CN106159435A - 一种超宽带分形天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超宽带分形天线，该超宽带天线由有机磁性材料制备的基板、印制在基板表面上的双面辐射单元、分形缺陷地的地板以及连接双面辐射单元和地板的半钢同轴线；半钢同轴线由内芯和包裹内芯的铜皮组成；基板与地板均呈水平方向设置，半钢同轴线垂直于基板和地板，半钢同轴线的一端与基板的双面辐射单元连接在一起，另一端内芯穿过地板连接有SMA连接器。缺陷地地板由4×4的分形单元槽排列而成，其分形单元槽为分形树的环状结构。该天线具有宽频带、高增益、方向图良好、重量轻、易于安装等特点，优越的性能使该天线成为UBW、PCS、WLAN、RFID、WIMAX和其它通信系统很好的选择。

Description

一种超宽带分形天线

技术领域

本发明涉及一种通讯领域的天线装置，具体设计一种超宽带分形天线。

背景技术

天线是无线通信系统中必不可少的部分，它决定了无线通信系统是否能够正常发挥其作用和功能。然而传统天线存在带宽窄，不能同时覆盖多个频段，无法满足现代无线通信的需求；同时也容易受到外界环境如雨雾天气，建筑物和树木等障碍物的干扰等影响。

天线极化的方式包括线极化和圆极化。其中线极化天线基于成本低廉、加工简单的优点广泛应用于传统天线中；而线极化波在空间无线信道传输中，易受建筑物、树木等障碍物的干扰产生绕射、散射，因此，采用线极化天线会引起极化失配，影响通信的传输。圆极化天线具有抑制多路径效应和更加灵活的接收发方向，并且在雷达和卫星系统中，圆极化波可以提供更好的机动性和大气层渗透性，在无线通信系统中，圆极化天线是更好的选择。

一般的，圆极化天线可分为单馈点和多馈点两类；对于单馈点圆极化天线，天线结构相对简单，设计相对容易，但多数单馈点天线是谐振天线，天线的Q值大，天线的阻抗带宽和轴比带宽窄。而相对单馈点天线，多馈点天线需要额外的馈电网络，来产生两个相位相差90°的正交谐振模。这种馈电方式可以获得宽阻抗和轴比带宽，但馈电网络设计复杂，并且可能加大天线的尺寸，不利于天线的应用和批量生产。

天线应用分形技术是一种更有效拓展带宽和减小尺寸的方法，也是一种有效实现超宽带的方法。由于分形结构具有自相似的特性，分形天线表现出多频的特性，通过调节分形结构中的参数，将多频的各个谐振点相互拉近，进而实现天线的宽带特性；其次，分形天线具有很强的空间填充能力，有利于天线的小型化、紧凑性和低散射截面(RCS)。一些优秀的分形天线已缩减到传统天线的45％；分形的自相似性使分形天线存在多种电尺度，在这些电尺度所对应的频率处呈现近似纯阻抗值，可以实现宽频带和非频变特性；分形天线的结构灵活、轻便小巧、可实现隐蔽和低可见性，形状多样、美观大方是设计美化天线的最佳选择。因此，分形天线技术极大促进了超宽带天线技术的发展与应用。

此外，缺陷地结构DGS、电磁带隙EBG结构、频率选择表面等超材料成为电磁领域的热点，这些超材料展示了超自然现象如频率锦带。负折射率等，可以显著微波器件的性能，如展宽天线的带宽、提高天线增益、减弱阵元间的耦合。而如何利用这些超材料进一步提高分形天线的性能的技术，且未见有相关研究和报道。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种可同时工作于UBW、PCS、WLAN、RFID、WIMAX方式下的无线通信系统中的超宽带分形天线。本发明的超宽带分形天线不但有效地完成天线的高增益、高辐射效率；还具有宽频带、方向图良好、重量轻、易于安装等特点。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：

一种无线通信系统中的超宽带分形天线，该超宽带天线包括有机磁性材料制备的基板、印制在基板表面上的双面辐射单元、分形缺陷地的地板以及连接双面辐射单元和地板的半钢同轴线；

