十字-康托尔复合分形缝隙超宽频带天线及制备方法与流程

本发明涉及一种十字-康托尔复合分形缝隙超宽频带天线及其制备方法。

背景技术：

无线通信技术在21世纪得到了飞速的发展，多种无线通信系统在各个领域得到了广泛的应用。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目前应用最为广泛、与人们工作和生活息息相关的四种无线通信系统，它们都工作于微波频段，工作原理、通信协议和对终端设备的要求相似，有很大的整合潜力。

多网合一、多系统整合是21世纪无线通信技术发展的重要趋势。如果能够将移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统、移动数字电视系统整合在一起，设计出同时工作于这四种系统的终端设备，就可以实现微波频段无线通信的多网合一。多网合一终端设备需要实现多频段兼容，我国目前使用的第二代移动通信频段为gsm制式0.905～0.915ghz、0.950～0.960ghz、1.710～1.785ghz、1.805～1.880ghz频段；第三代移动通信频段为td-scdma制式1.880～1.920ghz、2.010～2.025ghz、2.300～2.400ghz频段和wcdma制式1.920～1.980ghz、2.110～2.170ghz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：3.300～3.400ghz、4.400～4.500ghz、4.800～4.990ghz。射频识别系统有三个主要的工作频段：0.902～0.928ghz、2.400～2.4835ghz、5.725～5.875ghz。超宽带系统的工作频段为3.100～10.600ghz。移动数字电视系统工作频段为11.700～12.200ghz。

宽频带回形偶极子天线（专利号：201520420110.3），是与本专利申请技术最接近的现有技术，该项专利的天线只能覆盖第三代、第四代移动通信的部分通信频段。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种工作稳定可靠，辐射性能好，具有超宽频带工作能力的十字-康托尔复合分形缝隙超宽频带天线及其制备方法。

本发明采用以下方案实现：一种十字-康托尔复合分形缝隙超宽频带天线，包括三层薄膜基质，第一层薄膜基质正面贴覆有感应辐射贴片，第二层薄膜基质正面贴覆有馈电辐射贴片，第三层薄膜基质正面也贴覆有感应辐射贴片，第三层薄膜基质背面贴覆有钛酸钡薄片，钛酸钡薄片背面贴覆有坡莫合金镀层，感应辐射贴片和馈电辐射贴片均为十字-康托尔复合分形缝隙结构，所述十字-康托尔复合分形缝隙结构整体上是十字分形缝隙结构，十字分形缝隙结构内部是康托尔分形缝隙结构。

进一步的，所述感应辐射贴片和馈电辐射贴片均在尺寸为10mm±0.1mm×10mm±0.1mm的矩形区域进行十字-康托尔复合分形缝隙结构迭代而得到。

进一步的，所述感应辐射贴片和馈电辐射贴片均使用至少2阶的十字-康托尔复合分形缝隙结构。

进一步的，所述馈电辐射贴片的底部边沿中心处设有天线馈电点。

进一步的，所述三层薄膜基质均为聚对苯二甲酸乙二酯薄膜基质，其形状呈矩形，尺寸是10mm±0.1mm×10mm±0.1mm，厚度为0.2mm±0.02mm，相对介电常数为8±0.5。

进一步的，所述钛酸钡薄片呈矩形，尺寸是10mm±0.1mm×10mm±0.1mm，厚度为0.3mm±0.1mm，相对介电常数为100±5。

进一步的，所述坡莫合金镀层的尺寸与钛酸钡薄片的尺寸相同，坡莫合金镀层中的坡莫合金是由78%的镍，21%的铁，1%的铌、钽、钛、铝组成。

进一步的，所述感应辐射贴片和馈电辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成。

一种如上所述十字-康托尔复合分形缝隙超宽频带天线的制备方法，包括以下步骤：（1）制备十字-康托尔复合分形缝隙结构的感应辐射贴片和馈电辐射贴片，馈电辐射贴片的底部边沿中心处设置天线馈电点；（2）将三层薄膜基质叠装在一起，第一层薄膜基质正面贴覆有感应辐射贴片，第二层薄膜基质正面贴覆有馈电辐射贴片，第三层薄膜基质正面也贴覆有感应辐射贴片；（3）在第三层薄膜基质背面贴覆上钛酸钡薄片，然后钛酸钡薄片背面贴覆有坡莫合金镀层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明十字-康托尔复合分形缝隙超宽频带天线尺寸较小，厚度较薄，辐射性能好，工作稳定可靠，性能冗余大，有较强的抗干扰能力，具有超宽频带工作能力，可以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。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施超宽频带天线截面结构图；

