CN102299419A - 一种基于康托集分形结构的超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于康托集分形结构的超宽带天线，包括介质基板、辐射单元、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面，辐射单元、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面固定在介质基板上，辐射单元布置于共面波导接地面围成的结构里，共面波导馈电信号带线连接辐射单元。本发明设计的康托集分形结构陷波超宽带天线结构简单，紧凑，体积小，加工方便，成本低。

Description

一种基于康托集分形结构的超宽带天线

技术领域

本发明涉及的是一种平面印刷板天线。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线通信的依赖越来越强，从第一代移动通信的AMPS，TACS，NMT等模拟系统，第二代的GSM，IS-95等数字通信系统，发展到现在的MT-2000，UMTS，TD-CDMA，WCDMA等第三代移动通信系统。通信的容量越来越大，语音的传输质量越来越好，提供的服务越来越多，移动通信对人们的生活和工作也起着越来越大的作用。然而，目前的设备都在朝着小型化，宽频带的通信方向发展，特别是2002年，美国联邦通信委员会(FCC)把3.1GHz-10.6GHz作为超宽带通信频段公布以来，超宽带通信技术成为国内专家和学者研究的热门课题之一，超宽带天线作为超宽带通信系统的重要组成部分，也随之得到了国内外专家的广泛研究。

近年来，国内外的学者都在超宽带通信上提出了很多解决方案，但是作为无线通信的重要组成部分的超宽带天线都是采用各式各样的结构实现超宽带工作。分形天线成为研究的热点问题之一，分形也随之成为满足未来产品要求的一种有效方法。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。在用于无线应用中的下一代天线中，小型化是必须的。除此之外，无线电通信设备和电子信息设备朝着多功能化，小型化以及与周围环境友好协调的方向发展，这使得宽频带，小型化，高增益成为国内外研究的热点课题之一。近年来，不需要钻孔和易于集成的共面波导结构日新月异，并且该结构可以通过照相或者光刻技术制作，并且有较好的极化特性，因此该技术已经应用在超宽带天线的设计和相关的微波电路元器件的设计中。而目前的超宽带通信所占的频带与无线局域网或者是其它的窄带系统有共用的部分，因此需要设计的天线能够降低，甚至不会给无限局域网等窄带系统带来干扰，因此设计带有陷波特性的超宽带天线成为目前研究的热点。如果没有适当的设计来抑制谐波共振和寄生发射，这样的天线将对附近的设备产生电磁干扰，危及系统本身和邻近系统的正常工作，特别是对目前使用的窄带系统造成严重的干扰，甚至不能实现正常通信。传统的方式是在系统设计完成之后或者是在天线的后面添加滤波器的方法抑制或者消除不需要的信号。通常这种方法会造成天线与微波电路不匹配，甚至降低系统的整体效能，因此设计带有陷波特性的超宽带天线是解决此问题的重要方法之一。同时解决现有超宽带天线的一些缺点：(1)目前的超宽带天线大多数是采用微带单极子天线或者是共面波导馈电的单极子天线，这些天线的尺寸相对较大。近年来虽然基于槽式天线的超宽带天线能够满足UWB(3.1GHz-10.6GHz)的应用需求，但是这些天线的馈电方式和槽线的结合尺寸加工精度要求高，不便于实际的调试和生产。(2)目前大多数超宽带天线，在系统集成时通常需要钻孔，使用电抗元件等方式和射频前端连接，因此增加系统的复杂性，降低了系统的效能，不能满足小型化的需求。(3)近年来，学术界提出的大多数带有陷波特性的超宽带天线，大都是采用在接地面和辐射单元上刻蚀各种各样的槽实现陷波特性，因此刻蚀的槽会产生电磁波的泄露，影响天线的辐射方向图。

