一種新穎的分形超寬帶天線

邵建興

(上海航天科工電器研究院有限公司 上海 200331)

0 引言

隨著電子設備向小型化、寬頻段、集成化、微型化等方向的發展,對無線通信系統的帶寬和體積提出了越來越高的要求。超寬帶(UWB)技術作為一種無線通信技術,具有通信數據量大、平均功率小、保密性高、抗干擾能力強等優點,在軍事通信、安防、智能交通、精確定位系統等方面已有廣泛的應用[1-6]。按照美國聯邦通信委員會(FCC)的規定,將3.1GHz～10.6GHz之間的頻段分配給超寬帶無線通信。在超寬帶無線通信系統中,超寬帶天線作為其重要的收發器件,越來越引起廣大科研人員的關注[1-3]。

傳統的超寬帶天線,如等角螺旋天線、阿基米德螺旋天線、對數周期天線等,其饋電網絡尺寸較大,設計較為復雜,難以滿足超寬帶天線的小型化要求。與傳統超寬帶天線相比,平面超寬帶天線具有重量小、可集成的優點。同時,天線頻帶能覆蓋多個無線通信頻段,可以顯著減少無線通信系統所需的天線數量,從而降低系統造價,并有利于提高系統的電磁兼容[2-4]。因此,針對現代無線通信系統小型化的趨勢要求,研究結構緊湊、工作頻帶寬、增益高的平面超寬帶天線具有廣泛的前景和實用價值。

平面超寬帶天線的設計主要集中于天線的結構及饋電形式兩個方面,致力于提高天線的阻抗匹配、輻射方向圖、增益、輻射效率等指標。提高天線帶寬的方法主要有采用低介電常數介質、厚基片、電磁耦合饋電、寄生貼片以及開槽等形式[1-4]。然而,這種采用傳統歐幾里得幾何來設計超寬帶天線,往往具有較大難度,基于分形幾何的超寬帶天線設計已經成為一種新穎的設計方法[7-8]。由于分形結構的自相似性和空間填充性,可以實現天線多頻帶或超寬帶、小型化等特性[7-9]。因此,采用分形結構來設計天線可以提高天線的性能。典型的分形結構主要有希爾伯特、康托爾、科赫、謝爾賓斯基、閔可夫斯基和分形樹等[9-13]。

本文提出了一種共面波導饋電的花瓣分形平面超寬帶天線。通過電磁場數值仿真分析計算,研究了花瓣分形結構的迭代次數以及有限接地面的結構對天線阻抗帶寬的性能影響,從而獲得了天線幾何優化尺寸,并采用PCB印制板加工了天線的實物樣品,對天線的回波損耗進行了測試。測試結果表明,天線阻抗帶寬為3.1GHz～14.65 GHz,相對帶寬為129.9%,仿真結果與測試結果基本吻合,證明了天線設計的有效性。該新型花瓣狀分形超寬帶天線具有結構簡單,加工方便等優點,在超寬帶無線通信系統中具有良好的應用前景。

1 天線設計與分析

1.1 天線結構設計及仿真分析

天線采用的花瓣分形結構如圖1所示。花瓣分形結構的基本單元為橢圓尖形,初始分形單元圖形結構記為S1。將初始單元圖形結構(S1)以比例因子uf=0.72進行縮小,得到單元圖形結構S2,再將S2以比例因子uf縮小,得到單元圖形結構S3,依此類推。一階次迭代的花瓣分形結構由S1構成;二階次迭代花瓣的分形結構由S1和S2構成;三階次迭代的花瓣分形結構由S1、S2和S3組成;四階次迭代的花瓣分形結構由S1、S2、S3和S4構成;五階次迭代的花瓣分形結構由S1、S2、S3、S4和S5組成,依此類推。

圖1 花瓣狀分形結構

所設計的花瓣狀分形天線由五階花瓣狀分形陣列結構、共面波導饋電微帶線和有限接地面三個部分組成。其中,五階迭代花瓣狀結構中的S2和S4先繞中心旋轉30°,然后整體再繞中心以30°旋轉,形成12個五階迭代花瓣分形結構。由于共面波導饋電微帶線的特征阻抗為50Ω,需要將天線的輸入阻抗設計為50 Ω,從而實現微帶線與天線的阻抗匹配。有限接地面的形狀對天線的輸入阻抗會產生一定影響,為了提高天線的阻抗帶寬,應根據天線的具體結構設計有限接地面的形狀。根據上文天線的結構特點,我們采用半圓形切方形槽的有限接地面結構。通過PCB印制板加工工藝,板材選用無錫睿龍生產的RA300材料(板厚0.508mm,相對介電常數為2.94,損耗角正切為0.0011)。

采用高頻電磁場仿真分析軟件 ANSYS HFSS對五階迭代花瓣分形天線及有限接地面的結構參數進行仿真優化,所得的天線尺寸及結構如表1和圖2所示。天線的回波損耗及輻射性能如圖3～圖5所示。從圖3～圖5可以看出,天線的-10dB阻抗帶寬為2.8GHz～20GHz,相對帶寬為150.88%。天線在3GHz、8GHz、12GHz以及18GHz的輻射方向圖一致性較為良好,在8GHz～20GHz的頻段內增益一致性良好。

表1 天線主要尺寸表(單位:mm)

圖2 天線結構示意圖

圖3 天線回波損耗仿真圖

圖4 天線輻射方向圖

圖5 天線增益圖

1.2 天線測試分析

天線的加工實物如圖6所示,其整體尺寸為30mm×25mm×0.6mm。采用矢量網絡分析儀對天線的阻抗帶寬進行測試。圖7為天線實測S11曲線和仿真S11曲線對比圖。由實測結果可見,本文所設計的花瓣分形天線阻抗帶寬為3.1GHz～14.6GHz,相對帶寬為129.9%。天線的實測結果和仿真結果基本吻合,但在高頻端存在一定偏差,其原因可能是因為天線加工誤差,SMA射頻連接器焊接偏差以及天線基板的損耗等因素所導致。

圖6 天線實物圖

圖7 天線回波損耗仿真及測試對比圖

2 結束語

利用分形結構的自相似性和空間填充性,本文設計了一款花瓣分形結構的平面超寬帶天線。通過高頻電磁場仿真軟件對天線進行了優化設計,天線的整體尺寸為30mm×25mm×0.6mm,實測阻抗帶寬為3.1GHz～14.6GHz,相對帶寬達到129.9%。該天線在超寬帶無線通信系統中具有良好的應用前景。