多频段兼容复合分形移动通信天线设计

林 斌

(厦门大学 嘉庚学院，福建 漳州 363105)

移动通信是无线技术的重要应用之一，能够支撑多频段、多标准、多模式的移动通信技术，是我国无线通信应用事业发展的核心关键技术。目前，我国的第二代移动通信依然得到广泛应用，第三代移动通信方兴未艾，第四代移动通信已开始普及。正在研发的第五代移动通信后来居上，具备超高的数据传输能力，将在2020年前后投入商业运营。不同频率、不同制式的移动通信无线信号将在空间长期共存，这就要求移动通信天线具备多频段兼容的功能，能够同时覆盖第二代至第五代移动通信所有工作频段，并满足小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的要求[1-4]。

近年来，国内外学者研制了一批高性能的多频段移动通信天线。Elsheakh等人设计了一款有5个工作频段的单极天线，但其中的3个频段带宽很小，缺乏带宽冗余[5]；杨利霞等人设计了一款开槽双频分形雪花天线，实现了对第二代和第三代移动通信频段的兼容，但天线尺寸较大，难以放进手机里[6]；爱尔兰贝尔实验室使用大型天线系统，实现了第五代移动通信多频段天线设计，但该天线不能兼容第二代、第三代、第四代移动通信系统[7]；Belhadef等人设计了一款6频段分形平面倒F天线，但其回波损耗性能和带宽性能都不好，天线缺乏实用价值[8]。

现有的多频段移动通信天线未能完全覆盖第二代到第五代移动通信频段；部分天线辐射强度较弱，部分天线尺寸较大，难以放进手机中。要在兼容第二代到第五代移动通信系统的同时，满足小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的要求，就必须对现有的多频段移动通信天线进行改进设计。

1 用于复合分形天线设计的分形结构

矩形环分形结构可以按照图1所示的迭代构造方法得到。1阶矩形环分形结构是一个边长为a的1层矩形环，线宽为0.1a；2阶矩形环分形结构，是在1阶矩形环分形结构内部嵌套了一个旋转45°的第2层矩形环，其线宽是第1层矩形环的一半；3阶矩形环分形结构，是在2阶矩形环分形结构内部再嵌套一个旋转45°的第3层矩形环，其线宽是第2层矩形环的一半。每个矩形环大小不同，工作的频率也不同。多个矩形环嵌套叠加可以得到较大的工作频段[9-10]。康托尔分形结构、谢尔宾斯基分形结构、十字分形结构都是以正四边形为原始结构的面分形结构，它们分别可以按照图2～图4所示的迭代构造方法得到。这3种面分形结构用于天线设计时，兼具高辐射强度和大工作带宽，可以大幅展宽矩形微带天线的工作频段[11-16]。

图1 矩形环分形结构的构造过程

图2 康托尔分形结构的构造过程

图3 谢尔宾斯基分形结构的构造过程

图4 十字分形结构的构造过程

2 多频段兼容复合分形天线结构设计

该款天线的设计目标为兼容第二代到第五代移动通信频段，同时覆盖GSM 0.905～0.915 GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785 GHz、1.805～1.880 GHz频段，TD-SCDMA 1.880～1.920 GHz、2.010～2.025 GHz、2.300～2.400 GHz频段，WCDMA 1.920～1.980 GHz、2.110～2.170 GHz频段，TD-LTE 2.570～2.620 GHz频段，第五代移动通信3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz、4.800～4.990 GHz候选频段。

分形结构具备自相似性，内部电流分布均匀，工作带宽较大、辐射效率较高，适合用于多频段兼容天线设计。将两种不同的分形结构有机融合，可以得到复合分形结构，它的基本结构使用一种面分形结构，而内部的每个小正四边形区域使用另一种分形结构。复合分形结构用于天线设计时，可以保证天线边沿和内部都具有自相似性。复合分形天线的性能要优于传统分形天线。

微带贴片天线剖面低、辐射强度大、可以集成在手机电路中，在移动通信天线中应用广泛。在天线结构设计中，首先设计一个边长为L的正四边形微带贴片天线，再将天线正面的正四边形辐射贴片替换为矩形环-康托尔复合分形结构；将天线背面的正四边形接地板替换为十字-谢尔宾斯基复合分形结构。该设计在保留微带贴片天线优点的同时，展宽了天线的工作频带，使之可以同时覆盖第二代至第五代移动通信频段。

设计中使用的天线基板为低损耗透波陶瓷基板，其尺寸为30 mm×30 mm。微带贴片天线正面的正四边形辐射贴片边长L满足式(1)。

(1)

其中，C为光速，基板厚度h=1 mm，基板相对介电常数εr=3，令天线中心工作频率fr=3.50 GHz，经过计算得到L=24 mm。

完成初步设计后，对天线辐射贴片进行2次康托尔分形迭代。随后将2阶康托尔分形辐射贴片内部的每个小正四边形区域，用3阶矩形环分形结构替代，组成了矩形环-康托尔复合分形辐射贴片，如图5(a)所示。

