CN104681995A - 一种基于Sierpinski方毯分形结构的微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二阶Sierpinski方毯分形结构的微带天线，它包括二阶Sierpinski方毯分形结构（11）、两个大小相等的矩形切角（12）、（13）和50欧姆同轴馈电结构（20），其中二阶Sierpinski方毯分形结构（11）是由中间大矩形（14）和周围大小相等的8个小矩形构成的，而两个矩形切角（12）、（13）关于金属微带贴片区域的副对角线呈对称分布，分别位于金属微带贴片的左上角和右下角。本发明具有结构紧凑，尺寸小，宽频带，易加工等特点。

Description

一种基于Sierpinski方毯分形结构的微带天线

技术领域

本发明涉及一种天线，特别是一种基于Sierpinski方毯分形结构的微带天线。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的发展和无线通信应用产品的普及，尤其是手持无线通信设备的普及，无线通信设备被做的越来越小，以便使用者能够随身携带。这就使得人们对用于无线通信的天线有了更高的要求，即天线要实现小型化。

自从法国数学家曼德勃罗（Benoit-Mandelbrot）在1973年首次提出分形的概念以来，分形几何学已经引起了众多学者的重视与研究。20世纪80年代，对波与分形结构相互作用的研究多了起来，促进了分形电动力学的发展，而分形天线则正是分形电动力学的众多应用之一。天线的分形设计是分形几何学与经典电磁理论的融合。目前，分形天线在无线通信、移动通信和卫星通信方面都有着巨大的发展潜力和广阔的市场前景。

分形天线在小型化方面突破了传统天线的局限性。传统的减小微带天线的尺寸方法如增加基板的介电常数、短路加载、表面开槽等技术等都有很大的局限性和约束性，从另一方面减小了带宽，增加了复杂性和集成难度。而分形复杂的形状，即自填充性，能够改变天线的电流路径，增加有效电长度，从而缩减了天线的尺寸。所以设计基于分形结构的微带天线在天线小型化研究中具有重要的意义。

发明内容

为了改善现有微带天线小型化设计中牺牲带宽、复杂性增加等缺陷，本发明提供了一种基于Sierpinski方毯分形结构的微带天线，其中采用二阶基于Sierpinski方毯分形结构（11）用来减小天线的尺寸，采用两个大小相等的矩形切角（12）、（13）增加天线带宽，实现了微带天线小型化和宽频带的综合设计。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于Sierpinski方毯分形结构的微带天线，其特征在于：它包括形成于介质基板（30）上、下表面的金属微带贴片（10）和金属接地板（40），所述金属微带贴片包括二阶Sierpinski方毯分形结构（11）和两个大小相同的矩形切角（12）、（13），其中二阶Sierpinski方毯分形结构是由中间大矩形（14）和周围大小相等的8个小矩形构成的。

所述的一种基于Sierpinski方毯分形结构的微带天线，其特征在于：二阶Sierpinski方毯分形结构（11）的形成过程为：将二阶Sierpinski方毯分形结构原矩形区域平均9等分为9大小相等的矩形，然后去除位于中间的矩形区域；将周围的8个矩形按照上述步骤再分别进行9等分，分别去除中间的矩形。

所述的一种基于Sierpinski方毯分形结构的微带天线，其特征在于：二阶Sierpinski方毯分形结构（11）中，大矩形（14）的长和宽分别是原矩形的长和宽的1/3，而小矩形（15）的长和宽又分别是大矩形（14）的长和宽的1/3。

所述的一种基于Sierpinski方毯分形结构的微带天线，其特征在于：两个矩形切角（12）、（13）大小相等，且关于金属微带贴片区域的副对角线呈对称分布，分别位于金属微带贴片的左上角和右下角。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及特性：

（1）结构紧凑，易于加工，且制作价格便宜。

（2）通过引入二阶Sierpinski方毯分形结构，改变了微带天线的电流路径，增加了有效电长度，从而减小了天线的尺寸。

（3）通过在金属微带贴片的左上角和右下角分别引入两个大小相等的切角，未切角部分和切角部分分别产生两个谐振频率，通过改变两个矩形切角的尺寸，可以使两个谐振频率相互靠近，当两个谐振频率靠近到一定程度时，就可以增加天线的有效带宽。

