一種新穎的分形超寬帶天線

邵建興

(上海航天科工電器研究院有限公司 上海 200331)

0 引言

隨著電子設(shè)備向小型化、寬頻段、集成化、微型化等方向的發(fā)展,對無線通信系統(tǒng)的帶寬和體積提出了越來越高的要求。超寬帶(UWB)技術(shù)作為一種無線通信技術(shù),具有通信數(shù)據(jù)量大、平均功率小、保密性高、抗干擾能力強等優(yōu)點,在軍事通信、安防、智能交通、精確定位系統(tǒng)等方面已有廣泛的應(yīng)用[1-6]。按照美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的規(guī)定,將3.1GHz～10.6GHz之間的頻段分配給超寬帶無線通信。在超寬帶無線通信系統(tǒng)中,超寬帶天線作為其重要的收發(fā)器件,越來越引起廣大科研人員的關(guān)注[1-3]。

傳統(tǒng)的超寬帶天線,如等角螺旋天線、阿基米德螺旋天線、對數(shù)周期天線等,其饋電網(wǎng)絡(luò)尺寸較大,設(shè)計較為復(fù)雜,難以滿足超寬帶天線的小型化要求。與傳統(tǒng)超寬帶天線相比,平面超寬帶天線具有重量小、可集成的優(yōu)點。同時,天線頻帶能覆蓋多個無線通信頻段,可以顯著減少無線通信系統(tǒng)所需的天線數(shù)量,從而降低系統(tǒng)造價,并有利于提高系統(tǒng)的電磁兼容[2-4]。因此,針對現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)小型化的趨勢要求,研究結(jié)構(gòu)緊湊、工作頻帶寬、增益高的平面超寬帶天線具有廣泛的前景和實用價值。

平面超寬帶天線的設(shè)計主要集中于天線的結(jié)構(gòu)及饋電形式兩個方面,致力于提高天線的阻抗匹配、輻射方向圖、增益、輻射效率等指標。提高天線帶寬的方法主要有采用低介電常數(shù)介質(zhì)、厚基片、電磁耦合饋電、寄生貼片以及開槽等形式[1-4]。然而,這種采用傳統(tǒng)歐幾里得幾何來設(shè)計超寬帶天線,往往具有較大難度,基于分形幾何的超寬帶天線設(shè)計已經(jīng)成為一種新穎的設(shè)計方法[7-8]。由于分形結(jié)構(gòu)的自相似性和空間填充性,可以實現(xiàn)天線多頻帶或超寬帶、小型化等特性[7-9]。因此,采用分形結(jié)構(gòu)來設(shè)計天線可以提高天線的性能。典型的分形結(jié)構(gòu)主要有希爾伯特、康托爾、科赫、謝爾賓斯基、閔可夫斯基和分形樹等[9-13]。

本文提出了一種共面波導(dǎo)饋電的花瓣分形平面超寬帶天線。通過電磁場數(shù)值仿真分析計算,研究了花瓣分形結(jié)構(gòu)的迭代次數(shù)以及有限接地面的結(jié)構(gòu)對天線阻抗帶寬的性能影響,從而獲得了天線幾何優(yōu)化尺寸,并采用PCB印制板加工了天線的實物樣品,對天線的回波損耗進行了測試。測試結(jié)果表明,天線阻抗帶寬為3.1GHz～14.65 GHz,相對帶寬為129.9%,仿真結(jié)果與測試結(jié)果基本吻合,證明了天線設(shè)計的有效性。該新型花瓣狀分形超寬帶天線具有結(jié)構(gòu)簡單,加工方便等優(yōu)點,在超寬帶無線通信系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。

