CN110048228A - 一种类Sierpinski分形超宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种类Sierpinski分形超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线和截短接地板，所述辐射贴片和微带馈线均印制在所述介质基板的正面，所述截短接地板印制在所述介质基板的背面；所述辐射贴片为采用圆环与五角星形嵌套迭代的2阶类Sierpinski分形结构；所述微带馈线与所述辐射贴片的底部相连接；所述截短接地板的顶部两侧形成有对称设置的切角部，其中部开有矩形凹槽。本发明采用分形结构作为辐射贴片，利用分形结构的自相似特性和空间填充特性有效扩展天线带宽并减小天线尺寸，实现了扩展频带与小型化，具有结构简单、辐射特性好、性能稳定、抗干扰能力强，在通带频段内具有全向辐射特性。

Description

一种类Sierpinski分形超宽带天线
技术领域
本发明属于无线通讯的技术领域，尤其涉及一种类Sierpinski分形超宽带天线。
背景技术
自2002年，美国联邦通信委员会(FCC)将3.1-10.6GHz的工作频段应用于民用通信部门后，超宽带技术得到了迅猛发展。超宽带天线作为超宽带系统的重要构成部分，以其良好的全向辐射特性、低损耗性、高辐射效率和易于制作等优点，受到学术界和商业界的重点关注。
为了满足当今电子产品日益小型化和便携化的要求，实现超宽带天线的小型化设计是目前国内外的研究热点。而分形结构独有的自相似性和空间填充性，可以有效扩宽天线带宽并减小尺寸，已然成为设计超宽带天线新方法。
在参考文献“Design of Wideband Broccoli Fractal Antenna for WiMAX/WLANApplications.Patel,A.,Patel,R.,Desai,A.,Upadhyaya,T.,&Patel,J.(2018).2018Second International Conference on Inventive Communication andComputational Technologies(ICICCT).”中提出的一种超宽带天线，天线采用三阶迭代的分形结构作为辐射单元，实现5.32-6.35GHz工作带宽，但物理尺寸较大。又如申请号为201810921125.6的专利公开了一种锯齿状接地板超宽带天线，尺寸为30mm*22mm*1.6mm，实现5.2-19.5GHz的工作带宽，但同样物理尺寸较大，不易于集成。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种结构简单、尺寸小、性能稳定的类Sierpinski分形超宽带天线，在通带频段内具有全向辐射特性。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种类Sierpinski分形超宽带天线，包括介质基板、辐射贴片、微带馈线和截短接地板，所述辐射贴片和微带馈线均印制在所述介质基板的正面，所述截短接地板印制在所述介质基板的背面；
所述辐射贴片为采用圆环与五角星形嵌套迭代的类Sierpinski分形结构；
所述微带馈线与所述辐射贴片的底部相连接；
所述截短接地板的顶部两侧形成有对称设置的切角部，其中部开有矩形凹槽。
由上，本发明的类Sierpinski分形超宽带天线采用分形结构作为辐射贴片，实现了扩展频带与小型化，具有结构简单、辐射特性好、抗干扰能力强等优点。
作为上述技术方案的优选实施方式，本发明实施例提供的类Sierpinski分形超宽带天线进一步包括下列技术特征的部分或全部：
作为上述技术方案的改进，在本发明的一个实施例中，所述类Sierpinski分形结构的辐射贴片为2阶分形结构，其1阶结构为圆环与五角星形嵌套而成，其2阶结构为1阶结构与缩小后的1阶结构的组合。
由上，采用圆环与五角星形嵌套组合而成的图形，经2阶迭代分形结构作为辐射贴片，采用截短接地板扩展带宽，同时，利用分形结构的自相似特性和空间填充特性有效扩展天线带宽并减小天线尺寸。
在本发明的一个实施例中，所述圆环的外圆半径为8-9mm，其内圆半径为8-8.5mm，所述五角星形的边长为6-6.5mm。
另外，在本发明的具体实施例方式中，所述截短接地板的切角部的水平长度为4-5mm，切角部的竖直长度为5-6mm。
可选的，所述截短接地板的矩形凹槽位于截短接地板的中上部，所述矩形凹槽的水平长度为2.5-3.5mm，矩形凹槽的竖直长度为1.5-2.5mm。
由上，采用上述截短接地板结构，并在接地板顶部两侧切除三角形边角、中上部开矩形槽，该结构有效扩宽天线的带宽，可以进一步提高天线性能。
在本发明的一个实施例中，所述微带馈线为特性阻抗为50Ω的微带馈线，所述微带馈线的长度为7-8mm，其宽度为2-3mm；
可选的，所述介质基板的厚度为1.6mm，介质基板的长度和宽度分别为25mm和18mm。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明优选实施例的类Sierpinski分形超宽带天线的整体结构图；
图2是本发明优选实施例的类Sierpinski分形超宽带天线的正面结构图；
图3是本发明优选实施例的类Sierpinski分形超宽带天线的背面结构图；
