CN107069199A - 一种基于三叉树弧形分形结构的偶极子贴片天线 - Google Patents

一种基于三叉树弧形分形结构的偶极子贴片天线 Download PDF

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Abstract

一种基于三叉树弧形分形结构的偶极子贴片天线，由正反两面构成，正面包括由三叉树一阶弧形结构、二阶弧形结构、天线直线结构组成的天线振子一，阻抗匹配、微带传输输入线、巴伦馈电结构等，天线的反面是与天线振子一结构完全轴对称的天线振子二，以及阻抗匹配、微带传输输出线等。本发明采用微带巴伦馈电方式，结合三叉树与弧形结构设计出二阶分形偶极子贴片天线，利用分形结构的自相似性和空间填充性，使得在满足天线增益、方向图输入阻抗、辐射均匀性等技术指标的前提下尺寸更加小，达到天线小型化的要求。该天线结构简单易实现，性能稳定，在RFID领域有较广阔的应用前景。

Description

一种基于三叉树弧形分形结构的偶极子贴片天线
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及到通信领域中的信息发射与接收效率，以及天线设计参数优化问题。
背景技术
无线通信技术的不断发展，使得通信的引用越来越广泛，同时很多工作在不同频段的通信系统使用不同的收发天线，那么对天线的小型化要求越来越高。通过对分形天线的研究发现，分形天线具有尺寸小、容易加工、成本低廉等特点，并且能够适应无线通信的需求。利用天线分形结构的空间填充性设计天线可以使得天线的尺寸减缩成为可能。因此，分形天线在无线通信、卫星、移动通信方面都有着巨大的发展潜力和非常广阔的市场前景。
为了解决天线小型化的问题，可以利用分形结构的局部相似性和空间填充性来实现天线的小型化。目前已经提出了很多分形天线，主要有Koch分形体天线、Koch分形贴片天线、Sierpinski天线，还有将Koch分形天线和Sierpinski分形相结合的天线等。微型化的加号形状的分形天线与十字交叉型的分形天线，分别将天线的大小减小到正常尺寸的81.77%和89.8%。Koch分形贴片天线在工作使产生的磁场可能不是很均匀，如果在恶劣条件下使用，一定情况下会对通信质量产生一定的影响。此外还有矩形与二叉树结构结合设计出的矩形分形树天线，圆形贴片天线和高增益的星星分形结构的天线。这些天线各有优点，但是有些阻抗匹配不是很好，输入反射系数在工作频率处的值比较大。有研究表明天线在工作时，天线的电流方向如果一致可以产生更加均匀的磁场。因此，本发明在设计三叉树弧形分形天线不仅能保证天线的微型化，同时也可以加强天线的辐射性能。
发明内容
本发明利用分形结构的空间填充性与局部相似的特点，结合三叉树与弧形结构提出了一种无线射频识别弧形分形偶极子贴片天线设计。该设计在保证天线在工作频率下能够满足天线特性参数的同时，实现了减小天线尺寸的问题，同时能够实现良好的阻抗匹配，使天线的工作效率达到更高要求。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的基于三叉树弧形分形结构的偶极子贴片天线是由正反两面构成，正面包括由三叉树一阶弧形结构（1）、二阶弧形结构（2）、天线直线结构（3）组成的天线振子一（4），天线的反面是与天线振子一（4）结构完全轴对称的天线振子二（5）。
本发明天线还包括天线正面的天线振子一的阻抗匹配（6）、微带传输输入线（8）、巴伦馈电结构一（9）和巴伦馈电结构二（11）；天线反面的天线振子二的阻抗匹配（7）和微带传输输出线（10）。
本发明所述的三叉树一阶弧形结构是由一个一端与天线直线结构（3）连接，且两个弧形端点与天线直线结构（3）同在一直线上的弧形朝下的半圆弧形结构，以及以该半圆弧形与天线直线结构（3）的连接端点（A）分别顺时针旋转90度和逆时针旋转90度形成的两个半圆弧形结构构成。
本发明所述的三叉树二阶弧形结构是由一个一端与一阶弧形结构的半圆弧形结构的外侧端连接，且两个弧形端点与天线直线结构（3）同在一直线上的弧形朝上的半圆弧形结构，以及以该半圆弧形与一阶弧形结构的连接端点（B）分别顺时针旋转90度和逆时针旋转90度形成的两个半圆弧形结构构成。其中，二阶弧形结构的半圆弧形的半径为一阶弧形结构半圆弧形的半径的三分之一（1/3）。
本发明天线正面，天线振子一阻抗匹配（6）一端与天线直线结构（3）连接，另一端与微带传输输入线（8）连接，巴伦馈电结构一（9）和巴伦馈电结构二（11）位于微带传输输入线（8）左右对称两端；天线反面，天线振子二阻抗匹配（7）一端与天线振子二的天线直线结构连接，另一端与微带传输输入线（8）连接。
