CN104409843B - 一种采用Peano分形的四连环小型折合振子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用Peano分形的四连环小型折合振子天线，借以减少天线尺寸，调节天线谐振频率，拓展应用场合，来满足天线需求，该天线采用同轴馈电结构，天线为对称结构，并包括介质基板和具有分形结构的微带线，其中微带线位于基板上表面，天线结构对称，折合部分由四个圆心在同一直线上的相切圆环构成，外侧两个圆环内部分别带有与其相内切的三段波浪线，内侧两个圆环内部分别带有两段直导体。折合部分外侧带有与其相切的分形结构，每一侧的分形结构是由一个二阶Peano分形曲线结构构成，分形结构与一段长度可以通过腐蚀减小或粘贴铜箔加长来微调的直导体相连。本发明可缩减天线尺寸，调节天线谐振频率，拓展天线应用场合。

Description

一种采用Peano分形的四连环小型折合振子天线

技术领域

本发明涉及一种采用四连环结构和二阶皮亚诺(Peano)分形曲线结构以及长度可微调的直导体结构的小型化折合振子天线。

背景技术

随着通信技术的飞速发展，各种各样的通信产品与技术也不断地出现。随着集成电路技术的日益成熟，电子产品尺寸也不断减小。在通信电子产品中用来收发信号的天线，其尺寸大小直接关系到电子产品的小型化。。

天线是用以收发电磁波的一种元件，可从工作频段、方向图、反射系数和增益等参数来评定天线的性能。为了适应激烈的市场竞争，当今电子产品对天线的小尺寸、高性能更是提出了更高的要求。对于不同的通信电子产品，其功能不尽相同，因此用以收发信号的天线形式更是多样化，例如菱形天线(Rhombic Antenna)、正交叉式天线(TurnstileAntenna)、微带天线、倒F形天线等。其中，折合振子天线具有结构简单、重量轻、加工简单、便于共形、以及可与其它电路元件集成在一起等优点。现有的折合振子天线尺寸约为半波长，进一步减小天线的尺寸成了这一领域的重要目标。

根据目前检索发现，J.Romeu等提出了一种使用Koch分形曲线的贴片天线，采用分形结构的天线比起相同尺寸的传统天线，谐振频率向低频偏移，使用该结构能够减小天线尺寸。Zhong-Wu yu等提出了一种Koch分形缺陷接地结构微带天线，该天线能够直接用50Ω微带传输线馈电，并且具有宽带特性。E.E.C.Oliveira提出了一种带EBG结构的Koch分形小型化贴片天线，该天线具有更好的阻抗匹配，并且比传统的矩形贴片天线尺寸减小了28％。E.C.Lee等提出了一种由四个Minkowski分形曲线构成的天线。该天线的尺寸小于0.5m，增益可达0dB以上，效率可达48％，改善了天线的辐射性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种采用皮亚诺(Peano)分形的四连环小型折合振子天线，进一步提高天线设计优化的自由度，在不增加天线加工难度和成本的前提下，使天线尺寸进一步小型化；改变传统折合振子天线形式，在减小天线尺寸的同时，提高天线的辐射特性；实现调节谐振频率的功能，拓展天线应用场合。

为了实现上述目的，本发明一种采用Peano分形的四连环小型折合振子天线，其特征在于至少包括：

介质基板，具有相互平行的第一表面和第二表面；

微带线，位于所述基板的第一表面中，所述微带线具有四连环结构、二阶Peano分形结构以及可调结构，Peano分形结构的一端通过一段与外侧环形相切的直导体与环形结构相连，另一端与一段长度可微调的直导体结构相连；

所述四连环结构具有：

对称结构，四个圆环关于中间两个小圆环圆心连线的垂直平分线成轴对称，四个圆环的圆心在同一条直线上，相邻的两个圆环彼此相切，中间的两个圆环直径较小，外侧的两个圆环直径较大；外侧的大圆环内部分别带有三段波浪线，波浪线由两个互相相切并且与大环内切的半环连接而成，三段波浪线由同一段波浪线围绕大圆环圆心旋转形成，中间的小圆环内部分别带有两段直导体；

