CN101789546A - 一种小型分形智能天线 - Google Patents
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Abstract
本发明的主要目的在于提供一种小型分形智能天线，以满足低频段的TD-SCDMA系统的智能天线在不降低性能的基础上达到尺寸的减小的目的。本发明提供的一中小型分形智能天线，通过采用一阶迭代K1型的分形天线来减小天线单元的尺寸，这种分形天线的天线辐射方向图和正方形的环形天线的天线辐射方向图一致。为了加大K1分形天线的增益，可以采用三个K1的分形天线构造成一个分形Yagi天线。通过天线的定向和分级天线的增益可以达到8.8dB。可以通过上述构造的分形Yagi天线作为智能天线的单元来构造平面智能天线，天线的增益可以高达18dB。波束赋形的算法可以采用通用的加权的波束赋形的EBB和GOB的算法。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种小型分形智能天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展和移动通信终端设备的普及，特别是近年来人们对小型化、多频带、集成化天线的迫切需求，使天线技术得到了充分的发展。但是，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，迫切需要运用新的理论和方法，探索现代天线的设计，解决传统的天线设计中出现的问题和矛盾。研究发现，将分形几何应用到天线工程中，可设计出尺寸和频带指标更好的分形天线。
“分形”这一概念是由法国数学家B.Mandelbrot于1975年首次提出的，“分形(Fractal)”这个名词即拉丁文的“破碎”。分形几何就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，自相似就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)。
所谓分形天线，是指几何属性上具有分形特征的天线。世界上第一个分形天线是由美国科学家Dr.Nathan Cohen于1988年完成的，而对分形天线进行系统的研究是从1995年8月Cohen发表他的第一篇有关分形天线方面的文章开始的。随后，国际上很多大学和科研机构开始对分形天线进行研究。分形天线是分形电动力学的众多应用之一。天线与阵列的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合，如我们熟悉的螺旋天线和对数周期天线等一类频率无关天线都是分形天线，它已经存在多年，但直到分形技术应用后，它的性能才得以充分的理解。
传统的微带天线要实现其双频和多频工作通常需要采用多个辐射单元的天线或电抗性负载贴片天线或多频介质谐振天线，这些都增加了天线的复杂性，同时，也增加了制作的难度和成本。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，与宽带天线的频率无关性比较相似。将分形应用于天线的设计主要是用来实现天线小型化和天线的多频特性，分形天线解决了传统天线的两个局限性：(1)通常天线的性能都依赖于天线的电尺寸。这就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有多频和宽频特性。(2)分形的空间填充性，使一些天线的尺寸得到减缩。
为了保证时分同步码分多址接入(TD-SCDMA)系统的性能，智能天线是TD-SCDMA系统的强制的特性之一。对于工作在1880-1920MHz和2010-2025MHz的TD-SCDMA系统的八路智能天线通常的尺寸为：1200mm(高)×680mm(宽)×110mm(厚)。
2007年ITU WP8F第10次会议上将用作GSM 1.X的450MHz频谱用作TD-SCDMA使用。就像上述所描述的，智能天线的采用是TD-SCDMA系统的性能保证的特性之一。然而，现有的智能天线技术对于天线的尺寸的挑战很大。比如450MHz，全向的智能天线的直径将是1.25λ＝83.4厘米.
