CN103199344A - 一种分形超宽带天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分形超宽带天线及其设计方法，首先在微带贴片天线上进行的各种技术和形状的操作，以分形理论为基础，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超宽带的特性。利用HFSS软件对经典的Sierpinski分形天线进行大量的仿真和计算等步骤，设计出一款分形超宽带天线。本发明设计的天线具有结构简单、体积小、重量轻、剖面低、成本低和易于集成等特点，可以用于现代的无线通信系统中。

Description

一种分形超宽带天线及其设计方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种超宽带天线。

背景技术

自从2002年2月，美国联邦通讯委员会（Federal Communications Commission，FCC）宣布UWB（3.1GHz-10.3GHz）正式投放民用后，UWB系统越来越受到人们的关注。天线作为通信系统中的一个重要的组成部分，其性能的高低直接决定着整个系统的优劣。在UWB无线通信中，采用的较多的是微带天线。这是因为微带天线的体积小、结构简单、制造成本低的优点正好符合UWB系统的需要，这使得微带天线成为UWB通信系统的绝佳选择。

UWB天线区别于其他窄带天线的地方就是工作带宽。大多是通信系统的天线都是由普通的谐振单元根据通信系统的要求改进得到的，相对带宽非常窄。例如，电视台的发射信号的先对带宽只有5%。所以如何增加相对带宽是当前最迫切的技术要求。

传统的UWB 天线，尽管其各项性能指标均具有很宽的频带特性，却各自存在缺陷。目前，UWB通信中涌现出一批宽频带天线，以双锥天线及其衍变形式为主，包括泪滴天线、蝶形天线、渐变槽缝隙天线等。然而，上述各天线形式因尺寸大、加工成本高、剖面高或机械加工精度要求高等缺陷仍难以满足UWB 技术的实际应用需求。综上所述，尽管展宽窄带天线带宽的方法多样，仍无法满足UWB通信系统要求；经过改进后，有些宽频带天线可以达到UWB系统的工作频段，例如，改进的圆锥天线，带宽可达3-11GHz，但它不是平面结构；现有的UWB天线，虽然在性能、结构、尺寸等方面有了显著改善，但仍存在形式尺寸大、加工成本高、剖面高或机械加工精度要求高等缺陷。 

“分形”这一概念是由法国数学家B.Mandelbrot 于1975年首次提出的,分形具有两大主要特征: 自相似性和空间填充性。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。分形的特性之一就是“分数维”。这种特性使得分形能够在很小的体积内充分的利用空间, 也是能够用于天线小型化和多频化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分形改进型超宽带天线及其设计方法，以满足UWB系统的结构简单、体积小、重量轻、剖面低、成本低和易于集成等特点。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下:

一种分形超宽带天线，包括介质基板7，位于介质基板7一面上的主辐射单元1，位于介质基板7另一面上的接地板11，其特征在于：所述主辐射单元1依次通过阻抗变化器5和馈线6连接到馈源端8；所述接地板11远离馈源端的形状为半椭圆形结构9，近馈源端的形状为矩形结构10；接地板不完全覆盖介质基板，但覆盖到介质基板两侧边缘，其高度与馈线6长度相应；所述主辐射单元1上设有三次Sierpinski Carpet分形结构；所述介质基板7、主辐射单元1、阻抗变换器5、馈线6以及接地板11分别沿馈线6轴向对称分开布。

一种所述分形超宽带天线的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，利用Sierpinski Carpet方法，对主辐射单元进行三次分形；

Sierpinski Carpet在正方形的基础上进行Sierpinski分形。将单位正方形平均分成9个小正方形，挖去中间的一个小正方形，称为一次分形结构，再在剩下的8个小正方形上重复这一步骤，依次称为一次、二次分形。形成的具有自相似的结构被称为Sierpinski Carpet分形结构。Sierpinski分形结构，其具有的共同特点就是它们都是通过在有限的面积内进行无限次的面积减除而形成的。为了有良好的宽带效果，本设计对贴片进行了三次分形，从而增加了表面电流的电流路径。

第二步，对接地板的结构进行改进和优化，接地板形状由矩形和半椭圆形组成；

本设计对介质基板下增加了接地板，接地板由两部分组成，矩形和半椭圆形改变了与主辐射单元的电磁效应。

第三步,在主辐射单元和馈线之间增加阻抗变换器。

本设计发明使用的阻抗变换器为阶梯型，每段结构的尺寸大小的确定经过大量的计算和仿真，是为了使达到匹配的效果。

与现有技术相比本发明的优点是使微带线技术与分形理论结合，达到了现代UWB天线的结构简单、体积小、重量轻、剖面低、成本低和易于集成等特点，克服了传统UWB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不足点。

附图说明

图1 为本设计天线结构的正面示意图。

图2 为本设计天线结构的背面示意图。

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主辐射单元、2 Sierpinski Carpet一次分形、3 Sierpinski Carpet二次分形、4 Sierpinski Carpet三次分形、5阻抗变换器、6馈线、7介质基板、8馈源端、9半椭圆形结构、10矩形结构、11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。主辐射单元1进行了三次Sierpinski Carpet分形操作，得到的分别为Sierpinski Carpet分形的进行一次、二次、三次分形的结构如图中2、3、4结构所示，改变了主辐射单元表面电流的路径，与主辐射单元相连接的阻抗变换器5经过多次仿真匹配确定，达到了工作频段的阻抗匹配，主辐射单元1和阻抗变换器5通过馈线6为馈线与馈源端8馈源相连接进行馈电，为介质基板7为FR-4，介电常数为4.4的材料构成。

图2为天线的背面结构。其中接地板由半椭圆形结构9和矩形结构10构成。

对以上的操作都是为了使天线达到超宽带的特性。利用安捷伦E8362B矢量网络分析仪对实物行进测量。通过测量与仿真得出该分形天线的回波损耗在2GHz-10.3GHz的范围小于-10dB，该天线的驻波比VSWR≤2：1的相对带宽达到了134.96%。天线的理论分析数据、仿真数据和实测数据基本达到一致性。

图3和图4从中可以看出，测试结果与仿真结果在低频部分是吻合的时候非常好，在高频部分由一定的偏差，这主要是由以下的三个原因造成：天线在加工过程中出现的误差；天线与SMA接头连接部分的焊锡对于天线的馈线匹配的影响；天线在测试过程中的环境的干扰也对结果产生了影响。

Claims (2)

1.一种分形超宽带天线，包括介质基板（7），位于介质基板（7）一面上的主辐射单元（1），位于介质基板（7）另一面上的接地板（11），其特征在于：所述主辐射单元（1）依次通过阻抗变化器（5）和馈线（6）连接到馈源端（8）；所述接地板（11）远离馈源端的形状为半椭圆形结构（9），近馈源端的形状为矩形结构（10）；接地板不完全覆盖介质基板，但覆盖到介质基板两侧边缘，其高度与馈线（6）长度相应；所述主辐射单元上设有三次Sierpinski Carpet分形结构；所述介质基板（7）、主辐射单元（1）、阻抗变换器（5）、馈线（6）以及接地板（11）分别沿馈线（6）轴向对称分开布。

2.一种如权利要求1所述分形超宽带天线的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，利用Sierpinski Carpet方法，对主辐射单元进行三次分形；

第二步，对接地板的结构进行改进和优化，接地板形状由矩形和半椭圆形组成；

第三步, 在主辐射单元和馈线之间增加阻抗变换器。

Images