CN106532250A - 一种双频段的树状分形结构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频段的树状分形结构天线，包括有介质基板、辐射贴片和接地板，辐射贴片和接地板沿介质基板的中心线对称布置，辐射贴片位于介质基板的上表面，接地板在介质基板背面的下方，辐射贴片包括主杆枝节贴片、O阶分枝节贴片、一阶分枝节贴片、二阶分枝节贴片、O阶分枝节横贴片、一阶分枝节横贴片、二阶分枝节横贴片和馈电微带线贴片；接地板上设置有接地板缝隙，接地板缝隙共设置有两条，两条接地板缝隙沿着介质基板的中心线对称布置。本发明解决了普通低频工作天线工作带宽很窄的问题，能同时工作在GSM和WLAN双频段，并且使得天线在GSM频段内的相对带宽能够达到55.5％的相对带宽，在WLAN能够达到14％的相对带宽。

Description

一种双频段的树状分形结构天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体是一种双频段的树状分形结构天线。
背景技术
无论是从军事还是从发展国民经济的角度来说,设计出体积小、工作频带宽、多频带、造价低的微波天线都是非常有意义的。比如,近年来,美国洛克希德马丁公司致力于研究具有多频带通信能力的新一代全球定位系统,美国海军也为其航母战斗群研制多频段通信卫星。美国苹果公司最新推出的iPhone手机体积及造价都和平常手机差不多,但是其功能强大,能同时工作于UMTS/HSDPA(850,1900,2100MHz)、GSM/EDGE(850,900,1800,1900MHz)、Wi-Fi(802.11b/g)、Bluetooth2.0+EDR以及GPS(1575MHz)。
由于分形几何结构的空间填充特性和自相似特性,分形几何结构被广泛应用于微波天线的工程设计之中,从而实现天线的小型化与多频带,而且不需要特殊的材料等,造价便宜。分形具有某种自相似的形式,可以是严格的自相似,也可以是近似的或统计意义上的自相似,自然界中的大部分分形都是后一类。近似的或统计意义上的自相似可以命名为类分形结构,这种结构不具有分形维数,但随着分形的进行,它们的面积和周长都趋于定值,在研究时可以统一称为分形结构。
树状结构是自然界中分形结构的典型代表,传统的树状结构天线的设计能够使天线产生很多的谐振频率点，每次分形都能增加一个天线的工作频点，但是传统的树状结构天线的工作带宽很窄。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双频段的树状分形结构天线，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双频段的树状分形结构天线，包括有介质基板、辐射贴片和接地板，辐射贴片和接地板沿介质基板的中心线对称布置，辐射贴片位于介质基板的上表面，接地板在介质基板背面的下方，所述辐射贴片包括主杆枝节贴片、O阶分枝节贴片、一阶分枝节贴片、二阶分枝节贴片、O阶分枝节横贴片、一阶分枝节横贴片、二阶分枝节横贴片和馈电微带线贴片；所述接地板上设置有接地板缝隙，接地板缝隙共设置有两条，两条接地板缝隙沿着介质基板的中心线对称布置。
作为本发明进一步的方案：述介质基板的正面上方设有主杆枝节贴片，主杆枝节贴片的下侧与馈电微带线贴片连接，主杆枝节贴片通过O阶分枝节横贴片连接至O阶分枝节贴片，所述O阶分枝节贴片共设置有两个，两个O阶分枝节贴片沿着主杆枝节贴片的中心线位置呈中心对称分布，O阶分枝节贴片通过一阶分枝节横贴片连接至一阶分枝节贴片，所述一阶分枝节贴片共设置有两个，两个一阶分枝节贴片沿着O阶分枝节贴片的中心线位置呈中心对称分布；一阶分枝节贴片通过二阶分枝节横贴片连接至二阶分枝节贴片，所述二阶分枝节贴片共设置有两个，两个二阶分枝节贴片沿着一阶分枝节贴片的中心线位置呈中心对称分布。
作为本发明再进一步的方案：所述介质基板为FR4环氧板，相对介电常数εr＝4.4，介质损耗为0.02。
作为本发明再进一步的方案：所述介质基板的长L为60mm，宽W为60mm，厚为1.6mm。
作为本发明再进一步的方案：所述接地板的尺寸为长60mm，宽20mm。
作为本发明再进一步的方案：所述接地板缝隙的尺寸为长20mm，宽0.5mm。
