CN106887686A - 基于分形结构的双频圆极化天线 - Google Patents

基于分形结构的双频圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于分形结构的双频圆极化天线，包括上介质板、上层辐射贴片、下介质板、下层辐射贴片、支撑柱、空气层、底层馈线，上层辐射贴片为Sierpinski三阶分形结构，下层辐射贴片上设有挖空结构，该款天线实现了天线实际应用的小型化要求，既符合当今通信系统要求的双频工作要求，又符合天线传输无线波时需要抗干扰强的圆极化波的要求；两个工作频段之间差距较大，相互之间干扰较小；分形结构设计天线增加了天线的带宽，圆极化带宽至少也有200MHz以上；天线使用渐变结构馈线来产生圆极化波，使得结构简单，馈电简洁，使用微带线馈电方式适合天线安装组合，相较于传统的同轴馈电点馈电或者多个馈电点馈电简化了很多。

Description

基于分形结构的双频圆极化天线
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于分形结构的双频圆极化天线。
背景技术
将分形理论与天线相结合，设计出的分形天线有着一般天线所不具备的优势。首先，由于分形结构具有自相似的特性，可以实现天线的多频特性。而且，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，还能实现天线的宽带特性。其次，由于分形结构具有空间填充特性，使得天线的小型化设计也成为可能。
目前圆极化天线已广泛应用于军事通信、卫星通信、卫星导航等多个领域，我国的北斗卫星导航系统就采用了圆极化的卫星天线，而圆极化技术在未也来必将在民用无线通信系统中得到普及。此外，随着无线通信用户的高速增长，通信系统也不断地进行更新和扩容，例如全球普及最广的第二代移动通信GSM系统就进行频段的扩容，形成了GSM900、DSC1800MHz等多个频段，这就要求手机天线能够进行双频甚至多频工作。
将圆极化与双频/多频特性相结合，形成双频/多频圆极化天线近年来已成为新的研究热点，这主要由于对大容量和多功能化通信的需求使得很多无线通信系统工作在多个频段。这种天线的设计方法通常有两种，一种是设计成宽频带天线直接覆盖所需要的两个频段，然而圆极化带宽相比阻抗带宽通常要窄得多，很难覆盖两个相距较远的频率。另一种就是两个频段分别实现阻抗匹配和圆极化。由这种思路设计的天线通常由两个辐射单元组成，分别在两个频段辐射圆极化波，其难点主要在于阻抗带宽和圆极化带宽的一致性和两单元之间的耦合，最常见的形式有多层微带贴片天线和微带缝隙天线。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于分形结构的双频圆极化天线。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种基于分形结构的双频圆极化天线，包括：上介质板、上介质板上表面的上层辐射贴片、上介质板下方的下介质板、下介质板下表面的下层辐射贴片、位于上下介质板之间的支撑柱、上下介质板之间的空气层、下介质层下表面的底层馈线，所述上层辐射贴片为Sierpinski三阶分形结构，下层辐射贴片用于对上介质板进行耦合馈电，下层辐射贴片上设有挖空结构。
作为优选方式，所述Sierpinski三阶分形结构采用如下方式得到：将正方形平均分为9个小正方形，去除位于中心的一个小正方形，得到Sierpinski一阶分形结构；然后将周围的8个小正方形按上述步骤重复：均分为九等分，分别去除中间的一份，得到Sierpinski二阶分形结构；再在Sierpinski二阶分形结构基础上按上述步骤重复一次后得到所述Sierpinski三阶分形结构。
作为优选方式，所述Sierpinski分形结构采用如下方式得到：将等边三角形平均分为四个小正三角形，然后去除中间一个三角形，得到了一阶分形的Sierpinski三角毯，将这个步骤在剩下的三个等边三角形上重复两次，就得到了三阶Sierpinski分形结构。
作为优选方式，所述Sierpinski分形结构采用如下方式得到：将直角三角形平均分为四个小直角三角形，然后去除中间一个直角三角形，得到了一阶分形的Sierpinski三角毯，将这个步骤在剩下的三个直角三角形上重复两次，就得到了三阶Sierpinski分形结构。
作为优选方式，所述下层辐射贴片上的挖空结构为下层辐射贴片上去除圆形、方形、椭圆、三角形其中一种结构。对下层辐射贴片进行挖空，主要是利用缝隙耦合原理，对上介质板进行馈电。
作为优选方式，下介质层下表面的底层馈线为L型微带线，由四段不同宽度和长度的微带线组成，中间一段为能够产生圆极化的渐变微带线，该段微带线的渐变结构是在微带线的下半段各去掉一个角，使得能够与两边不同宽度的微带线相连接，实现圆极化匹配。
