第五代移動通信系統三重復合分形天線設計*

林 斌

(廈門大學 嘉庚學院 信息科學與技術學院，福建 漳州 363105)

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第五代移動通信系統三重復合分形天線設計*

林 斌

(廈門大學 嘉庚學院 信息科學與技術學院，福建 漳州 363105)

針對第五代移動通信系統對天線的性能要求，將謝爾賓斯基分形結構、康托爾分形結構、分形折線雪花結構相融合，設計了一款三重復合分形天線，對天線性能進行了仿真分析，制作了天線樣品并對其進行了測試。仿真和測試結果表明，該款天線回波損耗最小值為-21.84 dB，絕對工作帶寬達到2.047 GHz，相對工作帶寬達到48.51%，天線具有全向輻射特性。利用漸變介電常數介質基板設計了改進型天線結構，有效地展寬了天線的工作頻段。該款天線能夠完全覆蓋第五代移動通信的三個候選頻段，具有尺寸小、回波損耗低、工作帶寬大等優點，在第五代移動通信系統中具有廣闊的應用前景。

第五代移動通信；謝爾賓斯基分形結構；康托爾分形結構；分形折線雪花結構；三重復合分形天線

0 引言

第五代移動通信是目前最新一代的移動通信系統，具有較寬的通信頻段、較快的數據傳輸速度和良好的用戶體驗[1-4]。第五代移動通信具有巨大的發展潛力，它能夠滿足未來10年移動互聯網流量增加1 000倍的發展需求，將在2020年前后投入商業運營。在2015年的世界無線電通信大會上，國際電信聯盟確定了第五代移動通信的三個候選頻段為：3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz 和 4.800～4.990 GHz。

作為無線電波信號傳輸的基本部件，利用領先技術設計的天線將對移動通信的發展起到決定性的作用。第五代移動通信系統要求天線能夠實現：尺寸足夠小，能夠放進移動終端里；輻射性能好，工作頻帶內的天線回波損耗最小值應小于-20 dB；工作帶寬大，天線工作頻帶需要覆蓋第五代移動通信的三個候選頻段：3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz 和 4.800～4.990 GHz。

近年來，已有一批國內外學者嘗試設計第五代移動通信天線。南京電子技術研究所的研究團隊設計了一款用于第五代移動通信的MIMO天線陣，實現了對3.4～3.6 GHz頻段的覆蓋[5]；大唐電信、中興通訊、中國移動都開展了基于Massive MIMO技術的第五代移動通信天線研發[6]；丹麥奧爾堡大學的研究團隊使用64個單極子天線組成矩形陣列，成功設計了一款工作頻段為4.0～5.0 GHz的第五代移動通信陣列天線[6]；愛爾蘭貝爾實驗室的研究團隊提出了利用大型天線系統實現第五代移動通信多頻段天線的方案，并驗證了該方案的可行性[7]。現有的第五代移動通信天線設計大多是基于大規模陣列結構，利用單體天線實現第五代移動通信天線設計的方案未見報道。現有的第五代移動通信天線只能全部或者部分覆蓋1～2個候選頻段，能夠完全覆蓋第五代移動通信的三個候選頻段的天線設計方案未見報道。

1 三種常用分形結構簡介

要完成天線的寬頻帶工作和小型化設計，使用分形結構是一種很好的選擇。謝爾賓斯基分形結構、康托爾分形結構、分形折線雪花結構是三種在天線設計中常用的分形結構。

謝爾賓斯基分形結構的迭代過程如圖1所示，其原始結構為正四邊形，將其等分為3行3列9個小正四邊形，將等分后居中的那個正四邊形區域挖空為正四邊形孔，剩下8個等分的正四邊形區域，則得到1階謝爾賓斯基分形結構。將1階謝爾賓斯基分形結構的8個正四邊形區域分別再做謝爾賓斯基分形迭代，則得到2階謝爾賓斯基分形結構。按照這種方法繼續迭代，則可得到高階謝爾賓斯基分形結構[8-9]。

康托爾分形結構的迭代過程如圖2所示，其原始結構為正四邊形貼片，將其等分為4行4列16個小正四邊形。刪除第1行第3列、第2行第1列、第3行第4列、第4行第2列的小正四邊形，剩下12個小正四邊形，構成1階康托爾分形結構。將1階康托爾分形結構的每個小正四邊形再分別做康托爾分形迭代，得到2階康托爾分形結構。按照這種方法繼續迭代，則可得到高階康托爾分形結構[10-12]。

