共面波导分形天线、移动终端天线系统和移动终端

1.本实用新型涉及无线电通信中天线工程技术领域，尤其是涉及一种共面波导分形天线、移动终端天线系统和移动终端。


背景技术：

2.多频带和小型化是目前移动终端天线的主要研究方向。共面波导单极子天线具有重量轻、体积小、成本低、制作精度高、易于加载、便于集成等优点，在各种小型化移动终端设备中得到了广泛应用；但普通的微带单极子天线频带非常窄，对于应用于多通信频段的小型化移动终端来说，很难实现多工作频段的覆盖。
3.分形几何是研究无限复杂而具有特定意义下的自相似图形和结构的几何学，自相似是局部的形态与整体形态的相似，分形具有两大特征：自相似性和空间填充性(即分数维)；分形天线是几何属性上具有分形特征的天线，是分形电动力学的众多应用之一。分形天线是分形理论和天线技术的融合，表现出与传统天线相比的许多优势，分形天线的研究和应用，在军事和民用方面都有着巨大的潜力，尤其在无线、卫星和移动通信系统中将会发挥巨大的作用，有着非常广阔的市场前景。
4.传统的天线要实现多频段工作通常需要采用多个辐射单元或电抗性负载贴片或多频介质谐振天线，这些都增加了天线的复杂性和制作的难度及成本。现代无线通信要求用低剖面、小尺寸、多频带(宽频带)、可集成的天线，分形天线能更好的满足这种要求。分形是通过迭代产生的分数维自相似结构，其整体与局部、局部与局部之间都具有自相似性，因此，分形是一种与标度无关的几何，这与宽带天线的频率无关性比较相似。由于分形几何两个独特的特征：自相似性(self-similarity)和空间填充性(space-filling)，结合天线的特征，使得分形天线在尺寸大小和频带宽窄以及多频带等方面的性能与传统天线相比有了极大的改善，解决了传统天线的两个局限性：(1)传统天线的性能都依赖于天线的电尺寸；这意味着对于固定的天线尺寸，主要天线参数(增益、输入阻抗、方向图和副瓣电平等)将随着工作频率的改变而改变；分形的自相似性使分形天线可具有多频和宽频特性；(2)分形的空间填充性，这使一些天线的尺寸得到减缩。
5.宽频带天线的重要特征是其性能与频率无关，如我们熟悉的螺旋天线和对数周期天线等一类非频变天线(即频率无关天线)都是分形天线，当频率变化时能保持其阻抗和方向图特性不变，即以频率为尺度时，其电性能不变。分形几何是一种与标度无关的几何，具有相似的结构，这意味着分形天线形状在不同的尺度变化下保持相似性，从而具有相似的电特性，形成多频带天线。
6.然而，传统的天线在几何形状上基本上都是基于欧几里德几何的设计，虽然，随着天线技术的不断发展出现了微带天线，具有低剖面、重量轻、成本低，可与各种载体共形，适合印刷电路板技术批量生产、易于实现圆极化、双极化、双频段工作等优点，但其致命的缺点是窄带性，从而限制了它的广泛应用。因此，迫切需要采用新的设计，缓解传统天线在设计中出现的上述问题和矛盾。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种共面波导分形天线、移动终端天线系统和移动终端，以缓解现有技术中普通天线存在的窄频带问题。
8.为实现上述目的，本实用新型实施例采用如下技术方案：
9.第一方面，本实用新型实施例提供一种共面波导分形天线，包括介质基板、接地导体和辐射导体线；所述接地导体和所述辐射导体线均连接于所述介质基板的同侧表面。
10.具体地，以所述辐射导体线长度方向为纵向，且以所述辐射导体线长度方向上的一端作为底端另一端作为顶端：
11.所述辐射导体线包括纵向基杆和m个n阶分叉部，其中，n≥0，m≥1,且m和n均为整数；
12.所述n阶分叉部包括两根斜向杆和两根纵向延伸杆；两根所述斜向杆的底端相互并拢且顶端相互远离以组合形成“v”字形；一根所述纵向延伸杆的底端连接于一根所述斜向杆的顶端，另一所述纵向延伸杆的底端连接于另一所述斜向杆的顶端，且两根所述纵向延伸杆的长度不同；其中：
13.在n＝0的情况下，m＝1，所述n阶分叉部的两根斜向杆的底端均连接于所述纵向基杆的顶端；
14.在n≥1的情况下，m＝2
