CN101752666B - 用于ku波段的康托尔分形微带阵列天线 - Google Patents
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用于ku波段的康托尔分形微带阵列天线，涉及一种微带天线。提供一种尺寸小、回波损耗性能好且具有强方向性辐射特性的用于ku波段的康托尔分形微带阵列天线。设有介质基板，在介质基板上设有康托尔分形天线辐射贴片，所述康托尔分形天线辐射贴片的结构为1阶的康托尔分形结构。在康托尔分形天线辐射贴片下边沿内凹中心线上的位置B处设有天线馈电点，天线阵列由8行8列共64个阵元构成，行与行之间等距平行，列与列之间等距平行；各阵元间由微带线连接；阵列背面作为接地板的光子带隙结构由4个康托尔分型组合而成，各阵元间距离为0。
Description
技术领域
本发明涉及一种微带天线，尤其是涉及一种用于Ku波段的康托尔分形微带阵列天线。
背景技术
Ku波段是直播卫星频段，一般下行接收频段在11.7～12.2GHz之间，不易受微波辐射干扰，并采用多馈源成型波束技术对本国进行有效覆盖。其频段宽，能传送多种业务与信息。
卫星接收天线是用来收集由卫星传来的微弱信号，并尽可能去除杂讯的设备。常用的卫星接收天线，是一个金属抛物面，负责将卫星信号反射到位于焦点处的馈源和高频头内。一面优质的卫星接收天线要求制作精度高，表面耐腐蚀，抗风能力强，效率高，增益高，经久耐用。
天线设计及制造技术是卫星接收系统的核心关键技术之一，天线的各项特性及形态大小，极大程度地影响了卫星接收系统的工作性能。但随着卫星接收技术的飞速发展，人们对卫星接收天线在小型化、抗干扰性、抗破坏性等方面提出了更高的要求，所以对卫星接收天线进行小型化等深入的研究具有重要的参考价值和实用意义。
微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在20世纪50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在20世纪70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。天线作为发射和接收电磁波的一个重要部分，其性能的好坏将直接影响无线通信设备的性能。随着无线通信的不断完善发展，对天线性能提出了重量轻、体积小、制作简单、易共形和宽频带等特性的要求。微带天线正是因为满足了上述要求而深受人们的关注，近年来的应用也越来越广泛。
阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。
就目前天线通信知识和技术的迅速发展，以及国际上对天线的诸多研究方向的提出，都促使了新型天线的诞生。阵列天线就是研究的一种方向，所谓阵列天线不是将简单的将天线排成我们所熟悉的阵列的样子，而是它的构成是阵列形式的。将辐射源比如点源，对称振子源，按照直线或者更复杂的形式，根据天线馈电电流、间距、电长度等不同参数来构成阵列，便可以获取最好的辐射方向性。这就是阵列天线的魅力所在，它可以根据需要来调节辐射的方向性能。
20世纪70年代，法国数学家B.B.Mandelbrot在总结了自然界中非规则几何图形后，第一次提出了分形这个概念，认为分形几何学可以处理自然界中那些极小规则的构型，指出分形几何将成为研究许多物理现象的有力工具。到了20世纪80年代，关于波与分形结构相互作用的研究促进了分形电动力学的发展，而分形天线正是分形电动力学的众多应用之一。它能够使得我们有效地设计小型化天线或把多个无线电通信元件集成到一块设备上。分形几何是通过迭代产生的具有自相似特性的几何结构，它的整体与局部之间以及局部与局部之间都具有自相似性，天线的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合。研究发现，与传统天线相比，分形天线具有小型化、宽频带、多频工作、高辐射电阻、自加载等优点。
康托尔(cantor)分形天线是一种典型的分形天线。康托尔(cantor)分形结构的初始元为一正方形，将其等分为四行四列十六个小正方形。去掉第一行第三个小正方形、第二行第一个小正方形、第三行第四个小正方形、第四行第二个小正方形，剩下十二个小正方形，即构成一阶康托尔(cantor)分形结构。将一阶康托尔(cantor)分形结构的十二个小正方形再分别等分为四行四列十六个小正方形。去掉第一行第三个小正方形、第二行第一个小正方形、第三行第四个小正方形、第四行第二个小正方形，得到二阶康托尔(cantor)分形结构。按此迭代，可生成各高阶康托尔(cantor)分形结构。康托尔(cantor)分形天线具有良好的宽频带特性，在微带贴片天线中获得很好应用。此外，它还有助于改善辐射方向图和减小交叉极化。
光子带隙(PBG，Photonic Band-Gap)结构由一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成。这种结构可以通过缩放尺寸关系应用于很宽的频率范围，因此近几年来微波与毫米波领域的PBG结构应用越来越引起人们的关注。在PBG结构中，电磁波经周期性介质散射后，某些波段电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在该结构中传播，于是在频谱上形成带隙。PBG结构在微波领域，特别是微波电路和天线领域中有着巨大的应用价值，现已被广泛地应用到微波、毫米波波段的电路与器件的设计中。合理应用光子带隙结构能够改善天线的辐射特性，展宽天线的工作带宽。
参考文献：
[3]B.B.Mandelbrot.“The Fractal Geometry of Nature”.New York，Freeman，1982，20-113。
[4]D.L.Jaggard.“On Fractal Electrodynamics Recent Advances in Electromagnetic Theory”，New York，Springer-Verlag，1990，183-224。
[5]刘英，龚书喜，傅德民.分形天线的研究进展.电波科学学报.2002.2，17(1)：55-58。