（4）天线方向图在频带内比较稳定，最大方向处增益可达到6.62dB。

（5）天线的在谐振点处取得了理想的阻抗匹配，回波损耗下陷程度高。

附图说明

图1基于Sierpinski方毯分形结构的微带天线的基本结构俯视图

图2金属贴片中二阶Sierpinski方毯分形结构的基本结构俯视图

具体实施方式

近年来，分形结构被广泛应用到微带天线的设计中，具有分形结构的微带天线利用分形结构的自相似性增加了天线的有效电长度，从而减小了天线的尺寸。分形微带天线克服了传统天线小型化设计中牺牲带宽、复杂性增加等缺陷。本发明正是利用二阶Sierpinski方毯分形结构，设计了一种低成本、尺寸小、宽频带、适用范围较广的微带天线。

下面结合附图对本发明的具体结构作进一步的描述。

本发明的一个实例如图1所示，由二阶Sierpinski方毯分形结构（11）、两个大小相等的矩形切角（12）、（13）和50欧姆同轴馈电结构（20）构成。两个大小相等的矩形切角（12）、（13）关于金属微带贴片区域的副对角线呈对称分布，分别位于矩形微带贴片的左上角和右下角。50欧姆同轴馈电结构（20）位于金属微带贴片的中轴线上。

二阶Sierpinski方毯分形结构如图2所示。其形成过程为：将二阶Sierpinski方毯分形结构原矩形区域平均9等分为9大小相等的矩形，然后去除位于中间的矩形区域；将周围的8个矩形按照上述步骤再分别进行9等分，分别去除中间的矩形。大矩形（14）的长和宽分别是原矩形的长和宽的1/3，即W₂＝W₄/3，L₂＝L₄/3。而小矩形（15）的长和宽又分别是大矩形（14）的长和宽的1/3，即W₃＝W₂/3，L₃＝L₂/3。根据所示的结构，只要选择合适的尺寸，就能够实现天线小型化和宽频带两大特性的协同设计。

如图1，图2所示，该微带天线各结构的尺寸为：

L₀=30mm，W₀=29mm，L₁=11mm，W₁=3mm，L₂=7mm，W₂=26/3mm，L₃=7/3mm，W₃=26/9mm，L₄=21mm，W₄=26mm。

介质基板的选择：介质基板的介电常数一般在2-9.8之间，本发明采用的介质基板为RogersRO4003，相对介电常数为3.38，基板厚度5mm。该基板价格较低，损耗较小。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。

馈电结构的选择：采用常规的50欧姆同轴馈电结构对天线进行馈电。

基于二阶Sierpinski方毯分形结构的微带天线，主要是由二阶Sierpinski方毯分形结构（11）和两个大小相等的矩形切角（12）、（13）构成。二阶Sierpinski方毯分形结构（11）用来减小天线的尺寸，两个大小相等的矩形切角（12）、（13）用来增加天线的带宽，从而实现了微带天线小型化和宽频带的综合设计。该微带天线结构简单、体积小，印刷在介质基板的两面，便于批量生产，调试，且成本低廉。

Claims (4)

1.一种基于Sierpinski方毯分形结构的微带天线，其特征在于：它包括形成于介质基板（30）上、下表面的金属微带贴片（10）和金属接地板（40），所述金属微带贴片包括二阶Sierpinski方毯分形结构（11）和两个大小相同的矩形切角（12）、（13），其中二阶Sierpinski方毯分形结构是由中间大矩形（14）和周围大小相等的8个小矩形构成的。

2.根据权利要求书1所述的一种基于Sierpinski方毯分形结构的微带天线，其特征在于：二阶Sierpinski方毯分形结构（11）的形成过程为：将二阶Sierpinski方毯分形结构原矩形区域平均9等分为9大小相等的矩形，然后去除位于中间的矩形区域；将周围的8个矩形按照上述步骤再分别进行9等分，分别去除中间的矩形。

3.根据权利要求书1所述的一种基于Sierpinski方毯分形结构的微带天线，其特征在于：二阶Sierpinski方毯分形结构（11）中，大矩形（14）的长和宽分别是原矩形的长和宽的1/3，而小矩形（15）的长和宽又分别是大矩形（14）的长和宽的1/3。

4.根据权利要求书1所述的一种基于Sierpinski方毯分形结构的微带天线，其特征在于：两个矩形切角（12）、（13）大小相等，且关于金属微带贴片区域的副对角线呈对称分布，分别位于金属微带贴片的左上角和右下角。