传统的印刷超宽带天线主要是圆锥天线和印刷盘锥天线，为了减小体积，中国专利“一款超宽带阶梯地板印刷单极子天线，申请编号2005100242288.7”阐述了一种基于阶梯型接地板和椭圆形辐射单元的超宽带天线，但该天线的带宽有限，仍不能满足UWB的应用，且不能克服UWB和WLAN的电磁干扰问题。文献“Harmonic Control For An Integrated Microstrip Antenna With Loaded TransmissionLine，Shun-Yun Lin，Kuang-Chih Huang，and Jin-Sen Chen.Microwave And OpticalTechnology Letters，Vol.44，No.4，February，2005”，提出一种利用周期结构抑制谐波，采用额外的周期性滤波器结构产生陷波特性，实现UWB和WLAN的协同工作，但是体积较大，且结构复杂。为了克服上述缺点，文献“Design of a 5.8-GHzAntenna Incorporating a New Patch Antenna，Ching-Hong K.Chin，Quan Xue，ChiHou Chan，IEEE Antennas And Wireless Propagation，Vol.4，2005”，阐述了在共面波导馈电信号线上刻蚀滤波器的方法，产生陷波的特性，但是体积仍然较大，不能很好的实现系统的小型化设计，且该天线的制作要求相对较高。文献“Aminiaturized monopole antenna for ultra-wide band applications with band-notchFilter，B.Ahmadi，R.Faraji-Dana，IET Microw.Antennas Propag.，2009，Vol.3，No.14，pp.1224-1231.”阐述了刻蚀U形槽和V形槽的带有陷波特性的超宽带天线，但是体积较大，且采用渐变馈电结构，给设计和调试带来不便。文献“CompactCPW-fed ultra-wideband antenna with dual band-notched characteristics，Y.S.LI，X.D.Yang，C.Y.Liu，T.Jiang，Electronics Letters，2010，vol.46，No.14”，采用在辐射源单元上刻蚀倒U形槽和在共面波导接地面上刻蚀H形槽，来产生陷波特性，该天线采用在共面波导接地面上刻蚀槽的形式，使得部分电磁波外泄，影响天线的辐射方向图。

综上所述，目前提出的超宽带天线主要是采用单极子的形式实现超宽带特性，为了实现超宽带系统与目前使用的窄带系统之间的兼容，目前国内外学者主要采用在天线的后集成滤波器，在辐射单元上刻蚀各种各样的槽抑制带外信号和寄生信号，但是以上技术增加了天线的体积，而在天线上刻蚀各种各样的槽抑制带外信号和寄生信号的方法，破坏了天线的辐射单元的形状，从而造成电磁波泄漏，影响天线的辐射方向图。

″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)″这个名词源于拉丁文的″破碎″。分形具有两大主要特征：自相似性和空间填充性(即分数维)。自相似就是说适当的放大或缩小几何尺寸，整个结构并不改变，在各种尺度上都有相同程度的不规则性。分数维是指用一个特征数(不一定是整数)来测定其不平度、复杂性或卷积度。自然界中的许多物体都能用分形来模拟，如山脉、树木和云彩等。文献“Fractal multiband antenna basedon the Sierpinski gasket，Puente，C.；Romeu，J.；Pous，R.；Garcia，X.；Benitez，F.，Electronics Letters，1996，Vol.32，PP.1-2”和文献“On the behavior of theSierpinski multiband fractal antenna，Puente-Baliarda，C.，Romeu，J.，Pous，R.，Cardama，A.，IEEE Transactions on Antennas and Propagation，Vol，46，PP.517-524”对Sierpinski形分形天线进行详细的分析和实验验证，但是这种天线的带宽仍然较窄，不能满足超宽带通信的需求。文献“Fractal two-dimensionalelectromagnetic bandgap structures，Frezza，F.Pajewski，L.Schettini，G.IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques，2004 Vol.52，pp.220-227，”和文献“Small but long Koch fractal monopole，Puente，C.；Romeu，J.；Pous，R.；Ramis，J.；Hijazo，A.，Electronics Letters，1998，Vol.34，pp.9-10.”对Koch分形天线进行了详细的研究和分析，但是Koch分形天线的体积相对较大，且不便于实际设计和应用。为了进一步展宽天线的阻抗带宽，文献：″Circular fractalmonopole antenna for low VSWR UWB applications，S.N.Khan，J.Hu，J.Xiong，and S.He，Progress In Electromagnetics Research Letters，2008，Vol.1，19-25”提出了圆形分型结构，但是该天线的体积较大，且不能满足超宽带通信的需求。今年来，人们开始对康托集分形结构进行研究，文献“A multifractal cantorantenna for multiband wireless applications，B.Manimegalai，S.Raju and V.Abhaikumar，IEEE Antenna and Wireless Propagation letters，Vol.8，2009”提出利用康托集理论的方法设计双频天线，但是该天线不能满足目前的超宽带通信的需求。

