一種新型類Vicsek分形多頻天線的設計

胡章芳 辛偉 羅元 胡銀平 嚴鳳莉

(重慶郵電大學光電工程學院,重慶 400065)

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一種新型類Vicsek分形多頻天線的設計

胡章芳 辛偉 羅元 胡銀平 嚴鳳莉

(重慶郵電大學光電工程學院,重慶 400065)

在Vicsek結構的分形理論基礎上進行了改進,提出了一種具有良好空間填充性和自相似特性的新型類Vicsek分形天線,并在接地板上引入缺陷地結構(Defected Ground Structure, DGS)來改善頻率、抑制諧波,得到了可以運用在無線局域網(Wireless Local Area Networks, WLAN)、全球微波互聯接入(Worldwide Interoperability For Microwave Access, WiMAX)以及C波段衛(wèi)星通信的四個頻段. 天線的諧振頻率分別為2.45 GHz、3.46 GHz、5.8 GHz和7 GHz,相應帶寬為0.2 GHz(2.37～2.57 GHz)、0.49 GHz(3.2～3.69 GHz)、0.75 GHz (5.52～6.27 GHz)和0.56 GHz(6.68～7.24 GHz),增益最高達到4.89 dB. 天線的小尺寸及全向性輻射特性表明該天線能很好地滿足便攜式多頻段移動設備的要求.

類Vicsek分形;多頻段;缺陷地;微帶天線

DOI 10.13443/j.cjors.2015090501

引 言

隨著現代無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,人們對小型化、多頻段無線移動設備的需求越來越廣泛. 天線作為一種發(fā)射和接收無線電波的元件,是無線通訊設備中必不可少的一部分,因此,多頻段、小型化天線的研究也越來越受到人們的重視. 其中,微帶天線以其小尺寸、輕重量、低成本等優(yōu)點在眾多天線中脫穎而出,得到了國內外學者大量的研究和應用.

微帶天線的多頻化問題一直是研究的熱點,主要方向有:1) 分形結構:利用分形體的自相似性實現天線的多頻化,利用空間填充性減小天線尺寸[1].文獻[2]提出了一款針對WLAN無線網應用的H型分形天線,其結構簡單,能夠在很小的體積內充分地利用其空間. 2) 開槽結構:在微帶天線上開矩形、U形等槽或孔結構,破壞其表面電流分布,可使天線工作在雙頻或多頻. 文獻[3]合理設計了一種開矩形槽的雙頻帶科赫分形天線,既實現了分形天線的特點,又克服了單極子天線窄帶性等缺陷,可以完美地覆蓋WiMAX頻段以及數字蜂窩系統(tǒng). 文獻[4]在Koch分形邊界的矩形貼片上加載了分形孔結構,得到了2.32～2.52 GHz、3.37～3.45 GHz和5.6～5.9 GHz三個工作頻段,可應用于WLAN及WiMAX頻段. 3) 多貼片結構:使諧振頻率不同的貼片形成雙諧振,達到多頻的目的. 文獻[5]提出了一種新穎的半U型開縫疊層微帶天線,通過改變上下兩層貼片之間泡沫的厚度來調節(jié)上下兩層貼片對應諧振頻點的頻率間隔. 4) 集總元件加載:在天線上引入一些損耗加載結構或有耗匹配網絡以降低天線的Q值來達到多頻效果. 文獻[6]引入了集總電阻與電容的加載,以尋求天線帶寬與輻射效率之間的平衡. 雖然以上4種方法都能實現天線的多頻化,但多貼片和集總元件加載通常會使天線結構變得復雜且體積較大,不利于天線的小型化.

本文運用類Vicsek分形單元,并引入缺陷地結構,設計了一款可同時用于WLAN、WiMAX以及C波段衛(wèi)星通信的四頻分形天線. 該天線工作頻段分別為2.37～2.57 GHz、3.2～3.69 GHz、5.52～6.27 GHz和6.68～7.24 GHz. 天線的尺寸為36.0 mm×21.0 mm×0.5 mm,尺寸較小且全向輻射性能良好,滿足便攜式移動設備的要求.