[6]田铁红，周 正.基于Sierp inski微带分形贴片天线的特性分析[J].无线电工程，2003：18-19。
[7]钱四林，建超，黄华.分形理论在天线技术中的应用.山东通信技术，2007，02。
[22]Baiqiang You，Jianhua Zhou，Hao Chen，″The Application of PBG Configuration inPlanar Spiral Antenna″，ASID，2007，44-47。
[23]Bin Lin，Baiqiang You，Jianhua Zhou，″The Microstrip Antenna with PBG used for 3GSystem″，ASID 2007，44-47。
[24]汤伟，林斌，周建华，游佰强，“一种小型化RFID标签天线的仿真设计”，厦门大学学报(自然科学版)，2008，47(1)：50-54。
对于目前的ku波段卫星接收天线，常规的天线为抛物面状，尺寸明显过大，在某些应用领域中，如车载卫星接收天线，安装和携带将变得很不方便，所以对ku波段的接收天线的小型化研究，是很有意义的。微带天线作为近些年新兴起的技术，在轻量化，小型化等方面就有相当好的效果，而分型设计在小型化、宽频带等方面也具有很好的应用前景，阵列技术可以得到很好的方向性和增益性能，再附加光子带隙结构的合理应用，可以得到一款性能很好的应用与ku波段的卫星型号接收天线。目前，把康托尔(cantor)分形微带结构、阵列结构、光子带隙结构结合起来，并应用在ku波段的相关技术未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尺寸小、回波损耗性能好且具有强方向性辐射特性的用于ku波段的康托尔分形微带阵列天线。
本发明设有介质基板，在介质基板上设有康托尔分形天线辐射贴片，所述康托尔分形天线辐射贴片的结构为1阶的康托尔分形结构。在康托尔分形天线辐射贴片下边沿内凹中心线上的位置B处设有天线馈电点，天线阵列由8行8列共64个阵元构成，行与行之间等距平行，列与列之间等距平行；各阵元间由微带线连接；阵列背面作为接地板的光子带隙结构由4个康托尔分型组合而成，各阵元间距离为0。
所述介质基板的相对介电常数可为2.65，厚度可为1.5mm±0.1mm，介质损耗可为0.0005。
所述阵元的上下距离可为4.8mm±0.1mm，阵元的左右间距可为4.8mm±0.1mm；所述微带线到中心馈电点的长度可相等。
所述阵列背面作为整体覆铜接地板尺寸为93mm×96mm。
与现有的卫星接收天线相比，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：
尺寸显著减小，制作简单，成本低廉，回波损耗性能好且具有强方向性辐射特性，其工作频带为11.5～12.3GHz，其衰减在中心频点11.93GHz处为-26.2dB，完全符合ku波段天线使用的技术条件。
附图说明
图1为本发明实施例的康托尔分形微带阵列天线整体结构示意图。
图2为本发明实施例的局部结构示意图。
图3为本发明实施例的康托尔分型阵元结构示意图。
图4为本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。图4中的横坐标表示频率Frequence(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss.ofthe antenna(dB)。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明采用微带结构，正面如图1为一阶康托尔分形天线阵元构成的8×8阵列，背面为整体覆铜结构接地板。
阵列整体为长方形，尺寸是边长为93mm×96mm，厚度为1.5mm±0.05mm。
参见图2，各阵元间距为4.8mm±0.1mm，辐射体据边界的距离为1.5mm±0.1mm。
各阵元间采用微带结构连接，微带线的宽度与长度，采用四分之一波长匹配线的方式进行匹配设计。
使用时，在基板的中心位置上设有天线馈电点A，馈电点A到各阵元的距离基本相等，馈电方式为同轴馈电，馈电同轴线特性阻抗为50欧姆。在介质基板背面设有整体覆铜结构为天线接地层。
参见图3，图3为单个阵元结构示意图，阵元总长度为7.2mm±0.1mm，正方形孔长度为1.8mm±0.1mm，在下方正方形孔内的B点处设有微带馈如点，微带线宽为0.6mm±0.05mm
参见图4，图4给出了本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。工作频带为11.5～12.3GHz，其衰减在中心频点为-26.2dB，完全符合ku波段天线使用的技术条件。
Claims (3)
1.用于Ku波段的康托尔分形微带阵列天线，其特征在于设有介质基板，在介质基板上设有康托尔分形天线辐射贴片，所述康托尔分形天线辐射贴片的结构为1阶康托尔分形轮廓结构，康托尔分形轮廓阵元的组成为：初始元为1正方形，将其等分为4行4列16个小正方形，去掉第1行第3个小正方形、第2行的第1个小正方形、第3行的第4个小正方形、第4行的第2个小正方形，得到1阶康托尔分形，依次迭代获取各高阶康托尔轮廓阵元结构；在康托尔分形天线辐射贴片下边沿内凹陷中心线上的位置B处设有阵元的馈电点，天线阵列由8行8列共64个康托尔阵元构成，行与行之间等间距平行，列于列之间等间距平行，形成中心对称结构；各阵元间由微带线连接；阵列背面作为接地板的光子带隙结构由4个康托尔分型组合而成，各阵元间距离为0；所述阵元的上下距离为4.8mm±0.1mm，阵元的左右间距为4.8mm±0.1mm，中心馈电点A位于阵列天线中部，处于几何对称位置的各个康托尔阵元馈电点连接到中心馈电点A的匹配微带馈线线长度相等。
2.如权利要求1所述的用于ku波段的康托尔分形微带阵列天线，其特征在于所述介质基板的相对介电常数为2.65，厚度为1.5mm±0.1mm，介质损耗为0.0005。
3.如权利要求1所述的用于ku波段的康托尔分形微带阵列天线，其特征在于所述阵列背面作为整体覆铜接地板尺寸为93mm×96mm。
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