为了进一步改善天线的辐射特性，同时实现超宽带通信系统与目前使用的窄带系统的协同工作，文献“Small Square Monopole Antenna for UWBApplications with Variable Frequency B and-Notch Function，M.Ojaroudi，G.Ghanbari，N.Ojaroudi，C.Ghobadi，IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2009，Vol.8，pp.1061-1064.”和文献“Compact Monopole Antenna withBand-notched Characteristic for UWB Applications，H.W.，Liu，C.H.，Ku，T.S.，Wang，C.F.，YANG，IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters，2010，pp.397-400”提出了利用微带调谐线的实现陷波的方法，这两种天线采用微带馈电的方法，但是天线的体积较大，且需要调节的参数较多，不便于实际生产。

发明内容

本发明的目的在于提供带宽宽、辐射效率高、带有陷波特性的一种基于康托集分形结构的超宽带天线。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于康托集分形结构的超宽带天线，其特征是：包括介质基板、辐射单元、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面，辐射单元、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面固定在介质基板上，辐射单元布置于共面波导接地面围成的结构里，共面波导馈电信号带线连接辐射单元。

本发明还可以包括：

1、所述的辐射单元为康托集分型结构辐射单元。

2、所述的康托集分型结构辐射单元为矩形或三角形康托集分型结构辐射单元。

3、所述的康托集分型结构辐射单元为1次迭代或2次迭代的康托集分型结构辐射单元。

4、所述的共面波导接地面设置调谐微带线。

5、所述的调谐微带线结构为L形结构或T形结构。

6、所述的调谐微带线有1个或3个。

7、所述的共面波导接地面为环形结构。

8、所述的介质基板为聚四氟乙烯介质基板，且介电损耗正切角不大于10。

本发明的优势在于：本发明可以实现超宽带的阻抗带宽；本发明所设计的天线印刷在介质基板上同一面，由康托集分形结构辐射单元、共面波导接地面、共面波导馈电结构和调谐微带线组成，该结构不仅有利于与微波集成电路集成，而且还能实现系统的紧凑设计；采用共面波导馈电结构，便于展宽阻抗带宽；在环形共面波导馈电结构内部设置调谐微带线，省去滤波器的设计，降低设计成本和系统的复杂性，同时提高系统的整体效能，也缩小了整体体积；采用调谐微带线技术，结构简单，设计容易，且可以根据所需要的谐波带宽，经计算得出调谐微带线的尺寸；采用分形技术不仅能有效的减小天线的尺寸，同时还能展宽天线的阻抗带宽。本发明主要采用宽槽结构与康托集分形机构辐射单元之间的耦合以及共面波导馈电结构实现超宽带通信。本发明设计的康托集分形结构陷波超宽带天线结构简单，紧凑，体积小，加工方便，成本低。

附图说明

图1为本发明实施方式1的基本结构俯视图；

图2为本发明实施方式1的基本结构主视图；

图3为本发明实施方式1的基本结构侧视图；

图4为本发明实施方式1的0次迭代辐射单元；

图5为本发明实施方式1的1次迭代辐射单元；

图6为本发明实施方式1的2次迭代辐射单元；

图7为本发明实施方式2的基本结构俯视图；

图8为本发明实施方式3的基本结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～8，本发明一种基于康托集分形结构的超宽带天线包括介质基板105、辐射单元、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面，辐射单元、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面固定在介质基板105上，辐射单元布置于共面波导接地面围成的结构里，共面波导馈电信号带线连接辐射单元。

