基於時間反演的sierpinski分形MIMO天線的製作方法

2023-06-02 18:55:21 1

基於時間反演的sierpinski分形MIMO天線的製作方法
【專利摘要】該發明針公開了一種基於時間反演的sierpinski分形MIMO天線，屬於電子【技術領域】。該天線具有三個埠，其中兩個MIMO埠的工作頻段可以覆蓋移動通信GSM/WCDMA常用頻段，一個補充埠的工作頻段可以覆蓋無線網絡WLAN/WiMAX常用頻段，本發明利用兩個sierpinski分形三角形近距離排列，因為sierpinski分形三角形具有亞波長結構，可以構成近場散射體，從而在時間反演電磁環境下可以具有超解析度特性，可以在時間反演電磁環境下自然地改善埠的隔離度。設計時，由於採用整體設計的思想，考慮了耦合效應，從而避免了輻射效率下降。
【專利說明】基於時間反演的si erp inski分形ΜΙΜΟ天線

【技術領域】
[0001] 本發明屬於電子【技術領域】，特別涉及一種用於無線通信終端的時間反演多入多出 (ΜΜ0)天線技術。

【背景技術】
[0002] 隨著個人業務需求的不斷增長，移動終端面臨著通信容量和通信速率亟待提高的 巨大需求。在移動終端上設計多個天線單元，增加獨立的無線信道數量是未來移動通信提 高移動終端通信性能的主要手段之一。根據傳統理論，為使多天線系統（陣列天線）獲得 良好的空間分集增益和空間復用增益，要求天線單元間距不小於半個工作波長。如果在有 限空間內使得天線單元間距遠小於半個工作波長，將導致單元間的耦合增大，各天線對應 的無線信道的相關性大大提高，導致移動終端系統的通信容量和通信速率極大地降低，嚴 重損害了通信質量，從而失去了引入多天線系統的意義。儘管人們對天線單元小型化進行 了諸多研究，由於移動終端平臺的尺寸有限，要將多個用於不同信道的天線集成在移動終 端上，所佔用的空間仍然較大。隨著時間反演技術的日益成熟，利用時間反演電磁波自適 應的空間、時間同步聚焦特性，可以解決許多傳統方法無法解決的難題。時間反演（Time Reversal)需要在信源的附近布置散射體以構成多徑信道。發射信號經過散射體散射後由 遠場放置的時間反演鏡（TRM)接收，接收到的信號經過時間反演後，再重新發射。重發射的 信號就可以在源點附近實現空間與時間聚焦。
[0003] 2011年王秉中等人提出了 "一種無線移動終端用時間反演亞波長陣列天線"（專 利申請號：201110066620. 1 ;申請公布日：2011.06. 29 ;發明人：王秉中，葛廣頂，臧銳），可 以展示遠場亞波長超解析度聚焦特性。該天線陣由間距在1/40?1/2波長之間的多個刻 蝕凹槽的單極子天線單元層疊而成。每個天線單元由位於矩形介質基片正反兩面金屬貼片 構成；正面金屬貼片包括中間的橢圓形單極子輻射單元和彼此相連的兩個側面金屬貼片； 反面金屬貼片由彼此相連的矩形金屬貼片和直角梯形金屬貼片構成；所有金屬貼片上都均 勻分布得有刻蝕凹槽。該天線陣可以在單元間距為1/40?1/2波長的情況下具有超分辨 率特性。但是該天線陣未考慮到各個單元間的互耦效應，因此單元在層疊排布之後輻射效 率變差。並且現在通行的移動終端大多是扁平狀的，這種層疊布陣方式使得天線陣佔用的 空間較大，不能滿足扁平狀移動終端對空間排布的要求。