半钢同轴线由内芯和包裹内芯的铜皮组成；基板与地板均呈水平方向设置，半钢同轴线垂直于基板和地板，半钢同轴线的一端与基板的双面辐射单元连接在一起，另一端内芯穿过地板连接有SMA连接器。

基于上述方案中的超宽带天线的改进，双面辐射单元由设于基板上表面的上层辐射单元和设于基板下表面的下层辐射单元组成，半钢同轴线一端的内芯与所述上层辐射单元焊接在一起，且其同端的外部铜皮与下层辐射单元焊接在一起。这样的设置的可以省去设计巴伦结构，并提高了天线带宽。

进一步地，上层辐射单元包括两条上层扇形振子臂，其中一条上层扇形振子臂的一端与同轴线连接，该上层扇形振子臂的另一端通过长度为四分之一中心频率波长的环形微带线与另一条上层扇形振子臂相连。下层辐射单元包括两条下层扇形振子臂，其中一条下层扇形振子臂与同轴线直接相连，通过长度为四分之一中心频率波长的环形微带线与另一条下层扇形振子臂相连。

使辐射单元产生90°相位差，进而产生圆极化辐射，省去了设计多馈点天线复杂的匹配网络，克服单馈点天线带宽窄的缺点。

进一步地，扇形振子臂的圆心角θ为22.5°。

特别地，扇形振子臂的两条侧边采用分形曲线；通过分形曲线可减小天线尺寸，降低天线的Q值，从而展宽天线带宽。

更进一步地，分形曲线为非对称结构，其分形维数D_S＝log(N)/log(r)＝1.465(N为自相似个数，r为相似比)；分形尺度比σ＝1.465，与传统分形曲线如koch曲线(其分形维度为1.2618)相比，其分形维数更大，空间填充能力更强。

本发明中超宽带天线的又一种改进，各扇形振子臂中部开设有开口指向天线中心轴线的U型槽，且每个U型槽距离中心轴向的长度相等；通过U型槽可以引入新的谐振频率，以展宽天线的带宽，并且能够降低原有的谐振频率。

为进一步优化地板结构，地板的结构由4×4的分型单元槽矩阵排列而成，其基本迭代单元为my＝xⁿ的抛物线，基本单元绕轴旋转并在4个方向按照芒德勃罗树系统进行迭代，形成芒德勃罗树环。芒德勃罗树环构成的缺陷地性能主要由抛物线的开口大小和焦点控制，即影响缺陷地性能的参数是x的指数n和y的系数m，其中，x的指数n的取值范围是2k(k＝0,1,2,3...)，y的系数m的取值范围是k(k＝1,2,3...)；通过优化选择，芒德勃罗树环缺陷地性能最优参数m，n的值均选为4，优选为4y＝x⁴的迭代单元。

芒德勃罗树环缺陷地具有单元尺寸更小，频率带隙更宽，性能更优的优越性。

为进一步提高天线的增益，本发明使用的基板的有机磁性材料的磁导率大于1，且小于或等于3.5；其介电常数为2。

更进一步地优化，双面辐射单元为通过化学溶液腐蚀方法印制在基板表面。

与现有技术相比，本发明的分形与缺陷地结合的超宽带分形天线至少具备以下优点：

1、本发明的超宽带天线克服了传统单馈点微带天线，工作带宽窄、增益低的缺点。相比单馈点天线，本发明的天线关于馈电点中心几何对称，有稳定的天线相位中心；相对多馈点天线，本发明的天线无需设计复杂的匹配网络，天线设计方便。

2、本发明的天线辐射单元边缘为分形曲线，可以减小天线尺寸，降低天线的Q值，展宽天线的带宽；天线的辐射单元上开了U型槽，可以引入新的谐振频率，以展宽天线的带宽，并且能够降低原有的谐振频率。

3、本发明天线的地板为缺陷地结构，它是4行4列的分形单元阵列，该缺陷地具有负折射率特性可进一步展宽天线的频带，提高天线增益，并有效提高了天线的辐射效率。

4、本发明的天线基板采用有机磁性材料，相比传统的基板材料如FR4、聚四氟乙烯等，它的相对磁导率大于1，介质损耗小；此外，采用有机材料基板可以有效缩减天线尺寸，展宽天线工作频带，并能有效地的减小天线的表面波，提高天线的增益。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明超宽带天线的实施方式的结构示意图；