(n 1)-1，纵向上任意相邻的两个所述n阶分叉部中：位于顶端的所述n阶分叉部的两根斜向杆的底端均连接于位于底端的所述n阶分叉部的任一纵向延伸杆的顶端，且位于顶端的所述n阶分叉部的两根斜向杆和两根纵向延伸杆的长度一一对应小于位于底端的所述n阶分叉部的两根斜向杆和两根纵向延伸杆的长度；并且，m个所述n阶分叉部中，任一所述n阶分叉部的任一纵向延伸杆至多与1个其他所述n阶分叉部的两根斜向杆连接；位于最底端的所述n阶分叉部的两根斜向杆的底端均连接于所述纵向基杆的顶端。
15.本实施例的整体结构通俗上简单介绍为：介质基板上设辐射导体线和接地导体，接地导体位于辐射导体线两侧；辐射导体线的形状可以是0阶分形天线、1阶分形天线、2阶分形天线、3阶分形天线
……
或n阶分形天线，其中，0阶分形天线为最基础的“y”形不对称树枝结构(此时n＝0，m＝1，辐射导体线包括纵向基杆和1个0阶分叉部)；1阶分形天线由最基础的“y”形不对称树枝结构的上半部分进行缩放嵌套在两个分支端部继续分形1次形成，(此时n＝1，m＝2
(n 1)-1＝3，辐射导体线包括纵向基杆和3个1阶分叉部)；2阶分形天线由1阶分形天线的各个分支端部继续分形1次形成，(此时n＝2，m＝2
(n 1)-1＝7，辐射导体线包括纵向基杆和7个2阶分叉部)；3阶分形天线由2阶分形天线的各个分支端部继续分形1次形成，(此时n＝3，m＝2
(n 1)-1＝15，辐射导体线包括纵向基杆和15个3阶分叉部)
……
以此类推到大于3阶的n阶分形天线。
16.本实施例提供的共面波导分形天线是一种宽带小型化分形结构，它运用了仿生学中仿树枝的外观轮廓，将分形几何理论用于天线工程对传统的共面波导单极子天线的改进，以仿树枝枝节y为基础，进行n次分形生长，达到延长辐射体电长度的同时使天线产生多个不同频段的目的，从而实现多种无线频段模式的辐射。其中，这种共面波导分形天线可覆盖td-lte((td-scdma(time division-synchronous code division multiple access，时分同步码分多址)long term evolution，长期演进))，gps(global positioning system，
全球定位系统)，bds(beidou navigation satellite system，中国北斗卫星导航系统)，cdma(code division multiple access，码分多址的英文缩写)，wimax(worldwide interoperability for microwave access，即全球微波互联接入)，lte(long term evolution，长期演进)，ism(industrial scientific medical band，工业科学医学频段)，wlan(wireless local area networks，无线局域网络)，5g(5th generation mobile communication technology，第五代移动通信技术)等十几种常用移动工作频段，并且具有很好的频段隔离度，在辐射方向性、增益和效率方面可以满足移动终端天线的要求。
17.综上，本实施例缓解了现有技术中普通天线存在的窄频带的问题。
18.在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，所述接地导体包括分别固定于所述介质基板表面的左侧导体和右侧导体，所述辐射导体线的纵向基杆的底端插入于所述左侧导体和所述右侧导体之间。
19.在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，所述辐射导体线由铜制成。
20.在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，所述介质基板由聚酰亚胺制成。
21.本实施例中，可选地，所述n＝0，或者，所述n＝1，或者，所述n＝2，或者，所述n≥3。
22.第二方面，本实用新型实施例提供一种移动终端天线系统，包括前述实施方式中任一项所述的共面波导分形天线。
23.第三方面，本实用新型实施例提供一种移动终端，包括前述实施方式中任一项所述的移动终端天线系统。
24.由于本实用新型实施例二提供的移动终端天线系统和实施例三提供的移动终端均包括第一方面提供的共面波导分形天线，因而，本实用新型实施例二提供的移动终端天线系统和实施例三提供的移动终端能够达到第一方面提供的共面波导分形天线能够达到的所有有益效果。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本实用新型实施例提供的共面波导分形天线为0阶分形天线的可选结构图；
