基于分形结构的北斗微带阵列天线

本发明涉及天线，尤其是基于分形结构的北斗微带阵列天线。

背景技术：

1、随着人类科学技术的不断进步，无线通信技术也得到了快速的发展。在现代电子通信中，微带天线因其简单、轻便、低成本、易于集成和制造等优点而受到广泛关注。微带天线由于其体积小、重量轻、特性稳定、成本低廉等诸多特点，已成为现代通信领域中最具前途的研究方向之一。在现代电磁理论不断完善之后，无线电通信技术发展日新月异，逐渐广泛应用于个人通信、设备制造、军事国防和宇宙探索的射电天文等多个领域，现阶段已经涉及到人类生活中的诸多方面。天线作为无线电通信系统中有效的收发装置，对于整个系统的性能和应用起着至关重要的作用。

2、北斗卫星导航系统(1.189ghz～1.591ghz)是我国自主研制的卫星导航系统，具有全球覆盖、高精度、高可靠等优势，广泛应用于交通、能源、安全等领域。北斗二号在b1、b2和b3三个频段提供b1i、b2i和b3i三个公开服务信号。其中，b1频段的中心频率为1561.098mhz，b2为1207.14mhz，b3为1268.52mhz。北斗三号在b1、b2和b3三个频段提供b1i、b1c、b2a、b2b和b3i五个公开服务信号。其中b1频段的中心频率为1575.42mhz，b2为1176.45mhz，b3为1268.52mhz。北斗卫星定位系统通过这两个频段来向用户提供定位、导航和时间服务。对于北斗微带天线的研究，大多数情况下都是在特定频段上进行的设计和优化。这主要是因为不同频段的信号传播特性、天线结构和性能指标等方面存在差异，需要采用专门的设计方法和工艺流程。然而，随着北斗导航系统的发展和应用需求的增加，覆盖全部频段的北斗微带天线也变得越来越重要。

3、在北斗系统中，微带阵列天线是重要的通信设备之一，其性能对北斗系统的通信质量和可靠性有着至关重要的影响。

4、传统的微带阵列天线结构采用规则的矩形或圆形布局方式，具有较好的天线性能，但存在着天线体积大、工艺复杂等问题。而基于分形结构的天线设计，则可以克服传统天线存在的问题，具有体积小、频带宽、结构简单等优点，已经成为当前微波通信领域研究的热点。

5、此背景之下，设计出能够同时覆盖多个北斗，并满足小尺寸、频带宽、结构简单等特点，同时具有较好的阻抗匹配能力和辐射效果，可以提高北斗系统的通信质量和可靠性的北斗天线具有广泛的应用价值。

技术实现思路

1、本发明提出基于分形结构的北斗微带阵列天线，能够覆盖北斗系统的三个工作频段，而且还可以覆盖第四代移动通信频段，具有良好的定向辐射能力，且尺寸较小，辐射强度较高。

2、本发明采用以下技术方案。

3、基于分形结构的北斗微带阵列天线，所述阵列天线包括一个以上的阵列元，各阵列元均包括贴覆在介质基板正面的八边形缝隙辐射贴片、多个围绕在辐射贴片四周的由矩形环分形结构所组成的弯折辐射臂以及贴覆在介质基板背面的天线接地板；所述八边形缝隙辐射贴片的制作方法为：对八边形结构进行切角处理使其内部转角全部形成钝角以降低电流传输衰减，形成八边形贴片，再在八边形贴片上左右开缝，使之形成呈左右对称的矩形缝隙槽，利用在阵列元分布方向上规律性分布的缝隙槽结构使天线内部具有均匀的射频电流分布，以保障天线具有稳定的宽频带工作性能。

4、所述弯折辐射臂的数量为四条，分别设于八边形缝隙辐射贴片的上沿、下沿、左沿和右沿，使天线辐射单元边沿的辐射同相叠加以形成高辐射强度的辐射频段；各弯折辐射臂表面密布矩形环分形结构；其中一个弯折辐射臂设有与阵列天线馈线相连的矩形馈电贴片。

5、所述弯折辐射臂包括长臂和短臂，四个辐射臂的短臂与八边形缝隙辐射贴片的上下左右边的正中间相连，而长臂与八边形缝隙辐射贴片对应的边平行；弯折辐射臂包括多个辐射贴片，馈电贴片与弯折辐射臂的组合体为具有高辐射强度和良好定向辐射能力的微带单极子天线。

6、所述矩形环分形结构为二阶的分形结构，即具有分形结构自相似性的矩形环嵌套结构，其包括两个逐渐变小的矩形环，分形方法为：从一个正方形开始，然后通过将其四个边缘细分为三个等分来创建下一个较小的正方形。接着，在每个新的小正方形上，我们在外面连接四个新的正方形以形成一个矩形环。然后重复此过程，对于每个新的小正方形，连接四个新的小正方形并形成矩形环。

7、所述矩形环分形结构具有强的抗干扰能力，矩形环分形结构通过多次迭代产生大小、形状规律性变化的矩形环，其自相似性使天线产生新的谐振点并具有性能稳定的辐射边以拓宽天线辐射带宽。

