一種用于移動(dòng)終端的仿“山”字形分形微帶天線的設(shè)計(jì)

于 臻， 李 堯， 林梓恒， 冉小英， 姚姝含， 梁 冰

（華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，河北廊坊 065201）

0 引 言

隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)移動(dòng)設(shè)備中的天線性能也提出了更高的要求，多頻段、小型化天線成為移動(dòng)終端設(shè)備中重點(diǎn)研究內(nèi)容。中國漢字種類繁多，如漢字“一、二、山、天、中”等，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其結(jié)構(gòu)應(yīng)用到現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備終端天線的設(shè)計(jì)中。多頻段、小型化天線是現(xiàn)代通信天線發(fā)展的主流趨勢(shì)，將分形技術(shù)運(yùn)用到天線設(shè)計(jì)中可以實(shí)現(xiàn)天線多頻段與小型化，中文字體中部分結(jié)構(gòu)簡單的漢字形態(tài)可通過分形結(jié)構(gòu)的演變用于天線外觀的設(shè)計(jì)。分形是一種與標(biāo)度無關(guān)的幾何，與寬帶天線的頻率無關(guān)性較為相似。分形的自相似性可使分形天線具有多頻段和寬頻帶特性［1］；分形幾何具有的空間填充性，可縮減天線尺寸，實(shí)現(xiàn)小型化［2-3］的目的。

天線輻射體采用仿“山”形漢字結(jié)構(gòu)。在一個(gè)簡單的單極子天線基礎(chǔ)上產(chǎn)生兩個(gè)枝節(jié)，整體形似漢字“山”，對(duì)各枝節(jié)進(jìn)行分形，每一個(gè)小部分均是等比例的“山”字形結(jié)構(gòu)。

1 天線設(shè)計(jì)方法與漢字原型

1.1 多頻段小型化實(shí)現(xiàn)方法

天線輻射體可采用耦合饋電［4-6］、開槽縫隙［7-8］、電路匹配加載［9］、分布式電感加載［10］和分形幾何等技術(shù)［11-12］實(shí)現(xiàn)多頻段覆蓋。分形結(jié)構(gòu)整體與局部之間存在高度相似，低階次的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與高階次的分形部分為等比關(guān)系，利于實(shí)現(xiàn)多頻特性。分形天線的空間填充性強(qiáng)，在有限的空間內(nèi)擁有較長的幾何長度。在天線設(shè)計(jì)中，天線輻射體結(jié)構(gòu)上的彎曲和折疊可有效增加天線的電長度，降低天線的諧振頻率［13-16］。

1.2 天線設(shè)計(jì)思路

本天線設(shè)計(jì)思路來源于漢字“山”，對(duì)“山”字的筆畫及長短進(jìn)行了一定的簡化處理、優(yōu)化，如圖1 所示。

圖1 設(shè)計(jì)思路原型

2 仿漢字“山”形分形微帶天線結(jié)構(gòu)

天線采用2 次迭代“山”字分形，形成多個(gè)枝節(jié)，枝節(jié)間的相互耦合使天線實(shí)現(xiàn)多頻段。枝節(jié)的分形結(jié)構(gòu)增長了電流在天線中的路徑，增加了天線的電長度，同時(shí)改變了輻射體內(nèi)部電流的流向，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化。輻射體的形狀以“山”字形為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其中，1階分形結(jié)構(gòu)的中間枝節(jié)和右側(cè)枝節(jié)長度分別為最左側(cè)枝節(jié)長度的3 倍和2 倍，寬度為1 mm；2 階分形中各枝節(jié)長度比例不變。為保證天線內(nèi)部電流的流徑均勻，2 階“山”字枝節(jié)寬度均為1 mm。天線介質(zhì)板采用相對(duì)介電常數(shù)εr＝4.4、厚H ＝1.6 mm，介質(zhì)損耗角正切tan δ ＝0.02 的聚四氟乙烯玻璃布板（FR4）材料，采用50 Ω微帶饋線結(jié)構(gòu)。天線大小為40 mm × 60 mm× 1.6 mm，天線的結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)如表1、圖2 所示。

表1 仿“山”字形分形微帶天線尺寸參數(shù) mm

圖2 仿“山”字形分形微帶天線模型結(jié)構(gòu)

3 天線仿真結(jié)果與參數(shù)分析

3.1 回波損耗特性分析

天線輻射體生成過程如圖3 所示（其中：黃色是天線輻射體部分；暗黃色為覆銅接地板，覆于深綠色介質(zhì)材料背面?zhèn)龋?/p>

圖3 仿“山”字形分形微帶天線演進(jìn)過程

圖3（a）中，天線輻射體將單極子微帶天線作為0階分形結(jié)構(gòu)，接地板采用矩形結(jié)構(gòu)。圖3（b）中，在0階單極子輻射體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，產(chǎn)生左右兩個(gè)枝節(jié)，從左向右枝節(jié)長度比例為1∶3∶2，寬度為1 mm。如圖3（c）所示，在1 階迭代的基礎(chǔ)上，進(jìn)行2 次分形，形成多個(gè)枝節(jié)，增加了輻射體表面電流路徑。由于輻射體采用分形結(jié)構(gòu)，輻射體本身結(jié)構(gòu)類似于三叉戟結(jié)構(gòu)，隨著分形階數(shù)的上升，使得輻射體易與50 Ω饋線實(shí)現(xiàn)良好的匹配，實(shí)現(xiàn)天線頻帶的增加；同時(shí)，輻射體的多重枝節(jié)結(jié)構(gòu)也促進(jìn)了多頻諧振特性的產(chǎn)生。

