第五代移动通信系统三重复合分形天线设计*

林 斌

(厦门大学 嘉庚学院 信息科学与技术学院，福建 漳州 363105)



第五代移动通信系统三重复合分形天线设计*

林 斌

(厦门大学 嘉庚学院 信息科学与技术学院，福建 漳州 363105)

针对第五代移动通信系统对天线的性能要求，将谢尔宾斯基分形结构、康托尔分形结构、分形折线雪花结构相融合，设计了一款三重复合分形天线，对天线性能进行了仿真分析，制作了天线样品并对其进行了测试。仿真和测试结果表明，该款天线回波损耗最小值为-21.84 dB，绝对工作带宽达到2.047 GHz，相对工作带宽达到48.51%，天线具有全向辐射特性。利用渐变介电常数介质基板设计了改进型天线结构，有效地展宽了天线的工作频段。该款天线能够完全覆盖第五代移动通信的三个候选频段，具有尺寸小、回波损耗低、工作带宽大等优点，在第五代移动通信系统中具有广阔的应用前景。

第五代移动通信；谢尔宾斯基分形结构；康托尔分形结构；分形折线雪花结构；三重复合分形天线

0 引言

第五代移动通信是目前最新一代的移动通信系统，具有较宽的通信频段、较快的数据传输速度和良好的用户体验[1-4]。第五代移动通信具有巨大的发展潜力，它能够满足未来10年移动互联网流量增加1 000倍的发展需求，将在2020年前后投入商业运营。在2015年的世界无线电通信大会上，国际电信联盟确定了第五代移动通信的三个候选频段为：3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz 和 4.800～4.990 GHz。

作为无线电波信号传输的基本部件，利用领先技术设计的天线将对移动通信的发展起到决定性的作用。第五代移动通信系统要求天线能够实现：尺寸足够小，能够放进移动终端里；辐射性能好，工作频带内的天线回波损耗最小值应小于-20 dB；工作带宽大，天线工作频带需要覆盖第五代移动通信的三个候选频段：3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz 和 4.800～4.990 GHz。

近年来，已有一批国内外学者尝试设计第五代移动通信天线。南京电子技术研究所的研究团队设计了一款用于第五代移动通信的MIMO天线阵，实现了对3.4～3.6 GHz频段的覆盖[5]；大唐电信、中兴通讯、中国移动都开展了基于Massive MIMO技术的第五代移动通信天线研发[6]；丹麦奥尔堡大学的研究团队使用64个单极子天线组成矩形阵列，成功设计了一款工作频段为4.0～5.0 GHz的第五代移动通信阵列天线[6]；爱尔兰贝尔实验室的研究团队提出了利用大型天线系统实现第五代移动通信多频段天线的方案，并验证了该方案的可行性[7]。现有的第五代移动通信天线设计大多是基于大规模阵列结构，利用单体天线实现第五代移动通信天线设计的方案未见报道。现有的第五代移动通信天线只能全部或者部分覆盖1～2个候选频段，能够完全覆盖第五代移动通信的三个候选频段的天线设计方案未见报道。

1 三种常用分形结构简介

要完成天线的宽频带工作和小型化设计，使用分形结构是一种很好的选择。谢尔宾斯基分形结构、康托尔分形结构、分形折线雪花结构是三种在天线设计中常用的分形结构。

谢尔宾斯基分形结构的迭代过程如图1所示，其原始结构为正四边形，将其等分为3行3列9个小正四边形，将等分后居中的那个正四边形区域挖空为正四边形孔，剩下8个等分的正四边形区域，则得到1阶谢尔宾斯基分形结构。将1阶谢尔宾斯基分形结构的8个正四边形区域分别再做谢尔宾斯基分形迭代，则得到2阶谢尔宾斯基分形结构。按照这种方法继续迭代，则可得到高阶谢尔宾斯基分形结构[8-9]。

康托尔分形结构的迭代过程如图2所示，其原始结构为正四边形贴片，将其等分为4行4列16个小正四边形。删除第1行第3列、第2行第1列、第3行第4列、第4行第2列的小正四边形，剩下12个小正四边形，构成1阶康托尔分形结构。将1阶康托尔分形结构的每个小正四边形再分别做康托尔分形迭代，得到2阶康托尔分形结构。按照这种方法继续迭代，则可得到高阶康托尔分形结构[10-12]。

图1 谢尔宾斯基分形结构迭代过程 图2 康托尔分形结构迭代过程

分形折线雪花结构是由多条大小和形状一致的分形折线所围成的雪花结构，其常见的原始结构有正三角形、正四边形、正六边形等，其常见的边沿分形折线有科赫分形折线、π型分形折线等[13-14]。

谢尔宾斯基分形结构、康托尔分形结构、分形折线雪花结构都很适合用于矩形微带天线的改进设计，使用这三种分形结构可以有效地改善矩形微带天线的带宽性能。

2 三重复合分形天线结构设计

在本设计中将三种不同的分形结构有机地融合为三重复合分形结构。设计思路为：首先设计一个边长为L的正四边形微带贴片天线，再使用谢尔宾斯基分形结构对天线性能进行改进，最后将天线内部每个小正四边形金属区域用康托尔-分形折线雪花复合分形结构替代，完成三重复合分形天线结构设计。

在设计中使用的介质基板厚度h=2 mm，基板相对介电常数εr=2，天线整体尺寸为25 mm×25 mm。天线背面为全金属接地板，天线正面为辐射贴片，形状为正四边形，其边长L满足公式(1):

(1)