圖1 謝爾賓斯基分形結構迭代過程 圖2 康托爾分形結構迭代過程

分形折線雪花結構是由多條大小和形狀一致的分形折線所圍成的雪花結構，其常見的原始結構有正三角形、正四邊形、正六邊形等，其常見的邊沿分形折線有科赫分形折線、π型分形折線等[13-14]。

謝爾賓斯基分形結構、康托爾分形結構、分形折線雪花結構都很適合用于矩形微帶天線的改進設計，使用這三種分形結構可以有效地改善矩形微帶天線的帶寬性能。

2 三重復合分形天線結構設計

在本設計中將三種不同的分形結構有機地融合為三重復合分形結構。設計思路為：首先設計一個邊長為L的正四邊形微帶貼片天線，再使用謝爾賓斯基分形結構對天線性能進行改進，最后將天線內部每個小正四邊形金屬區域用康托爾-分形折線雪花復合分形結構替代，完成三重復合分形天線結構設計。

在設計中使用的介質基板厚度h=2 mm，基板相對介電常數εr=2，天線整體尺寸為25 mm×25 mm。天線背面為全金屬接地板，天線正面為輻射貼片，形狀為正四邊形，其邊長L滿足公式(1):

(1)

公式(1)中光速c=3.0×108m/s，基板厚度h=2 mm，基板相對介電常數εr=2。經過計算，fr=4.60 GHz時，L=21.6 mm。

完成正四邊形輻射貼片設計后，以其為原始結構，進行2次謝爾賓斯基分形迭代，得到2階謝爾賓斯基分形輻射貼片。隨后，將2階謝爾賓斯基分形輻射貼片內部64個小正四邊形區域用1階康托爾分形結構替代，組成二重復合分形輻射貼片。最后，將二重復合分形輻射貼片內部的768個微型正四邊形區域用分形折線雪花結構替代，組成謝爾賓斯基-康托爾-分形折線雪花三重復合分形輻射貼片。設計中使用的分形折線雪花結構如圖3所示，設計完成的三重復合分形輻射貼片如圖4所示。

圖3 空心分形折線雪花結構示意圖

圖4 三重復合分形輻射貼片示意圖

三重復合分形天線整體是謝爾賓斯基分形結構，局部是康托爾分形結構，微觀上是分形折線雪花結構，天線從內到外都具有自相似特性，射頻電流在整個天線輻射貼片上可以均勻分布，天線將具有很好的回波損耗性能和很大的工作帶寬。

3 天線輻射性能仿真分析

用矩量法對設計的三重復合分形天線的輻射性能進行仿真，得到天線的回波損耗和方向圖特性，如圖5所示。

從圖5(a)可知，該款天線的工作中心頻率為4.60 GHz，回波損耗最小值為-33.68 dB，天線工作頻帶范圍為3.168～6.064 GHz，絕對工作帶寬為2.896 GHz，相對工作帶寬為62.74%。從圖5(b)可知，天線E面方向圖的兩個瓣覆蓋了超過290°的角度范圍，天線H面方向圖覆蓋了全部角度，所以該天線具有全向輻射特性。仿真結果顯示，該款天線完全覆蓋了第五代移動通信的三個候選頻段，且滿足輻射性能好、工作帶寬大的要求，實現了設計目標。

圖5 天線輻射性能仿真結果

4 天線樣品實際測試

根據上文的設計制作出天線樣品，并對天線樣品的輻射性能進行了實際測試，結果如圖6所示。

從圖6(a)可知，該款天線的工作中心頻率為4.72 GHz，回波損耗最小值為-21.84 dB，天線工作頻帶范圍為3.197～5.244 GHz，絕對工作帶寬為2.047 GHz，相對工作帶寬為48.51%。從圖6(b)可知，該天線具有全向輻、射特性。對比圖5和圖6可知，天線輻射性能的仿真和實測結果基本一致，由于制作公差造成天線輕度失配，天線回波損耗特性的實測結果略差于仿真結果。

圖6 天線輻射性能實際測試結果

5 改進型天線結構設計

前面設計的三重復合分形天線完全覆蓋了第五代移動通信的三個候選頻段，這保證了使用該款天線的移動通信終端在常規環境中能夠正常工作。但在實際使用中，移動通信終端需要應付各種惡劣環境，這要求移動通信天線有足夠的性能冗余。

