CN109802227B - 一种基于强耦合的多频宽带分形阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天线技术领域，公开了一种基于单元间强耦合的多频带和宽带分形阵列天线，包括由下而上设置的地板、辐射层和导向层，辐射层和导向层均由至少一个周期分形单元排列形成，所述周期分形单元包括：中心阵元和多个边缘阵元，多个边缘阵元均匀对称设置在中心阵元的周围，辐射层上的周期分形单元的中心阵元与其中一些边缘阵元之间均通过馈电端口连接，辐射层上周期分形单元的中心阵元与其余边缘阵元之间均通过电容耦合相连，导向层上的周期分形单元的中心阵元和边缘阵元之间互不相连，这种基于强耦合的分形阵列天线，包含多个频段、每个频段具有较大带宽。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种基于强耦合的多频宽带分形阵列天线。
背景技术
天线作为无线通讯系统的重要部件，其主要作用是在特定方向上接收和发射电磁波能力，因此天线的性能往往决定着整个无线通讯系统的性能。由于分形天线因其结构的自相似特性而具有多频带性。同时，由于分形天线具有分数维以及相应的空间填充特性，从而能缩减天线尺寸和面积；且可以通过在相邻分形单元之间引入电容互耦增加耦合强度的强耦合技术，减小紧密排列的分形单元感抗，改善了分形天线的阻抗匹配特性，工作频带得以展宽。随着无线通讯设备的体积不断减小以及工作频段不断向宽频带发展，需要设计出适用于现代无线通讯的低剖面、易集成、多频带和宽带化及小型化的天线。而本发明正是为解决以上需求而提出。
发明内容
本发明提供一种基于强耦合的多频宽带分形阵列天线，可以解决现有技术中的上述问题。
本发明提供了一种基于强耦合的多频宽带分形阵列天线，包括由下而上设置的地板、辐射层和导向层，辐射层和导向层均由至少一个周期分形单元排列形成，所述周期分形单元包括：中心阵元和多个边缘阵元，多个边缘阵元均匀对称设置在中心阵元的周围，辐射层上的周期分形单元的中心阵元与其中一些边缘阵元之间均通过馈电端口连接，辐射层上周期分形单元的中心阵元与其余边缘阵元之间均通过耦合电容相连，导向层上的周期分形单元的中心阵元和边缘阵元之间互不相连，辐射层上的周期分形单元的中心阵元和多个边缘阵元之间的单元间距均为0.1λh～0.3λh，λh为天线阵列最高工作频率时自由空间的波长；导向层上的周期分形单元的中心阵元和多个边缘阵元之间的单元间距均为0.1λh～0.3λh；
辐射层上相邻两个中心阵元之间的边缘阵元为第一共用边缘阵元，第一共用边缘阵元的一端与其中一个中心阵元通过馈电端口连接，第一共用边缘阵元的另一端与另一个的中心阵元通过耦合电容相连，
导向层上相邻两个中心阵元之间的边缘阵元为第二共用边缘阵元，第二共用边缘阵元与相邻两个中心阵元互不相连；
辐射层与导向层之间的层间距为0.15λh～0.4λh，辐射层与地板之间层间距离为0.2λh～0.25λh。
所述地板、辐射层和导向层相邻两层之间由空气隔绝。
所述辐射层和导向层均印刷于相对介电常数为2.3，厚度为0.04mm的介质薄膜上；辐射层、导向层以及地板之间由相对介电常数为1.03的材料填充。
所述中心阵元为边长为0.4λh～0.6λh的正方形Sierpinski Carpet天线阵元。
所述Sierpinski Carpet天线阵元的分形维D＝log8/log3＝1.8928。
所述中心阵元为直径为0.4λh～0.6λh的圆形Koch Snow天线阵元。
所述Koch Snow天线阵元的分形维D＝log4/log3＝1.2619。
所述天线阵列的工作频带可通过改变分形单元的尺寸和结构进行调整。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过分形天线结构具有自相似性和自填充性的特性获得多频带、小型化的性能；又使用强耦合技术将单个分形天线组成阵列，扩宽分形天线多个频带的带宽；通过强耦合和分形天线结合获得包含多个频段、每个频段具有较大带宽的分形天线阵列，满足现代无线通讯对天线的要求。
附图说明
图1为本发明提供的Koch分形天线曲线的前4阶生成过程示意图。
图2为本发明提供的Koch分形天线中中心阵元的结构示意图。
图3为本发明提供的Koch分形天线中辐射层的周期分形单元的结构示意图。
图4为本发明提供的由一个周期分形天线组成的强耦合的Koch分形天线阵列的结构示意图。
图5为本发明提供的Sierpinski Carpet分形天线曲线的前4阶生成过程的示意图。
图6为本发明提供的Sierpinski Carpet分形天线阵中心阵元的结构示意图。
图7为本发明提供的Sierpinski Carpet分形天线中辐射层的周期分形单元的结构示意图。
图8为本发明提供的由一个周期分形天线组成的强耦合的Sierpinski Carpet分形天线阵列的结构示意图。
