CN106058448A - 一种用于移动终端的多频段新型Koch分形天线 - Google Patents

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于臻
汪钬柱
王鹏培
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Abstract

本发明公开一种用于移动终端的多频段新型Koch分形天线，包括辐射体、接地板、介质基板、馈线。辐射体、馈线、接地板均覆于介质基板正面；介质基板背面还设计有感应环。所述辐射体采用柯西分形结构，中心位置掏空，掏空结构为与辐射体布置方位相同的柯西分形结构。本发明通过对天线辐射主体掏空形状及加环机构的优化控制，以改变天线金属表面电流流向，从而实现多种无线频段模式的辐射。

Description

一种用于移动终端的多频段新型Koch分形天线
技术领域
本发明涉及一种分形天线,具体来说,是一种用于移动终端的多频段新型Koch分形天线。
背景技术
分形天线是几何属性上具有分形特征的天线，是分形电动力学的众多应用之一。国外在分形天线单元和分形天线阵列研究方面已取得实质性进展，但国内在这方面的研究还很少，分形天线是分形理论和天线技术的融合，表现出与传统天线相比的许多优势，是近几年天线领域的研究热点。分形天线的研究和应用，在军事和民用方面都有着巨大的潜力，尤其在无线、卫星和移动通信系统中将会发挥巨大的作用，有着非常广阔的市场前景。
传统的微带天线要实现多频段工作通常需要采用多个辐射单元或电抗性负载贴片或多频介质谐振天线，这些都增加了天线的复杂性和制作的难度及成本。现代无线通信要求用低剖面、小尺寸、多频带(宽频带)、可集成的天线，分形天线能更好的满足这种要求。分形是一种与标度无关的几何，具有自相似性(self-similarity)和空间填充性(space-filling)，通过迭代产生的分数维自相似结构，其整体与局部、局部与局部之间都具有自相似性，这意味着分形天线形状在不同的尺度变化下保持相似性，从而具有相似的电特性，形成多频带天线。由于分形几何两个独特的特征，使得分形天线在尺寸大小和频带宽窄以及多频带等方面的性能与传统天线相比有了极大的改善，解决了传统天线的两个局限性：(1)传统天线的性能都依赖于天线的电尺寸。这意味着对于固定的天线尺寸，主要天线参数(增益、输入阻抗、方向图和副瓣电平等)将随着工作频率的改变而改变。分形的自相似性使分形天线可具有多频和宽频特性。(2)分形的空间填充性，使一些天线的尺寸得到减缩。
传统的天线在几何形状上基本上都是基于欧几里德几何的设计。虽然，随着天线技术的不断发展出现了微带天线，具有低剖面、重量轻、成本低，可与各种载体共形，适合印刷电路板技术批量生产、易于实现圆极化、双极化、双频段工作等优点，但其致命的缺点是窄带性，从而限制了它的广泛应用。因此，迫切需要运用新的理论和方法，探索现代天线的设计，解决传统的天线设计中出现的问题和矛盾。
发明内容
针对上述问题，本发明将柯西(Koch)分形几何应用到天线工程，提出了一种用于移动终端的多频段新型Koch分形天线，是一种全新结构的共面波导分形天线。该天线所覆盖的频段范围在低频段覆盖GSM1800、DCS1800、WCDMA、CDMA2000、WLAN、ISM、TD-SCDMA；中频段覆盖WiMAX、LTE-band42/43；高频段覆盖WLAN等多个现有移动制式通信频段。
本发明用于移动终端的多频段新型Koch分形天线，包括辐射体、接地板、介质基板、馈线。
辐射体、馈线、接地板均覆于介质基板正面；介质基板背面还设计有感应环；所述辐射体采用柯西分形结构，中心位置掏空，掏空结构为与辐射体布置方位相同的柯西分形结构。
本发明的优点在于：
1、本发明多频段新型Koch分形天线，在辐射方向性、增益和效率方面可以满足移动终端天线的要求；
2、本发明多频段新型Koch分形天线，具有很好的带宽特性。覆盖的通信频段多，频带宽，频段隔离度好；
3、本发明多频段新型Koch分形天线，外观设计是轴对称图形，这使得天线在方向性上也趋于对称，可满足移动用户的需求。
4、本发明多频段新型Koch分形天线，分形天线的频段隔离度与分形次数有关，可通过改变分形次数来增加或减少频段数。
附图说明
图1为本发明多频段新型Koch分形天线正面结构示意图；
图2为本发明多频段新型Koch分形天线背面结构示意图；
图3为0阶柯西分形结构示意图；
图4为1阶柯西分形结构示意图；
图5为2阶柯西分形结构示意图；
图6为0阶柯西分形结构天线、1阶柯西分形结构天线与2阶柯西分形结构天线的回波损耗对比图；
图7为本发明多频段新型Koch分形天线中介质基板上有无感应环时的回波损耗对比图；
图8为本发明多频段新型Koch分形天线在1.78GHz的中心谐振频率下的E/H面方向图仿真结果；
图9为本发明多频段新型Koch分形天线在3.6GHz的中心谐振频率下的E/H面方向图仿真结果；
图10为本发明多频段新型Koch分形天线在4.19GHz的中心谐振频率下的E/H面方向图仿真结果；
图11为本发明多频段新型Koch分形天线在5.16GHz的中心谐振频率下的E/H面方向图仿真结果。
图中：
1-辐射体 2-接地板 3-介质基板 4-馈线 5-感应环
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明分形天线，根据柯西(Koch)分形结构，进行内部掏空和介质层背部加感应环结构，通过对天线辐射主体掏空形状及加环机构的优化控制，以改变天线金属表面电流流向，从而实现多种无线频段模式的辐射。
本发明分形天线，包括辐射体1、接地板2、介质基板3、馈线4与感应环5，如图1、图2所示；辐射体1、接地板2、馈线4、均覆于介质基板3正面，馈线4与辐射体1相接，接地板2采用共面波导结构的铜接地板。感应环5覆于介质基板3背面。
所述辐射体1为铜辐射体，整体结构采用传统的柯西分形结构，其中，0阶柯西分形结构为一等边三角形结构，如图3所示，1阶柯西分形结构为一正一反同心设置的等边三角形合并成的六角星结构，如图4所示。2阶柯西分形结构以1阶柯西分形结构为基础，将六角星的每个角视为一个等边三角形，则在各个角处反置一个等尺寸等边三角形合并再次形成六角星结构，且该六角星结构中内部三个角与1阶柯西分型结构重叠，如图5所示。以此类推，对于3阶或更高阶柯西分形结构来说，将当前柯西分形结构中的每个角均视为一个等边三角形，并在各个角处反至置一个等尺寸等边三角形合并再次形成六角星结构，形成最终的柯西分形结构。在理想辐射体1分形结构的分形阶数可为无穷大,但随着辐射体1分形阶数的增加,天线的复杂程度加大,且多次分形不易于加工和实现，因此本发明辐射体1分形阶数定为2阶柯西分形结构。
在上述柯西分形结构的辐射体1中心位置采用掏空的办法可以改变天线表明电流，从而缩小天线尺寸，具体掏空结构为与整体辐射体1布置方位相同的柯西分形结构，，即掏空部分的柯西分形结构对应的1阶柯西分型结构中六个角的平分线分别与辐射体1的柯西分型结构对应的1阶柯西分形结构中六个角的平分线重合。本发明中掏空结构采用1阶柯西分形结构，与辐射体1同心。
所述感应环5采用正六边形金属感应环，与辐射体1同心设置，且其在介质基板3所在平面上的投影位于辐射体1的1阶柯西结构中六个角顶点连线构成的正六边形内部。通过在介质基板3背面加感应环5使电流路径发生变化，从而改变电长度。电长度的改变导致对应的中心谐振频率也发生变化，从而在小尺寸条件下实现多频的特点。
上述结构分形天线，整体结构为轴对称结构，使得天线在方向性上也趋于对称，可满足移动用户的需求。低频段可覆盖GSM1800、DCS1800、WCDMA、CDMA2000、WLAN(2.4GHz-2.48GHz)、ISM、TD-SCDMA；中频段可覆盖WiMAX、LTE-band42/43(3.2-GHz-3.92GHz)；高频段可覆盖WLAN(4.02GHz-5.45GHz)等十余个常用移动工作频段，并且具有很好的频段隔离度，满足移动终端天线的要求。若要实现1GHz以下的频段覆盖，可增加辐射体1的柯西分形结构与掏空部分的柯西分形结构的分形阶数，形成的分形弯折可以增加电流的路径，从而增加电长度降低频率。同时，可通过增加感应环5的宽度与半径，或者将感应环5替换为圆环，以改变天线的谐振频率。还可将接地板2形状设计为梯形结构，以影响天线的工作频点和带宽性能。
采用HFSS软件对上述分形天线进行仿真。如图6所述，三条曲线分别为0阶柯西分形结构天线、1阶柯西分形结构天线与2阶柯西分形结构天线的回波损耗，由图中可知2阶柯西分形结构天线1在高频部分性能略低于0阶柯西分形结构和1阶柯西分形结构天线，但是在带宽方面2阶柯西分形结构的总带宽大于0阶柯西分形结构和1阶柯西分形结构天线，这样以牺牲少量性能来换取带宽在天线领域是可以接受的。
如图7所示，为介质基板3背面有无感应环5时，辐射体1的回波损耗值。从图中可以看出，低频部分(1.5G-2.8G)加环的性能较比之好，高频(4.5G-5.5G)加环结构多出了1GHz左右的带宽，而且频率具有分割性。
如图8、图9、图10、图11所示，为分形天线分别在1.78GHz、3.6GHz、4.19GHz、5.16GHz、中心谐振频率下的E/H面方向图仿真结果，由图中可看出,在低频范围内天线辐射方向图与单极子天线基本一致,随着频率的升高,会产生旁瓣。