作为本发明再进一步的方案：所述馈电微带线贴片的长度为18mm，宽为3mm，主杆枝节贴片的长度为40mm，宽为2mm，所述O阶分枝节横贴片的长度为8mm，宽为2mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明解决了普通低频工作天线工作带宽很窄的问题，能同时工作在GSM和WLAN(5G频段)双频段，并且，由于具有分形树自相似特性的分形精细结构，使得天线在GSM频段内的相对带宽能够达到55.5％的相对带宽，在WLAN(5G频段)能够达到14％的相对带宽，天线结构紧凑，实用性很强。
附图说明
图1为双频段的树状分形结构天线的正面结构示意图。
图2为双频段的树状分形结构天线的背面结构示意图。
图3为双频段的树状分形结构天线中0阶分形之后回波损耗特征曲线图。
图4为双频段的树状分形结构天线中一阶分形之后回波损耗特征曲线图。
图5为双频段的树状分形结构天线中二阶分形之后回波损耗特征曲线图。
图6为双频段的树状分形结构天线在1.9GHz时在E平面和H平面的辐射方向图。
图7为双频段的树状分形结构天线在5.7GHz时在E平面和H平面的辐射方向图。
图中：1-介质基板，2-接地板，3-辐射贴片，4-接地板缝隙，5-主杆枝节贴片，6-O阶分枝节贴片，7-一阶分枝节贴片，8-二阶分枝节贴片，9-馈电微带线贴片，10-O阶分枝节横贴片，11-一阶分枝节横贴片，12-二阶分枝节横贴片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～2，本发明实施例中，一种双频段的树状分形结构天线，包括有介质基板1、辐射贴片3和接地板2，辐射贴片3和接地板2沿介质基板1的中心线对称布置，辐射贴片3位于介质基板1的上表面，接地板2在介质基板1背面的下方，所述辐射贴片3包括主杆枝节贴片5、O阶分枝节贴片6、一阶分枝节贴片7、二阶分枝节贴片8、O阶分枝节横贴片10、一阶分枝节横贴片11、二阶分枝节横贴片12和馈电微带线贴片9；所述接地板2上设置有接地板缝隙4，接地板缝隙4共设置有两条，两条接地板缝隙4沿着介质基板1的中心线对称布置；
所述双频段的树状分形结构天线分为三阶分形结构，分别是0阶分形结构、一阶分形结构和二阶分形结构，所述0阶分形结构由三个分叉枝节组成，主干枝节贴片5相连的是馈电微带线贴片9，同理，一阶分形结构和二阶分形结构的主干相连部分也是同样的微带馈线部分，一阶分形结构是在二阶分形结构的的基础分别给分枝节增加了两个更小的分枝节，更小结构的分枝节是由分枝节经过在x,y方向上按1/2比例缩放之后得到，以此类推，二阶分形结构是在一阶分形结构的基础上在增加缩放后的分枝节结构而得到的。通过逐步分形，天线的总体长度不会改变，但总体的宽度再不断增加，所以，为了不影响天线小型化的目的，便于实际应用，只对天线进行到二阶分形。
所述介质基板1的正面上方设有主杆枝节贴片1，主杆枝节贴片1的下侧与馈电微带线贴片9连接，主杆枝节贴片1通过O阶分枝节横贴片10连接至O阶分枝节贴片6，所述O阶分枝节贴片6共设置有两个，两个O阶分枝节贴片6沿着主杆枝节贴片1的中心线位置呈中心对称分布，O阶分枝节贴片6通过一阶分枝节横贴片11连接至一阶分枝节贴片7，所述一阶分枝节贴片7共设置有两个，两个一阶分枝节贴片7沿着O阶分枝节贴片6的中心线位置呈中心对称分布；一阶分枝节贴片7通过二阶分枝节横贴片12连接至二阶分枝节贴片8，所述二阶分枝节贴片8共设置有两个，两个二阶分枝节贴片8沿着一阶分枝节贴片7的中心线位置呈中心对称分布；
所述介质基板1为FR4环氧板，相对介电常数εr＝4.4，介质损耗为0.02；
所设计的天线能够具有双频特性，即同时工作于GSM(1800MHz)以及WLAN(5800MHz),天线的低频产生主要是由分形树结构的主干枝节，确定天线工作与GSM频段内只需调整树结构的主干，而天线的高频段的产生主要由天线地板上的两条细缝的作用，细缝与馈线微带线作用，从而在高频(5800MHz)处实现匹配，产生谐振频带。而天线各部分通过分形得到的分枝节主要是能够增加天线工作频带的带宽，分形结构具有的自相似性使得每个精细的分形都能在工作频率附近产生谐振点，增加了天线的阻抗匹配带宽，从而增加了天线的带宽。