图9为本发明提供的由多个强耦合的Sierpinski Carpet(谢尔宾斯基地毯)周期分形单元组成的导向层。
图10为本发明提供的由多个强耦合的Sierpinski Carpet(谢尔宾斯基地毯)周期分形单元组成的辐射层。
图11为本发明提供的一个阵面周围含有16个线型单元的基于强耦合的Sierpinski Carpet(谢尔宾斯基地毯)周期分形单元组成的宽带阵列天线的立体图。
图12为本发明提供的基于强电容耦合的Sierpinski Carpet分形阵列天线在频段内非扫描状态下的驻波特性VSWR。
图13为本发明提供的基于强电容耦合的Sierpinski Carpet分形阵列天线的端口反射系数S11。
附图标记说明：
1-地板，2-辐射层，3-导向层，4-中心阵元，5-边缘阵元。
具体实施方式
下面结合附图1-13，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图3和图4所示，本发明实施例提供的一种基于强耦合的多频宽带分形阵列天线，包括由下而上设置的地板、辐射层和导向层，辐射层和导向层均由至少一个周期分形单元排列形成，所述周期分形单元包括：中心阵元4和多个边缘阵元5，多个边缘阵元5均匀对称设置在中心阵元4的周围，辐射层2上的周期分形单元的中心阵元4与其中一些边缘阵元5之间均通过馈电端口连接，辐射层2上周期分形单元的中心阵元4与其余边缘阵元5之间均通过耦合电容相连，导向层3上的周期分形单元的中心阵元4和边缘阵元5之间互不相连，辐射层2上的周期分形单元的中心阵元4和多个边缘阵元5之间的单元间距均为0.1λh～0.3λh，λh为天线阵列最高工作频率时自由空间的波长；导向层3上的周期分形单元的中心阵元4和多个边缘阵元5之间的单元间距均为0.1λh～0.3λh；
辐射层2上相邻两个中心阵元4之间的边缘阵元5为第一共用边缘阵元，第一共用边缘阵元的一端与其中一个中心阵元4通过馈电端口连接，第一共用边缘阵元的另一端与另一个的中心阵元4通过耦合电容相连，
导向层3上相邻两个中心阵元4之间的边缘阵元5为第二共用边缘阵元，第二共用边缘阵元与相邻两个中心阵元4互不相连；
辐射层2与导向层3之间的层间距为0.15λh～0.4λh，辐射层2与地板1之间层间距离为0.2λh～0.25λh。
耦合电容为与辐射层2的阵元末端之间相连，具有强电容效应。
所述地板1、辐射层2和导向层3相邻两层之间由空气隔绝。
所述辐射层2和导向层3均印刷于相对介电常数为2.3，厚度为0.04mm的介质薄膜上；辐射层2、导向层3以及地板1之间由相对介电常数为1.03的材料填充。
如图5、图6、图7和图8所示，所述中心阵元为边长为0.4λh～0.6λh的正方形Sierpinski Carpet天线阵元。
如图5所示，所述Sierpinski Carpet天线阵元的分形维D＝log8/log3＝1.8928。
如图1、图2、图3和图4所示，所述中心阵元为直径为0.4λh～0.6λh的圆形Koch Snow天线阵元。
如图1所示，所述Koch Snow天线阵元的分形维D＝log4/log3＝1.2619。
所述具体实施例天线阵列的工作频带为1-40GHz。
最高频指天线阵列工作频带的最高频率，假设阵列天线的工作频率带宽为1-12GHz，其最高频率fh＝12GHz，根据λ＝c/f,其中λ是波长，c是光速，f是电磁波频率。则天线阵列最高频率时波长的四分之一
单元间距：组成天线阵列的各个单元间的距离。
所述中心阵元为边长为0.4λh～0.6λh的正方形Sierpinski Carpet天线阵元。
所述Sierpinski Carpet天线阵元的分形维D＝log8/log3＝1.8928。
所述中心阵元为直径为0.4λh～0.6λh的圆形Koch Snow天线阵元。
所述Koch Snow天线阵元的分形维D＝log4/log3＝1.2619。
制作方法说明：
本发明提出了一种基于分形单元强耦合的多频宽带阵列天线，强耦合多频宽带分形阵列天线由两层印刷有分形单元的周期结构构成，如图4和图8所示，将单元末端之间通过耦合电容相连的下层周期结构称为辐射层，而将位于天线结构顶部互不相连的分形单元称为导向层。辐射层与地板之间的距离为天线阵列最高频率时波长的0.2λh～0.25λh，单元间距为最高频处0.1λh～0.3λh。
强耦合多频宽带分形阵列天线结构简单，无需像其它宽带阵列设计一样使用多种不同厚度、不同介电常数的微波介质板材，因此降低了设计难度。另外，辐射层与导向层的工程实现方式也极为灵活，本发明实施例采用厚度极薄的敷铜介质材料制作加工该天线，其中辐射层和导向层均印刷在厚度可以忽略不计的超薄介质薄膜上(厚度0.04mm，相对介电常数2.3)；而辐射层、导向层以及地板之间由相对介电常数约为1.03的材料填充。
工作原理：