所述Peano分形结构具有：

对称结构，该Peano分形结构关于中间两个小圆环圆心连线的垂直平分线成轴对称，每一侧的分形结构是一个二阶Peano分形曲线，每一个二阶Peano分形曲线是由一阶Peano分形曲线经过迭代运算生成；

所述长度可微调的直导体结构具有：

对称结构，该可调结构为两段直导体，与二阶Peano分形曲线末端相连，两段直导体关于中间两个小圆环圆心连线的垂直平分线成轴对称，每一侧的直导体长度可以通过腐蚀减小或粘贴铜箔加长来调节，通过调节直导体长度可以调节天线谐振频率。

进一步的，所述四连环结构实现如下：

外侧的大圆环内部分别带有三段波浪线，中间的小圆环内部分别带有两段直导体；左侧大圆环中包含三段波浪线，第一段为与大圆环上部相内切的波浪线，该波浪线由一个与大圆环内切的小环的左半部分和另一个与该小环相切的等大小环的右半部分连接而成，组成波浪线的两个半环的圆心与大圆环圆心在同一直线上且与四个连环圆心所在直线相互垂直，该波浪线围绕大圆环圆心逆时针旋转90°得到第二条波浪线，继续逆时针旋转90°得到第三条波浪线；同理可得右侧大圆环中三段波浪线；左侧小圆环内部的两段直导体在同一条直线上，所在直线与四个连环圆心所在直线相互垂直，同理可得右侧小圆环中两段直导体。

进一步的，所述二阶Peano分形结构实现如下：

由于结构对称，每一侧的分形结构均由一阶Peano分形曲线经过迭代运算生成；迭代方法为：假设L为二阶曲线在空间中所占用的边长，d为曲线中最短线段的长度，二阶分形曲线迭代的次数为2，则d等于L除以三的二次方减一；二阶Peano分形曲线通过一段直导体与外侧大圆环相连，直导体与四个连环圆心所在直线垂直，与外侧大圆环相切。

进一步的，所述一阶Peano分形曲线结构如下：

将属于一个初始正方形的左右两边均等分为两段，除去左侧边的上半段和右侧边的下半段，将左右两边的中点相连，所形成的结构为一阶Peano分形曲线。

进一步的，所述折合振子天线还具有：

馈电点，馈电位置位于所述采用Peano分形的小型化可调四连环折合振子天线折合部分的对称轴，即两个小圆环下部的连接处，左馈电点(F1)位于对称轴左边，右馈电点(F2)位于对称轴右边。

进一步的，所述折合振子天线的馈电形式采用同轴线内导体直接焊接至振子天线左馈电点的方式，即同轴线内导体与左馈电点(F1)相连接，同轴线外导体与右馈电点(F2)相连接。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用了四个相切圆环构成折合振子天线的折合部分，圆环内部又带有波浪线和直导体等结构，充分利用了空间。

