本發(fā)明涉及多頻段兼容移動通信手機(jī)天線領(lǐng)域，特別是涉及一種用于移動通信的光子晶體分形陣列天線。

背景技術(shù)：

移動通信是無線技術(shù)的最重要應(yīng)用之一，能夠支撐多頻段、多標(biāo)準(zhǔn)、多模式的移動通信技術(shù)，是面向未來我國無線通信應(yīng)用事業(yè)發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)。目前，GSM制式的通信頻段為 905～915MHz、950～960MHz、1710～1785 MHz、1805～1880 MHz，TD-SCDMA制式的通信頻段為1880～1920 MHz、2010～2025 MHz、2300～2400 MHz，WCDMA制式的通信頻段為1920～1980 MHz、2110～2170 MHz。目前，第四代移動通信技術(shù)已進(jìn)入商業(yè)化的實用階段。TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)是中國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的第四代移動通信標(biāo)準(zhǔn)，是一種專門為移動高寬帶應(yīng)用而設(shè)計的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，擁有廣闊的應(yīng)用前景，TD-LTE制式的常用工作頻段為2570～2620 MHz。第五代移動通信是面向2020 年以后移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)，具有超高的頻譜利用率和能效，國際電信聯(lián)盟2015年已初步確定第五代移動通信的候選頻段為3300～3400 MHz、4400～4500 MHz、4800～4990 MHz。

多代移動通信系統(tǒng)將在很長的一段時間內(nèi)共存，這就要求移動通信天線具備多頻段兼容的功能，能夠同時覆蓋905～915MHz、950～960MHz、1710～1785 MHz、1805～1880 MHz、1880～1920 MHz、1920～1980 MHz、2010～2025 MHz、2110～2170 MHz 、2300～2400 MHz、2570～2620 MHz、3300～3400 MHz、4400～4500 MHz、4800～4990 MHz 等GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、第五代移動通信候選頻段等移動通信制式的所有工作頻段，能夠放入移動通信終端設(shè)備里，同時滿足小尺寸、低厚度、低回波損耗、大工作帶寬的要求。

要實現(xiàn)天線的寬頻帶和小型化設(shè)計，使用具有自相似性和尺寸壓縮效果的分形結(jié)構(gòu)是一種很好的選擇。使用現(xiàn)有的分形結(jié)構(gòu)設(shè)計移動通信天線，可以實現(xiàn)小型化、高輻射強(qiáng)度、寬頻帶工作這三個設(shè)計目標(biāo)中的一個，但是難以同時實現(xiàn)三個設(shè)計目標(biāo)。第四代、第五代移動通信對天線寬頻帶工作的要求比第二代、第三代移動通信更高，而目前最新的手機(jī)預(yù)留給天線的尺寸卻比以往更小。在尺寸受限的條件下，要實現(xiàn)分形天線的寬頻帶工作，就需要對現(xiàn)有的分形結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)?，F(xiàn)有的分形結(jié)構(gòu)迭代時依靠邊沿曲線的不斷折疊或?qū)?nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有規(guī)律的“挖洞”，其自相似結(jié)構(gòu)只存在于邊沿曲線或“挖洞”處，而分形天線內(nèi)部大部分地方仍然是整塊的金屬輻射片，射頻電流能夠較為均勻分布的地方局限于邊沿曲線或“挖洞”處附近。

復(fù)合分形天線是將兩種不同的分形結(jié)構(gòu)有機(jī)的融合為復(fù)合分形結(jié)構(gòu)，在天線的基本結(jié)構(gòu)中使用一種面式分形結(jié)構(gòu)，而在天線內(nèi)部的每個小正方形金屬區(qū)域使用另一種分形結(jié)構(gòu)，這樣天線的邊沿曲線和內(nèi)表面分形結(jié)構(gòu)間金屬輻射區(qū)都將具有自相似結(jié)構(gòu)，天線的寬頻帶工作特性能得到提高。

復(fù)合分形結(jié)構(gòu)雖然具有較好的寬頻帶工作特性，但畢竟是單體天線，本課題組設(shè)計的三款復(fù)合分形天線雖然工作帶寬較大，但只是覆蓋了第四代、第五代移動通信頻段，未能實現(xiàn)對第二代、第三代、第四代、第五代移動通信頻段的同時覆蓋。

