基于分形結(jié)構(gòu)的車載超寬帶天線設(shè)計(jì)

葛星梅,張雙雙

(南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院,江蘇 南京 211134)

0 引言

隨著4 G、5G時(shí)代的到來,車載天線的通信頻段逐漸擴(kuò)大。天線帶寬擴(kuò)大的同時(shí)會(huì)影響天線的尺寸,而集成技術(shù)的發(fā)展對車載天線的尺寸提出了新的要求,小型化超寬帶天線因易于集成得到了廣泛的應(yīng)用[1]。為了增加帶寬,天線采用分形形式。分形的基本特征是自相似性和空間填充[2],可以轉(zhuǎn)化為多頻特性,減小天線的尺寸。天線具有迭代的形狀特征,天線帶寬覆蓋2.4 GHz、5 GHz WLAN頻段和2 G/3 G/4 G移動(dòng)通信頻段,包含了微波的S波段、C波段和X波段,天線的輸入阻抗為50 Ω,在整個(gè)帶寬內(nèi)的回波損耗大于10 dB[3-4]。

本文提出了一種小型化超寬帶車載天線,通過三階分形迭代結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寬帶天線的小型化。天線的尺寸僅為60 mm×50 mm×1 mm,同時(shí)天線在多頻段內(nèi)的輻射性能良好,在目前多數(shù)超寬帶通信系統(tǒng)中都可以適用。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 分形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的分形天線采用的是一種圓形與橢圓形迭代嵌套的三階分形結(jié)構(gòu),由分形天線通過迭代函數(shù)的形式產(chǎn)生。假設(shè)A為分形結(jié)構(gòu)的原始形狀,W(A)是在A的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿射,則天線的階層變換過程如式(1)所示:

W(A)=W1(A1)∪W2(A2)...Wn(An)

A1=W(A1)

A2=W(W(A2))

...

An=W(An-1)

(1)

天線的輻射貼片基于分形迭代理念形成三階的分形結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。寬帶天線貼片的一階分形迭代過程設(shè)計(jì)如圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)所示,由一個(gè)如圖1(a)所示的正11邊形,整體設(shè)計(jì)是由較大軸比的橢圓依次旋轉(zhuǎn)30°而成的12瓣同心花瓣結(jié)構(gòu),得到如圖1(b)所示的結(jié)構(gòu),然后通過布爾運(yùn)算得到一階分形結(jié)構(gòu),即圖1(a)的正11邊形減去圖1(b)的同心花瓣得到如圖1(c)所示的結(jié)構(gòu)。將一階貼片結(jié)構(gòu)按照比例為XS=0.6逐步縮放,分別得到寬帶天線貼片的二階和三階結(jié)構(gòu),每一階都處于同心位置,依次得到圖2的二階和圖3的三階結(jié)構(gòu)。

圖1 分形迭代過程

圖2 二階分形結(jié)構(gòu)

圖3 三階分形結(jié)構(gòu)

1.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的寬帶天線貼片結(jié)構(gòu)如圖4所示,天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括分形迭代輻射貼片、50 Ω 微帶饋線、接地板以及介質(zhì)基片。本文采用FR4的介質(zhì)基片,其介電常數(shù)參數(shù)為 4.4,損耗正切為0.02。為了使天線實(shí)現(xiàn)超寬帶的性能要求,介質(zhì)基板上的輻射貼片采用三階分形迭代結(jié)構(gòu),使天線的多個(gè)諧振頻率疊加起來,由此達(dá)到擴(kuò)展天線帶寬的目的。針對目前車載天線尺寸較大的問題,本文提出了小型化寬帶的設(shè)計(jì),天線的總尺寸僅為 60 mm×50 mm×1 mm。仿真優(yōu)化后,天線的最終結(jié)構(gòu)如圖4所示,天線參數(shù)標(biāo)識(shí)如圖5所示,尺寸如表1 所示。

表1 天線尺寸

圖4 天線最終結(jié)構(gòu)

圖5 天線參數(shù)標(biāo)識(shí)

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 分形結(jié)構(gòu)對天線性能的影響

本文通過HFSS分別對天線輻射貼片的一階、二階和三階結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。假設(shè)維持當(dāng)前天線的微帶饋線形狀和接地板基本結(jié)構(gòu),逐步從一階結(jié)構(gòu)開始對天線進(jìn)行仿真,進(jìn)而和二階、三階對比天線的輻射性能以及每一階段的輻射帶寬,天線在不同階數(shù)對應(yīng)的回波損耗如圖6所示。