使用漸變介電常數介質基板改進天線的帶寬性能，其結構如圖7(a)所示，它由9層介質構成，各層的尺寸相同，各層介電常數呈等差變化。使用漸變介電常數介質基板后，天線整體可看作多個基板參數不同的天線相疊加，每個天線的工作中心頻率不同，工作中心頻率距離較近時，多個工作頻帶疊加形成一個輻射強度和工作帶寬較大的工作頻帶，從而提高天線性能冗余。

改進型天線結構的回波損耗特性如圖7(b)所示。由圖7(b)可知，使用漸變介電常數介質基板后，天線的工作中心頻率為4.60 GHz，回波損耗最小值為-30.76 dB，天線工作頻帶范圍為2.994～6.488 GHz，絕對工作帶寬為3.494 GHz，相對工作帶寬為73.69%。對比可知，使用漸變介電常數介質基板可有效展寬天線的工作頻段。

圖7 漸變介電常數介質基板結構及改進型天線的回波損耗特性

6 結論

本文針對第五代移動通信系統對天線的性能要求，將三種分形結構相融合，設計了一款謝爾賓斯基-康托爾-分形折線雪花三重復合分形天線，用矩量法對天線性能進行了仿真，制作了天線樣品并對其輻射性能進行測試，使用漸變介電常數介質基板成功展寬了天線的工作頻段。該款天線填補了第五代移動通信天線產品的空白，是第一款能夠完全覆蓋第五代移動通信三個候選頻段的單體天線。天線尺寸只有25 mm×25 mm×2 mm，可以放進各種移動通信終端產品。天線同時具備較低的回波損耗和高達2.047 GHz的較寬工作頻帶。該款天線在第五代移動通信系統中具有廣闊的應用前景。

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Littelfuse 宣布收購溫度傳感器制造商 U.S. Sensor

Littelfuse 公司(納斯達克股票代碼：LFUS)于2017年7月 11日宣布收購 U.S. Sensor 公司的資產。總部設在加利福尼亞州的奧蘭治，U.S. Sensor 是一家最嚴苛的溫度傳感應用中所用熱敏電阻和探頭組件的制造商。交易條款并未披露。

“U.S. Sensor 公司在幾個關鍵的電子和工業終端市場，包括家庭自動化、HVAC 和家用電器，拓展了我們現有的傳感器產品組合，”電子部高級副總裁和總經理Deepak Nayar說道,“這個交易加強了能促使增長計劃完成的設計能力。”

U.S. Sensor 總裁 Roger Dankert 表示：“這是 U.S. Sensor 公司下一個令人興奮的階段， 我們在客戶關注和創新方面擁有同樣的觀點，并將受益于 Littelfuse的全球業務和規模。”

Littelfuse 并不希望此次交易會對其 2017 年收入或調整后的盈利預測產生重大影響。

(美哲公關供稿)

Design of the triple composite fractal antenna used for the fifthgeneration mobile communication system

Lin Bin

(School of Information Science and Technology, Tan Kah Kee College, Xiamen University, Zhangzhou 363105, China)

According to the requirements of the fifth generation mobile communication system to the antenna’s performance, this paper combined Sierpinski fractal structure, Cantor fractal structure, and fractal fold line snowflakes structure, and designed a triple composite fractal antenna. A sample of this antenna has been fabricated and tested after simulation analysis. The result of simulation and test indicate that the antenna’s return loss minimum value is -21.84 dB, the antenna’s absolute working bandwidth is 2.047 GHz, the antenna’s relative working bandwidth is 48.51%. The antenna has omni directional radiation characteristics. We designed an improved antenna structure by using gradient dielectric constant dielectric substrate to expend antenna’s working bandwidth efficiently. This antenna can completely covere the three candidate frequency bands of the fifth generation mobile communication, and has the advantages of small size, low return loss and wide working bandwidth. This antenna has a broad application prospect in the fifth generation mobile communication system.

fifth generation mobile communication; Sierpinski fractal structure; Cantor fractal structure; fractal fold line snowflakes structure; triple composite fractal antenna

福建省自然科學基金計劃資助項目(2016J01318)

TN828.6

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.010

林斌.第五代移動通信系統三重復合分形天線設計[J].微型機與應用，2017,36(14)：28-31.

2017-01-19)

林斌(1984-)，男，碩士，講師，主要研究方向：微波射頻器件設計、太赫茲波段器件設計。