考虑到工作在450MHz的TD-SCDMA系统的智能天线的尺寸至少是2GHz天线的4倍。在实际应用中，如此大尺寸的天线在工程上是不可行的。这也是在现阶段450MHz的TD-SCDMA一直没有得到运用的瓶颈这一，因此必须采用一定的办法来减小天线的尺寸。
现有的定向智能天线采用增益为11dB的单个偶极子天线作为一个单元，并且根据实际的覆盖需要的增益在水平面上相隔半个波长排放4个单元，6个单元和8个单元不等。这样一种处理方法将增大智能天线的尺寸，特别是对于低波段的(比如450Mhz)的TD-SCDMA系统这样的设计将大大地增加天线的尺寸。
本申请的发明人通过采用分形技术来减小智能天线的单个天线单元的尺寸，并且通过改变天线阵的阵列来减小智能天线的尺寸。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种小型分形智能天线，以满足低频段的TD-SCDMA系统的智能天线在不降低性能的基础上达到尺寸的减小的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
1、一种小型分形智能天线，用于实现时分同步码分多址接入TD-SCDMA系统的小尺寸的天线，特别是针对长波长的低频段。其特征在于，包括：
A、单元天线采用分形天线技术
B、单元天线采用Yagi技术实现单元定向天线
C、采用平面的天线阵结构
由上述技术方案可见，本发明提供的一种小型分形智能天线，通过采用如图1所示的一阶迭代K1型的分形天线来减小基本天线的尺寸，这种分形天线的天线辐射方向图和正方形的环形天线的天线辐射方向图一致。一阶迭代K1型分形天线的尺寸为(13.6cm(y)*13.6cm(z))，它比类似的正方形的环形天线的尺寸要小44，54％。一阶迭代K1型分形天线的增益是2.55dBi，比正方形的环形天线的增益3.38dB要小。
为了加大K1分形天线的增益，可以采用三个K1的分形天线构造成一个分形Yagi天线。通过天线的定向和分级天线的增益可以达到8.8dB。
可以通过上述构造的分形Yagi天线作为智能天线的单元来构造平面智能天线，其中各个单元之间的距离为d＝33.4cm(半个波长)，天线的高度为33.4*2+13.7*3＝107.9cm，这个天线的尺寸为24.3cm(x)*107.9cm(y)*107.9cm(z)。天线的增益可以高达18dB。波束赋形的算法可以采用通用的加权的波束赋形的EBB和GOB的算法。
附图说明
图1为K1型分形天线示意图；
图2为3K1 Yagi型分形天线的示意图
图3为3K1 Yagi型分形天线的水平面的天线辐射图
图4为平面智能天线的平面示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
本发明的主要思想是通过采用分形天线技术来构造小型的智能天线，可以应用在低波段的无线通信系统中。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
本发明的主要思想是利用分形天线的尺寸小的特点，通过Yagi天线增大单元天线的增益，并且通过平面天线来减小智能天线的尺寸。
具体而言，通过采用如图1所示的一阶迭代K1型的分形天线来减小基本天线的尺寸，这种分形天线的天线辐射方向图和正方形的环形天线的天线辐射方向图一致。一阶迭代K1型分形天线的尺寸为(13.6cm(y)*13.6cm(z))，它比类似的正方形的环形天线的尺寸要小44，54％。一阶迭代K1型分形天线的增益是2.55dBi，比正方形的环形天线的增益3.38dB要小。
为了加大K1分形天线的增益，可以采用三个K1的分形天线构造成一个分形Yagi天线。通过天线的定向和分级天线的增益可以达到8.8dB。
可以通过上述构造的分形Yagi天线作为智能天线的单元来构造平面智能天线，其中各个单元之间的距离为d＝33.4cm(半个波长)，天线的高度为33.4*2+13.7*3＝107.9cm，这个天线的尺寸为24.3cm(x)*107.9cm(y)*107.9cm(z)。天线的增益可以高达18dB。波束赋形的算法可以采用通用的加权的波束赋形的EBB和GOB的算法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种小型分形智能天线，用于实现时分同步码分多址接入TD-SCDMA系统的小尺寸的天线，特别是针对长波长的低频段。其特征在于，包括：
1.1单元天线采用分形天线技术
1.2单元天线采用Yagi技术实现单元定向天线
1.3采用平面的天线阵结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
分形天线采用一阶迭代K1型的分形天线，这种分形天线的天线辐射方向图和正方形的环形天线的天线辐射方向图一致。一阶迭代K1型分形天线的尺寸为(13.6cm(y)*13.6cm(z))，它比类似的正方形的环形天线的尺寸要小44，54％。一阶迭代K1型分形天线的增益是2.55dBi，比正方形的环形天线的增益3.38dB要小。
为了加大K1分形天线的增益，可以采用三个K1的分形天线构造成一个分形Yagi天线。通过天线的定向和分级天线的增益可以达到8.8dB。
可以通过上述构造的分形Yagi天线作为智能天线的单元来构造平面智能天线，其中各个单元之间的距离为d＝33.4cm(半个波长)，天线的高度为33.4*2+13.7*3＝107.9cm，这个天线的尺寸为24.3cm(x)*107.9cm(y)*107.9cm(z)。天线的增益可以高达18dB。波束赋形的算法可以采用通用的加权的波束赋形的EBB和GOB的算法。
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2009
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