本專利申請的技術(shù)是分形陣列天線，以具有良好的寬頻帶工作特性的144個光子晶體小天線作為陣元，按照康托爾分形陣列結(jié)構(gòu)排列組成天線陣列。這種陣列天線兼具光子晶體結(jié)構(gòu)和分形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，多個陣元天線的輻射能夠同相疊加，天線具有較高的輻射強(qiáng)度和超寬的工作帶寬，可以同時覆蓋第二代、第三代、第四代、第五代移動通信頻段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種用于移動通信的光子晶體分形陣列天線，能夠同時覆蓋905～915MHz、950～960MHz、1710～1785 MHz、1805～1880 MHz、1880～1920 MHz、1920～1980 MHz、2010～2025 MHz、2110～2170 MHz 、2300～2400 MHz、2570～2620 MHz、3300～3400 MHz、4400～4500 MHz、4800～4990 MHz 等GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、第五代移動通信候選頻段等移動通信制式的所有工作頻段，能夠放入移動通信手機(jī)里，同時滿足小尺寸、低厚度、低回波損耗、大工作帶寬的要求。

本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn)：一種用于移動通信的光子晶體分形陣列天線，該天線包括基板、貼覆在基板背面的天線接地板和貼覆在基板正面的光子晶體分形陣列輻射貼片，所述天線接地板為全金屬接地結(jié)構(gòu)，所述光子晶體分形陣列輻射貼片是由144個光子晶體小天線按照康托爾分形陣列結(jié)構(gòu)排列組成的天線陣列。

進(jìn)一步地，所述光子晶體小天線的大小為1.4mm±0.1mm1.4mm±0.1mm。

進(jìn)一步地，所述光子晶體小天線是在正方形金屬貼片上開出3行3列共九個正方形孔組成的，每個正方形孔的大小為0.2mm0.2mm，第一行正方形孔與正方形金屬貼片上邊沿之間的距離、第一行正方形孔與第二行正方形孔之間的距離、第二行正方形孔與第三行正方形孔之間的距離、第三行正方形孔與正方形金屬貼片下邊沿之間的距離都為0.2mm，第一列正方形孔與正方形金屬貼片左邊沿之間的距離、第一列正方形孔與第二列正方形孔之間的距離、第二列正方形孔與第三列正方形孔之間的距離、第三列正方形孔與正方形金屬貼片右邊沿之間的距離都為0.2mm。

進(jìn)一步地，所述光子晶體分形陣列輻射貼片使用康托爾分形陣列結(jié)構(gòu)作為基本陣列排布結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部每個小正方形區(qū)域放置一個光子晶體小天線。

進(jìn)一步地，所述康托爾分形陣列結(jié)構(gòu)為至少2階的康托爾分形結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述每個光子晶體小天線的底部邊沿中心設(shè)有天線饋電點。

進(jìn)一步地，所述基板為低損耗微波陶瓷基板。

進(jìn)一步地，所述低損耗微波陶瓷基板的相對介電常數(shù)為70-80。

進(jìn)一步地，所述基板的形狀為矩形，尺寸是32mm±1mm×32mm±1mm，厚度為1mm±0.1mm。

進(jìn)一步地，所述天線接地板和輻射貼片的材質(zhì)為銅、銀、金或鋁。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：該天線使用具有寬頻帶工作特性的光子晶體小天線作為陣元，按照康托爾分形陣列結(jié)構(gòu)排列組成天線陣列，可以將光子晶體結(jié)構(gòu)和分形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點相結(jié)合，得到具有優(yōu)異的寬頻帶工作特性的光子晶體分形陣列天線，實現(xiàn)對GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、第五代移動通信候選頻段等移動通信制式的所有工作頻段的兼容。