图4是本发明优选实施例的类Sierpinski分形超宽带天线的辐射贴片的分形结构图；
图5是本发明优选实施例的类Sierpinski分形超宽带天线的回波损耗曲线图；
图6a和图6b是本发明的类Sierpinski分形超宽带天线在不同频点的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
如图1-6所示，本发明的类Sierpinski分形超宽带天线包括介质基板1、辐射贴片2、微带馈线3和截短接地板4，该辐射贴片2和微带馈线3印制在介质基板1的正面，截短接地板4印制在所述介质基板1的背面。如图4所示，辐射贴片2采用圆环21与五角星形22嵌套迭代的2阶类Sierpinski分形结构，分形结构的辐射贴片2采用如下的方式形成：将1阶分形辐射贴片结构以比例因子a缩小，缩小的结构底部与1阶结构的圆环21结构重合，其上部与1阶结构的五角星形22重合，以1阶结构的圆环21中心为旋转中心，依次旋转72°、144°、216°与288°，将新得到的分形结构与1阶结构组合而得到2阶分形结构。其中，比例因子a小于1，例如a＝0.5。在本发明的较佳实施例中，1阶分形结构的圆环21的外圆半径为8-9mm，优选为8.6mm，内圆半径为8-8.5mm，优选为8.17mm，所述1阶分形结构的五角星形22的边长为6-6.5mm，优选为6.1mm。
本发明的辐射贴片2的底部与特性阻抗为50Ω的微带馈线3相连，所述微带馈线3的长度为7-8mm，其宽度为2-3mm，优选为2.89mm。
本发明的截短接地板4的结构如图3所示，其两侧开有对称的切角部41，切角部41呈三角形边角，中间开有矩形凹槽42。切角部41的水平长度为4-5mm，切角部的竖直长度为5-6mm。矩形凹槽42的水平长度为2.5-3.5mm，矩形凹槽42的竖直长度为1.5-2.5mm。优选地，切角部41的水平长度为4.2mm，竖直长度为5.2mm，矩形凹槽42的水平长度为3mm，矩形凹槽的竖直长度为2mm。采用如上的截短接地板4的结构可产生渐变谐振特性，有效扩展天线带宽，从而进一步提高天线的性能。
本实施例中的类Sierpinski分形超宽带天线印制在长、宽、厚分别为25mm、18mm、1.6mm的FR4环氧树脂材料的介质基板1上，介质基板1的相对介电常数为4.4，介电损耗正切值为0.02。
为了进一步说明本发明的超宽带天线良好的性能，利用电磁仿真软件HFSS对本发明进行建模仿真。
如图5所示，本发明的超宽带天线回波损耗小于-10dB的带宽为3.6-19.3GHz，达到超宽带频带范围。
参见图6，提供了本发明实施例中超宽带天线在4GHz、7GHz、11GHz和14GHz时的辐射方向图。由图6a可知，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，由图6b可知，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性，该天线在整个通带频段内均具有较好的全向辐射特性。
以上仿真分析表明，本发明天线的带宽为3.6-19.3GHz，工作带宽达到超宽带频段范围，且在通带频段内具有全向辐射特性，使得该天线具有更大的实用价值。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种类Sierpinski分形超宽带天线，包括介质基板(1)、辐射贴片(2)、微带馈线(3)和截短接地板(4)，其特征在于：
所述辐射贴片(2)和微带馈线(3)均印制在所述介质基板(1)的正面，所述截短接地板(4)印制在所述介质基板(1)的背面；
所述辐射贴片(2)为采用圆环与五角星形嵌套迭代的类Sierpinski分形结构；
所述微带馈线(3)与所述辐射贴片(2)的底部相连接；
所述截短接地板(4)的顶部两侧形成有对称设置的切角部(41)，其中部开有矩形凹槽(42)。
2.如权利要求1所述的类Sierpinski分形超宽带天线，其特征在于，所述类Sierpinski分形结构的辐射贴片(2)为2阶分形结构，其1阶结构为圆环(21)与五角星形(22)嵌套而成，其2阶结构为1阶结构与缩小后的1阶结构的组合。
3.如权利要求2所述的类Sierpinski分形超宽带天线，其特征在于：所述圆环(21)的外圆半径为8-9mm，其内圆半径为8-8.5mm，所述五角星形(22)的边长为6-6.5mm。
4.如权利要求1所述的类Sierpinski分形超宽带天线，其特征在于：所述截短接地板(4)的切角部(41)的水平长度为4-5mm，切角部(41)的竖直长度为5-6mm。
5.如权利要求1所述的类Sierpinski分形超宽带天线，其特征在于：所述截短接地板(4)的矩形凹槽(42)位于截短接地板(4)的中上部，所述矩形凹槽(42)的水平长度为2.5-3.5mm，矩形凹槽(42)的竖直长度为1.5-2.5mm。
6.如权利要求1所述的类Sierpinski分形超宽带天线，其特征在于：所述微带馈线(3)为特性阻抗为50Ω的微带馈线，所述微带馈线(3)的长度为7-8mm，其宽度为2-3mm。
7.如权利要求1-6任一项所述的类Sierpinski分形超宽带天线，其特征在于：所述介质基板(1)的厚度为1.6mm，介质基板(1)的长度和宽度分别为25mm和18mm。
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