列、第3列、第7列、第17列、第21列、第22列、第23列，第10行的第7列、第17列，第11行的第7列、第17列，第12行的第7列、第17列，第13行的第7列、第17列，第14行的第7列、第17列，第15行的第1列、第2列、第3列、第7列、第17列、第21列、第22列、第23列，第16行的第1列、第3列、第7列、第17列、第21列、第23列，第17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13列、第14列、第15列、第16列、第17列、第18列、第19列、第20列、第21列、第22列、第23列，第18行的第3列、第7列、第17列、第21列，第19行的第3列、第7列、第17列、第21列，第20行的第3列、第7列、第17列、第21列，第21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15列、第16列、第17列、第18列、第19列、第20列、第21列、第22列、第23列，第22行的第1列、第3列、第7列、第9列、第15列、第17列、第21列、第23列，第23行的第1列、第2列、第3列、第7列、第8列、第9列、第15列、第16列、第17列、第21列、第22列、第23列，共184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5.5-6.5。

进一步地，所述基板的形状为矩形，尺寸是36.8 mm±0.1 mm×36.8 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：本发明使用方形角缺陷分形天线作为阵元天线，具有自相似性的分形结构保证了阵元天线内部有均匀分布的射频电流，确保阵元天线有优异的超宽频带工作能力；使用生长环阵列结构将184个阵元天线组成天线阵列，利用辐射叠加原理和阵列结构本身的自相似性使天线阵列同时具有高辐射强度、大性能冗余和超宽工作频带。同时，本发明提供的天线满足小尺寸、高辐射强度、大性能冗余要求，具有超强兼容性和超宽频带工作能力，能够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

图1为本发明实施例的方形角缺陷分形结构的迭代过程示意图。其中，（a）为0阶，（b）为1阶，（c）为2阶。

图2为本发明实施例的生长环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生长环阵列超宽频带天线，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方形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片，所述方形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片是由184个方形角缺陷分形天线按照生长环阵列结构排列组成的天线阵列。

在本实施例中，所述天线接地板为全导电接地结构。

在本实施例中，每个方形角缺陷分形天线是在尺寸为1.6 mm±0.1 mm×1.6 mm±0.1 mm的矩形区域进行方形角缺陷分形迭代而得到。

在本实施例中，所述方形角缺陷分形天线为至少2阶的方形角缺陷分形结构。

在本实施例中，每个方形角缺陷分形天线的底部边沿中心处设有天线馈电点。

在本实施例中，所述方形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片使用生长环阵列结构作为基本阵列排布结构，在生长环阵列结构的每个大小为1.6 mm±0.1 mm×1.6 mm±0.1 mm的阵元天线区域中心，放置一个方形角缺陷分形天线。

其中，方形角缺陷分形结构的迭代过程如图1所示。方形角缺陷分形结构的初始图形是一个正方形，将其等分为4行4列共16个小正方形，挖去左上角、左下角、右上角、右下角4个小正方形，剩下12个小正方形，可得到1阶方形角缺陷分形结构。对1阶方形角缺陷分形结构的12个小正方形分别作方形角缺陷分形迭代，可得到2阶方形角缺陷分形结构。这样依次迭代下去，可以得到高阶方形角缺陷分形结构。本实施例采用方形角缺陷分形结构，可以让天线辐射贴片内部有均匀分布的射频电流，保证天线有良好的超宽频带工作能力。

在本实施例中，所述生长环阵列结构为2阶生长环阵列结构，是在一个由23行23列共529个方形区域组成的矩形区域中，在第1行的第1列、第2列、第3列、第7列、第8列、第9列、第15列、第16列、第17列、第21列、第22列、第23列，第2行的第1列、第3列、第7列、第9列、第15列、第17列、第21列、第23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15列、第16列、第17列、第18列、第19列、第20列、第21列、第22列、第23列，第4行的第3列、第7列、第17列、第21列，第5行的第3列、第7列、第17列、第21列，第6行的第3列、第7列、第17列、第21列，第7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13列、第14列、第15列、第16列、第17列、第18列、第19列、第20列、第21列、第22列、第23列，第8行的第1列、第3列、第7列、第17列、第21列、第23列，第9行的第1列、第2列、第3列、第7列、第17列、第21列、第22列、第23列，第10行的第7列、第17列，第11行的第7列、第17列，第12行的第7列、第17列，第13行的第7列、第17列，第14行的第7列、第17列，第15行的第1列、第2列、第3列、第7列、第17列、第21列、第22列、第23列，第16行的第1列、第3列、第7列、第17列、第21列、第23列，第17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13列、第14列、第15列、第16列、第17列、第18列、第19列、第20列、第21列、第22列、第23列，第18行的第3列、第7列、第17列、第21列，第19行的第3列、第7列、第17列、第21列，第20行的第3列、第7列、第17列、第21列，第21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15列、第16列、第17列、第18列、第19列、第20列、第21列、第22列、第23列，第22行的第1列、第3列、第7列、第9列、第15列、第17列、第21列、第23列，第23行的第1列、第2列、第3列、第7列、第8列、第9列、第15列、第16列、第17列、第21列、第22列、第23列，共184个方形区域放置阵元天线。

其中，生长环阵列结构的迭代规律如图2所示。生长环阵列结构的初始结构是由40个阵元天线组成的、外圈边长为11、内圈边长为9的正方形环阵列。在初始结构的四个边角生长出4个外圈边长为5、内圈边长为3的小正方形环阵列，可以得到1阶生长环阵列结构。在1阶生长环阵列结构的每个小正方形环阵列的边角生长出3个外圈边长为3、内圈边长为1的微型正方形环阵列，可以得到2阶生长环阵列结构。本实施例采用生长环阵列结构组成天线阵列，可以利用辐射叠加原理有效提高天线的辐射强度，并利用生长环阵列结构的自相似性使阵列天线具有和阵元天线相似的超宽频带工作能力。