公式(1)中光速c=3.0×108m/s，基板厚度h=2 mm，基板相对介电常数εr=2。经过计算，fr=4.60 GHz时，L=21.6 mm。

完成正四边形辐射贴片设计后，以其为原始结构，进行2次谢尔宾斯基分形迭代，得到2阶谢尔宾斯基分形辐射贴片。随后，将2阶谢尔宾斯基分形辐射贴片内部64个小正四边形区域用1阶康托尔分形结构替代，组成二重复合分形辐射贴片。最后，将二重复合分形辐射贴片内部的768个微型正四边形区域用分形折线雪花结构替代，组成谢尔宾斯基-康托尔-分形折线雪花三重复合分形辐射贴片。设计中使用的分形折线雪花结构如图3所示，设计完成的三重复合分形辐射贴片如图4所示。

图3 空心分形折线雪花结构示意图

图4 三重复合分形辐射贴片示意图

三重复合分形天线整体是谢尔宾斯基分形结构，局部是康托尔分形结构，微观上是分形折线雪花结构，天线从内到外都具有自相似特性，射频电流在整个天线辐射贴片上可以均匀分布，天线将具有很好的回波损耗性能和很大的工作带宽。

3 天线辐射性能仿真分析

用矩量法对设计的三重复合分形天线的辐射性能进行仿真，得到天线的回波损耗和方向图特性，如图5所示。

从图5(a)可知，该款天线的工作中心频率为4.60 GHz，回波损耗最小值为-33.68 dB，天线工作频带范围为3.168～6.064 GHz，绝对工作带宽为2.896 GHz，相对工作带宽为62.74%。从图5(b)可知，天线E面方向图的两个瓣覆盖了超过290°的角度范围，天线H面方向图覆盖了全部角度，所以该天线具有全向辐射特性。仿真结果显示，该款天线完全覆盖了第五代移动通信的三个候选频段，且满足辐射性能好、工作带宽大的要求，实现了设计目标。

图5 天线辐射性能仿真结果

4 天线样品实际测试

根据上文的设计制作出天线样品，并对天线样品的辐射性能进行了实际测试，结果如图6所示。

从图6(a)可知，该款天线的工作中心频率为4.72 GHz，回波损耗最小值为-21.84 dB，天线工作频带范围为3.197～5.244 GHz，绝对工作带宽为2.047 GHz，相对工作带宽为48.51%。从图6(b)可知，该天线具有全向辐、射特性。对比图5和图6可知，天线辐射性能的仿真和实测结果基本一致，由于制作公差造成天线轻度失配，天线回波损耗特性的实测结果略差于仿真结果。

图6 天线辐射性能实际测试结果

5 改进型天线结构设计

前面设计的三重复合分形天线完全覆盖了第五代移动通信的三个候选频段，这保证了使用该款天线的移动通信终端在常规环境中能够正常工作。但在实际使用中，移动通信终端需要应付各种恶劣环境，这要求移动通信天线有足够的性能冗余。

使用渐变介电常数介质基板改进天线的带宽性能，其结构如图7(a)所示，它由9层介质构成，各层的尺寸相同，各层介电常数呈等差变化。使用渐变介电常数介质基板后，天线整体可看作多个基板参数不同的天线相叠加，每个天线的工作中心频率不同，工作中心频率距离较近时，多个工作频带叠加形成一个辐射强度和工作带宽较大的工作频带，从而提高天线性能冗余。

改进型天线结构的回波损耗特性如图7(b)所示。由图7(b)可知，使用渐变介电常数介质基板后，天线的工作中心频率为4.60 GHz，回波损耗最小值为-30.76 dB，天线工作频带范围为2.994～6.488 GHz，绝对工作带宽为3.494 GHz，相对工作带宽为73.69%。对比可知，使用渐变介电常数介质基板可有效展宽天线的工作频段。

图7 渐变介电常数介质基板结构及改进型天线的回波损耗特性

6 结论

本文针对第五代移动通信系统对天线的性能要求，将三种分形结构相融合，设计了一款谢尔宾斯基-康托尔-分形折线雪花三重复合分形天线，用矩量法对天线性能进行了仿真，制作了天线样品并对其辐射性能进行测试，使用渐变介电常数介质基板成功展宽了天线的工作频段。该款天线填补了第五代移动通信天线产品的空白，是第一款能够完全覆盖第五代移动通信三个候选频段的单体天线。天线尺寸只有25 mm×25 mm×2 mm，可以放进各种移动通信终端产品。天线同时具备较低的回波损耗和高达2.047 GHz的较宽工作频带。该款天线在第五代移动通信系统中具有广阔的应用前景。

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Littelfuse 宣布收购温度传感器制造商 U.S. Sensor

Littelfuse 公司(纳斯达克股票代码：LFUS)于2017年7月 11日宣布收购 U.S. Sensor 公司的资产。总部设在加利福尼亚州的奥兰治，U.S. Sensor 是一家最严苛的温度传感应用中所用热敏电阻和探头组件的制造商。交易条款并未披露。

“U.S. Sensor 公司在几个关键的电子和工业终端市场，包括家庭自动化、HVAC 和家用电器，拓展了我们现有的传感器产品组合，”电子部高级副总裁和总经理Deepak Nayar说道,“这个交易加强了能促使增长计划完成的设计能力。”

U.S. Sensor 总裁 Roger Dankert 表示：“这是 U.S. Sensor 公司下一个令人兴奋的阶段， 我们在客户关注和创新方面拥有同样的观点，并将受益于 Littelfuse的全球业务和规模。”

Littelfuse 并不希望此次交易会对其 2017 年收入或调整后的盈利预测产生重大影响。

(美哲公关供稿)

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

福建省自然科学基金计划资助项目(2016J01318)

TN828.6

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.010

林斌.第五代移动通信系统三重复合分形天线设计[J].微型机与应用，2017,36(14)：28-31.

2017-01-19)

林斌(1984-)，男，硕士，讲师，主要研究方向：微波射频器件设计、太赫兹波段器件设计。