作为优选方式，两介质板之间空气层为9.3mm。
作为优选方式，支撑柱通过塑料螺拴固定两层介质板。
本发明的有益效果为：1、该款天线的尺寸小，实现了天线实际应用的小型化要求；2、本发明天线特性明显，一方面符合当今通信系统要求的双频工作要求，另一方面也符合天线传输无线波时需要抗干扰强的圆极化波的要求；并且两个工作频段之间差距较大，相互之间干扰较小；3、本发明使用分形结构设计天线，增加了天线的带宽，圆极化带宽至少也有200MHz以上；4、天线使用渐变结构馈线来产生圆极化波，使得结构简单，馈电简洁，使用微带线馈电方式适合天线安装组合，相较于传统的同轴馈电点馈电或者多个馈电点馈电简化了很多。
本发明天线能同时工作在两个频段内，低频段与高频段相互不影响，产生相同旋向的圆极化波，通过对天线的两个参数来讨论天线的工作性能，首先是天线的回波损耗参数，如图6所示，天线的回波损耗参数低于-10dB的带宽即是天线的工作带宽，分别为(3.3GHz-3.5GHz)(6.5GHz-7.5GHz)，相对带宽分别为5.8％和14.2％。如图7所示，是天线的圆极化轴比参数，天线轴比低于3dB即认为天线为在该频段内为圆极化天线，从图中可看出天线的圆极化带宽与回波损耗工作带宽近似一致，天线的圆极化特性良好。总体上看，实现了双频圆极化天线的设计。
附图说明
图1为本发明双频圆极化天线的三维整体结构示意图；
图2为该双频圆极化天线的侧视图；
图3为该双频圆极化天线上层辐射贴片示意图；
图4为该双频圆极化天线下层辐射贴片示意图；
图5为该双频圆极化天线背面示意图；
图6为该双频圆极化天线两个工作频段内的回波损耗参数示意图；
图7为该双频圆极化天线两个工作频段内的圆极化轴比参数示意图；
图8为本发明实施例1中Sierpinski三阶分形的过程示意图；
图9为本发明实施例2中Sierpinski三阶分形的过程示意图；
图10为本发明实施例3中Sierpinski三阶分形的过程示意图。
其中，1为上层辐射贴片，2为上介质板，3为支撑柱，4为空气层，5为下介质板，6为下层辐射贴片，7为底层馈线，71为渐变微带线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
本实施例解决的技术问题包括：
1、解决了如何使用双层板结构设计大频差双频圆极化天线。两层板分别谐振在不同的频段，通过调节两层板之间的距离，使得在不同工作频段不受相互之间的影响。天线的馈线部分采用渐变式结构来产生两个正交极化的波，从而实现圆极化，实现了双频圆极化天线的设计。
2、解决了如何使用分形结构设计天线，从而增加圆极化天线的带宽。分形结构的自相似性应用于天线设计，一方面可以使天线具有多频特性，一方面也能增加天线的工作带宽。所设计的这款天线将分形结构应用其中，相应的增加了天线的圆极化带宽。
3、解决了实际应用中天线尺寸过大的问题，设计的这款天线能够实现小型化，相对尺寸较小，实际应用很便利。所设计的天线总体尺寸为50mm*50mm*12.5mm，有两层通过过孔接口连接的辐射板，天线成本较低，两层板使用的都是较低成本的FR4板。
如图1至3所示，一种基于分形结构的双频圆极化天线，包括：上介质板2、上介质板2上表面的上层辐射贴片1、上介质板2下方的下介质板5、下介质板5下表面的下层辐射贴片6、位于上下介质板之间的支撑柱3、上下介质板之间的空气层4、下介质层下表面的底层馈线7，所述上层辐射贴片为Sierpinski三阶分形结构，下层辐射贴片用于对上介质板进行耦合馈电，下层辐射贴片上设有挖空结构。
如图8所示，所述Sierpinski三阶分形结构采用如下方式得到：将正方形平均分为9个小正方形，去除位于中心的一个小正方形，得到Sierpinski一阶分形结构；然后将周围的8个小正方形按上述步骤重复：均分为九等分，分别去除中间的一份，得到Sierpinski二阶分形结构；再在Sierpinski二阶分形结构基础上按上述步骤重复一次后得到所述Sierpinski三阶分形结构。
上层辐射贴片产生高频(6.5GHz-7.5GHz)谐振频段。该辐射贴片的平面示意图如图3所示，总体尺寸为48mm*48mm。上介质板是使用的FR4材料，厚度为1.6mm，第一层辐射贴片印刻在该层介质板的上表面。下层辐射贴片平面示意图如图4所示，该辐射贴片产生低频(3.3GHz-3.5GHz)的谐振频段。下介质板使用FR4材料制成，厚度为1.6mm，如图2的侧视图所示，下层辐射贴片印刻在此介质板上表面。两介质板之间空气层为9.3mm。支撑柱通过塑料螺拴固定两层介质板。
如图4所示，所述下层辐射贴片上的挖空结构为下层辐射贴片中心去除直径为22mm的圆圆形，除此以外也可以采用方形、椭圆、三角形的挖空结构。对下层辐射贴片进行挖空，主要是利用缝隙耦合原理，对上介质板进行馈电。