Claims (6)

1.一种用于移动终端的多频段新型Koch分形天线，包括辐射体、接地板、介质基板、馈线，其特征在于：辐射体、馈线、接地板均覆于介质基板正面；介质基板背面还设计有感应环；
所述辐射体采用柯西分形结构，中心位置掏空，掏空结构为与辐射体布置方位相同的柯西分形结构。
2.如权利要求1所述一种用于移动终端的多频段新型Koch分形天线，其特征在于：感应环采用正六边形金属感应环，与辐射体同心设置。
3.如权利要求1所述一种用于移动终端的多频段新型Koch分形天线，其特征在于：感应环在介质基板所在平面上的投影位于辐射体的1阶柯西结构中六个角顶点连线构成的正六边形内部。
4.如权利要求1所述一种用于移动终端的多频段新型Koch分形天线，其特征在于：增加辐射体的柯西分形结构与掏空部分的柯西分形结构的分形阶数，实现1GHz以下的频段覆盖。
5.如权利要求1所述一种用于移动终端的多频段新型Koch分形天线，其特征在于：增加感应环的宽度与半径，或者将感应环替换为圆环，改变天线的谐振频率。
6.如权利要求1所述一种用于移动终端的多频段新型Koch分形天线，其特征在于：接地板采用波导结构或阶梯结构的铜接地板。
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