27.图2为本实用新型实施例提供的共面波导分形天线为1阶分形天线的可选结构图；
28.图3为本实用新型实施例提供的共面波导分形天线为2阶分形天线的可选结构图；
29.图4为本实用新型实施例提供的共面波导分形天线为3阶分形天线的可选结构图；
30.图5为本实用新型实施例提供的共面波导分形天线的回波损耗s11曲线。
31.图标：1-介质基板；2-接地导体；3-辐射导体线；31-纵向基杆；32-n阶分叉部；321-斜向杆；322-纵向延伸杆。
具体实施方式
32.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描
述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。
33.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
34.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
35.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“纵向”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
37.下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.实施例一
39.本实施例提供一种共面波导分形天线，参照图1至图4，该共面波导分形天线包括介质基板1、接地导体2和辐射导体线3；接地导体2和辐射导体线3均连接于介质基板1的同侧表面。
40.以辐射导体线3长度方向为纵向，且以辐射导体线3长度方向上的一端作为底端另一端作为顶端：辐射导体线3包括纵向基杆31和m个n阶分叉部32，其中，n≥0，m≥1,且m和n均为整数；n阶分叉部32包括两根斜向杆321和两根纵向延伸杆322；两根斜向杆321的底端相互并拢且顶端相互远离以组合形成“v”字形；一根纵向延伸杆322的底端连接于一根斜向杆321的顶端，另一纵向延伸杆322的底端连接于另一斜向杆321的顶端，且两根纵向延伸杆322的长度不同；其中：在n＝0的情况下，m＝1，n阶分叉部32的两根斜向杆321的底端均连接于纵向基杆31的顶端；在n≥1的情况下，m＝2
(n 1)-1，纵向上任意相邻的两个n阶分叉部32中：位于顶端的n阶分叉部32的两根斜向杆321的底端均连接于位于底端的n阶分叉部32的任一纵向延伸杆322的顶端，且位于顶端的n阶分叉部32的两根斜向杆321和两根纵向延伸杆322的长度一一对应小于位于底端的n阶分叉部32的两根斜向杆321和两根纵向延伸杆322的长度；并且，m个n阶分叉部32中，任一n阶分叉部32的任一纵向延伸杆322至多与1个其他n阶分叉部32的两根斜向杆321连接；位于最底端的n阶分叉部32的两根斜向杆321的底端均连接于纵向基杆31的顶端。
41.本实施例的整体结构通俗上简单介绍为：介质基板上设辐射导体线和接地导体，
接地导体位于辐射导体线两侧；根据n值的选定，例如n＝0或n＝1或n＝2或：n≥3，辐射导体线的形状可以是0阶分形天线、1阶分形天线、2阶分形天线、3阶分形天线
……
或n阶分形天线，其中，0阶分形天线为最基础的“y”形不对称树枝结构(此时n＝0，m＝1，辐射导体线包括纵向基杆和1个0阶分叉部)；1阶分形天线由最基础的“y”形不对称树枝结构的上半部分进行缩放嵌套在两个分支端部继续分形1次形成，(此时n＝1，m＝2
(n 1)-1＝3，辐射导体线包括纵向基杆和3个1阶分叉部)；2阶分形天线由1阶分形天线的各个分支端部继续分形1次形成，(此时n＝2，m＝2
(n 1)-1＝7，辐射导体线包括纵向基杆和7个2阶分叉部)；3阶分形天线由2阶分形天线的各个分支端部继续分形1次形成，(此时n＝3，m＝2
(n 1)-1＝15，辐射导体线包括纵向基杆和15个3阶分叉部)
……
以此类推到大于3阶的n阶分形天线。