图2为本发明双面辐射单元的实施方式的俯视图；

图3为本发明地板的实施方式的俯视图；

图4为图3部位I的局部放大示意图；

图5为本发明非对称分形曲线迭代的实施方式示意图；

图6为本发明单个扇形振子臂的实施方式的俯视图；

图7为图5部位II的局部放大示意图；

图8为本发明超宽带天线的实施方式的天线回波损耗曲线图；

图9为本发明超宽带天线的实施方式的天线轴比曲线图；

图10为本发明超宽带天线的实施方式的天线增益曲线图；

图11为本发明超宽带天线的实施方式在2.4GHz的天线增益方向图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明实施方式再作进一步详细的说明。

实施例

图1为根据本发明实施方式的无线通信系统中的超宽带分形天线的结构示意图。如图1所示的分形与缺陷地结合的超宽带分形天线采用交叉振子的工作原理；超宽带天线由基板3、印制在基板3表面上的双面辐射单元、分形缺陷地的地板6以及连接双面辐射单元和地板6的半钢同轴线5构成。

半钢同轴线5由内芯和包裹内芯的铜皮组成；基板3与地板6均呈水平方向设置，半钢同轴线5垂直于基板3和地板6，半钢同轴线5的一端与基板3的双面辐射单元连接在一起，另一端内芯穿过地板6连接有SMA连接器。

具体的，天线采用有机磁性材料的基板3，基板3两面均为镀铜层，镀铜层为天线的双面辐射单元，采用化学溶液腐蚀印制在基板3上。双面辐射单元由设于基板3上表面的上层辐射单元1和设于基板3下表面的下层辐射单元2组成，半钢同轴线5一端的内芯与上层辐射单元1焊接在一起，且其同端的外部铜皮与下层辐射单元2焊接在一起。

图2所示，上层辐射单元1包括两条上层扇形振子臂7，下层辐射单元2包括两条扇形振子臂70，所述上层扇形振子臂7和下层扇形振子臂70的圆心角θ为22.5°；同一层辐射单元其中一条扇形振子臂7与同轴线直接相连，通过长度为四分之一中心频率波长的环形微带线与共面的另一条扇形振子臂7相连，产生90°相位差，进而产生圆极化辐射。

扇形振子臂7的两条侧边采用分形曲线结构，图6-7所示，采用分形边缘可以降低天线的Q值，展宽天线的带宽，并且可以缩小天线辐射单元的尺寸。本实施方式的分形曲线为非对称结构，其非对称分形曲线迭代方式见图4。其分形维数D_S＝log(N)/log(r)＝1.465(N为自相似个数，r为相似比)，分形尺度比σ＝1.465。

如图3和图4所示，缺陷地地板6的结构由4×4的分型单元槽矩阵排列而成，其基本迭代单元为4y＝x⁴的函数曲线构成，基本单元绕轴旋转并在4个方向按照芒德勃罗树系统进行迭代，形成芒德勃罗树环。芒德勃罗树环缺陷地具有单元尺寸更小，频率带隙更宽，性能更优的优越性。

本发明的实施方式中的各扇形振子臂7中部开设有开口指向天线中心轴线的U型槽4，且每个U型槽4距离中心轴向的长度相等。在贴片表面开U型槽4是一种有效扩展带宽的方式，能产生新的谐振频率来扩展带宽，同时开U型槽4也可以降低天线原有的谐振频率。

基板3的有机磁性材料的磁导率大于1，有较大的缩波能力；同时采用有机磁性材料也可以有效地抑制表面波，提高天线的辐射效率，提高天线的增益；而且有机磁性材料在展宽频带方面有较好的效果。本发明的基板3实施方式优选介电常数等于2，磁导率等于3.5的有机磁性材料，双面辐射单元采用化学溶液腐蚀方法印制在基板3表面。

基于上述的超宽带分形天线，半钢同轴线5垂直于地板6安置，基板3通过半钢同轴线5焊接水平放置于地板6上方。天线的缺陷地地板6使用1mm厚的铝板加工制成，上面开4行4列的分形单元槽，构成缺陷地结构。

