生長環(huán)陣列超寬頻帶天線設(shè)計

陳林鵬 林斌 潘依郎 李振昌 唐荻 顏逸朋

摘要：本文針對多網(wǎng)合一無線通信終端設(shè)備對微波多頻段兼容天線的性能要求，將方形角缺陷分形天線結(jié)構(gòu)和生長環(huán)陣列結(jié)合，設(shè)計了一款超寬頻帶天線。這款天線尺寸較小、輻射強度較高、性能冗余充足，能夠同時工作于移動通信、射頻識別（RFID）、超寬帶（UXXq3）、移動數(shù)字電視（DTV）等多個無線通信系統(tǒng)，具有優(yōu)異的兼容性，可以作為多網(wǎng)合一無線通信系統(tǒng)終端天線得到大規(guī)模應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：分形天線;方形角缺陷分形;生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu);超寬頻帶天線

0引言

隨著無線通信技術(shù)在21世紀不斷高速發(fā)展，越來越多的無線通信應(yīng)用系統(tǒng)完成了技術(shù)開發(fā)和系統(tǒng)完善，已投入商業(yè)化的實際運營。完成多個無線通信應(yīng)用系統(tǒng)的整合，實現(xiàn)多網(wǎng)合一、多頻段兼容和終端設(shè)備多功能化，是無線通信技術(shù)發(fā)展中迫在眉睫需要解決的問題。移動通信系統(tǒng)、射頻識別系統(tǒng)、超寬帶通信系統(tǒng)、移動數(shù)字電視系統(tǒng)都是工作于微波頻段的無線通信應(yīng)用系統(tǒng)，工作頻段接近，對終端設(shè)備的要求相似，有較大的整合潛力，有望整合成為微波頻段多網(wǎng)合一系統(tǒng)。

1方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)簡介

方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)由正四邊形按照圖1所示的方法迭代得到。初始的正四邊形分為16個大小相等的小正四邊形，刪去4個邊角處的小正四邊形，得到1階方形角缺陷分形。對1階方形角缺陷分形的每個小正四邊形分別做上述迭代，可得到2階方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)。這樣依次迭代下去，可以得到高階方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)。在天線設(shè)計中使用方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)，可以讓天線輻射貼片內(nèi)部有均勻分布的射頻電流，保證天線有良好的超寬頻帶工作能力。

2生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)簡介

生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)是一種具有自相似性的、迭代生成的多環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，其迭代過程如圖2所示。生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)是由40個陣元天線組成的、外圈邊長為11、內(nèi)圈邊長為9的正方形環(huán)陣列。在初始結(jié)構(gòu)的四個邊角生長出4個外圈邊長為5、內(nèi)圈邊長為3的小正方形環(huán)陣列，可以得到1階生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)。在1階生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)的每個小正方形環(huán)陣列的邊角生長出3個外圈邊長為3、內(nèi)圈邊長為1的微型正方形環(huán)陣列，可以得到2階生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)。使用生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)組成天線陣列，可以利用輻射疊加原理有效提高天線的輻射強度，并利用生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)的自相似性使陣列天線具有和陣元天線相似的超寬頻帶工作能力。

3天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線基板為εr=6的矩形低損耗FR4基板，它的尺寸是36.8mm×36.8mm×1mm。天線基板正面貼覆著方形角缺陷分形生長環(huán)陣列輻射貼片。天線基板背面貼覆著由金屬全導(dǎo)電接地結(jié)構(gòu)組成的天線接地板。

方形角缺陷分形生長環(huán)陣列輻射貼片的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其使用生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)作為基本陣列排布結(jié)構(gòu)，在生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)的每個大小為1.6mm×1.6mm的陣元天線區(qū)域中心，放置方形角缺陷分形天線。

方形角缺陷分形天線是在尺寸為1.6mm×1.6mm的矩形區(qū)域進行方形角缺陷分形迭代而得到。方形角缺陷分形天線使用了2階的方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)。每個方形角缺陷分形天線的底部邊沿中心處設(shè)有天線饋電點。

生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)是2階生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，它可以看作是在一個由23行23列共529個方形區(qū)域組成的矩形區(qū)域中，按照圖2（c）所示規(guī)律在其中184個方形區(qū)域放置陣元天線組成。

4天線輻射性能測試結(jié)果

我們制作了天線樣品，并搭建了天線性能測試系統(tǒng)實際測試了天線的回波損耗性能和方向圖性能，測試結(jié)果如圖4和圖5所示。

從測試結(jié)果可以看出，該款天線具有出色的全向工作能力，天線的工作頻帶范圍為（551～17193）MHz，工作帶寬為（16642）MHz，倍頻帶寬為31.20，回波損耗最小值為-47.32dB。該款天線完全覆蓋了移動通信、射頻識別、超寬帶、移動數(shù)字電視等多個無線通信系統(tǒng)的工作頻帶。

該款天線具有突出的性能優(yōu)勢：該款天線具有穩(wěn)定的超寬頻帶輻射工作能力，在（835～16108）MHz頻段內(nèi)的回波損耗值都低于45dB，且回波損耗值波動很小，天線具有超高穩(wěn)定輻射能力和較大性能冗余;該款天線用一個寬達16642MHz的單一工作頻帶，實現(xiàn)了對2G至5G移動通信、射頻識別、超寬帶通信和移動數(shù)字電視的兼容，且回波損耗最小值低達-47.32dB，兼具優(yōu)異的超寬頻帶工作能力和較高的輻射強度;該款天線在有184個陣元天線的情況下，尺寸僅為36.8mm×36.8mm×1mm，在天線小型化設(shè)計方面有獨特的優(yōu)勢。

5結(jié)論

本文針對多網(wǎng)合一無線通信終端設(shè)備對微波多頻段兼容天線的性能要求，設(shè)計了一款生長環(huán)陣列超寬頻帶天線，使用方形角缺陷分形天線作為陣元天線，具有自相似性的分形結(jié)構(gòu)保證了陣元天線內(nèi)部有均勻分布的射頻電流，確保陣元天線有優(yōu)異的超寬頻帶工作能力;使用生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)將184個陣元天線組成天線陣列，利用輻射疊加原理和陣列結(jié)構(gòu)本身的自相似性使天線陣列同時具有高輻射強度、大性能冗余和超寬工作頻帶。天線回波損耗性能和方向圖性能實際測試結(jié)果表明，該款天線尺寸小、輻射強度高、性能冗余大、輻射工作穩(wěn)定性強，具有超強兼容性和超寬頻帶工作能力，能夠有效兼容移動通信系統(tǒng)、射頻識別系統(tǒng)、超寬帶通信系統(tǒng)和移動數(shù)字電視系統(tǒng)，在微波頻段多網(wǎng)合一系統(tǒng)中可以得到大規(guī)模應(yīng)用。