天线背面是尺寸为27 mm×27 mm的正四边形金属接地板，对其进行2次谢尔宾斯基分形迭代。随后将2阶谢尔宾斯基分形接地板内部的每个小正四边形区域，用2阶十字分形结构替代，组成了十字-谢尔宾斯基复合分形接地板，如图5(b)所示。

该天线的辐射贴片整体是康托尔分形结构，微观上是矩形环分形结构；该天线的接地板整体是谢尔宾斯基分形结构，微观上是十字分形结构。射频电流在整个天线辐射贴片和接地板上都可以均匀分布，天线将具有良好的宽频带工作特性。

图5 天线结构示意图

3 天线辐射性能仿真分析

使用基于矩量法的微波设计软件Microwave Office对天线的辐射性能进行了仿真，设置仿真频率范围为0～7 GHz，仿真频率间隔为0.01 GHz；设置天线辐射贴片和接地板为理想金属。得到天线的回波损耗和方向图特性，如图6所示。

从图6(a)可知，仅有辐射贴片使用康托尔分形结构、仅有辐射贴片使用复合分形结构、辐射贴片和接地板都使用复合分形结构3种情况下，天线的最低回波损耗值分别为-48.54 dB，-38.53 dB，-28.04 dB；回波损耗值小于-10 dB时，天线的工作频带分别为2.676～4.124 GHz，2.388～4.596 GHz，0.728～6.502 GHz；天线的工作带宽分别为1.448 GHz，2.208 GHz，5.774 GHz；相对带宽分别为42.59%，63.23%，159.72%。从3种情况下天线回波损耗的对比可知，在天线设计中使用复合分形结构比使用单一分形结构，可以获得更大的带宽；辐射贴片和接地板都使用复合分形结构比仅有辐射贴片使用复合分形结构，带宽性能更好。这是由于复合分形结构整体和局部都具有自相似性，复合分形天线边沿和内部都具有分形辐射缝隙，天线辐射能量可以分布在更大的频率范围。从回波损耗仿真结果可以看出，天线工作带宽的增大，伴随着回波损耗值的上升，这是因为天线辐射总能量基本不变，工作带宽的增大将造成天线工作频带内的辐射强度相应减弱。不过，辐射贴片和接地板都使用复合分形结构时，天线最低回波损耗值仍达到-28.04 dB，完全能够满足移动通信系统对天线回波损耗值的要求。

从图6(b)可知，天线方向图的E面分为两个部分，有效工作角度范围超过270°；天线方向图的H面可在360°范围内全向工作，天线整体具有全向工作能力。仿真结果显示，该款天线实现了设计目标，完全覆盖了第二代至第五代移动通信的所有工作频段。

图6 天线辐射性能仿真结果

4 天线实测与分析

根据上文所描述的设计方案，使用磁控溅射工艺制作出了天线样品，如图7所示。采用AV3672A矢量网络分析仪测量了天线的回波损耗，如图8(a)所示。使用开放区域测试场地(Open Area Test Site，OATS)测量了天线的方向图，如图8(b)所示。

从图8(a)可知，天线的最低回波损耗值为-23.14 dB；回波损耗值<-10 dB时，天线的工作频带为0.751～6.353 GHz，工作带宽为5.602 GHz，相对带宽为157.71%。从图8(b)可知，天线整体具有全向工作能力。

对比图6和图8可知，天线实测性能和仿真性能基本一致。天线的实测回波损耗稍高于仿真结果，实测工作带宽稍小于仿真结果。仿真时天线辐射贴片和接地板设置为理想金属，电导率为无穷大；而实际制作天线样品时，辐射贴片和接地板使用的是金属银，其电导率是一个有限值，因此天线性能实测结果略差于仿真结果。

为了减小介质损耗，该款天线使用了低损耗透波陶瓷材料作为基板。为保证陶瓷基板有较高的机械强度，基板厚度不能小于1 mm，这限制了本款天线在超薄手机中的应用，是本设计的不足之处。

图7 天线样品

图8 天线辐射性能测试结果

5 结束语

本文针对第二代至第五代移动通信系统对多频段兼容天线的性能要求，使用低损耗微波陶瓷材料作为介质基板，将矩形环分形结构和康托尔分形结构融合为矩形环-康托尔复合分形辐射贴片，将谢尔宾斯基分形结构和十字分形结构融合为十字-谢尔宾斯基复合分形接地板，设计了一款多频段兼容复合分形移动通信天线。天线性能仿真和实测结果基本一致，该款天线最低回波损耗值为-23.14 dB，天线工作频带范围为0.751～6.353 GHz，工作带宽为5.602 GHz，相对带宽为157.71%，天线具有全向工作能力。该款天线完全覆盖了第二代至第五代移动通信所有工作频段，实现了对第二代至第五代移动通信系统的兼容。该款天线在尺寸压缩方面具有较大优势，天线尺寸仅为30 mm×30 mm×1 mm，能够植入大多数手机中。天线回波损耗较低且变化较为平稳，工作带宽较大，性能冗余较为充裕。该款天线同时满足小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽的要求，能够同时用于第二代至第五代移动通信系统。