1 天線設計與結構

1.1 類Vicsek分形

在方形Sierpinski結構的分形基礎上,匈牙利的Vicsek設計出了一種算法,即把正方形分成九個相同的等分,把邊緣上四個直角小方型去掉,這樣就還剩下五個小正方形[7]. 重復上面的操作直至無窮,可以得到圖1所示的幾何圖形. Vicsek分形具有良好的空間填充性,能有效地減小天線尺寸,但其高階分形的多頻效應并不明顯,且?guī)捿^窄,不適合便攜式多頻段移動設備天線的設計[8].

(a) 一階 (b) 二階圖1 Vicsek分形結構

為了滿足便攜式多頻段移動設備的要求,本文在Vicsek模型的基礎上,結合開槽結構,用以改善其高階分形的多頻效應,提出了一種新的分形思路,即也是把正方形分成九個相同的等分,把邊緣上四個直角小方型去掉的同時,將中心正方形的中心部分掏空,掏空的面積為以原中心小方形邊長的c=0.9倍為邊長的另一個小正方形. 重復以上操作,可以得到圖2所示的類Vicsek分形結構.

(a) 一階 (b) 二階

(c) 三階圖2 類Vicsek分形結構

1.2 天線的分形結構

運用類Vicsek分形結構設計天線首先需要計算初始方形貼片的尺寸,而微帶天線的輻射貼片長度約等于天線諧振時對應工作波長的二分之一,由輻射貼片尺寸與諧振頻率之間的關系可以得到方形貼片的初始尺寸,其計算可以參考以下經驗公式[9]:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中: L為天線實際的輻射單元長度; w為輻射單元寬度; f為諧振頻率; εe為有效介電常數; εr為介質相對介電常數; c為真空中的光速; h為介質板的厚度; ΔL為等效輻射縫隙長度.

得到初始方形貼片的基本尺寸后,利用1.1節(jié)提到的類Vicsek分形規(guī)則對方形貼片進行分形,得到了其一階、二階、三階分形天線,將其進行對比分析,驗證此分形方法的可行性,最后將其三階分形參數由HFSS電磁仿真軟件進一步優(yōu)化,得到了如圖3所示的具體設計結構. 天線制作于36 mm×21 mm的Rogers RO4003介質基板上,厚度為0.5 mm,相對介電常數為3.38,損耗正切tanδ=0.002 7. 天線采用50 Ω微帶線饋電,微帶線寬dw=2.8 mm,長l=15 mm,分形邊長B=20 mm.

(a) 正面圖 (b) 背面圖圖3 天線結構圖

其一、二、三階分形天線的回波損耗特性如圖4所示.從圖中可以看出,三階分形天線共有四個諧振頻率,其分別工作在2.37～2.57 GHz、3.2～3.69 GHz、5.52～6.27 GHz和6.68～7.24 GHz四個頻段上. 三階分形相對于一階分形增加了兩個諧振頻率,低頻諧振點工作頻率下降了20%,高頻諧振點工作頻率下降了12.5%;三階分形相對于二階分形增加了一個諧振頻率,低頻諧振點工作頻率下降了10.5%,高頻諧振點工作頻率下降了8.8%,驗證了此分形結構具有良好的空間填充性和自相似特性.