本发明提供的上述无线通信系统中的超宽带分形天线，图8-11示出了该天线在使用过程产生的回波损耗曲线、轴比曲线、增益曲线以及在2.4GHz处的天线增益方向的示意图。如图8所示，本发明设计的天线在1.9-3.8GHz的频段内回波损耗(S11)在-10dB以下，在3.1GHz处S11最小约为-28dB,在整个通频带内S11性能都能满足要求。如图9所示，本发明设计的天线在2.2-3.5GHz的频段内轴比小于3dB,实现了较理想的圆极化特性。如图10所示，在轴比小于3dB的频段内天线的增益均大于5dBi，具有较高的天线增益。图11为本发明所设计天线在频点2.4GHz的XOZ面和YOZ面的辐射方向图，如图所示天线的方向图对称性好，天线波束宽，能够辐射接收多方向的信号。因此，本发明设计的天线具有宽频带、高增益、方向图良好、重量轻、易于安装等特点，适用于现代的无线通信系统中。

以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超带宽分形天线，其特征在于，所述超宽带天线包括：有机磁性材料制备的基板(3)、印制在基板(3)表面上的双面辐射单元、分形缺陷地的地板(6)和连接双面辐射单元与地板(6)的半钢同轴线(5)；

所述半钢同轴线(5)由内芯和包裹内芯的铜皮组成；所述基板(3)与地板(6)水平方向平行设置，所述半钢同轴线(5)与所述基板(3)和地板(6)垂直设置；

所述双面辐射单元由设于基板(3)上表面的上层辐射单元(1)和设于基板(3)下表面的下层辐射单元(2)组成，所述半钢同轴线(5)第一端的内芯与所述上层辐射单元(1)连接，所述半钢同轴线(5)第一端的外部铜皮与下层辐射单元(2)连接，所述半钢同轴线(5)第二端的内芯穿过地板(6)连接到SMA连接器。

2.如权利要求1所述的超宽带分形天线，其特征在于，所述上层辐射单元(1)包括两条上层扇形振子臂(7)，所述一条上层扇形振子臂(7)的一端与同轴线连接，该上层扇形振子臂(7)的另一端通过长度为四分之一中心频率波长的环形微带线与另一条上层扇形振子臂(7)相连；所述下层辐射单元(2)包括两条下层扇形振子臂(70)，所述下层扇形振子臂(7)与同轴线连接，该下层扇形振子臂(70)的另一端通过长度为四分之一中心频率波长的环形微带线与另一条下层扇形振子臂(70)相连。

3.如权利要求2所述的超宽带分形天线，其特征在于，所述扇形振子臂(7)的两条侧边采用分形曲线。

4.如权利要求3所述的超宽带分形天线，其特征在于，所述分形曲线为非对称结构，其分形维数D_S＝log(N)/log(r)＝1.465(N为自相似个数，r为相似比)，分形尺度比σ＝1.465。

5.如权利要求4所述的超宽带分形天线，其特征在于，所述上层扇形振子臂(7)和所述下层扇形振子臂(70)的中部开设有开口指向天线中心轴线的U型槽，且U型槽距离中心轴向的长度相等。

6.如权利要求1-5所述的超宽带分形天线，其特征在于，所述地板(6)由4×4的分形单元槽矩阵排列而成，所述分形单元槽的基本迭代单元为my＝xⁿ的抛物线，所述基本迭代单元在4个方向按照芒德勃罗树系统进行迭代，形成芒德勃罗树环。

7.如权利要求6所述的超宽带分形天线，其特征在于，所述控制芒德勃罗树环缺陷地的性能的参数抛物线x的指数n的取值范围是2k(k＝0,1,2,3...)，y的系数m的取值范围是k(k＝1,2,3...)。

8.如权利要求7中任一项所述的超宽带分形天线，其特征在于，所述控制芒德勃罗树环缺陷地的性能的参数抛物线x的指数n的的值为4，y的系数m的值为4。

9.如权利要求1-8中任一项所述的超宽带分形天线，所述基板(3)的有机磁性材料的磁导率大于1，且小于或等于3.5；其介电常数为2。