本发明采用的技术方案为：

1、根据有限地共面波导结构的馈电方式和相关的计算公式计算出有限地共面波导的共面波导馈电信号带线的尺寸以及共面波导馈电信号带线与共面波导接地面之间的缝隙尺寸。

2、设计满足超宽带通信的矩形超宽带天线，通过调整矩形辐射单元的几何尺寸和矩形辐射单元与共面波导接地面之间的耦合缝隙设计宽槽结构矩形超宽带天线，并利用基于有限元方法的高频结构仿真软件HFSS对设计的天线进行优化，使所设计的天线能够满足超宽带通信的需求。

3、根据康托集理论和分形天线设计技术，设计迭代函数，使所设计的康托集分形天线能够满足超宽带通信的需求，并利用基于有限元方法的高频结构仿真软件HFSS研究一次迭代，二次迭代和多次迭代超宽带天线的性能。

4、根据开路调谐微带线技术理论设计需要的调谐微带线，并利用基于有限元方法的高频结构仿真软件HFSS对所设计的天线进行仿真分析和表面电流分析。根据仿真分析和开路调谐微带线技术理论，在设计调谐微带线，并根据所需的陷波频率，对设计的天线进行优化，得到所要的陷波超宽带天线。

本发明所设计的康托集分形结构的超宽带天线，是在共面波导接地面内部设置调谐微带线形成陷波特性，调谐微带线的有效长度可以根据陷波频率和介质极板参数计算，采用λ_n＝c/4(f_nε_eff)计算得出。其中c为光速，f_n为陷波特性的中心频率，ε_eff为有效介电常数。上述介质板的介电常数在2-9.8之间，且介电常数损耗角小于10^-3。

本发明采用以下几种措施：

1、利用共面波导的形式实现单一平面印刷天线结构，同时也便于实现和微波集成电路集成化设计，进而降低系统的质量，缩小系统的体积，实现系统的便携式设计。

2、采用在共面波导接地面内部设置调谐微带线的形式实现陷波功能，通过改变调谐微带线的结合形状，改变电流的流经路径，从而实现陷波功能，实现超宽带通信与目前使用的窄带系统之间的协同通信。

3、采用康托集分形结构辐射单元，不仅能有效的减小天线的结构尺寸，同时还能展宽天线的阻抗带宽，满足超宽带通信的需求，且结构简单，便于实际的设计和制作。

采用共面波导馈电结构和调谐微带线实现陷波超宽带天线，不仅能有效的减小天线的几何尺寸，还能实现超宽带通信系统和目前使用的窄带通信系统的协调通信。使用共面波导馈电结构，分形技术和调谐微带线的优点主要有：

1、采用共面波导馈电结构，可以实现单一平面印刷天线结构，并且易于实现饿微波集成电路的设计。本发明使用的属于有限地共面波导馈电结构，不仅能有效的展宽天线的阻抗带宽，还能有效的减小天线的尺寸，实现小型化设计。

2、采用微带调谐线技术，不仅能有效提高辐射特性，改善使用在辐射单元和超宽带天线接地面上刻蚀槽等结构造成的辐射方向图畸变，还能有效的降低因采用刻蚀槽等引起的电磁波泄漏，改善系统的电磁环境，便于整个设备或者系统的电磁兼容设计。此外，采用微带调谐线技术，形成开路的四分之一开路线，产生一个谐振频率，进而产生一个陷波特性，有效的避免超宽带系统和目前使用的窄带系统之间的相互干扰。