如图5所示，下介质层下表面的底层馈线7为L型微带线，底层馈线印刻在下介质层的下表面，其由四段不同宽度和长度的微带线组成，中间一段为能够产生圆极化的渐变微带线71，该段微带线的渐变结构是在微带线的下半段各去掉一个角，使得能够与两边不同宽度的微带线相连接，实现圆极化匹配。
本发明首次将Sierpinski分形结构应用到圆极化天线的设计当中，设计出一款新型的双频圆极化天线，该天线尺寸小，成本低，能同时工作在两个宽频带内，实现双频右旋圆极化。通过把分形应用到该圆极化天线设计，相对于传统的圆极化天线，首先能够增加天线的圆极化带宽(至少增加5％的相对带宽)。
本实施例通过两层辐射板的天线结构来实现双频圆极化，所设计的上介质板主要产生高频工作频带，通过上下两层板之间耦合馈电，使用了分形结构来增加天线的带宽并且实现天线小型化。下介质板有下辐射贴片，产生低频的工作频段，馈线使用渐变结构产生两个正交波，从而实现圆极化。天线在两个频段内都是右旋圆极化，相互之间不影响，圆极化方向为天线的最大辐射方向。通过对天线的回波损耗参数以及圆极化轴比两个参数的分析，可以得到天线具有良好的性能，天线在工作带宽内都能产生圆极化波，所以，所设计的天线在通信系统中应用很便利。
实施例2
本实施例和实施例1基本相同，区别在于：如图9所示，所述Sierpinski分形结构采用如下方式得到：将等边三角形平均分为四个小正三角形，然后去除中间一个三角形，得到了一阶分形的Sierpinski三角毯，将这个步骤在剩下的三个等边三角形上重复两次，就得到了三阶Sierpinski分形结构。
实施例3
本实施例和实施例1基本相同，区别在于：如图10所示，所述Sierpinski分形结构采用如下方式得到：将直角三角形平均分为四个小直角三角形，然后去除中间一个直角三角形，得到了一阶分形的Sierpinski三角毯，将这个步骤在剩下的三个直角三角形上重复两次，就得到了三阶Sierpinski分形结构。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于分形结构的双频圆极化天线，其特征在于，包括：上介质板(2)、上介质板(2)上表面的上层辐射贴片(1)、上介质板(2)下方的下介质板(5)、下介质板(5)下表面的下层辐射贴片(6)、位于上下介质板之间的支撑柱(3)、上下介质板之间的空气层(4)、下介质层下表面的底层馈线(7)，所述上层辐射贴片为Sierpinski三阶分形结构，下层辐射贴片用于对上介质板进行耦合馈电，下层辐射贴片上设有挖空结构。
2.根据权利要求1所述的基于分形结构的双频圆极化天线，其特征在于：所述Sierpinski三阶分形结构采用如下方式得到：将正方形平均分为9个小正方形，去除位于中心的一个小正方形，得到Sierpinski一阶分形结构；然后将周围的8个小正方形按上述步骤重复：均分为九等分，分别去除中间的一份，得到Sierpinski二阶分形结构；再在Sierpinski二阶分形结构基础上按上述步骤重复一次后得到所述Sierpinski三阶分形结构。
3.根据权利要求1所述的基于分形结构的双频圆极化天线，其特征在于：所述Sierpinski分形结构采用如下方式得到：将等边三角形平均分为四个小正三角形，然后去除中间一个三角形，得到了一阶分形的Sierpinski三角毯，将这个步骤在剩下的三个等边三角形上重复两次，就得到了三阶Sierpinski分形结构。
4.根据权利要求1所述的基于分形结构的双频圆极化天线，其特征在于：所述Sierpinski分形结构采用如下方式得到：将直角三角形平均分为四个小直角三角形，然后去除中间一个直角三角形，得到了一阶分形的Sierpinski三角毯，将这个步骤在剩下的三个直角三角形上重复两次，就得到了三阶Sierpinski分形结构。
5.根据权利要求1所述的基于分形结构的双频圆极化天线，其特征在于：所述下层辐射贴片上的挖空结构为下层辐射贴片上去除圆形、方形、椭圆、三角形其中一种结构。
6.根据权利要求1所述的基于分形结构的双频圆极化天线，其特征在于：下介质层下表面的底层馈线(7)为L型微带线，由四段不同宽度和长度的微带线组成，中间一段为能够产生圆极化的渐变微带线(71)，该段微带线的渐变结构是在微带线的下半段各去掉一个角，使得能够与两边不同宽度的微带线相连接。
7.根据权利要求1所述的基于分形结构的双频圆极化天线，其特征在于：两介质板之间空气层为9.3mm。
8.根据权利要求1所述的基于分形结构的双频圆极化天线，其特征在于：支撑柱通过塑料螺拴固定两层介质板。
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