[发明专利]一种复合分形超宽带天线

说明书

技术领域

本发明涉及天线设计领域，特别是一种复合分形超宽带天线。

背景技术

超宽带通信是一种成本低廉、数据传输率高、信号穿透性好、发射功率低的无线通信技术，在无线个域网、精确测距、金属探测等领域有广泛的应用。在IEEE 802.15.3a标准提出后，超宽带无线接入技术进一步得到规范化。美国联邦通信委员会（FCC）确定的超宽带(UWB)通信的频段为3.1～10.6 GHz。

射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种用射频通信实现的非接触式自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。射频识别技术近年来已经获得了一系列的成果，在仓储物流、商业自动化、交通运输控制管理、防伪、图书、航空等领域均有广泛的应用。目前，射频识别技术最具有应用前景的频段为2.4～2.4835 GHz。

目前，第四代移动通信技术日趋成熟，已进入商业化的实用阶段。TD-LTE标准是中国拥有自主知识产权的第四代移动通信标准，是一种专门为移动高宽带应用而设计的无线通信标准，拥有广阔的应用前景，TD-LTE制式的常用工作频段为2.57～2.62 GHz。

第五代移动通信是目前最新一代的移动通信系统，具有较宽的通信频段、较快的数据传输速度和良好的用户体验。第五代移动通信能够在未来10年内满足移动数据流量高速增长的需求，在频谱利用率和能效方面具有独特的优势，具有巨大的发展潜力，将在2020年前后投入商业运营。2015年，国际电信联盟确定了第五代移动通信的三个候选频段为：3.30～3.40 GHz、4.40～4.50 GHz、4.80～4.99 GHz。

随着无线通信技术的不断发展，不同标准、不同频率、不同制式的多种无线通信频段模式将长期共存。为了适应这种发展趋势，作为无线通信设备不可或缺的天线必将与通信制式发展相适应，天线需要具备多频段的功能。超宽带通信系统、射频识别系统、第四代移动通信系统、第五代移动通信系统工作频率接近，且都需要移动终端（超宽带通信终端、射频识别读写器和智能手机），如果能设计一款天线，同时覆盖超宽带通信的3.1～10.6 GHz频段、射频识别系统的2.4～2.4835 GHz频段、第四代移动通信TD-LTE标准的2.57～2.62 GHz频段、第五代移动通信的3.30～3.40 GHz、4.40～4.50 GHz、4.80～4.99 GHz候选频段，并同时满足小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的要求，就能够实现对超宽带通信系统、射频识别系统、第四代移动通信系统、第五代移动通信系统的兼容。使用该款天线后，超宽带通信终端设备、射频识别读写器可以和智能手机结合在一起，可以实现多种无线通信终端的整合。

“分形（Fractal）”是法国数学家Mandelbrot在1983年首次提出的，用于描述一类具有自相似特性的几何形状。1990年D.L.Jaggard提出了分形电动力学（Fractal Electrodynamics）的概念，将分形几何与电磁理论相结合，用来解决一系列电磁辐射、传播、散射等问题。目前，分形思想广泛应用于生物化学、物理电磁学等领域，分形理论在天线设计中的应用越来越多。用分形技术设计天线主要是为了实现宽频带工作以及减小天线的尺寸。分形结构的自相似性使得分形天线内部的电流分布较为均匀，天线工作带宽较大；分形结构的复杂折叠结构使天线的尺寸缩减成为可能。

传统的分形结构，进行迭代时是依靠边沿曲线的不断折叠或对内部结构不断进行有规律的“挖洞”，这些天线都能够多频带工作，其第一个层次的分形结构，在低频处产生了一个谐振点；随着天线分形层次的不断深入，原有的谐振点保持不变，但在高频端增加了新的谐振点，而且谐振点的个数与分形的结构层次数相等。传统的分形天线存在的最大问题是自相似结构只存在于边沿曲线或“挖洞”处，而分形天线内部大部分地方仍然是整块的金属辐射片，射频电流能够较为均匀分布的地方局限于边沿曲线或“挖洞”处附近。此外，传统的分形天线各辐射边距离较近，产生的辐射会相互耦合、相互影响，要将天线产生的多个辐射频段精确地调节到设计者需要的目标辐射频段上，有较大难度。

复合分形天线是将两种不同的分形结构有机的融合为复合分形结构，在天线的基本结构中使用一种面式分形结构，而在天线内部的每个小正方形金属区域使用另一种分形结构，这样天线的边沿曲线和内部金属辐射区都将具有自相似结构，天线的宽频带工作特性能得到提高。