1 天線設(shè)計與分析

1.1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析

天線采用的花瓣分形結(jié)構(gòu)如圖1所示。花瓣分形結(jié)構(gòu)的基本單元為橢圓尖形,初始分形單元圖形結(jié)構(gòu)記為S1。將初始單元圖形結(jié)構(gòu)(S1)以比例因子uf=0.72進行縮小,得到單元圖形結(jié)構(gòu)S2,再將S2以比例因子uf縮小,得到單元圖形結(jié)構(gòu)S3,依此類推。一階次迭代的花瓣分形結(jié)構(gòu)由S1構(gòu)成;二階次迭代花瓣的分形結(jié)構(gòu)由S1和S2構(gòu)成;三階次迭代的花瓣分形結(jié)構(gòu)由S1、S2和S3組成;四階次迭代的花瓣分形結(jié)構(gòu)由S1、S2、S3和S4構(gòu)成;五階次迭代的花瓣分形結(jié)構(gòu)由S1、S2、S3、S4和S5組成,依此類推。

圖1 花瓣狀分形結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的花瓣狀分形天線由五階花瓣狀分形陣列結(jié)構(gòu)、共面波導(dǎo)饋電微帶線和有限接地面三個部分組成。其中,五階迭代花瓣狀結(jié)構(gòu)中的S2和S4先繞中心旋轉(zhuǎn)30°,然后整體再繞中心以30°旋轉(zhuǎn),形成12個五階迭代花瓣分形結(jié)構(gòu)。由于共面波導(dǎo)饋電微帶線的特征阻抗為50Ω,需要將天線的輸入阻抗設(shè)計為50 Ω,從而實現(xiàn)微帶線與天線的阻抗匹配。有限接地面的形狀對天線的輸入阻抗會產(chǎn)生一定影響,為了提高天線的阻抗帶寬,應(yīng)根據(jù)天線的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計有限接地面的形狀。根據(jù)上文天線的結(jié)構(gòu)特點,我們采用半圓形切方形槽的有限接地面結(jié)構(gòu)。通過PCB印制板加工工藝,板材選用無錫睿龍生產(chǎn)的RA300材料(板厚0.508mm,相對介電常數(shù)為2.94,損耗角正切為0.0011)。

采用高頻電磁場仿真分析軟件 ANSYS HFSS對五階迭代花瓣分形天線及有限接地面的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真優(yōu)化,所得的天線尺寸及結(jié)構(gòu)如表1和圖2所示。天線的回波損耗及輻射性能如圖3～圖5所示。從圖3～圖5可以看出,天線的-10dB阻抗帶寬為2.8GHz～20GHz,相對帶寬為150.88%。天線在3GHz、8GHz、12GHz以及18GHz的輻射方向圖一致性較為良好,在8GHz～20GHz的頻段內(nèi)增益一致性良好。

表1 天線主要尺寸表(單位:mm)

圖2 天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 天線回波損耗仿真圖

圖4 天線輻射方向圖

圖5 天線增益圖

1.2 天線測試分析

天線的加工實物如圖6所示,其整體尺寸為30mm×25mm×0.6mm。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的阻抗帶寬進行測試。圖7為天線實測S11曲線和仿真S11曲線對比圖。由實測結(jié)果可見,本文所設(shè)計的花瓣分形天線阻抗帶寬為3.1GHz～14.6GHz,相對帶寬為129.9%。天線的實測結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合,但在高頻端存在一定偏差,其原因可能是因為天線加工誤差,SMA射頻連接器焊接偏差以及天線基板的損耗等因素所導(dǎo)致。

圖6 天線實物圖

圖7 天線回波損耗仿真及測試對比圖

2 結(jié)束語

利用分形結(jié)構(gòu)的自相似性和空間填充性,本文設(shè)計了一款花瓣分形結(jié)構(gòu)的平面超寬帶天線。通過高頻電磁場仿真軟件對天線進行了優(yōu)化設(shè)計,天線的整體尺寸為30mm×25mm×0.6mm,實測阻抗帶寬為3.1GHz～14.6GHz,相對帶寬達到129.9%。該天線在超寬帶無線通信系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。