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5.5-6.5。

在本实施例中，所述基板的形状为矩形，尺寸是36.8 mm±0.1 mm×36.8 mm±0.1mm，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。

本实施例使用方形角缺陷分形天线作为阵元天线，具有自相似性的分形结构保证了阵元天线内部有均匀分布的射频电流，确保阵元天线有优异的超宽频带工作能力；同时使用生长环阵列结构将184个阵元天线组成天线阵列，利用辐射叠加原理和阵列结构本身的自相似性使天线阵列同时具有高辐射强度、大性能冗余和超宽工作频带。

本实施例的天线实测结果显示，本实施例天线的工作频带范围（天线回波损耗低于-10 dB）的频率范围为0.551～17.193 GHz，工作带宽为16.642 GHz，带宽倍频程为31.20，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-47.32 dB。该款天线完全覆盖了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，本实施例的天线具有突出的优点和显著的效果：该款天线具有稳定的超宽频带辐射工作能力，在0.835～16.108 GHz频段内的回波损耗值都低于-45 dB，且回波损耗值波动很小，天线具有超高稳定辐射能力和较大性能冗余；该款天线用一个宽达16.642 GHz的单一工作频带，实现了对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的兼容，且回波损耗最小值低达-47.32 dB，兼具优异的超宽频带工作能力和较高的辐射强度；该款天线在拥有184个阵元天线的情况下，尺寸仅为36.8 mm×36.8 mm×1 mm，在天线小型化设计方面有独特的优势。

特别的，如图4所示，图4为本发明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0.551～17.193 GHz，工作带宽为16.642GHz，带宽倍频程为31.20，在整个工作频带内天线回波损耗都低于-10 dB，在0.835～16.108 GHz频段内的回波损耗值都低于-45 dB，回波损耗最小值为-47.32 dB。该款天线满足小尺寸、高辐射强度、大性能冗余要求，具有超强兼容性和超宽频带工作能力，能够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，在微波频段多网合一系统中将得到大规模应用。

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

1.一种生长环阵列超宽频带天线，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方形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片，所述方形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片是由184个方形角缺陷分形天线按照生长环阵列结构排列组成的天线阵列；

其中，所述方形角缺陷分形天线为至少2阶的方形角缺陷分形结构。

2.根据权利要求1所述的一种生长环阵列超宽频带天线，其特征在于，所述天线接地板为全导电接地结构。

3.根据权利要求1所述的一种生长环阵列超宽频带天线，其特征在于，每个方形角缺陷分形天线是在尺寸为1.6 mm±0.1 mm×1.6 mm±0.1 mm的矩形区域进行方形角缺陷分形迭代而得到。

4.根据权利要求1所述的一种生长环阵列超宽频带天线，其特征在于，每个方形角缺陷分形天线的底部边沿中心处设有天线馈电点。

5.根据权利要求1所述的一种生长环阵列超宽频带天线，其特征在于，所述方形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片使用生长环阵列结构作为基本阵列排布结构，在生长环阵列结构的每个大小为1.6 mm±0.1 mm×1.6 mm±0.1 mm的阵元天线区域中心，放置一个方形角缺陷分形天线。

6.根据权利要求1所述的一种生长环阵列超宽频带天线，其特征在于，所述生长环阵列结构为2阶生长环阵列结构，是在一个由23行23列共529个方形区域组成的矩形区域中，在第1行的第1列、第2列、第3列、第7列、第8列、第9列、第15列、第16列、第17列、第21列、第22列、第23列，第2行的第1列、第3列、第7列、第9列、第15列、第17列、第21列、第23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15列、第16列、第17列、第18列、第19列、第20列、第21列、第22列、第23列，第4行的第3列、第7列、第17列、第21列，第5行的第3列、第7列、第17列、第21列，第6行的第3列、第7列、第17列、第21列，第7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13列、第14列、第15列、第16列、第17列、第18列、第19列、第20列、第21列、第22列、第23列，第8行的第1列、第3列、第7列、第17列、第21列、第23列，第9行的第1列、第2列、第3列、第7列、第17列、第21列、第22列、第23列，第10行的第7列、第17列，第11行的第7列、第17列，第12行的第7列、第17列，第13行的第7列、第17列，第14行的第7列、第17列，第15行的第1列、第2列、第3列、第7列、第17列、第21列、第22列、第23列，第16行的第1列、第3列、第7列、第17列、第21列、第23列，第17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13列、第14列、第15列、第16列、第17列、第18列、第19列、第20列、第21列、第22列、第23列，第18行的第3列、第7列、第17列、第21列，第19行的第3列、第7列、第17列、第21列，第20行的第3列、第7列、第17列、第21列，第21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15列、第16列、第17列、第18列、第19列、第20列、第21列、第22列、第23列，第22行的第1列、第3列、第7列、第9列、第15列、第17列、第21列、第23列，第23行的第1列、第2列、第3列、第7列、第8列、第9列、第15列、第16列、第17列、第21列、第22列、第23列，共184个方形区域放置阵元天线。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种生长环阵列超宽频带天线，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5.5-6.5。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种生长环阵列超宽频带天线，其特征在于，所述基板的形状为矩形，尺寸是36.8 mm±0.1 mm×36.8 mm±0.1 mm，厚度为1 mm±0.1 mm。

9.根据权利要求1-6任一项所述的一种生长环阵列超宽频带天线，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。