圖4 回波損耗特性圖

1.3 缺陷地結構

普通矩形接地板結構的類Vicsek分形天線背面結構圖如圖5(a)所示,矩形接地板高l1=6 mm,其回波損耗如圖6所示,兩個諧振頻率分別為2.33 GHz和6.41 GHz,不符合WLAN和WiMAX的規(guī)定工作頻段. 普通矩形加三角接地板結構的類Vicsek分形天線背面結構如圖5(b)所示,三個諧振頻率分別為2.51 GHz、3.41 GHz和6.03 GHz,為了改善獲取的三個工作頻段,本文引入了缺陷接地結構(Defected Ground Structure,DGS),該結構通過在微帶天線接地平面上刻蝕周期性或非周期性圖形,來改變接地電流的分布,從而改變傳輸線的頻率特性,以實現改善頻率、抑制諧波、增加帶寬等作用[10-11]. 為了獲得良好的匹配,在等腰三角形里面刻蝕矩形缺陷,經HFSS參數優(yōu)化后得出,等腰三角形高l2=21 mm,底邊長l3=18 mm,矩形缺陷長w2=2.5 mm,寬w3=2 mm. 三角形地以及矩形缺陷的尺寸和位置在一定程度上影響了天線的諧振頻率和阻抗帶寬,其回波損耗如圖6所示,從圖中可以看出,原矩形接地板天線的2.33 GHz諧振點被轉移到了2.45 GHz,6.41 GHz諧振點被轉移到了5.80 GHz,且增加了3.46 GHz和7 GHz兩個諧振點. 刻蝕矩形缺陷后,原矩形加三角接地板天線的6.03 GHz被轉移到了5.80 GHz,且增加了其帶寬. 因此可以得出如下結論:由于缺陷地結構的存在,改變了原矩形接地板天線的頻率特性,在沒有增加整體體積的情況下,最終可以得到適用于WLAN、WiMAX和C波段衛(wèi)星通信的分形天線.

天線的詳細參數見表1. 其正面由三階類Vicsek分形單元和微帶饋線組成,背面接地板為矩形加等腰三角形缺陷地結構.

(a) (b) (c)圖5 天線背面結構圖

圖6 回波損耗特性圖

參數尺寸/mm參數尺寸/mmH0.5a21b36B20dw2.8l15w120.6w22.5w32l16l221l318

2 參數優(yōu)化與實測結果

2.1 分形變量c對天線性能的影響

在類Vicsek分形天線中,有一個非常重要的變量c,其代表著中心正方形挖空部分的面積占原中心正方形的比例,圖7分析了變量c對天線頻率特性的影響,從圖中可以看出,隨著變量c的增大,天線的諧振頻率向低頻方向移動,回波損耗變低且?guī)捲鰧?但當c值趨近于1時,天線的制作工藝將會變得非常復雜,同時這種工藝的復雜化程度也會隨

著分形次數的增加而增加. 在保證天線性能符合要求,同時工藝相對簡單的情況下,本文選擇c=0.9.

2.2 輻射特性

圖8為天線在四個諧振點的方向圖,當天線工作在2.45 GHz和3.46 GHz時,其主輻射方向都在0°和180°,最大增益分別為2.09 dB和2.72 dB;當天線工作在5.8 GHz時,其主輻射方向在30°和150°,最大增益為3.22 dB;當天線工作在7 GHz時,其主輻射方向在35°和160°,最大增益為4.89 dB.

從圖中可以看出,天線方向圖在四個頻點都具有近乎全向的方向特性,符合全向天線的特點,能很好地滿足便攜式多頻段移動設備的要求.

圖7 不同變量c對天線頻率的影響

(a) 2.45 GHz (b) 3.46 GHz

(c) 5.8 GHz (d) 7 GHz圖8 天線的輻射方向圖

2.3 實測結果

采用全波仿真軟件HFSS對天線進行了模擬仿真,同時使用矢量網絡分析儀對實際制作的天線在暗室中進行了測試,天線測試的實際工作帶寬為2.28～3.70 GHz、5.50～6.34 GHz和6.82～7.20 GHz. 圖9為天線的實物圖. 圖10為此天線仿真與測試的回波損耗參數的對比曲線,從圖上可以看出兩者吻合度較高. 兩者的誤差可能是天線制作上和實驗設備上的誤差引起的.

