CN103165980B - 一种Koch分形天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Koch分形天线及其设计方法。在微带贴片天线上进行的各种技术和形状的操作，以Koch分形理论为基础，利用了微带贴片天线的本身的特质，从而改变了天线本身的辐射特性形成了覆盖多频段且工作带宽宽的特性。该分形天线的工作频段在1.6GHz-2.2GHz和2.6GHz-4.0GHz，相对中心频率1.8GHz的相对带宽为33.33%，第二频段的绝对带宽为2.6GHz-4.0GHz相对于中心频率3.4GHz的相对带宽为41.18%。本发明天线结构简单、体积小、重量轻、剖面低、多频段、带宽宽且易于集成，可应用于DCS/PCS/TD-SCDMA和WiMax频段的现代无线通信系统。

Description

一种Koch分形天线及其设计方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种Koch分形天线。

背景技术

随着移动通信技术的飞速发展，天线作为无线通信设备的重要组成部分，是影响通信系统整体性能的关键部件，在全球定位系统、卫星通信和个人移动终端等系统中有广泛的应用。人们对于移动通信的要求越来越高，需要能够同时工作在多个频段且性能优异的通信设备，比如个人移动设备应用从GSM、DCS、PCS到3G,从GPS到Wi-Fi和WiMax，通信频段被划分给各种应用，且频段相互之间不连续。

尽管许多传统的无线通信天线都可以工作在多个无线频段，但它们的工作的频带都很窄且只能覆盖一个工作频段，仍存在形式尺寸大、加工成本高、剖面高或机械加工精度要求高等缺陷。现在无线通信的高速发展，第二代移动系统（2G）、第三代移动系统（3G）、Wi-Fi和WiMax技术日益成熟，为了减少无线网的成本，亟需天线具有覆盖多频段的功能。因此覆盖多频段和工作带宽宽的小型化天线成为无线通信系统中迫切的需求。

分形天线作为分形几何和天线技术交叉的产物拥有了自相似和空间填充的特性。分形的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。正是这种特性使得分形能够在很小的体积内充分的利用空间, 也就是能够用于天线小型化填充有限空间设计的一个关键原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Koch分形天线及其设计方法，以实现结构简单、体积小、重量轻、剖面低、多频段、带宽宽和易于集成等功能。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种Koch分形天线，包括介质基板，位于介质基板1一面上主辐射单元，位于介质基板1另一面上馈源端7的接地板，其特征在于：所述主辐射单元2通过馈线6连接到馈源端7；所述接地板8为矩形；接地板不完全覆盖介质基板，但覆盖到介质基板两侧边缘，接地板的高度设置保证天线工作频段为1.6GHz-2.2GHz和2.6GHz-4.0GHz；所述主辐射单元上设有经过两次Koch分形后的结构，主辐射单元的顶端中间位置设有U型缺口5沿馈线6轴向对称，缺口的大小设置保证所述天线的工作频段为1.6GHz-2.2GHz和2.6GHz-4.0GHz；所述介质基板1、主辐射单元2、U型缺口5、馈线（6以及接地板8分别沿馈线6轴向对称。

一种所述Koch分形天线的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，利用 Koch分形方法，对主辐射单元进行两次分形设计；

Koch曲线的比较直观的生成方法可以看作是将一条线段安长度等分为三段，然后将中间一段线段按着一定的角度折线段换掉，这样便形成一个生成元。Koch曲线没迭代一次，线段总长度增长为原来的4/3，而曲线的总高度却始终保持恒定，于此同时天线的辐射电阻逐渐增加，谐振频率逐渐降低。本设计针对这一特点进过大量的仿真与计算最终选择了两次分形，从而增加了表面电流的电流路径。