【發明內容】

[0004] 本發明針對【背景技術】的不足改進設計了一種基於時間反演的Sierpinski (謝爾 賓斯基）分形ΜΜ0天線，該天線具有三個埠，其中兩個ΜΜ0埠的工作頻段可以覆蓋移 動通信GSM/WCDMA常用頻段，一個補充埠的工作頻段可以覆蓋無線網絡WLAN/WiMAX常用 頻段，本發明利用兩個sierpinski分形三角形近距離排列，因為sierpinski分形三角形具 有亞波長結構，可以構成近場散射體，從而在時間反演電磁環境下可以具有超解析度特性， 可以在時間反演電磁環境下自然地改善埠的隔離度。設計時，由於採用整體設計的思想， 考慮了耦合效應，從而避免了輻射效率下降。
[0005] 因而本發明基於時間反演的sierpinski分形ΜΜ0天線，包括層疊貼合設置的矩 形第一介質基板、第二介質基板，設於第一介質基板上表面的第一輻射體、第二輻射體、第 一饋線、第二饋線，設於第二介質基板下表面的第三饋線，設於第一介質基板和第二介質基 板之間的接地板及匹配線，
[0006] 其特徵在於所述第一輻射體、第二輻射體為尺寸相同的三階Sierpinski分形三 角形，兩輻射體之間相鄰邊互相平行，另有一條邊平行於介質基板的長邊；
[0007] 所述接地板由一直角三角形金屬貼片和一矩形金屬貼片構成，矩形金屬貼片的兩 窄邊、一長邊位於介質基板的邊，直角三角形金屬貼片的一個角為30度，其一條直角邊位 於介質基板的窄邊，另一條直角邊與矩形金屬貼片相連接；
[0008] 所述匹配線為長條形金屬貼片，其平行於接地板矩形金屬貼片部分的長邊；
[0009] 所述第一饋線、第二饋線、第三饋線均為特徵阻抗是50 Ω的金屬貼片；所述第一 饋線的一端位於介質基板的邊，另一端連接第一輻射體一邊的中點；所述第二饋線的一端 位於介質基板的邊，另一端連接第二輻射體一邊的中點；所述第三饋線為倒"L"形饋線，其 一端位於接地板正下方介質基板的邊，另一端背向接地板直角三角形金屬貼片部分；
[0010] 所述第一饋線、第二饋線、第三饋線在對應的介質基板上表面或下表面設置有一 矩形貼片焊盤，焊盤通過金屬通孔連接接地板。
[0011] 近場的亞波長結構可以將凋落波轉化為傳播波，轉化之後的傳播波經時間反演透 鏡處理後發射，經過相同的亞波長結構可以將該傳播波恢復出原凋落波，從而達到超分辨 率的效果。為了將凋落波有效地轉化為傳輸波，並且便於工程上的應用和實現，本發明使用 規律性亞波長結構的Sierpinski分形三角形作為福射體。天線的三個埠共用這兩個分 形三角形構成的輻射體，只是各個埠的激勵位置和方式不同，這種不區分輻射體的設計 方法節約了空間，使天線更加緊湊。兩個分形三角形分別引出埠 1和埠 2,這兩個埠 饋電時，天線具有寬帶特性，可以工作在移動通信GSM/WCDMA常用頻段。埠 3位於第二介 質基板下表面，通過一個倒"L"形的饋線對頂層輻射體進行耦合饋電，調節兩層介質基板間 的匹配線可以使埠 3達到最佳匹配。埠 3饋電時，天線具有多帶特性，可以工作在無線 網絡WLAN/WiMAX頻段。三個埠的阻抗均為50 Ω，與之相連的饋線的特徵阻抗也是50 Ω。 由於地板位於兩層介質基板之間，為了埠焊接方便，在與每個埠相對的位置利用一個 矩形貼片焊盤和接地通孔將地板引出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1為【背景技術】一種無線移動終端用時間反演亞波長陣列天線示意圖；
[0013] 圖2為本發明實施例基於時間反演的寬帶sierpinski分形ΜΙΜΟ天線結構示意 圖；
[0014] 圖3為本發明實施例基於時間反演的寬帶sierpinski分形ΜΙΜΟ天線的反射系 數；
[0015] 圖4為本發明實施例基於時間反演的寬帶sierpinski分形ΜΙΜΟ天線的方向圖；
[0016] 其中圖4(a)為埠 1饋電時xoy面方向圖；圖4(b)為埠 1饋電時yoz面方向 圖；圖4(c)為埠 2饋電時xoy面方向圖；圖4(d)為埠 2饋電時yoz面方向圖；圖4(e) 為埠 3饋電時xoy面方向圖；圖4(f)為埠 3饋電時yoz面方向圖；
[0017] 圖5為本發明實施例基於時間反演的寬帶sierpinski分形ΜΙΜΟ天線在時間反演 通信中各埠接收信號的歸一化電壓峰峰值。
[0018] 圖中：1.第一輻射體，2.第二輻射體，3.第一饋線，4.第二饋線，5.第三饋線， 6.匹配線，7.接地板，8.接地通孔，9.貼片焊盤，10.第一介質基板，11.第二介質基板。