天線實測結(jié)果顯示，該款天線的工作頻帶范圍為0.772～6.184 GHz，工作帶寬為5.412 GHz，在整個工作頻帶內(nèi)天線回波損耗都低于-10 dB，回波損耗最小值為-22.14 dB。實測結(jié)果顯示，該款天線完全覆蓋了905～915MHz、950～960MHz、1710～1785 MHz、1805～1880 MHz、1880～1920 MHz、1920～1980 MHz、2010～2025 MHz、2110～2170 MHz 、2300～2400 MHz、2570～2620 MHz、3300～3400 MHz、4400～4500 MHz、4800～4990 MHz 等GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、第五代移動通信候選頻段等移動通信制式的所有工作頻段。

與用于移動通信的常規(guī)陣列天線比較，該款天線具有突出的優(yōu)點和顯著的效果：天線使用了高介電常數(shù)低損耗微波陶瓷基板作為介質(zhì)基板，在擁有較好的輻射性能的同時，成功的實現(xiàn)了天線的小型化，在擁有144個光子晶體陣元小天線的情況下，天線尺寸只有32mm×32mm，天線厚度只有1mm，屬于超薄手機(jī)天線，能夠放進(jìn)各類移動通信手機(jī)里；天線回波損耗較低，且在工作頻帶內(nèi)回波損耗值變化較為平穩(wěn)，天線工作帶寬達(dá)到5.412 GHz，天線性能冗余較大，保證了天線在各種不可預(yù)知的惡劣環(huán)境下對移動通信手機(jī)信號都能有較好的傳輸效果。該款天線同時滿足小尺寸、低厚度、低回波損耗、大工作帶寬的要求，能夠同時用于第二代、第三代、第四代、第五代移動通信系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中光子晶體分形陣列天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例中光子晶體小天線結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例中康托爾分形結(jié)構(gòu)的迭代過程示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例中回波損耗(S₁₁)性能圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本實施例提供一種用于移動通信的光子晶體分形陣列天線，如圖1所示，該天線包括基板、貼覆在基板背面的天線接地板和貼覆在基板正面的光子晶體分形陣列輻射貼片，所述天線接地板為全金屬接地結(jié)構(gòu)，所述光子晶體分形陣列輻射貼片是由144個光子晶體小天線按照康托爾分形陣列結(jié)構(gòu)排列組成的天線陣列。

在本實施例中，所述光子晶體小天線的大小為1.4mm±0.1mm1.4mm±0.1mm，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在本實施例中，所述光子晶體小天線是在正方形金屬貼片上開出3行3列共九個正方形孔組成的，每個正方形孔的大小為0.2mm0.2mm，第一行正方形孔與正方形金屬貼片上邊沿之間的距離、第一行正方形孔與第二行正方形孔之間的距離、第二行正方形孔與第三行正方形孔之間的距離、第三行正方形孔與正方形金屬貼片下邊沿之間的距離都為0.2mm，第一列正方形孔與正方形金屬貼片左邊沿之間的距離、第一列正方形孔與第二列正方形孔之間的距離、第二列正方形孔與第三列正方形孔之間的距離、第三列正方形孔與正方形金屬貼片右邊沿之間的距離都為0.2mm。

光子晶體是一種介質(zhì)在另一種介質(zhì)中周期排列所組成的周期結(jié)構(gòu)。光子晶體產(chǎn)生的光子帶隙能夠全部或部分阻礙電磁波的傳播。在天線設(shè)計中使用光子晶體結(jié)構(gòu)時，經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計，可以使光子晶體產(chǎn)生的光子帶隙頻率與天線的工作中心頻率一致，這時光子帶隙將部分阻止天線在原工作中心頻率的能量輻射，使能量擴(kuò)散到附近的頻率輻射，從而增加了天線輻射能量的頻率范圍，增大天線的工作帶寬。因此在設(shè)計中使用光子晶體小天線作為天線陣列的陣元，保證了天線具有良好的寬頻帶工作特性。

在本實施例中，所述光子晶體分形陣列輻射貼片使用康托爾分形陣列結(jié)構(gòu)作為基本陣列排布結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部每個小正方形區(qū)域放置一個光子晶體小天線。

