胡章芳 辛偉 羅元 胡銀平 嚴(yán)鳳莉

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,重慶 400065)

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一種新型類Vicsek分形多頻天線的設(shè)計(jì)

胡章芳 辛偉 羅元 胡銀平 嚴(yán)鳳莉

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院,重慶 400065)

在Vicsek結(jié)構(gòu)的分形理論基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),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(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure, DGS)來改善頻率、抑制諧波,得到了可以運(yùn)用在無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks, WLAN)、全球微波互聯(lián)接入(Worldwide Interoperability For Microwave Access, WiMAX)以及C波段衛(wèi)星通信的四個(gè)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(yīng)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(dá)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(dòng)設(shè)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(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,人們對(duì)小型化、多頻段無線移動(dòng)設(shè)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(shè)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(diǎn)在眾多天線中脫穎而出,得到了國內(nèi)外學(xué)者大量的研究和應(yīng)用.

微帶天線的多頻化問題一直是研究的熱點(diǎn),主要方向有:1) 分形結(jié)構(gòu):利用分形體的自相似性實(shí)現(xiàn)天線的多頻化,利用空間填充性減小天線尺寸[1].文獻(xiàn)[2]提出了一款針對(duì)WLAN無線網(wǎng)應(yīng)用的H型分形天線,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠在很小的體積內(nèi)充分地利用其空間. 2) 開槽結(jié)構(gòu):在微帶天線上開矩形、U形等槽或孔結(jié)構(gòu),破壞其表面電流分布,可使天線工作在雙頻或多頻. 文獻(xiàn)[3]合理設(shè)計(jì)了一種開矩形槽的雙頻帶科赫分形天線,既實(shí)現(xiàn)了分形天線的特點(diǎn),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(shù)字蜂窩系統(tǒng). 文獻(xiàn)[4]在Koch分形邊界的矩形貼片上加載了分形孔結(jié)構(gòu),得到了2.32～2.52 GHz、3.37～3.45 GHz和5.6～5.9 GHz三個(gè)工作頻段,可應(yīng)用于WLAN及WiMAX頻段. 3) 多貼片結(jié)構(gòu):使諧振頻率不同的貼片形成雙諧振,達(dá)到多頻的目的. 文獻(xiàn)[5]提出了一種新穎的半U(xiǎn)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(diào)節(jié)上下兩層貼片對(duì)應(yīng)諧振頻點(diǎn)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(jié)構(gòu)或有耗匹配網(wǎng)絡(luò)以降低天線的Q值來達(dá)到多頻效果. 文獻(xiàn)[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(shí)現(xiàn)天線的多頻化,但多貼片和集總元件加載通常會(huì)使天線結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積較大,不利于天線的小型化.

本文運(yùn)用類Vicsek分形單元,并引入缺陷地結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一款可同時(shí)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(dòng)設(shè)備的要求.

1 天線設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

1.1 類Vicsek分形

在方形Sierpinski結(jié)構(gòu)的分形基礎(chǔ)上,匈牙利的Vicsek設(shè)計(jì)出了一種算法,即把正方形分成九個(gè)相同的等分,把邊緣上四個(gè)直角小方型去掉,這樣就還剩下五個(gè)小正方形[7]. 重復(fù)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(yīng)并不明顯,且?guī)捿^窄,不適合便攜式多頻段移動(dòng)設(shè)備天線的設(shè)計(jì)[8].

(a) 一階 (b) 二階圖1 Vicsek分形結(jié)構(gòu)

為了滿足便攜式多頻段移動(dòng)設(shè)備的要求,本文在Vicsek模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合開槽結(jié)構(gòu),用以改善其高階分形的多頻效應(yīng),提出了一種新的分形思路,即也是把正方形分成九個(gè)相同的等分,把邊緣上四個(gè)直角小方型去掉的同時(shí),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(zhǎng)的c=0.9倍為邊長(zhǎng)的另一個(gè)小正方形. 重復(fù)以上操作,可以得到圖2所示的類Vicsek分形結(jié)構(gòu).

(a) 一階 (b) 二階

(c) 三階圖2 類Vicsek分形結(jié)構(gòu)

1.2 天線的分形結(jié)構(gòu)

運(yùn)用類Vicsek分形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)天線首先需要計(jì)算初始方形貼片的尺寸,而微帶天線的輻射貼片長(zhǎng)度約等于天線諧振時(shí)對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)的二分之一,由輻射貼片尺寸與諧振頻率之間的關(guān)系可以得到方形貼片的初始尺寸,其計(jì)算可以參考以下經(jīng)驗(yàn)公式[9]:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中: L為天線實(shí)際的輻射單元長(zhǎng)度; w為輻射單元寬度; f為諧振頻率; εe為有效介電常數(shù); εr為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù); c為真空中的光速; h為介質(zhì)板的厚度; ΔL為等效輻射縫隙長(zhǎng)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(duì)方形貼片進(jìn)行分形,得到了其一階、二階、三階分形天線,將其進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證此分形方法的可行性,最后將其三階分形參數(shù)由HFSS電磁仿真軟件進(jìn)一步優(yōu)化,得到了如圖3所示的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu). 天線制作于36 mm×21 mm的Rogers RO4003介質(zhì)基板上,厚度為0.5 mm,相對(duì)介電常數(shù)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(zhǎng)l=15 mm,分形邊長(zhǎng)B=20 mm.

