一种新颖的分形超宽带天线

邵建兴

(上海航天科工电器研究院有限公司 上海 200331)

0 引言

随着电子设备向小型化、宽频段、集成化、微型化等方向的发展,对无线通信系统的带宽和体积提出了越来越高的要求。超宽带(UWB)技术作为一种无线通信技术,具有通信数据量大、平均功率小、保密性高、抗干扰能力强等优点,在军事通信、安防、智能交通、精确定位系统等方面已有广泛的应用[1-6]。按照美国联邦通信委员会(FCC)的规定,将3.1GHz～10.6GHz之间的频段分配给超宽带无线通信。在超宽带无线通信系统中,超宽带天线作为其重要的收发器件,越来越引起广大科研人员的关注[1-3]。

传统的超宽带天线,如等角螺旋天线、阿基米德螺旋天线、对数周期天线等,其馈电网络尺寸较大,设计较为复杂,难以满足超宽带天线的小型化要求。与传统超宽带天线相比,平面超宽带天线具有重量小、可集成的优点。同时,天线频带能覆盖多个无线通信频段,可以显著减少无线通信系统所需的天线数量,从而降低系统造价,并有利于提高系统的电磁兼容[2-4]。因此,针对现代无线通信系统小型化的趋势要求,研究结构紧凑、工作频带宽、增益高的平面超宽带天线具有广泛的前景和实用价值。

平面超宽带天线的设计主要集中于天线的结构及馈电形式两个方面,致力于提高天线的阻抗匹配、辐射方向图、增益、辐射效率等指标。提高天线带宽的方法主要有采用低介电常数介质、厚基片、电磁耦合馈电、寄生贴片以及开槽等形式[1-4]。然而,这种采用传统欧几里得几何来设计超宽带天线,往往具有较大难度,基于分形几何的超宽带天线设计已经成为一种新颖的设计方法[7-8]。由于分形结构的自相似性和空间填充性,可以实现天线多频带或超宽带、小型化等特性[7-9]。因此,采用分形结构来设计天线可以提高天线的性能。典型的分形结构主要有希尔伯特、康托尔、科赫、谢尔宾斯基、闵可夫斯基和分形树等[9-13]。

本文提出了一种共面波导馈电的花瓣分形平面超宽带天线。通过电磁场数值仿真分析计算,研究了花瓣分形结构的迭代次数以及有限接地面的结构对天线阻抗带宽的性能影响,从而获得了天线几何优化尺寸,并采用PCB印制板加工了天线的实物样品,对天线的回波损耗进行了测试。测试结果表明,天线阻抗带宽为3.1GHz～14.65 GHz,相对带宽为129.9%,仿真结果与测试结果基本吻合,证明了天线设计的有效性。该新型花瓣状分形超宽带天线具有结构简单,加工方便等优点,在超宽带无线通信系统中具有良好的应用前景。

1 天线设计与分析

1.1 天线结构设计及仿真分析

天线采用的花瓣分形结构如图1所示。花瓣分形结构的基本单元为椭圆尖形,初始分形单元图形结构记为S1。将初始单元图形结构(S1)以比例因子uf=0.72进行缩小,得到单元图形结构S2,再将S2以比例因子uf缩小,得到单元图形结构S3,依此类推。一阶次迭代的花瓣分形结构由S1构成;二阶次迭代花瓣的分形结构由S1和S2构成;三阶次迭代的花瓣分形结构由S1、S2和S3组成;四阶次迭代的花瓣分形结构由S1、S2、S3和S4构成;五阶次迭代的花瓣分形结构由S1、S2、S3、S4和S5组成,依此类推。

图1 花瓣状分形结构

所设计的花瓣状分形天线由五阶花瓣状分形阵列结构、共面波导馈电微带线和有限接地面三个部分组成。其中,五阶迭代花瓣状结构中的S2和S4先绕中心旋转30°,然后整体再绕中心以30°旋转,形成12个五阶迭代花瓣分形结构。由于共面波导馈电微带线的特征阻抗为50Ω,需要将天线的输入阻抗设计为50 Ω,从而实现微带线与天线的阻抗匹配。有限接地面的形状对天线的输入阻抗会产生一定影响,为了提高天线的阻抗带宽,应根据天线的具体结构设计有限接地面的形状。根据上文天线的结构特点,我们采用半圆形切方形槽的有限接地面结构。通过PCB印制板加工工艺,板材选用无锡睿龙生产的RA300材料(板厚0.508mm,相对介电常数为2.94,损耗角正切为0.0011)。

采用高频电磁场仿真分析软件 ANSYS HFSS对五阶迭代花瓣分形天线及有限接地面的结构参数进行仿真优化,所得的天线尺寸及结构如表1和图2所示。天线的回波损耗及辐射性能如图3～图5所示。从图3～图5可以看出,天线的-10dB阻抗带宽为2.8GHz～20GHz,相对带宽为150.88%。天线在3GHz、8GHz、12GHz以及18GHz的辐射方向图一致性较为良好,在8GHz～20GHz的频段内增益一致性良好。

表1 天线主要尺寸表(单位:mm)

图2 天线结构示意图

图3 天线回波损耗仿真图

图4 天线辐射方向图

图5 天线增益图

1.2 天线测试分析

天线的加工实物如图6所示,其整体尺寸为30mm×25mm×0.6mm。采用矢量网络分析仪对天线的阻抗带宽进行测试。图7为天线实测S11曲线和仿真S11曲线对比图。由实测结果可见,本文所设计的花瓣分形天线阻抗带宽为3.1GHz～14.6GHz,相对带宽为129.9%。天线的实测结果和仿真结果基本吻合,但在高频端存在一定偏差,其原因可能是因为天线加工误差,SMA射频连接器焊接偏差以及天线基板的损耗等因素所导致。

图6 天线实物图

图7 天线回波损耗仿真及测试对比图

2 结束语

利用分形结构的自相似性和空间填充性,本文设计了一款花瓣分形结构的平面超宽带天线。通过高频电磁场仿真软件对天线进行了优化设计,天线的整体尺寸为30mm×25mm×0.6mm,实测阻抗带宽为3.1GHz～14.6GHz,相对带宽达到129.9%。该天线在超宽带无线通信系统中具有良好的应用前景。