基于以上描述的周期单元，将之拓展至符合实际的有限大阵列。本实例考虑用此周期分形单元组成16阵元线型分布的天线阵，如图9、图10和图11所示，发射机产生的调制高频振荡电流经馈电设备传输到分形阵列周期单元的端口馈电，分形发射天线单元将高频电流或导波转变成无线电波即自由电磁波向周围空间辐射。整个阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和即矢量和。由于各单元接收的馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，阵列各分形单元向外辐射电磁场，这些电磁场在空间进行干涉合成，形成一定指向的波束。同时该阵列天线也可作为接收端，无线电波通过接收天线转变成高频电流或导波，经馈电设备传送到接收机。
本发明具体实施例为工作频带为1-40GHz的基于强电容耦合分形单元的阵列天线。经过优化设计上下两层分形单元的内外半径，得到了一组满足上述带宽要求的周期单元，组成强耦合宽带分形天线阵列。
图12给出了基于新型分形单元设计的阵列在全频段内的理论仿真驻波特性，可以看出该直线阵列天线在驻波小于3.0的频段有四个：2.40-6.75GHz频带，17.5-17.76GHz频带，33.01-33.43GHz频带和37.16-38.28GHz频带内驻波均小于3.0，因此表明基于强电容耦合的Sierpinski Carpet分形阵列天线设计具有多频带、宽带的特性。
由图13可知，在2.40-6.75GHz频带，17.5-17.76GHz频带，33.01-33.43GHz频带和37.16-38.28GHz这四个频带范围内VSWR<3.0，VSWR为Voltage Standing Wave Ratio的简称，即电压驻波比，简称驻波比，等效为端口反射系数S11<-15dB，可见该分形天线阵列在多个频段、每个频段具有较大带宽，达到预定的设计要求。
本发明通过分形天线结构具有自相似性和自填充性的特性实现多频工作和尺寸缩减，使用强耦合技术连接单个分形天线组成阵列扩宽分形天线多个频带的宽度，通过强耦合和分形天线结合获得包含多个频段、每个频段具有较大带宽的分形天线阵列，满足现代无线通讯对天线的要求。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于强耦合的多频宽带分形阵列天线，其特征在于，包括由下而上设置的地板、辐射层和导向层，辐射层和导向层均由至少一个周期分形单元排列形成，所述周期分形单元包括：中心阵元（4）和多个边缘阵元（5），多个边缘阵元（5）均匀对称设置在中心阵元（4）的周围，辐射层（2）上的周期分形单元的中心阵元（4）与其中一些边缘阵元（5）之间均通过馈电端口连接，辐射层（2）上周期分形单元的中心阵元（4）与其余边缘阵元（5）之间均通过耦合电容相连，导向层（3）上的周期分形单元的中心阵元（4）和边缘阵元（5）之间互不相连，辐射层（2）上的周期分形单元的中心阵元（4）和多个边缘阵元（5）之间的单元间距均为0.1λh～0.3λh，λh为天线阵列最高工作频率时自由空间的波长；导向层（3）上的周期分形单元的中心阵元（4）和多个边缘阵元（5）之间的单元间距均为0.1λh～0.3λh；
辐射层（2）上相邻两个中心阵元（4）之间的边缘阵元（5）为第一共用边缘阵元，第一共用边缘阵元的一端与其中一个中心阵元（4）通过馈电端口连接，第一共用边缘阵元的另一端与另一个的中心阵元（4）通过耦合电容相连；
导向层（3）上相邻两个中心阵元（4）之间的边缘阵元（5）为第二共用边缘阵元，第二共用边缘阵元与相邻两个中心阵元（4）互不相连；
辐射层（2）与导向层（3）之间的层间距为0.15λh～0.4λh，辐射层（2）与地板（1）之间层间距离为0.2λh～0.25λh；
所述中心阵元为边长为0.4λh～0.6λh的正方形Sierpinski Carpet天线阵元；
所述Sierpinski Carpet天线阵元的分形维 D=log8/log3=1.8928；
所述地板（1）、辐射层（2）和导向层（3）相邻两层之间由空气隔绝。
2.如权利要求1所述的基于强耦合的多频宽带分形阵列天线，其特征在于，所述辐射层（2）和导向层（3）均印刷于相对介电常数为2.3，厚度为0.04mm的介质薄膜上；辐射层（2）、导向层（3）以及地板（1）之间由相对介电常数为1.03的材料填充。
3.如权利要求1所述的基于强耦合的多频宽带分形阵列天线，其特征在于，所述中心阵元为直径为0.4λh～0.6λh的圆形Koch Snow天线阵元。
4.如权利要求3所述的基于强耦合的多频宽带分形阵列天线，其特征在于，所述KochSnow天线阵元的分形维D=log4/log3=1.2619。
5.如权利要求1所述的基于强耦合的多频宽带分形阵列天线，其特征在于，所述天线阵列的工作频带为1-40GHz。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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