本发明的天线臂整体结构是中心轴对称（C轴），而天线振子一阻抗匹配（6）与天线振子二阻抗匹配（7）、微带传输输入线（8）与微带传输输出线（10）正反面对称，巴伦馈电结构一（9）和巴伦馈电结构二（11）位于微带传输输入线（8）左右对称两端，巴伦馈电结构一（9）和巴伦馈电结构二（11）采取巴伦馈电结构是为了在天线馈电中消除馈线谐振引起的相位误差。
为了达到更好的阻抗匹配效果，本发明采用平行线实现阻抗匹配。将天线振子一的阻抗匹配（6）和天线振子二的阻抗匹配（7）的结构设计为矩形，将这个矩形结构作为一个阻抗转换器，通过调节矩形结构长宽的大小来实现阻抗匹配。
本发明的优点是采用微带巴伦馈电方式，结合三叉树与弧形结构设计出二阶分形偶极子贴片天线，采用分形结构的自相似性和空间填充性，使得在满足天线增益、方向图、输入阻抗等技术指标的前提下尺寸更加小，满足天线小型化的要求。利用HFSS软件进行仿真，对每个模型变量进行了扫描优化已到达最优，并加工出天线实物进行测试，检测结果与数值仿真相近，具有实用价值。该分形天线中每个弧形电流的方向基本一致，并且辐射面积相对比较大，辐射性能比较好，在无线射频识别领域中，不仅阅读标签的距离远，而且不会对标签的阅读产生遗漏。该天线结构简单易实现，在RFID领域将有更加广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明设计的三叉树弧形分形天线结构示意图。其中实线表示天线正面，虚线表示天线反面。
图2为本发明设计的三叉树弧形分形天线尺寸示意图。其中，AW为天线宽度，AL为天线的直线长度，sub_length为介质的长度， sub_width为介质的宽度，radius1为一阶弧形结构半圆弧形的半径，radius2为二阶弧形结构的半圆弧形的半径， tri_width为巴伦馈电结构的三角形宽度， tri_length为巴伦馈电结构的三角形长度，gap为微带传输输出线宽度， length为微带传输输出线长度， sub_length为介质的长度， sub_width为介质的宽度， z_w为矩形结构的天线振子阻抗匹配的宽度， z_l为矩形结构的天线振子阻抗匹配的长度。
图3为本发明设计的三叉树弧形分形天线正面示意图。
图4为本发明设计的三叉树弧形分形天线反面示意图。
其中，1为三叉树一阶弧形结构，2为二阶弧形结构、3为天线直线结构，4为天线振子一，5为天线振子二，6为天线振子一的阻抗匹配，7为天线振子二的阻抗匹配结构，8为微带传输输入线，9为巴伦馈电结构一，11为巴伦馈电结构二，10为微带传输输出线。
具体实施方式
本发明将通过以下实施例作进一步说明。
1、本发明天线参数的设置是按照以下数据实现的（图2）。
① 天线宽度antenna_width(AW)为0.6mm，天线的直线长度antenna_length(AL)为8.2mm；
② 天线的一阶弧形结构半圆弧形的半径radius1为3mm，每个一阶弧形与相邻弧形的夹角为90度，天线的二阶弧形结构半圆弧形的半径radius2为1mm，每个二阶弧形与相邻的弧形夹角为90度；
③ 天线的巴伦馈电结构采用两个小的三角形和微带组合而成，每个小三角形宽度tri_width为4 mm，三角形长度tri_length为4.5mm，天线的微带传输输入/出线宽度gap为1.56mm，微带传输输入/出线长度length为4mm；
④天线采用介质材料为介电常数，介质损耗角正切的环氧玻璃布板，介质的长度sub_length为35mm，介质的宽度sub_width为22mm，介质高度sub_height为0.8mm。
⑤本发明采用平行双线结构实现阻抗匹配，每个矩形结构的天线振子阻抗匹配的宽度z_w为4mm，矩形结构的天线振子阻抗匹配的长度z_l为6.5mm。
2、本发明将天线部分设置为理想电导体边界条件。此外还制作一个大小为112.5*92.5*62.6mm3的空气盒子，设置为辐射边界条件，将边界看作延伸到空间无穷远处，来模拟天线分析问题。
3、本发明采用驱动模式下的波端口激励方式，设置新的工作模式与积分线，将归一化的阻抗设置为50Ω。
4、本发明求解设置为中心频率为2.45GHz，求解最大迭代步数为20，求解结束为网格划分最大目标为0.02，添加扫频设置为快速扫频方试，从2GHz到3GHz，步长为0.01GHz。
5、设置完成后，对天线进行设计检查与运行仿真。仿真结束对天线的各个参数进行分析，如果不满足要求对天线的各个参数进行优化设计，以达到天线的设计需求。
本发明结合三叉树分形天线与弧形分形天线结构，提出一种新型的三叉树弧形分形天线结构，该结构与二叉树天线、二叉树弧形分形天线相比，在微型化方面有比较明显的优势，不仅能满足天线工作需求的各个性能参数，而且制作方便，可以降低天线成本，在研究RFID技术方面具有较好的应用前景。