在本實施例中，所述康托爾分形陣列結(jié)構(gòu)使用至少2階的康托爾分形結(jié)構(gòu)。

分形幾何是通過迭代產(chǎn)生的具有自相似特性的幾何結(jié)構(gòu)，它的整體與局部之間以及局部與局部之間都具有自相似性，天線的分形設(shè)計是電磁理論與分形幾何學(xué)的融合。與傳統(tǒng)電磁器件相比，基于分形結(jié)構(gòu)的電磁器件具有小型化、寬頻帶、多頻工作、自加載等優(yōu)點，能夠很好的滿足移動通信系統(tǒng)對電磁器件的性能要求。分形陣列是將多個陣元天線按照分形迭代規(guī)律排布為天線陣列的組陣方法，可以充分發(fā)揮分形結(jié)構(gòu)自相似性的優(yōu)點，在通過組陣增強(qiáng)天線輻射強(qiáng)度的同時，保證天線陣列具有較大的工作帶寬。

在本實施例中，康托爾分形結(jié)構(gòu)的迭代過程如圖3所示，其原始結(jié)構(gòu)為正方形貼片，將其等分為4行4列16個小正方形。刪除第1行第3列、第2行第1列、第3行第4列、第4行第2列的小正方形，剩下12個小正方形，構(gòu)成1階康托爾分形結(jié)構(gòu)。將1階康托爾分形結(jié)構(gòu)的每個小正方形再分別做康托爾分形迭代，得到2階康托爾分形結(jié)構(gòu)。按照這種方法繼續(xù)迭代，則可得到高階康托爾分形結(jié)構(gòu)。陣列天線使用康托爾分形結(jié)構(gòu)作為陣列排布結(jié)構(gòu)時，在康托爾分形結(jié)構(gòu)內(nèi)部每個小正方形區(qū)域放置一個陣元天線。

在本實施例中，如圖1所示，使用尺寸為32mm±1mm ×32mm±1mm的2階康托爾分形結(jié)構(gòu)作為基本陣列排布結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部144個尺寸為2mm×2mm的小正方形區(qū)域放置一個光子晶體小天線，組成光子晶體分形陣列輻射貼片。

在本實施例中，所述每個光子晶體小天線的底部邊沿中心設(shè)有天線饋電點。

在本實施例中，所述基板為低損耗微波陶瓷基板，其相對介電常數(shù)為70-80。所述基板的形狀為矩形，尺寸是32mm±1mm×32mm±1mm，厚度為1mm±0.1mm。

低損耗微波陶瓷基板以微波陶瓷粉、分散劑、卡拉膠為原料，經(jīng)過球磨、加熱、攪拌、除氣、冷卻固化、脫模、烘干、燒結(jié)等多道工藝制得，克服了傳統(tǒng)高介電常數(shù)材料對射頻信號有較大損耗的問題，在介電常數(shù)10~100的范圍內(nèi)，對射頻信號的損耗角正切小于0.005，能夠滿足射頻天線的基底材料要求。采用較高介電常數(shù)的基底材料可以獲取尺寸更小的天線，使用這種高介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗的微波陶瓷材料可以實現(xiàn)天線的微型化設(shè)計。

在本實施例中，所述天線接地板和輻射貼片的材質(zhì)為銅、銀、金或鋁。

在本實施例中，圖4給出了本發(fā)明實施例的回波損耗(S₁₁)性能圖，從圖4可以看出，實測結(jié)果顯示，該款天線的工作頻帶范圍為0.772～6.184 GHz，工作帶寬為5.412 GHz，在整個工作頻帶內(nèi)天線回波損耗都低于-10 dB，回波損耗最小值為-22.14 dB。實測結(jié)果顯示，該款天線完全覆蓋了905～915MHz、950～960MHz、1710～1785 MHz、1805～1880 MHz、1880～1920 MHz、1920～1980 MHz、2010～2025 MHz、2110～2170 MHz 、2300～2400 MHz、2570～2620 MHz、3300～3400 MHz、4400～4500 MHz、4800～4990 MHz 等GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、第五代移動通信候選頻段等移動通信制式的所有工作頻段。該款天線成功實現(xiàn)了第二代、第三代、第四代、第五代移動通信系統(tǒng)的兼容。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。