图2是本发明实施例2阶辐射贴片结构示意图；

图3是本发明实施例十字-康托尔复合分形缝隙结构迭代过程示意图；

图4是本发明超宽频带天的回波损耗(s11)性能图。

具体实施方式

如图1~4所示，一种十字-康托尔复合分形缝隙超宽频带天线，包括三层薄膜基质，第一层薄膜基质正面贴覆有感应辐射贴片，第二层薄膜基质正面贴覆有馈电辐射贴片，第三层薄膜基质正面也贴覆有感应辐射贴片，第三层薄膜基质背面贴覆有钛酸钡薄片，钛酸钡薄片背面贴覆有坡莫合金镀层，感应辐射贴片和馈电辐射贴片均为十字-康托尔复合分形缝隙结构，所述十字-康托尔复合分形缝隙结构整体上是十字分形缝隙结构，十字分形缝隙结构内部是康托尔分形缝隙结构。该款天线使用十字-康托尔复合分形缝隙结构由两种分形缝隙结构融合而成的十字-康托尔复合分形缝隙结构作为天线的辐射贴片，利用复合分形缝隙结构良好的自相似性保证天线能够在很宽的频率范围内稳定地工作；馈电辐射贴片上方和下方的两块感应辐射贴片形成三维空间中的镜像补偿结构，进一步增强了天线整体的辐射能力。

十字-康托尔复合分形缝隙结构由两种分形缝隙结构融合而成，是一种全新的分形迭代方式，能够将两种分形结构的优点集于一身，具有极好的自相似性。在天线设计中使用十字-康托尔复合分形缝隙结构，可以在不改变天线辐射贴片整体形状和尺寸的情况下，利用复合分形缝隙结构良好的自相似性使天线辐射贴片具有均匀的电流分布，保证天线能够在很宽的频率范围内稳定地工作，尺寸较小，厚度较薄，辐射性能好，工作稳定可靠，性能冗余大，有较强的抗干扰能力，具有超宽频带工作能力，可以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，是一款微波频段多网合一终端设备天线。

镜像补偿结构是一种利用感应辐射原理，提高天线辐射性能的改进结构。镜像补偿结构是一种“万能”的感应辐射型天线辐射性能改进结构。镜像补偿结构尺寸结构与天线的馈电辐射结构完全一致。如果天线附近存在金属导体，金属导体因受天线产生的电磁场的作用要激起电流，这种感应电流也会在空间激发电磁场，可以称其为二次场。空间任一点的场都是天线直接激发的场与二次场的叠加。只要合理调节天线馈电辐射结构与镜像补偿结构的距离，就可使二者的电流有相同或相近的相位。这时，空间任一点的场都是天线馈电辐射结构直接激发的场与镜像补偿结构激发的二次场的同相叠加，天线的辐射性能将得到较大的提高。在馈电辐射贴片上方和下方添加两块感应辐射贴片，可以看作是在三维空间中使用了镜像补偿结构，它们可以进一步增强天线整体的辐射能力。

在本实施例中，所述感应辐射贴片和馈电辐射贴片均在尺寸为10mm±0.1mm×10mm±0.1mm的矩形区域进行十字-康托尔复合分形缝隙结构迭代而得到。

在本实施例中，所述感应辐射贴片和馈电辐射贴片均使用至少2阶的十字-康托尔复合分形缝隙结构，十字-康托尔复合分形缝隙结构的迭代过程如图3所示，十字-康托尔复合分形缝隙结构的初始结构（0阶）是正方形，将其等分为20行20列400个小正方形，将第5行第9列、第10列、第12列，第6行第10列、第11列、第12列，第7行第9列、第10列、第11列，第8行第9列、第11列、第12列，第9行第5列、第6列、第8列、第9列、第10列、第12列、第13列、第14列、第16列，第10行第6列、第7列、第8列、第10列、第11列、第12列、第14列、第15列、第16列，第11行第5列、第6列、第7列、第9列、第10列、第11列、第13列、第14列、第15列，第12行第5列、第7列、第8列、第9列、第11列、第12列、第13列、第15列、第16列，第13行第9列、第10列、第12列，第14行第10列、第11列、第12列，第15行第9列、第10列、第11列，第16行第9列、第11列、第12列，共60个小正方形挖去，形成一个十字-康托尔复合分形缝隙，剩下340个等分的正方形区域，包括20个4行4列的大正方形区域和20个独立的小正方形区域，则得到1阶十字-康托尔复合分形缝隙结构；将1阶十字-康托尔复合分形缝隙结构的20个大正方形区域和20个独立的小正方形区域，分别再做十字-康托尔复合分形缝隙迭代，则得到2阶十字-康托尔复合分形缝隙结构；按照这种方法继续迭代，则可得到高阶的十字-康托尔复合分形缝隙结构。

十字-康托尔复合分形缝隙结构是一种全新的分形迭代方式，通过在天线辐射贴片内部挖洞形成“嵌入式”的复合分形缝隙结构，该结构的缝隙整体上是十字分形缝隙结构，微观上是康托尔分形缝隙结构，能够将两种分形结构的优点集于一身，具有极好的自相似性。在天线设计中使用十字-康托尔复合分形缝隙结构，可以在不改变天线辐射贴片整体形状和尺寸的情况下，利用复合分形缝隙结构良好的自相似性使天线辐射贴片具有均匀的电流分布，保证天线能够在很宽的频率范围内稳定地工作。