3、采用共面波导结构可以很容易的实现宽频带阻抗带宽，且降低天线介质损耗，提高天线的效率，从而获得更高的天线增益。

4、采用康托集分形结构不仅能有效的减小天线的尺寸，还能展宽天线的阻抗带宽，满足超宽带通信的需求。康托集分形结构简单，便于实际设计和制作，调试，批量生产。

实施方式1：

本发明的一个实例如图1，图2，图3，图4，图5和图6所示。它由康托集分形结构辐射单元101、共面波导馈电信号带线102、共面波导接地面103、调谐微带线104和介质基板105组成。该天线的共面波导馈电信号带线104的下端与SMA内导体连接。SMA的外导体与共面波导接地面103连接。根据图1，图2和图3所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能满足其超宽带工作特性和陷波特性。

天线参数的设计：

1、介质基板的选择

介质基板的介电常数一般在2-9.8之间，本发明采用的介电常数为2.65的聚四氟乙烯板，该基板价格较低，损耗较小，基于上述要求。在实际中，可根据实际应用采用介电常数损耗角小的介质基板，如介电常数损耗角小于10^-3的基板。本发明采用的介质基板的厚度为1.6mm，满足所需的强度。

2、共面波导馈电结构的设计

整个天线的共面波导的馈电结构的阻抗为50Ω，根据有限地共面波导馈电结构的计算公式，计算出共面波导馈电信号带线104的宽度，以及共面波导馈电信号带线104与共面波导接地面之间的缝隙的宽度。共面波导的阻抗与共面波导馈电信号带线104的导带宽度、以及共面波导馈电信号带线104与共面波导接地面之间的缝隙的宽度、介质基板105的厚度和介电常数有关，只要改变一个参数，就能改天线的特性阻抗。为此还可以利用常用的计算公式来计算有限接地面共面波导的特性阻抗。

3、康托集分形结构辐射单元的设计

根据微带天线知识，单极子天线和康托集理论知识的基本理论，设计满足超宽带通信的康托集分形结构辐射贴片单元。可以调节康托集分形结构辐射单元的几何尺寸，康托集分形结构辐射单元与共面波导接地面之间的耦合缝隙等对所设计的天线进行优化，使所设计的天线能够满足超宽带通信的需求。

其0次迭代的康托集分形结构辐射单元为矩形贴片单元，如图4所示，1次迭代的康托集分形结构辐射单元如图5所示，2次迭代的康托集分形结构辐射单元如图5所示。

其设计步骤如下，图4，图5，图6的辐射单元分别记为A，B，C。则可以根据康托集知识和理论得到所设计天线的结构，其相关设计公式如下：

$W\left(A\right)=\underset{i=1}{\overset{6}{\·}}{A}_i$

$W\left(B\right)=\underset{i=1}{\overset{6}{\·}}{A}_i-A_2$

$W\left(A_1\right)=\left[\left(\mathrm{0,0}\right)(\frac{x}{3},0)(\frac{x}{3},\frac{y}{2})(0,\frac{y}{2})\right]$

$W\left(A_3\right)=[(\frac{2x}{3},0)(x,0)(x,\frac{y}{2})(\frac{2x}{3},\frac{y}{2})\left((0,\frac{y}{2})\right]$

$W\left(A_4\right)=\left[(0,\frac{y}{2})(\frac{x}{3},\frac{y}{2})(\frac{x}{3},y)(0,y)\right]$

$W\left(A_5\right)=\left[(\frac{x}{3},\frac{y}{2})(\frac{2x}{3},\frac{y}{2})(\frac{2x}{3},y)(\frac{x}{3},y)\right]$

$W(A_6=[\frac{2x}{3},\frac{y}{2})(x,\frac{y}{2})(x,y)(\frac{2x}{y},y)]$

$W\left(C_i\right)=\underset{k=1}{\overset{6}{\·}}{A}_{i,k}-A_{i,2}(i\≠2)$

$W\left(C\right)=\underset{i=1}{\overset{6}{\·}}(\underset{k=1}{\overset{6}{\·}}{A}_{i,k}-A_{i,2})(i\≠2)$