圖6 不同階數(shù)輻射貼片對應(yīng)的回波損耗

從圖6可知,當(dāng)天線輻射貼片為一階分形結(jié)構(gòu)時(shí),天線在1.6～10 GHz均有諧振,但是僅在1.8～2.2 GHz頻點(diǎn)范圍附近天線回波損耗低于-10 dB。通過HFSS對天線在二階迭代結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真時(shí),對比與一階分形結(jié)構(gòu)時(shí)的性能結(jié)果,天線在二階結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的頻帶內(nèi)的輻射性能得到了改善,同時(shí)天線的輻射帶寬得到了擴(kuò)展,但是在3～4 GHz和8.3～8.7 GHz頻點(diǎn)附近回波損耗依然略高于-10 dB。當(dāng)天線的貼片形狀迭代至三階時(shí),三階結(jié)構(gòu)的輻射帶寬相較于二階結(jié)構(gòu)得到了延展,工作頻帶延伸至2～10 GHz,在頻帶內(nèi)的輻射性能更加穩(wěn)定,天線帶寬覆蓋2.4 GHz、5 GHz WLAN頻段和2 G/3 G/4 G移動(dòng)通信頻段,包含了微波的S波段、C波段和X波段,根據(jù)圖6所示的對比結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用分形結(jié)構(gòu)可以有效改善天線的阻抗匹配特性,擴(kuò)展天線帶寬。

2.2 饋線寬度對天線性能的影響

天線饋線寬度參數(shù)的設(shè)置直接影響天線的性能,不同粗細(xì)的饋線對天線的帶寬和通信距離會(huì)產(chǎn)生影響。通過HFSS仿真不斷改變天線饋線的寬度,對比不同寬度下天線的輻射帶寬變化。FW1表示天線的饋線寬度,當(dāng)天線其他參數(shù)維持當(dāng)前值,僅將FW1的參數(shù)范圍設(shè)置為1～2 mm,步長值為 0.2 mm,通過仿真優(yōu)化分析,不同F(xiàn)W1的值對S11參數(shù)的影響如圖7所示。當(dāng)FW1較大時(shí),天線諧振頻率靠低頻,匹配深度較淺,當(dāng)FW1較小時(shí),天線匹配深度較好,工作頻率偏向高頻,當(dāng)FW1在1.6 mm時(shí),性能最優(yōu)。

圖7 不同F(xiàn)W1對天線 S11參數(shù)的影響

2.3 輻射特性分析

在當(dāng)前的車聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,車載天線滿足寬帶特性的同時(shí)對天線的輻射性能仍有要求。天線的輻射性能優(yōu)劣通過觀察在頻帶內(nèi)不同頻率點(diǎn)的輻射方向圖,天線在不同頻率水平面輻射方向如圖8所示。由圖8可以看出,在 2～10 GHz,天線輻射方向圖具有全向輻射特性,且輻射特性良好。天線工作在4 GHz的三維輻射如圖9所示,可以看出,當(dāng)天線工作在4 GHz時(shí),輻射方向圖很光滑圓潤,在H Plane時(shí)表現(xiàn)良好的全向性能。

圖9 4 GHz輻射三維

寬帶天線在各頻點(diǎn)處輻射是否穩(wěn)定通過增益來體現(xiàn),天線在各頻點(diǎn)處的最大值增益如圖10所示。為了減少損耗,本文采用分形天線,分形天線通過結(jié)構(gòu)迭代僅通過改變輻射貼片的形狀實(shí)現(xiàn)小型化寬帶的特性,通過HFSS性能仿真圖可以發(fā)現(xiàn),天線在當(dāng)前工作頻段范圍內(nèi)最大值增益為正且穩(wěn)定,符合寬帶天線的輻射性能要求。在9 GHz處取得最大增益為 11.2 dBi,在4 GHz 處取得最小增益為 4.5 dBi[5]。

圖10 各頻點(diǎn)處最大值增益

3 結(jié)語

本文提出的基于分形結(jié)構(gòu)的超寬帶車載小型天線,解決了傳統(tǒng)窄帶天線帶來的干擾問題,同時(shí)滿足了現(xiàn)在車載集成化的發(fā)展,天線覆蓋了2.4 GHz、5 GHz WLAN頻段和2 G/3 G/4 G移動(dòng)通信頻段,多頻段的覆蓋適用于當(dāng)前大多數(shù)車載通信系統(tǒng),將會(huì)在集成車載系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。