CN109546345A - 一种基于科赫分形的小型化超宽带六边形天线 - Google Patents

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段雅琼
金杰
何政蕊
杨竟松
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Tianjin University
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors

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Abstract

本发明公开了一种基于科赫分形的小型化超宽带六边形天线，包括介质基板、辐射贴片、接地板和馈电网络，所述介质基板由玻璃纤维环氧树脂材料FR4构成，介质基板的相对介电常数为4.4，介电损耗正切值为0.02，厚度为1.5mm；所述辐射贴片和接地板均位于介质基板的一侧，所述辐射贴片为基于科赫分形的六边形形状，辐射贴片为科赫分形谐振部分，所述辐射贴片底部与馈电网络连接。本发明天线相较于一般的小型化天线，尺寸大大缩减，覆盖频率广，适于无线通信系统及设备，是最近电磁领域研究的热点，有极大的发展前景。

Description

一种基于科赫分形的小型化超宽带六边形天线
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其涉及一种基于科赫分形的小型化超宽带六边形天线。
背景技术
由于天线的设计尺寸具有与工作波长可比拟的特性，因此小型化对于天线具有普遍而重要的意义。采用分形实现天线小型化的方案在今年来研究天线小型化的热点。分形的空间填充性能保证在不改变天线总体物理尺寸和不降低天线性能的前提下，随着迭代次数增加而使电流路径不断增长，使谐振频率往低频段移动，从而实现天线小型化、紧凑化。在迭代次数增加使基次谐频频率降低的同时，输入阻抗始终呈纯阻性，因此很容易匹配。而且，基次谐频辐射特性并不会因此发生显著变化。另外，分形小型化的程度或尺寸缩减效果可以通过迭代次数和初始体的灵活选择来自由控制，因此分形小型化方法还具有很大灵活性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种在2.3GHz-10.2GHz频段的基于科赫分形的小型化超宽带六边形天线，该天线相较于一般的小型化天线，尺寸大大缩减，覆盖频率广，适于无线通信系统及设备，是最近电磁领域研究的热点，有极大的发展前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于科赫分形的小型化超宽带六边形天线，包括介质基板、辐射贴片、接地板和馈电网络，所述介质基板由玻璃纤维环氧树脂材料FR4构成，介质基板的相对介电常数为4.4，介电损耗正切值为0.02，厚度为1.5mm；所述辐射贴片和接地板均位于介质基板的一侧，所述辐射贴片为基于科赫分形的六边形形状，辐射贴片为科赫分形谐振部分，所述辐射贴片底部与馈电网络连接。
进一步的，所述辐射贴片由五个边长为1mm的科赫三角形和一个边长为3.8mm正六边形组成。
进一步的，所述馈电点采用微带馈电，尺寸为4.5mm×1.5mm。
进一步的，所述介质基板的长和宽分别为14.5mm×13.8mm。
进一步的，所述接地板的规格尺寸为3.25mm×5.75mm。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.通过仿真分析得到本发明天线在2.3GHz-10.2GHz的频段范围内均可以谐振，带宽为7.9GHz，覆盖了较为常用的2.45GHz、3.5GHz和5.8GHz等频率,满足了超宽带天线的要求，有效缩减了通信设备的天线数量,实现了天线的超宽带功能。
2.天线的最终尺寸为14.5mm×13.8mm×1.523mm，尺寸大大缩减，实现了小型化和超宽带的结合。
附图说明
图1(a)、图1(b)是经典六边形天线及本发明天线的俯视结构示意图。
图2是本发明的侧视结构示意图。
图3是科赫分形迭代变换过程。
图4是本发明具体实施例的结构尺寸示意图。