【具體實施方式】
[0019] 本實施例天線的結構如圖2所示。
[0020] 第一介質基板10和第二介質基板11的尺寸均為57*40mm2,厚度為1mm，相對介電 常數為2. 2。
[0021] 第一輻射體1和第二輻射體2位於第一介質基板10上表面，其外形為等邊三角 形，邊長為30mm，其各階分形三角形的邊長依次為前一階邊長的一半。
[0022] 埠 1位於第一饋線3末端，第一饋線包括水平部分和傾斜部分組成，其水平部分 尺寸為5. 7*3. 1mm2,傾斜部分為7*3. 1mm2,傾斜部分與水平線的夾角為30°。埠 2位於 第二饋線4的末端，第二饋線由堅饋線和橫饋線組成，堅饋線的尺寸為8. 9*3. 1mm2,橫饋線 的尺寸為15. 5*3. 1mm2。埠 3位於第三饋線5的末端，第三饋線包括堅直部分和水平部 分，其堅直部分為16*3. 1mm2,水平部分為9. l*2mm2,其堅直部分的右側距離介質基板右邊 沿28. 5mm。三個埠的阻抗均為50 Ω，與之相連的饋線的特徵阻抗也是50 Ω。
[0023] 匹配線6的尺寸為16*2mm2,其右端距離介質基板右邊沿為19mm，下邊沿距離矩形 地板為14mm。
[0024] 接地板7中的矩形部分寬為10mm，長與介質基板相同，為57mm，直角三角形金屬貼 片一個角為30度，其短邊與矩形地板相連，長度為16mm。
[0025] 接地通孔8連接貼片焊盤9,半徑為0. 25mm，貼片焊盤尺寸為5*3mm2。
[0026] 所述第一輻射體1、第二輻射體2、第一饋線3、第二饋線4、第三饋線5、匹配線6、 接地板7、貼片焊盤9均為刻蝕於介質基板上的銅箔。
[0027] 對該天線進行建模仿真，其仿真反射係數如圖3所示，圖中標示出了 _6dB和-10dB 兩條基準線，其分別對應的工作頻段如表1所示。當埠 1或埠 2饋電時，天線具有寬帶 特性，可以工作在1-4G的移動通信常用頻段；當埠 3饋電時，天線具有多帶特性，可以工 作在WLAN/WiMAX頻段。
[0028] 表1天線的工作頻帶（單位：GHz)
[0029]

【權利要求】
1. 一種基於時間反演的Sierpinski分形ΜΙΜΟ天線，包括層疊貼合設置的矩形第一介 質基板、第二介質基板，設於第一介質基板上表面的第一輻射體、第二輻射體、第一饋線、第 二饋線，設於第二介質基板下表面的第三饋線，設於第一介質基板和第二介質基板之間的 接地板及匹配線，其特徵在於所述第一輻射體、第二輻射體為尺寸相同的三階Sierpinski 分形三角形，兩輻射體之間相鄰邊互相平行，另有一條邊平行於介質基板的長邊。
2. 如權利要求1所述的一種基於時間反演的sierpinski分形ΜΙΜΟ天線，所述接地板 由一直角三角形金屬貼片和一矩形金屬貼片構成，矩形金屬貼片的兩窄邊、一長邊位於介 質基板的邊，直角三角形金屬貼片的一個角為30度，其一條直角邊位於介質基板的窄邊， 另一條直角邊與矩形金屬貼片相連接。
3. 如權利要求1所述的一種基於時間反演的sierpinski分形ΜΙΜΟ天線，所述匹配線 為長條形金屬貼片，其平行於接地板矩形金屬貼片部分的長邊。
4. 如權利要求1所述的一種基於時間反演的sierpinski分形ΜΙΜΟ天線，所述第一饋 線、第二饋線、第三饋線均為特徵阻抗是50歐姆的金屬貼片；所述第一饋線的一端位於介 質基板的邊，另一端連接第一輻射體一邊的中點；所述第二饋線的一端位於介質基板的邊， 另一端連接第二輻射體一邊的中點；所述第三饋線為倒"L"形饋線，其一端位於接地板正 下方介質基板的邊，另一端背向接地板直角三角形金屬貼片部分。
5. 如權利要求1所述的一種基於時間反演的sierpinski分形ΜΙΜΟ天線，所述第一饋 線、第二饋線、第三饋線在對應的介質基板上表面或下表面設置有一矩形貼片焊盤，焊盤通 過金屬通孔連接接地板。
【文檔編號】H01Q1/48GK104269614SQ201410466227
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月12日 優先權日:2014年9月12日
【發明者】王任, 王秉中, 龔志雙, 丁霄 申請人:電子科技大學