(2)本发明采用二阶Peano分形结构的折合振子天线，可供优化的天线设计参数较多，自由度较大；弯曲折叠的分形曲线可以充分利用微带线面积，天线的表面利用率高。

(3)本发明采用Peano分形结构末端连接一段长度可微调的直导体结构，通过改变直导体的长度，可以调节天线的谐振频率。

(4)本发明可缩小折合振子天线尺寸，拓展应用场合，能够满足天线需求。

附图说明

图1为本发明实施例的俯视示意图；

图2为本发明实施例的侧视示意图；

图3为本发明实施例的关于反射系数的仿真数据图；

图4为本发明实施例的在730MHz上的二维辐射方向图；

图5为本发明实施例的关于可调节谐振频率的仿真数据图。

其中，附图标记：

100：基板；

001：折合振子四连环结构；

001a：左侧大圆环；

001b：左侧小圆环；

001c：右侧小圆环；

001d：右侧大圆环；

W：天线宽度；

T：基板厚度；

F1、F2：馈电点；

L：外侧大圆环与二阶Peano分形曲线连接直导体；

Lf：长度可调节的直导体；

110：二阶Peano分形曲线；

110a：二阶Peano分形曲线最短线段；

110b：二阶Peano分形曲线次长线段；

110c：二阶Peano分形曲线最长线段；

R1：外侧大圆环半径；

R2：内侧小圆环半径；

R3：与大圆环内切的半环半径；

L1：内侧小圆环内部直导体。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

请参照图1，其为本发明较佳实施例的振子天线俯视示意图。

如图1所示，整个天线位于基板100第一表面上，并与第一表面重合，该天线为对称结构，以对称轴左边部分说明该天线的具体实施方式，其由四连环结构和二阶Peano分形曲线以及长度可微调的直导体结构构成，四连环结构如图中001，二阶Peano分形曲线结构如图中110，长度可微调的直导体结构如图中Lf。四连环结构中四个圆环的圆心在同一条直线上，相邻的两个圆环彼此相切，内侧的环形半径为R2，内部带有两段直导体L1，外侧的环形半径为R1，内部带有三段波浪线，波浪线由两个互相相切并且与大环内切的半环连接而成，半环半径为R3，相邻位置的波浪线之间彼此相差90°。馈电点F位于中间两小圆环下部的连接处。外侧大圆环与一直导体L相连，直导体长L，与大圆环相切且垂直于圆心的连线。二阶Peano分形曲线结构110与L相连，由一个一阶Peano分形曲线经过迭代生成，一阶Peano分形曲线由一个初始正方形的左右两边均等分为两段，除去左侧边的上半段和右侧边的下半段，将左右两边的中点相连所形成。长度可微调的直导体结构是一段长度可调节的直导体Lf，直导体与二阶Peano分形结构末端相连。

根据结构的对称性，将上述结构关于中间两个小圆环圆心连线的垂直平分线对称，即可得到折合振子天线的另外一半结构。基板100可由例如：介电常数为2.39、厚度为0.508mm的材料或其它材料所制成的印刷电路板。

馈电点(feeding point)(F1、F2)位于折合振子天线四连环结构内侧两个小圆环下部的连接位置。本发明采用同轴线内导体直接焊接至振子天线微带线馈电点位置的方式，即同轴线内导体与右馈电点(F2)相连接，同轴线外导体与左馈电点(F1)相连接。

另外，如图1和图2所示，本较佳实施例的基板100的厚度T为0.508mm，基板的介电常数为2.39。小圆环半径R1为7mm，大圆环半径R2为12mm，构成波浪线的半环半径R3为2mm，小圆环内部直导体长度L1为6mm，两馈电点F1、F2间隔h为2mm，与大圆环相切且与Peano分形曲线相连接的直导体L长度L为15mm，天线宽度W为1mm，二阶Peano分形曲线中最短线段110a长2mm，次长线段110b长4mm，最长线段110c长10mm，长度可微调的直导体结构Lf长度可变，本实施例中Lf长10mm。该天线相对于传统折合振子天线，其横向尺寸压缩了58％，有效地缩减了天线尺寸，实现了天线小型化，并且通过改变Lf的长度，可以调节天线的谐振频率。

以上所述的馈电点F及同轴线内外导体的位置、以及折合振子天线的尺寸与形状仅为举例说明，并不作为对本发明的限制。

如图3所示，其为本发明实施例的采用Peano分形的四连环小型折合振子天线关于反射系数的仿真数据图。其中当天线工作频率为730MHz时，反射系数低于-17dB。此外本发明实施例的采用新型分形结构的振子天线的带宽为22MHz。

如图4所示，其为本发明实施例的采用Peano分形的四连环小型折合振子天线工作频率为730MHz时的二维辐射方向图。其中，包含(H面)、90°(E面)剖面的增益方向图。从图4可得知，本实施例的H面(剖面)不圆度为0.3dB，E面(剖面)3dB波束宽度为±55°，辐射方向图呈现良好的线极化特性，可以满足使用者的需求。