Claims (2)

1.一种基于三叉树弧形分形结构的偶极子贴片天线，由正反两面构成，其特征是正面包括由三叉树一阶弧形结构（1）、二阶弧形结构（2）、天线直线结构（3）组成的天线振子一（4），天线的反面是与天线振子一（4）结构完全轴对称的天线振子二（5）；
还包括天线正面的天线振子一的阻抗匹配（6）、微带传输输入线（8）、巴伦馈电结构一（9）和巴伦馈电结构二（11）；天线反面的天线振子二的阻抗匹配（7）和微带传输输出线（10）；
所述的三叉树一阶弧形结构是由一个一端与天线直线结构（3）连接，且两个弧形端点与天线直线结构（3）同在一直线上的弧形朝下的半圆弧形结构，以及以该半圆弧形与天线直线结构（3）的连接端点（A）分别顺时针旋转90度和逆时针旋转90度形成的两个半圆弧形结构构成；
所述的三叉树二阶弧形结构是由一个一端与一阶弧形结构的半圆弧形结构的外侧端连接，且两个弧形端点与天线直线结构（3）同在一直线上的弧形朝上的半圆弧形结构，以及以该半圆弧形与一阶弧形结构的连接端点（B）分别顺时针旋转90度和逆时针旋转90度形成的两个半圆弧形结构构成；其中，二阶弧形结构的半圆弧形的半径为一阶弧形结构半圆弧形的半径的三分之一；
在天线正面，天线振子一阻抗匹配（6）一端与天线直线结构（3）连接，另一端与微带传输输入线（8）连接，巴伦馈电结构一（9）和巴伦馈电结构二（11）位于微带传输输入线（8）左右对称两端；在天线反面，天线振子二阻抗匹配（7）一端与天线振子二的天线直线结构连接，另一端与微带传输输入线（8）连接；
天线臂整体结构是中心轴对称，而天线振子一阻抗匹配（6）与天线振子二阻抗匹配（7）、微带传输输入线（8）与微带传输输出线（10）正反面对称，巴伦馈电结构一（9）和巴伦馈电结构二（11）位于微带传输输入线（8）左右对称两端。
2.根据权利要求1所述的基于三叉树弧形分形结构的偶极子贴片天线，其特征是天线振子一的阻抗匹配（6）和天线振子二的阻抗匹配（7）的结构为矩形，通过调节矩形结构长宽的大小来实现阻抗匹配。
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