4、开槽调谐微带线的设计

根据开路调谐微带线的理论知识，设计陷波中心频率满足需要的调谐微带线，形成开路的四分之一开路线，产生一个谐振频率，进而产生一个陷波特性，有效的避免超宽带系统和目前使用的窄带系统之间的相互干扰。采用λ_n＝c/4(f_nε_eff)计算得出。其中c为光速，f_n为陷波特性的中心频率，ε_eff为有效介电常数。上述介质板的介电常数在2-9.8之间，且介电常数损耗角小于10^-3。

该天线不仅能实现超宽带通信需求，同时还能产生陷波特性，实现超宽带系统与目前使用的窄带系统的协同通信。调谐微带线产生一个四分之一波长的谐振频率，能够抑制带外信号和不需要的寄生信号，降低系统之间的相互干扰，有利于系统或者设备的电磁兼容设计。

实施方式2：

如图4所示，本发明的另一种实施实例是矩形辐射单元的三边分别构造1阶康托集分形结构，从而产生多分形的康托集分形超宽带天线，为了产生陷波特性，在共面波导接地面的内部设置一条调谐为带线，从而产生陷波。它由康托集分形结构辐射单元201、共面波导馈电信号带线202、共面波导接地面203、调谐微带线204和介质基板组成。该天线的共面波导馈电信号带线204的下端与SMA内导体连接。SMA的外导体与共面波导接地面203连接。根据图7所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能满足其超宽带工作特性和陷波特性。

实施方式3：

如图5所示，为了实现多陷波特性设计，本发明的另一种实施实例是在实施实例2的基础上，在共面波导接地面内部的左右两边分别设置调谐为带线，从而产生多陷波特性。改天线由康托集分形结构辐射单元301、共面波导馈电信号带线302、共面波导接地面303、调谐微带线304和介质基板组成。该天线的共面波导馈电信号带线304的下端与SMA内导体连接。SMA的外导体与共面波导接地面303连接。根据图8所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能满足其超宽带工作特性和陷波特性。结构简单，便于设计和实现，且易于和微波集成电路集成。

实施方式4：

本发明的另一种实施实例可以设计康托集分形结构的宽槽共面波导接地面和康托集分形结构的辐射单元，并在共面波导接地面内部设置多条调谐为带线，产生多陷波特性，从而满足超宽带通信与目前使用的窄带通信系统之间的协同通信。

Claims (9)

1.一种基于康托集分形结构的超宽带天线，其特征是：包括介质基板、辐射单元、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面，辐射单元、共面波导馈电信号带线、共面波导接地面固定在介质基板上，辐射单元布置于共面波导接地面围成的结构里，共面波导馈电信号带线连接辐射单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于康托集分形结构的超宽带天线，其特征是：所述的辐射单元为康托集分型结构辐射单元。

3.根据权利要求2所述的一种基于康托集分形结构的超宽带天线，其特征是：所述的康托集分型结构辐射单元为矩形或三角形康托集分型结构辐射单元。

4.根据权利要求3所述的一种基于康托集分形结构的超宽带天线，其特征是：所述的康托集分型结构辐射单元为1次迭代或2次迭代的康托集分型结构辐射单元。

5.根据权利要求4所述的一种基于康托集分形结构的超宽带天线，其特征是：所述的共面波导接地面设置调谐微带线。

6.根据权利要求5所述的一种基于康托集分形结构的超宽带天线，其特征是：所述的调谐微带线结构为L形结构或T形结构。

7.根据权利要求6所述的一种基于康托集分形结构的超宽带天线，其特征是：所述的调谐微带线有1个或3个。

8.根据权利要求7所述的一种基于康托集分形结构的超宽带天线，其特征是：所述的共面波导接地面为环形结构。

9.根据权利要求8所述的一种基于康托集分形结构的超宽带天线，其特征是：所述的介质基板为聚四氟乙烯介质基板，且介电损耗正切角不大于10。

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