射频开关加载的Koch振子天线研究

陈 宏，徐声海

（1.船舶重工集团公司723所，扬州 225001；2.海军驻扬州723所军事代表室，扬州 225001）

0 引 言

天线作为一种用来发射或接收无线电波的部件，在无线通信系统中起到了举足轻重的作用，是无线通信系统中不可缺少的组成部分。随着无线通信技术的飞速发展，对天线的要求也越来越高：一方面，需要使天线能够工作在多个频带，具有多种工作模式并具有良好的性能；另一方面，又要减轻天线的重量、减小天线体积并降低成本［1］。

分形天线和射频开关的应用，为设计出多频及结构紧凑的天线提供了新思路和新方法。分形天线可有效地填充有限的空间，与欧氏几何结构相比可大大节省空间，利用分形天线可设计出性能优良、结构紧凑的天线［2-4］。射频开关在天线上也得到了较为广泛的应用。通过控制射频开关的状态来改变天线的辐射模型，使天线的微波射频性能得到预期的改变，从而使同一个物理结构的天线能工作于多个频段［5］。

本文将射频开关和Koch分形天线相结合，设计了一种结构紧凑、可工作在多个频段的天线。HFSS软件仿真表明所设计的天线在几个不同的频段都具有良好的性能。

1 Koch分形对称振子

Koch分形对称振子天线由Koch分形曲线形成，如图1所示。Koch曲线是一个数学曲线，它由瑞典数学家Helge von Koch在1904年发表的一篇题为《从初等几何构造的一条没有切线的连续曲线》的论文中提出。Koch曲线是一种不规则的曲线，常见的Koch曲线分形阶数每增加一阶，每单位直线段中间的1／3段就分别绕着2个分段点旋转60°和-60°后连接形成高一阶的分形曲线，总的长度变为原来 的4／3倍［6］。当 迭 代n次 时，天 线 总 长 度ln为：

式中：l0为未分形的线段长度。

图1 Koch分形对称振子天线（K0～K3）

可见，Koch曲线在迭代次数为1次以上时，所占据的空间即趋于一个定值，而长度却随着迭代次数的增加而增加，最终趋于无穷大，与初始值l0无关。说明该结构具有较好的空间填充性，这种结构的天线将有较好的小型化效果。该结构的构造方法常用迭代函数系统（IFS）算法来实现。IFS是一种收缩仿射变换簇，可以构造、描述包括Koch结构曲线在内的一大类分形集合，因此它被称为分形的语言。二维平面内任意的Koch曲线可以用如下方法实现：

式中：x和y为分段点坐标值，转换关系由矩阵W＝［a，b，c，d，e，f］确定。

矩阵A可写为：

在Koch曲线中，若令r1＝r2＝r＝1／3，0＜r＜1，而且θ1＝θ2＝θ＝60°，r为收缩比例，θ为旋转的角度，由此有：

把W1（x，y）、W2（x，y）、W3（x，y）、W4（x，y）组合起来就是Koch曲线了，如图1所示。在此基础上，将曲线延拓成具有一定宽度和厚度的金属薄片，就形成了相应的如图1所示分形结构振子天线。

2 仿真模型

由上一小节可知，Koch振子天线的高度比相同谐振频率普通振子天线的高度有较大幅度的减小，选择的二次迭代Koch半波振子天线的高度为普通半波振子的74.5%。

在模型中，天线基板为 Rogers RT／duroid 6002，其介电常数为2.94，厚度为0.508mm，损耗正切0.001 2。Koch振子天线两臂总长度为42mm，振子线宽为0.6mm。天线结构模型如图2所示。采用50Ω的微带线转双线结构给Koch振子天线馈电，馈线宽度为1.31mm。Koch振子的两臂分别对称地印制在基板的两面。在Koch振子天线上，加载2对射频开关。射频开关的通断用导体的有无来表示，在仿真中射频开关的尺寸为0.6mm×0.6mm。通过控制开关的通断，天线可工作在3种不同的状态。模型中为所有的开关都断开的情形。

图2 射频开关加载的Koch振子天线

3 仿真结果

不同工作状态天线S参数如图3所示。

图3 不同工作状态天线S参数

通过开关的通断，天线工作在3种不同的状态：状态1，开关全通，天线中心谐振频率2.3GHz；状态2，远离中心点的一对开关断，靠近中心点的一对开关通，天线中心谐振频率3.4GHz；状态3，远离中心点的一对开关通，靠近中心点的一对开关断，天线中心谐振频率4.6GHz。状态1、2和3，天线S参数的-10dB带宽分别约为180MHz、310MHz和590MHz。由图3可知，通过控制射频开关的通断，在2.3GHz、3.4GHz和4.6GHz 3个频段上实现了Koch振子天线的频率可重构。

3个不同谐振频率点天线表面的电流分布如图4所示。从图中可以看出，通过射频开关的通断，可以有效控制Koch振子天线上的电流分布，从而控制其谐振频率。

图4 不同谐振频点天线上的电流分布

不同谐振频点Koch振子方向图如图5所示。从图中可以看出，不同谐振频点，Koch振子的方向图与普通振子的方向图基本保持一致。在2.3GHz、3.4GHz和4.6GHz这3个不同的谐振频点上，天线的增益分别为2.00dB、1.72dB和2.59dB。

图5 不同谐振频点Koch振子方向图

4 结束语

本文将射频开关和Koch分形天线相结合，设计了一种可工作在多个频段的射频开关加载的Koch振子天线。通过控制射频开关的通断，可使所设计的天线工作在几个不同的频段。所设计的Koch振子天线与普通振子天线相比，其长度有较大幅度的减小。HFSS软件仿真表明所设计的天线在几个不同的频段都具有良好的性能。

［1］ 王安国，张佳杰.可重构天线的研究现状与发展趋势［J］.电波科学学报，2008，23（5）：997-1002.

［2］ Puente C，Romeu J，Pous R，Ramis J，Hijazo A.Small but long Koch fractal monopole［J］.IEE Electronics Letters，1998，34（1）：9-10.

［3］ 阮成礼，王春.小型化准分形加载单极子天线［J］.电波科学学报，2006，21（5）：727-730.

［4］ 张辉，付云起，朱畅，袁乃昌.基于Minkowski分形边界的微带贴片天线［J］.微波学报，2006，22（6）：37-39.

［5］ 魏文博.可重构天线研究［D］.西安：西安电子科技大学，2008.

［6］ 李明晶.分形天线技术及应用［J］.制导与引信，2005，26（4）：39-42.