如图5所示，其为本发明实施例的采用Peano分形的四连环小型折合振子天线关于调节谐振频率的仿真数据图。其中当改变可调结构的直导体长度时，天线谐振频率发生改变，随着导体长度的增长，天线谐振频率向低频偏移。从图5可知，本实施例可以很好地调节天线谐振频率，拓展天线应用场合。

由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明的优点为：可大幅地缩减天线尺寸，调节天线谐振频率，并降低加工成本。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种采用Peano分形的四连环小型折合振子天线，其特征在于至少包括：

介质基板，具有相互平行的第一表面和第二表面；

微带线，位于所述基板的第一表面中，所述微带线具有四连环结构、二阶Peano分形结构以及可调结构，Peano分形结构的一端通过一段与外侧环形相切的直导体与环形结构相连，另一端与一段长度可微调的直导体结构相连；

所述四连环结构具有：

对称结构，四个圆环关于中间两个小圆环圆心连线的垂直平分线成轴对称，四个圆环的圆心在同一条直线上，相邻的两个圆环彼此相切，中间的两个圆环直径较小，外侧的两个圆环直径较大；外侧的大圆环内部分别带有三段波浪线，波浪线由两个互相相切并且与大环内切的半环连接而成，三段波浪线由同一段波浪线围绕大圆环圆心旋转形成，中间的小圆环内部分别带有两段直导体；

所述Peano分形结构具有：

对称结构，该Peano分形结构关于中间两个小圆环圆心连线的垂直平分线成轴对称，每一侧的分形结构是一个二阶Peano分形曲线，每一个二阶Peano分形曲线是由一阶Peano分形曲线经过迭代运算生成；

所述长度可微调的直导体结构具有：

对称结构，该可调结构为两段直导体，与二阶Peano分形曲线末端相连，两段直导体关于中间两个小圆环圆心连线的垂直平分线成轴对称，每一侧的直导体长度可以通过腐蚀减小或粘贴铜箔加长来调节，通过调节直导体长度可以调节天线谐振频率。

2.根据权利要求1所述的采用Peano分形的四连环小型折合振子天线，其特征在于：所述四连环结构实现如下：

外侧的大圆环内部分别带有三段波浪线，中间的小圆环内部分别带有两段直导体；左侧大圆环中包含三段波浪线，第一段为与大圆环上部相内切的波浪线，该波浪线由一个与大圆环内切的小环的左半部分和另一个与该小环相切的等大小环的右半部分连接而成，组成波浪线的两个半环的圆心与大圆环圆心在同一直线上且与四个连环圆心所在直线相互垂直，该波浪线围绕大圆环圆心逆时针旋转90°得到第二条波浪线，继续逆时针旋转90°得到第三条波浪线；同理可得右侧大圆环中三段波浪线；左侧小圆环内部的两段直导体在同一条直线上，所在直线与四个连环圆心所在直线相互垂直，同理可得右侧小圆环中两段直导体。

3.根据权利要求1所述的采用Peano分形的四连环小型折合振子天线，其特征在于：所述二阶Peano分形结构实现如下：

由于结构对称，每一侧的分形结构均由一阶Peano分形曲线经过迭代运算生成；迭代方法为：假设L4为二阶曲线在空间中所占用的边长，d为曲线中最短线段的长度，二阶分形曲线迭代的次数为2，则d等于L4除以三的二次方减一；二阶Peano分形曲线通过一段直导体与外侧大圆环相连，直导体与四个连环圆心所在直线垂直，与外侧大圆环相切。

4.根据权利要求1所述的采用Peano分形的四连环小型折合振子天线，其特征在于：所述一阶Peano分形曲线结构如下：

将属于一个初始正方形的左右两边均等分为两段，除去左侧边的上半段和右侧边的下半段，将左右两边的中点相连，所形成的结构为一阶Peano分形曲线。

5.根据权利要求1所述的采用Peano分形的四连环小型折合振子天线，其特征在于：所述折合振子天线的馈电形式采用同轴线内导体直接焊接至振子天线左馈电点的方式，即同轴线内导体与左馈电点(F1)相连接，同轴线外导体与右馈电点(F2)相连接。