在本实施例中，所述馈电辐射贴片的底部边沿中心处设有天线馈电点。

在本实施例中，所述三层薄膜基质结构一致均为聚对苯二甲酸乙二酯（pet）薄膜基质，其形状呈矩形，尺寸是10mm±0.1mm×10mm±0.1mm，厚度为0.2mm±0.02mm，相对介电常数为8±0.5。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，使用聚对苯二甲酸乙二酯（pet）薄膜作为天线基质材料，可以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，可以保证天线有稳定的物理和化学性质。

在本实施例中，所述钛酸钡薄片为微波频段低损耗钛酸钡薄片，钛酸钡薄片呈矩形，尺寸是10mm±0.1mm×10mm±0.1mm，厚度为0.3mm±0.1mm，相对介电常数为100±5，钛酸钡是一种具有高介电常数和低介电损耗的强介电化合物，能够形成有效的电场屏蔽层，阻止外界电场对天线辐射的干扰，

在本实施例中，所述坡莫合金镀层的尺寸与钛酸钡薄片的尺寸相同，坡莫合金镀层中的坡莫合金是由78%的镍，21%的铁，1%的铌、钽、钛、铝组成，兼具高硬度和高磁导率，可以有效屏蔽外界磁场对天线辐射的影响，并为天线结构提供机械防护。将钛酸钡薄片和坡莫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，保证天线具有较强的抗干扰能力。

在本实施例中，所述感应辐射贴片和馈电辐射贴片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。

十字分形缝隙结构和康托尔分形缝隙结构两种分形缝隙结构融合而成的十字-康托尔复合分形缝隙结构作为天线的辐射贴片，利用复合分形缝隙结构良好的自相似性保证天线能够在很宽的频率范围内稳定地工作；馈电辐射贴片上方和下方的两块感应辐射贴片形成三维空间中的镜像补偿结构，进一步增强了天线整体的辐射能力。使用聚对苯二甲酸乙二酯（pet）薄膜作为天线基质材料，可以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。在天线结构中使用钛酸钡薄片和坡莫合金镀层，可以有效阻止天线周围环境电磁场对天线辐射的干扰。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。

图4为十字-康托尔复合分形缝隙超宽频带天线的回波损耗(s11)性能图。实测结果显示，该款天线的工作频带范围为0.382～16.108ghz，工作带宽为15.726ghz，带宽倍频程为42.17，在整个工作频带内天线回波损耗都低于-10db，回波损耗最小值为-47.67db。该款天线具有较强的抗干扰能力，能够在微波频段信号源附近正常工作，其辐射性能不受影响。该款天线尺寸较小，厚度较薄，辐射性能好，工作稳定可靠，性能冗余大，有较强的抗干扰能力，具有超宽频带工作能力，可以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，可广泛应用于微波频段多网合一终端设备中。

该款天线完全覆盖了0.902～0.928ghz、0.905～0.915ghz、0.950～0.960ghz、1.710～1.785ghz、1.805～1.880ghz、1.880～1.920ghz、1.920～1.980ghz、2.010～2.025ghz、2.110～2.170ghz、2.300～2.400ghz、2.400～2.4835ghz、2.570～2.620ghz、3.300～3.400ghz、4.400～4.500ghz、4.800～4.990ghz、5.725～5.875ghz、3.100～10.600ghz、11.700～12.200ghz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：该款天线具有很好的抗破坏性，天线辐射贴片中不含金属，长期使用过程中不会被腐蚀，高度自相似性的复合分形缝隙结构，即使被破坏后只剩下四分之一，也可以保证天线正常工作；该款天线有较大的性能冗余和稳定的辐射工作能力，回波损耗最小值低达-47.67db，且辐射能力不会受到射频信号源的干扰，可以保证无线通信信号有很好的传输质量；该款天线的带宽倍频程超过40，工作带宽接近16ghz，具有优异的超宽频带工作能力，特别是对低频段的覆盖效果远远超过了现有的微波频段超宽带天线。

一种如上所述十字-康托尔复合分形缝隙超宽频带天线的制备方法，包括以下步骤：（1）制备十字-康托尔复合分形缝隙结构的感应辐射贴片和馈电辐射贴片，馈电辐射贴片的底部边沿中心处设置天线馈电点；（2）将三层薄膜基质叠装在一起，第一层薄膜基质正面贴覆有感应辐射贴片，第二层薄膜基质正面贴覆有馈电辐射贴片，第三层薄膜基质正面也贴覆有感应辐射贴片；（3）在第三层薄膜基质背面贴覆上钛酸钡薄片，然后钛酸钡薄片背面贴覆有坡莫合金镀层。

在本实施例中，步骤（1）中，感应辐射贴片和馈电辐射贴片由石墨烯导电墨水印制而成。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。