42.本实施例提供的共面波导分形天线是一种宽带小型化分形结构，它运用了仿生学中仿树枝的外观轮廓，将分形几何理论用于天线工程对传统的共面波导单极子天线的改进，以仿树枝枝节y为基础，进行n次分形生长，达到延长辐射体电长度的同时使天线产生多个不同频段的目的，从而实现多种无线频段模式的辐射。其中，这种共面波导分形天线可覆盖td-lte((td-scdma(time division-synchronous code division multiple access，时分同步码分多址)long term evolution，长期演进))，gps(global positioning system，全球定位系统)，bds(beidou navigation satellite system，中国北斗卫星导航系统)，cdma(code division multiple access，码分多址的英文缩写)，wimax(worldwide interoperability for microwave access，即全球微波互联接入)，lte(long term evolution，长期演进)，ism(industrial scientific medical band，工业科学医学频段)，wlan(wireless local area networks，无线局域网络)，5g(5th generation mobile communication technology，第五代移动通信技术)等十几种常用移动工作频段，并且具有很好的频段隔离度，在辐射方向性、增益和效率方面可以满足移动终端天线的要求。
43.综上，本实施例缓解了现有技术中普通天线存在的窄频带的问题。
44.具体应用时，若考虑更低频段覆盖的话，可以在该天线分形的基础上进行4次及以上分形；若考虑更高频段的覆盖的话，可缩小分型次数或对基础分型整体尺寸稍作修改。
45.本实施例可达到的具体效果可参考图5，采用现有技术中的hfss软件对上述几种分形天线进行仿真模拟，图5给出了天线的回波损耗s11曲线,由图中曲线可以看出，随着分形阶数的不断提高,天线的-10db带宽明显变宽,当天线分形阶数为3(n＝3)时,可覆盖gps、北斗、td-lte、wimax、is蓝牙、wimax、lte-band42/43、lte band40、wlan、5g等应用，对3阶分形天线分别在1.41ghz、2.39ghz、3.5ghz、4.82ghz中心谐振频率下的3d远场辐射方向进行仿真，可以看出,在低频范围内天线辐射方向图与单极子天线基本一致,随着频率的升高,天线辐射性能变差,但在频带范围内基本仍为全向辐射(附图带有颜色不便示出，因此本说明书未图示，但仿真可直接获得)。
46.在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，上述的接地导体2包括分别固定于介质基板1表面的左侧导体和右侧导体，辐射导体线3的纵向基杆31的底端插入于左侧导体和右侧导体之间。
47.在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，上述的辐射导体线3由铜制成。
48.在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，上述的介质基板1由聚酰亚胺制成。
49.实施例二
50.本实施例提供一种移动终端天线系统，该移动终端天线系统包括实施例一中任一可选实施方式提供的共面波导分形天线。
51.实施例三
52.本实施例提供一种移动终端，该移动终端包括实施例二提供的移动终端天线系统。
53.由于本实用新型实施例二提供的移动终端和实施例三提供的移动终端天线系统均包括实施例一中描述的共面波导分形天线，因而，本实用新型实施例二提供的移动终端和实施例三提供的移动终端天线系统能够达到实施例一中共面波导分形天线能够达到的所有有益效果，其具体结构和能够达到的效果可参考实施例一中各可选或优选的实施方式获得。
54.最后应说明的是：本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可；本说明书中的以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。