第二步，去除主辐射单元的顶端大三角形，在顶端中间位置开设U型缺口，并分别位于将U型缺口两侧的靠近顶端的两个小三角形改成两个正方形，整个图形沿馈线轴向对称；

为了进一步改变天线的传输特性，在主辐射单元进行两次分形后，设计了U型缺口，沿馈线轴向对称，以改变了电流的走向。

第三步，对接地板结构进行改进和优化，接地板形状为矩形。

本设计对介质基板下增加了接地板，接地板形状为矩形，改变了与主辐射单元的电磁效应。

与现代技术相比本发明的优点是：使用了微带线技术与分形理论结合，达到了现代多频段天线的以满足结构简单、体积小、重量轻、剖面低、多频段、带宽宽和易于集成等特点，克服了传统多频段天线形式尺寸大、加工成本高、剖面高或机械加工精度要求高等缺陷。

附图说明

图1 为本设计的结构正面示意图。

图2 为本设计的结构背面示意图。

图3 为HFSS仿真与加工的实物经过矢量网络分析仪测量后的S11参数对比图。

图4 为HFSS仿真与加工的实物经过矢量网络分析仪测量后的VSWR参数对比图。

图中：1介质基板，2主辐射单元，3 Koch一次分形、4 Koch二次分形、5 U型缺口，6馈线，7馈源端，8接地板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

图1为天线的正面示意图。其中1为介质基板，为FR-4，介电常数为4.4的材料构成，2结构为主辐射单元，对2主辐射单元进行了两次Koch分形操作，得到的3 Koch一次分形、4 Koch二次分形，改变了主辐射单元表面电流的路径，为在主辐射单元2上开U型缺口5为了改变表面电流在顶端的流向，与主辐射单元相连接的馈线6与馈源端7相连接对整个天线进行馈电。

图2为天线的背面结构。其中接地板8为矩形形状。与主辐射单元2相互作用改变空间的电磁分布.

图3和图4为天线的HFSS仿真与加工的实物经过矢量网络分析仪测量后的S11和VSWR参数对比图。

以上的操作都是为了使天线工作在1.6GHz-2.2GHz和2.6GHz-4.0GHz频段中。通过仿真和测试得出该分形天线有两个工作频段，其中第一频段的绝对带宽为600MHz（1.6GHz-2.2GHz），相对中心频率1.8GHz的相对带宽为33.33%，第二频段的绝对带宽为1400MHz（2.6GHz-4.0GHz）相对于中心频率3.4GHz的相对带宽为41.18%。本发明设计的天线具有双频段、高带宽的效果，覆盖了第二代移动通信DCS频段（1710MHz-1880MHz）/PCS频段（1850MHz-1990MHz）、第三代移动通信TD-SCDMA（1800MHz-1900MHz及2110MHz-2025MHz）和WiMax频段（3.4GHz-3.69GHz）等无线通信频段。

Claims (2)

1.一种Koch分形天线，包括介质基板，位于介质基板（1）一面上的主辐射单元和馈线（6），以及位于介质基板（1）另一面上的接地板（8），其特征在于：所述主辐射单元（2）通过馈线（6）连接到馈源端（7）；所述接地板（8）为矩形；接地板（8）不完全覆盖介质基板，但覆盖到介质基板两侧边缘，接地板的高度设置保证天线工作频段为1.6GHz-2.2GHz和2.6GHz-4.0GHz；所述主辐射单元上设有经过两次Koch分形后的结构，主辐射单元的顶端中间位置设置的U型缺口（5）沿馈线（6）轴向对称，缺口的大小设置保证所述天线的工作频段为1.6GHz-2.2GHz和2.6GHz-4.0GHz；所述介质基板（1）、主辐射单元（2）、U型缺口（5）、馈线（6）以及接地板（8）分别沿馈线（6）轴向对称。

2.一种如权利要求1所述的Koch分形天线的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，利用 Koch分形方法，对主辐射单元进行两次分形设计；

第二步，去除主辐射单元的顶端大三角形，在顶端中间位置开设U型缺口，并将位于U型缺口两侧的靠近顶端的两个小三角形改成两个正方形，整个主辐射单元沿馈线对称分布；

第三步，对接地板结构进行改进和优化，接地板形状为矩形。