如图3-5所示，从图中可以看出随着天线分形阶次的增加，天线的带宽也有所增加，主要是增加了工作频带附近的谐振点，使得整体带宽变宽。一阶分形之后，低频部分逐渐出现一些谐振点，天线的高频部分带宽增加了，从原先(5.5-5.9GHz)增加到了(5.2-6GHz)，相对带宽达到(5.2-6)/(5.7)＝14％，二阶分形之后，低频段的带宽从(1.5-2.1GHz)增加到了(1.5-2.5GHz),(2.5-1.5)/(1.8)＝55.5％,。由此可见，分形阶次的增加可以实现工作频带的展宽，使天线具有更好的性能，所以，选用二阶分形树天线作为最终的实际应用天线。应用高频仿真软件HFSS对不同天线结构参数进行仿真计算和优化设计，获得以下最佳尺寸和调谐的关系：
所述介质基板1的长L为60mm，宽W为60mm，厚为1.6mm。
所述接地板2的尺寸为长60mm，宽20mm，所述接地板缝隙4的尺寸为长20mm，宽0.5mm。
所述馈电微带线贴片9的长度为18mm，宽为3mm，主杆枝节贴片1的长度为40mm，宽为2mm，所述O阶分枝节横贴片10的长度为8mm，宽为2mm；
对该天线的二阶分形性能进行分析测试，得到了天线在1.9GHz以及5.7GHz两个谐振频率的辐射方向图，图6是天线在1.9GHz时分别在E平面和H平面的辐射方向图，图6中虚线为天线在1.9GHz时H平面的辐射方向图，图6中实线为天线在1.9GHz时E平面的辐射方向图，图7是天线在5.7GHz时分别在E平面和H平面的辐射方向图，图7中虚线为天线在5.7GHz时H平面的辐射方向图，图7中实线为天线在5.7GHz时E平面的辐射方向图。从图中可以看出，E面近似一个8字形，高频部分有轻微的变形，但总体上还是满足实际应用，所以，天线具有很好的全向辐射性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种双频段的树状分形结构天线，其特征在于，包括有介质基板(1)、辐射贴片(3)和接地板(2)，辐射贴片(3)和接地板(2)沿介质基板(1)的中心线对称布置，辐射贴片(3)位于介质基板(1)的上表面，接地板(2)在介质基板(1)背面的下方，所述辐射贴片(3)包括主杆枝节贴片(5)、O阶分枝节贴片(6)、一阶分枝节贴片(7)、二阶分枝节贴片(8)、O阶分枝节横贴片(10)、一阶分枝节横贴片(11)、二阶分枝节横贴片(12)和馈电微带线贴片(9)；所述接地板(2)上设置有接地板缝隙(4)，接地板缝隙(4)共设置有两条，两条接地板缝隙(4)沿着介质基板(1)的中心线对称布置。
2.根据权利要求1所述的双频段的树状分形结构天线，其特征在于，所述介质基板(1)的正面上方设有主杆枝节贴片(1)，主杆枝节贴片(1)的下侧与馈电微带线贴片(9)连接，主杆枝节贴片(1)通过O阶分枝节横贴片(10)连接至O阶分枝节贴片(6)，所述O阶分枝节贴片(6)共设置有两个，两个O阶分枝节贴片(6)沿着主杆枝节贴片(1)的中心线位置呈中心对称分布，O阶分枝节贴片(6)通过一阶分枝节横贴片(11)连接至一阶分枝节贴片(7)，所述一阶分枝节贴片(7)共设置有两个，两个一阶分枝节贴片(7)沿着O阶分枝节贴片(6)的中心线位置呈中心对称分布；一阶分枝节贴片(7)通过二阶分枝节横贴片(12)连接至二阶分枝节贴片(8)，所述二阶分枝节贴片(8)共设置有两个，两个二阶分枝节贴片(8)沿着一阶分枝节贴片(7)的中心线位置呈中心对称分布。
3.根据权利要求1所述的双频段的树状分形结构天线，其特征在于，所述介质基板(1)为FR4环氧板，相对介电常数εr＝4.4，介质损耗为0.02。
4.根据权利要求1所述的双频段的树状分形结构天线，其特征在于，所述介质基板(1)的长L为60mm，宽W为60mm，厚为1.6mm。
5.根据权利要求1所述的双频段的树状分形结构天线，其特征在于，所述接地板(2)的尺寸为长60mm，宽20mm。
6.根据权利要求1所述的双频段的树状分形结构天线，其特征在于，所述接地板缝隙(4)的尺寸为长20mm，宽0.5mm。
7.根据权利要求1所述的双频段的树状分形结构天线，其特征在于，所述馈电微带线贴片(9)的长度为18mm，宽为3mm，主杆枝节贴片(1)的长度为40mm，宽为2mm，所述O阶分枝节横贴片(10)的长度为8mm，宽为2mm。
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