(a) 正面圖 (b) 背面圖圖3 天線結(jié)構(gòu)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(gè)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(gè)頻段上. 三階分形相對(duì)于一階分形增加了兩個(gè)諧振頻率,低頻諧振點(diǎn)工作頻率下降了20%,高頻諧振點(diǎn)工作頻率下降了12.5%;三階分形相對(duì)于二階分形增加了一個(gè)諧振頻率,低頻諧振點(diǎn)工作頻率下降了10.5%,高頻諧振點(diǎn)工作頻率下降了8.8%,驗(yàn)證了此分形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

普通矩形接地板結(jié)構(gòu)的類Vicsek分形天線背面結(jié)構(gòu)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(gè)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(jié)構(gòu)的類Vicsek分形天線背面結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示,三個(gè)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(gè)工作頻段,本文引入了缺陷接地結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure,DGS),該結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)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(jīng)HFSS參數(shù)優(yōu)化后得出,等腰三角形高l2=21 mm,底邊長(zhǎng)l3=18 mm,矩形缺陷長(zhǎng)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(diǎn)被轉(zhuǎn)移到了2.45 GHz,6.41 GHz諧振點(diǎn)被轉(zhuǎn)移到了5.80 GHz,且增加了3.46 GHz和7 GHz兩個(gè)諧振點(diǎn). 刻蝕矩形缺陷后,原矩形加三角接地板天線的6.03 GHz被轉(zhuǎn)移到了5.80 GHz,且增加了其帶寬. 因此可以得出如下結(jié)論:由于缺陷地結(jié)構(gòu)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(xì)參數(shù)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(jié)構(gòu).

(a) (b) (c)圖5 天線背面結(jié)構(gòu)圖

圖6 回波損耗特性圖

參數(shù)尺寸/mm參數(shù)尺寸/mmH0.5a21b36B20dw2.8l15w120.6w22.5w32l16l221l318

2 參數(shù)優(yōu)化與實(shí)測(cè)結(jié)果

2.1 分形變量c對(duì)天線性能的影響

在類Vicsek分形天線中,有一個(gè)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(duì)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(dòng),回波損耗變低且?guī)捲鰧?但當(dāng)c值趨近于1時(shí),天線的制作工藝將會(huì)變得非常復(fù)雜,同時(shí)這種工藝的復(fù)雜化程度也會(huì)隨

著分形次數(shù)的增加而增加. 在保證天線性能符合要求,同時(shí)工藝相對(duì)簡(jiǎn)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(gè)諧振點(diǎn)的方向圖,當(dāng)天線工作在2.45 GHz和3.46 GHz時(shí),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(dāng)天線工作在5.8 GHz時(shí),其主輻射方向在30°和150°,最大增益為3.22 dB;當(dāng)天線工作在7 GHz時(shí),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(gè)頻點(diǎn)都具有近乎全向的方向特性,符合全向天線的特點(diǎn),能很好地滿足便攜式多頻段移動(dòng)設(shè)備的要求.

圖7 不同變量c對(duì)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(shí)測(cè)結(jié)果

采用全波仿真軟件HFSS對(duì)天線進(jìn)行了模擬仿真,同時(shí)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)實(shí)際制作的天線在暗室中進(jìn)行了測(cè)試,天線測(cè)試的實(shí)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(shí)物圖. 圖10為此天線仿真與測(cè)試的回波損耗參數(shù)的對(duì)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(shí)驗(yàn)設(shè)備上的誤差引起的.

(a) 天線正面實(shí)物圖 (b) 天線背面實(shí)物圖圖9 天線的實(shí)物圖

圖10 仿真與測(cè)試的回波損耗特性

方法工作頻帶/GHz增益/dB尺寸文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(xiàn)[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(xiàn)[4]、[12]、[13]中的天線尺寸及覆蓋頻段對(duì)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(chǔ)上,還可以適用于C波段的衛(wèi)星通信,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于加工制作.

3 結(jié) 論

本文在Vicsek模型的分形理論基礎(chǔ)上,結(jié)合開槽結(jié)構(gòu),用以改善其高階分形的多頻效應(yīng),提出了一種新的類Vicsek分形結(jié)構(gòu),并運(yùn)用三階類Vicsek分形單元,結(jié)合缺陷地結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一款小型化分形多頻天線,可同時(shí)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(diào)節(jié)分形變量c,同時(shí)改進(jìn)地板為帶矩形缺陷的矩形加等腰三角形結(jié)構(gòu)來獲得四個(gè)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(gè)阻抗帶寬,增益分別達(dá)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(diǎn),適用于當(dāng)前應(yīng)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(dǎo)師,主要研究方向?yàn)楣怆娦畔⑻幚?

辛偉 (1992-),男,湖北人,碩士研究生,研究方向?yàn)榉中挝炀€理論與設(shè)計(jì).

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(xiàng)目(重慶光電產(chǎn)業(yè)科技支撐示范工程協(xié)同管理創(chuàng)新與應(yīng)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(shè)計(jì)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),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(lián)系人： 辛偉 E-mail: 512185894@qq.com