8、所述北斗微带阵列天线为由多个阵列元水平均匀排列组成的天线阵，利用阵列元之间的相互作用来增强信号的接收和发射能力，将多个阵列元组合在一起来增加天线的总增益；通过调整阵列元之间的距离和相位差来控制天线的辐射方向，以使得阵列天线在特定方向上具有更强的接收和发射能力。

9、所述阵列元的俯视向呈卍字形，所述北斗微带阵列天线由四个阵列元水平均匀排列组成，每个阵列元之间的距离为4.0mm±0.1mm，整个北斗微带阵列天线的长度为125.0mm±0.1mm，宽度为30.0mm±0.1mm。

10、各弯折辐射臂都是由24个二阶矩形环组成，第一次迭代形成边长为1.4mm±0.1mm的一阶矩形环1-3，然后在其基础下继续迭代形成边长为0.8mm±0.1mm的二阶矩形环1-4；弯折辐射臂有里外两层矩形环结构，长臂是由10个矩形环组成，长度约为14.6mm±0.1mm，短臂由4个矩形环组成，长度约为5.8mm±0.1mm；

11、所述八边形缝隙辐射贴片中间左右分别开有两个矩形缝隙槽，矩形缝隙槽的长度为6mm+0.1mm，宽度为0.5mm+0.1mm；

12、所述八边形缝隙辐射贴片每个边的边长为4.0mm±0.1mm，且在八边形缝隙辐射贴片下边连接的辐射臂上设有矩形馈电片；矩形馈电片尺寸为4.0 mm±0.1 mm×3.0mm±0.1mm；

13、所述介质基板的形状为矩形，尺寸为27mm±0.1 mm×6mm±0.1 mm，厚度为12 mm±0.1mm。

14、所述介质基板为低损耗聚乙烯pe塑料基板，其相对介电常数为约为2.2；所述八边形缝隙辐射贴片、辐射臂贴片以及天线接地板的材质为铜、银、金或铝。

15、所述北斗微带阵列天线采用矩形介质基板，使用二维平面型微带引向辐射结构，其工作频带范围为1.107～2.114 ghz，工作带宽达1.007 ghz。

16、较之现有技术而言，本发明的优点在于：

17、1、本技术天线设计了矩形环分形结构，矩形环嵌套结构具有分形结构的自相似性，可以使天线辐射贴片内部有均匀分布的射频电流，可以有效展宽天线的工作频段；相比传统的天线结构，采用矩形环分形结构可以有效减小天线的尺寸，从而实现天线的小型化设计；矩形环分形结构可以显著提高天线的辐射效率和电学性能，同时降低副瓣水平和天线阻抗失配等问题，使得天线的综合性能得到了提升。

18、2、本发明的该天线的辐射单元采用4条弯折辐射臂，作为辐射贴片时，边沿的辐射会同相叠加，形成辐射强度很高的辐射频段。卫星定位天线传输的距离很远，需要从地面穿过地球大气层，与卫星进行通信，因此对窄波束定向辐射能力的要求很高。虽然微带单极子天线具有高辐射强度和优良定向辐射工作能力，很适合于作为卫星定位天线的基础结构，但传统的微带单极子天线工作带宽较小，不能完全覆盖全球定位系统和北斗卫星导航系统工作频段，需要使用改进结构来增大工作带宽，本发明设计的多叉单极子天线是对传统的微带单极子天线的创造性改进设计，它由馈电贴片和多个辐射臂组成，每个辐射臂包含多个辐射贴片。馈电贴片和任一辐射臂都可以组成一个微带单极子天线，具有较高辐射强度和良好的定向辐射能力，整个多叉单极子天线可以看作是多个工作在不同频段的微带单极子天线叠加在一起，多个辐射频段可以融合成一个较大的辐射频段，有效地解决了微带单极子天线工作频段较小的问题。

19、3、本发明中，八边形缝隙贴片采用了八边形的结构，通过切角处理，其内部转角全部变为钝角，电流传输时的衰减大大减弱，辐射强度能够得到明显的提高；并且内部开出对称式矩形缝隙槽，在不改变辐射贴片整体形状、尺寸的情况下，不影响天线工作中心频率，利用在阵列元分布方向上规律性分布的缝隙槽结构使天线内部具有均匀的电流分布，从而保证天线具有稳定的宽频带工作性能。

20、4、本发明的天线整体采用矩形介质基板，实现了二维平面型微带引向辐射结构的设计，基板整体规模为毫米级，很好地实现了天线小型化和低剖面化。基板采用的材料可以是塑料，常用的塑料材料包括聚乙烯（pe）和聚四氟乙烯（ptfe），这些材料的介电常数较低，所以它会产生较低的损耗和较高的效率。

21、天线实测结果显示，本发明设计的该款天线的工作频带范围为1.107～2.114ghz，工作带宽可达1.007 ghz，其中，在北斗的三个频段(1.189ghz～1.591ghz)、第四代移动通信系统td-lte制式（1.880～1.900ghz）的天线回波损耗都低于-15 db，实现了多个工作频带全覆盖。除此之外，极小的回波损耗能够让天线在该工作频段稳定工作且有充足的性能冗余。

22、实际测试的结果表明，本发明设计的这款天线不仅能够覆盖北斗系统的三个工作频段，而且还可以覆盖第四代移动通信频段，具有良好的定向辐射能力，且尺寸较小，辐射强度较高，是一款性能优异的北斗微带阵列天线。