(a) 天線正面實物圖 (b) 天線背面實物圖圖9 天線的實物圖

圖10 仿真與測試的回波損耗特性

方法工作頻帶/GHz增益/dB尺寸文獻[4]2.45/2.32～2.523.4/3.37～3.455.8/5.6～5.96.55.03.050mm×50mm×3.2mm文獻[12]2.3/2.23～2.393.53/3.41～3.595.5/4.97～6.511.613.391.7840mm×30mm×0.8mm文獻[13]2.45/2.35～2.653.5/3.3～3.695.8/5.6～5.851.12.23.1355mm×52mm×1.52mm本文2.45/2.37～2.573.46/3.2～3.695.8/5.52～6.277/6.68～7.242.092.723.224.8936mm×21mm×0.5mm

文中天線與文獻[4]、[12]、[13]中的天線尺寸及覆蓋頻段對比如表2所示. 從表2中可以看出,文中天線的尺寸較以上三種天線有大幅度縮減,在能滿足傳統(tǒng)的2.4 GHz/5.8 GHz WLAN以及3.5 GHz WiMAX頻段的基礎上,還可以適用于C波段的衛(wèi)星通信,且結構簡單,易于加工制作.

3 結 論

本文在Vicsek模型的分形理論基礎上,結合開槽結構,用以改善其高階分形的多頻效應,提出了一種新的類Vicsek分形結構,并運用三階類Vicsek分形單元,結合缺陷地結構,設計了一款小型化分形多頻天線,可同時工作在WLAN、WiMAX和C波段衛(wèi)星通信頻段. 在保證天線尺寸不變的情況下,通過調節(jié)分形變量c,同時改進地板為帶矩形缺陷的矩形加等腰三角形結構來獲得四個阻抗匹配良好的頻段. 天線提供了0.2 GHz(2.37～2.57 GHz)、0.49 GHz(3.2～3.69 GHz)、0.75 GHz(5.52～6.27 GHz)和0.56 GHz(6.68～7.24 GHz)四個阻抗帶寬,增益分別達到2.09 dB、2.72 dB、3.22 dB和4.89 dB. 天線具備小尺寸、高增益、輻射特性較好等優(yōu)點,適用于當前應用的無線通信系統(tǒng).

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胡章芳 (1969-),女,重慶人,副教授,碩士生導師,主要研究方向為光電信息處理.

辛偉 (1992-),男,湖北人,碩士研究生,研究方向為分形微帶天線理論與設計.

Design of a new Vicsek-like fractal multi-frequency antenna

HU Zhangfang XIN Wei LUO Yuan HU Yinping YAN Fengli

(InstituteofPhotoelectronicEngineering,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

Based on the fractal theory of Vicsek structure, a new Vicsek-like fractal antenna with good space filling property and self-similarity property is proposed, and the defected ground structure (DGS) is introduced on its ground plate to improve the frequency and suppress the harmonics, which makes it a better candidate for applications of WLAN, WiMAX and C band satellite communication systems. It provides four impedance bandwidths of 0.2 GHz, 0.49 GHz, 0.75 GHz and 0.56 GHz for the working bands of 2.37-2.57 GHz centered at 2.45 GHz, 3.2-3.69 GHz centered at 3.46 GHz, 5.52-6.27 GHz centered at 5.8 GHz and 6.68-7.24 GHz centered at 7 GHz, respectively. Furthermore, the 4.89 dB of relative high gain is achieved. The small size and omnidirectional radiation characteristics of the antenna show that it can meet the requirements of portable multiband mobile devices.

Vicsek-like fractal; multi-frequency; defected ground structure; microstrip antenna

10.13443/j.cjors.2015090501

2015-09-05

重慶市“121”科技支撐示范工程項目(重慶光電產業(yè)科技支撐示范工程協同管理創(chuàng)新與應用研究，cstc2014zktjccxBX0065)

TN82

A

1005-0388(2016)04-0760-06

胡章芳, 辛偉, 羅元, 等. 一種新型類Vicsek分形多頻天線的設計[J]. 電波科學學報,2016,31(4):760-765.

HU Z F, XIN W, LUO Y, et al. Design of a new Vicsek-like fractal multi-frequency antenna[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):760-765. (in chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015090501

聯系人： 辛偉 E-mail: 512185894@qq.com