图5为原有六边形天线的回波损耗图
图6(a)、6(b)和6(c)分别为本发明天线不同尺寸下的回波损耗图。
附图标记：1-介质基板，2-辐射贴片，3-馈电网络，4-接地板
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明保护一种基于科赫分形的小型化超宽带六边形天线，包括介质基板1、辐射贴片2、接地板4和馈电网络3，辐射贴片2设置为基于科赫分形的六边形，介质基板1由玻璃纤维环氧树脂材料FR4构成，其相对介电常数为4.4，介电损耗正切值为0.02；接地板4和辐射贴片2均位于于介质基板1上表面，辐射贴片2包括五个边长为1mm的科赫分形正三角形和一个边长为3.8mm的正六边形。馈电网络采用微带馈电，尺寸为4.5mm×1.5mm。
如图1(a)所示，六边形天线的谐振部分由一个六边形构成，采用共平面馈电形式，本发明六边形天线如图1(b)所示，本天线是由该六边形的谐振部分经过科赫分形形成的，科赫分形过程如图3所示，本天线采用的是科赫分形二阶变换结果，该曲线可以增加电路路径，从而展宽天线的带宽。
如图4所示：该图表示的是本实施例天线经过优化设计后的尺寸图，具体尺寸参数如下：
A＝3.8mm，B＝1mm，hg＝3.25mm，Wsub＝14.5mm，Lsub＝13.8mm，lf＝4.5mm，wf＝1.5mm，lg＝5.75mm，介质基板厚度为1.523mm。
进一步的，利用全波电磁仿真软件HFSS，对天线的回波损耗进行了仿真并对其结构进行了优化。
由于科赫分形天线辐射，天线的谐振频率和谐振带宽和传统的六边形天线相比都会发生改变。一般的六边形天线只在1.4GHz-8GHz频率范围内表现谐振，在3.7GHz处回波损耗达到最小值-19.84，其回波损耗图如图5所示。在一般的六边形天线上做科赫分形，并对分形参数B做扫描分析，其回波损耗图如图6(a)，仿真结果表明天线在1.36GHz-8.14GHz范围内回波损耗小于了-10dB，在3.9GHz处回波损耗达到最小值-23.02，天线的带宽增加，回波损耗减小，但是并没有达到超宽带天线的要求。在六边形天线中，改变六边形边长A的大小可以改变天线的谐振频率，为了使天线的谐振频率满足超宽带天线的要求，在全波电磁仿真软件HFSS中对天线的参数A进行参数化扫描，同时考虑到天线尺寸过小会影响制作，最终确定取A为3.8mm，此时天线的谐振频率低频升高到了2.81GHz，但是高频部分还未达到要求的10GHz，图6(b)为A＝3mm的天线回波损耗图。这时我们通过扫描H、Lsub发现，当H＝1.523mm，Lsub＝13.8mm时天线的回波损耗达到了最佳状态，如图6(c)所示，此时天线在2.3GHz-10.2GHz频率内回波损耗达到了-10dB一下，在4.2GHz处达到最小值，为-62dB，尺寸也最小，实现了小型化超宽带天线的性能要求。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于科赫分形的小型化超宽带六边形天线，包括介质基板、辐射贴片、接地板和馈电网络，其特征在于，所述介质基板由玻璃纤维环氧树脂材料FR4构成，介质基板的相对介电常数为4.4，介电损耗正切值为0.02，厚度为1.5mm；所述辐射贴片和接地板均位于介质基板的一侧，所述辐射贴片为基于科赫分形的六边形形状，辐射贴片为科赫分形谐振部分，所述辐射贴片底部与馈电网络连接。
2.根据权利要求1所述一种基于科赫分形的小型化超宽带六边形天线，其特征在于，所述辐射贴片由五个边长为1mm的科赫三角形和一个边长为3.8mm正六边形组成。
3.根据权利要求1所述一种基于科赫分形的小型化超宽带六边形天线，其特征在于，所述馈电点采用微带馈电，尺寸为4.5mm×1.5mm。
4.根据权利要求1所述一种基于科赫分形的小型化超宽带六边形天线，其特征在于，所述介质基板的长和宽分别为14.5mm×13.8mm。
5.根据权利要求1所述一种基于科赫分形的小型化超宽带六边形天线，其特征在于，所述接地板的规格尺寸为3.25mm×5.75mm。
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