圖4 為不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下天線阻抗特性仿真比較，其中，在2 階分形結(jié)構(gòu)下，天線產(chǎn)生2.35、3.75 和5.1 GHz 3 個(gè)中心諧振頻點(diǎn)，分別約為1.5 GHz的1.5、2.5和3.5 倍關(guān)系（紅色實(shí)線所示）。

圖4 仿“山”字形分形微帶天線不同迭代下的回波損耗

圖中，3 個(gè)中心諧振頻點(diǎn)2.35、3.75 和5.1 GHz處回波損耗分別為－ 27.0、－ 22.73 和－ 35.30 dB。－ 10 dB 頻段帶寬分別為2.25 ～2.45 GHz 和3.35 ～5.5 GHz，可覆蓋的無線通信系統(tǒng)見表2。

表2 仿“山”字形分形微帶天線的頻段覆蓋

3.2 天線表面電流分布

圖5 為天線分別在2.35、3.75 和5.1 GHz諧振頻率處輻射體表面電流幅值和矢量分布。可見，采用分形結(jié)構(gòu)枝節(jié)可使流經(jīng)天線表面的電流路徑更長。對(duì)于2.35 GHz（見圖5（a））諧振頻點(diǎn)下的天線輻射體，枝節(jié)外邊緣有更多的電流分布；在3.75 GHz（見圖5（b））時(shí)，電流更多集中在輻射體左側(cè)與中間枝節(jié)；在5.1 GHz（見圖5（c））時(shí)，電流更多集中于右側(cè)枝節(jié)。

圖5 仿“山”字形分形微帶天線表面電流幅值和矢量分布

3.3 增益與方向特性

圖6為天線仿真3D增益方向圖。在中心諧振頻率為2.35（見圖6（a））、3.75（見圖6（b））和5.1 GHz（見圖6（c））處，天線增益分別為1.98、3.44 和4.21 dBi。天線整體的方向性較強(qiáng)，在整個(gè)工作頻段范圍內(nèi)，天線保持了較好的輻射特性。

圖6 仿“山”字形分形微帶天線3D增益方向圖

4 仿“山”字形分形微帶天線測(cè)試結(jié)果與性能分析

仿“山”字形分形微帶天線實(shí)物正、反面如圖7 所示。天線介質(zhì)材料選用1.6 mm 厚的FR4 介質(zhì)板，天線金屬輻射體與接地板為30 μm 厚的覆銅。采用單探頭球面場微波暗室系統(tǒng)以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071B對(duì)天線的輻射特性和方向特性進(jìn)行測(cè)試。

圖7 仿“山”字形分形微帶天線樣機(jī)及測(cè)試裝置

比較測(cè)量的回波損耗和仿真結(jié)果，可見，天線的中心諧振頻點(diǎn)5.1 GHz 向左發(fā)生偏移，偏移量為0.4、2.35 GHz頻點(diǎn)處回波損耗值與仿真值相差11 dB，如圖8 所示。3.35 ～5.5 GHz范圍－ 10 dB 帶寬出現(xiàn)了細(xì)微偏移，天線整體測(cè)試的帶寬與仿真帶寬較為匹配，整體上保持了較好的一致性。

圖8 仿“山”字形分形微帶天線實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果比較

由測(cè)試回波損耗可以看出，天線－ 10 dB 帶寬為2.15 ～2.45 GHz，3.45 ～5.55 GHz。這些頻段可覆蓋4G、5G移動(dòng)通信系統(tǒng)、WiMAX、WLAN、導(dǎo)航及藍(lán)牙等無線應(yīng)用，與仿真結(jié)果基本一致，見表3。

表3 仿“山”字形分形微帶天線實(shí)測(cè)頻帶覆蓋

在2.35（見圖9（a））、3.75（見圖9（b））和5.1 GHz（見圖9（c））頻點(diǎn)上的3D 增益圖與E/H 面方向圖測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。

圖9 天線3D方向圖及E面H面方向圖

天線在2.35、3.75 和5.1 GHz頻點(diǎn)下對(duì)應(yīng)的增益約為2.06、1.17 和3.54 dBi，與仿真結(jié)果比較接近，驗(yàn)證了天線設(shè)計(jì)的可行性。

5 結(jié) 語

本文天線通過采用2 次迭代仿漢字“山”形枝節(jié)分形，實(shí)現(xiàn)了天線結(jié)構(gòu)小型化，整體尺寸大小為40 mm × 60 mm × 1.6 mm。分形結(jié)構(gòu)使得天線輻射體產(chǎn)生多個(gè)枝節(jié)，形成多條電流路徑，自身山字形結(jié)構(gòu)與三叉戟饋電結(jié)構(gòu)相似，使輻射體阻抗與50 Ω饋線易匹配，利于寬帶化。同時(shí)，由于枝節(jié)長度的不同，電長度不同，產(chǎn)生不同的諧振頻點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了天線的多頻段。天線實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果比較吻合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，該天線具有較好的輻射特性，工作在2.15 ～2.45GHz和3.35 ～5.55 GHz兩個(gè)頻段內(nèi)，可滿足移動(dòng)通信系統(tǒng)的要求。