林 斌

(廈門大學 嘉庚學院 信息科學與技術(shù)學院，福建 漳州 363105)

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第五代移動通信系統(tǒng)三重復(fù)合分形天線設(shè)計*

林 斌

(廈門大學 嘉庚學院 信息科學與技術(shù)學院，福建 漳州 363105)

針對第五代移動通信系統(tǒng)對天線的性能要求，將謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)、康托爾分形結(jié)構(gòu)、分形折線雪花結(jié)構(gòu)相融合，設(shè)計了一款三重復(fù)合分形天線，對天線性能進行了仿真分析，制作了天線樣品并對其進行了測試。仿真和測試結(jié)果表明，該款天線回波損耗最小值為-21.84 dB，絕對工作帶寬達到2.047 GHz，相對工作帶寬達到48.51%，天線具有全向輻射特性。利用漸變介電常數(shù)介質(zhì)基板設(shè)計了改進型天線結(jié)構(gòu)，有效地展寬了天線的工作頻段。該款天線能夠完全覆蓋第五代移動通信的三個候選頻段，具有尺寸小、回波損耗低、工作帶寬大等優(yōu)點，在第五代移動通信系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

第五代移動通信；謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)；康托爾分形結(jié)構(gòu)；分形折線雪花結(jié)構(gòu)；三重復(fù)合分形天線

0 引言

第五代移動通信是目前最新一代的移動通信系統(tǒng)，具有較寬的通信頻段、較快的數(shù)據(jù)傳輸速度和良好的用戶體驗[1-4]。第五代移動通信具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，它能夠滿足未來10年移動互聯(lián)網(wǎng)流量增加1 000倍的發(fā)展需求，將在2020年前后投入商業(yè)運營。在2015年的世界無線電通信大會上，國際電信聯(lián)盟確定了第五代移動通信的三個候選頻段為：3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz 和 4.800～4.990 GHz。

作為無線電波信號傳輸?shù)幕静考?，利用領(lǐng)先技術(shù)設(shè)計的天線將對移動通信的發(fā)展起到?jīng)Q定性的作用。第五代移動通信系統(tǒng)要求天線能夠?qū)崿F(xiàn)：尺寸足夠小，能夠放進移動終端里；輻射性能好，工作頻帶內(nèi)的天線回波損耗最小值應(yīng)小于-20 dB；工作帶寬大，天線工作頻帶需要覆蓋第五代移動通信的三個候選頻段：3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz 和 4.800～4.990 GHz。

近年來，已有一批國內(nèi)外學者嘗試設(shè)計第五代移動通信天線。南京電子技術(shù)研究所的研究團隊設(shè)計了一款用于第五代移動通信的MIMO天線陣，實現(xiàn)了對3.4～3.6 GHz頻段的覆蓋[5]；大唐電信、中興通訊、中國移動都開展了基于Massive MIMO技術(shù)的第五代移動通信天線研發(fā)[6]；丹麥奧爾堡大學的研究團隊使用64個單極子天線組成矩形陣列，成功設(shè)計了一款工作頻段為4.0～5.0 GHz的第五代移動通信陣列天線[6]；愛爾蘭貝爾實驗室的研究團隊提出了利用大型天線系統(tǒng)實現(xiàn)第五代移動通信多頻段天線的方案，并驗證了該方案的可行性[7]?，F(xiàn)有的第五代移動通信天線設(shè)計大多是基于大規(guī)模陣列結(jié)構(gòu)，利用單體天線實現(xiàn)第五代移動通信天線設(shè)計的方案未見報道?，F(xiàn)有的第五代移動通信天線只能全部或者部分覆蓋1～2個候選頻段，能夠完全覆蓋第五代移動通信的三個候選頻段的天線設(shè)計方案未見報道。

1 三種常用分形結(jié)構(gòu)簡介

要完成天線的寬頻帶工作和小型化設(shè)計，使用分形結(jié)構(gòu)是一種很好的選擇。謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)、康托爾分形結(jié)構(gòu)、分形折線雪花結(jié)構(gòu)是三種在天線設(shè)計中常用的分形結(jié)構(gòu)。

謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)的迭代過程如圖1所示，其原始結(jié)構(gòu)為正四邊形，將其等分為3行3列9個小正四邊形，將等分后居中的那個正四邊形區(qū)域挖空為正四邊形孔，剩下8個等分的正四邊形區(qū)域，則得到1階謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)。將1階謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)的8個正四邊形區(qū)域分別再做謝爾賓斯基分形迭代，則得到2階謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)。按照這種方法繼續(xù)迭代，則可得到高階謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)[8-9]。

康托爾分形結(jié)構(gòu)的迭代過程如圖2所示，其原始結(jié)構(gòu)為正四邊形貼片，將其等分為4行4列16個小正四邊形。刪除第1行第3列、第2行第1列、第3行第4列、第4行第2列的小正四邊形，剩下12個小正四邊形，構(gòu)成1階康托爾分形結(jié)構(gòu)。將1階康托爾分形結(jié)構(gòu)的每個小正四邊形再分別做康托爾分形迭代，得到2階康托爾分形結(jié)構(gòu)。按照這種方法繼續(xù)迭代，則可得到高階康托爾分形結(jié)構(gòu)[10-12]。

圖1 謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)迭代過程 圖2 康托爾分形結(jié)構(gòu)迭代過程

分形折線雪花結(jié)構(gòu)是由多條大小和形狀一致的分形折線所圍成的雪花結(jié)構(gòu)，其常見的原始結(jié)構(gòu)有正三角形、正四邊形、正六邊形等，其常見的邊沿分形折線有科赫分形折線、π型分形折線等[13-14]。

謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)、康托爾分形結(jié)構(gòu)、分形折線雪花結(jié)構(gòu)都很適合用于矩形微帶天線的改進設(shè)計，使用這三種分形結(jié)構(gòu)可以有效地改善矩形微帶天線的帶寬性能。

2 三重復(fù)合分形天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

在本設(shè)計中將三種不同的分形結(jié)構(gòu)有機地融合為三重復(fù)合分形結(jié)構(gòu)。設(shè)計思路為：首先設(shè)計一個邊長為L的正四邊形微帶貼片天線，再使用謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)對天線性能進行改進，最后將天線內(nèi)部每個小正四邊形金屬區(qū)域用康托爾-分形折線雪花復(fù)合分形結(jié)構(gòu)替代，完成三重復(fù)合分形天線結(jié)構(gòu)設(shè)計。

在設(shè)計中使用的介質(zhì)基板厚度h=2 mm，基板相對介電常數(shù)εr=2，天線整體尺寸為25 mm×25 mm。天線背面為全金屬接地板，天線正面為輻射貼片，形狀為正四邊形，其邊長L滿足公式(1):

(1)

公式(1)中光速c=3.0×108m/s，基板厚度h=2 mm，基板相對介電常數(shù)εr=2。經(jīng)過計算，fr=4.60 GHz時，L=21.6 mm。

完成正四邊形輻射貼片設(shè)計后，以其為原始結(jié)構(gòu)，進行2次謝爾賓斯基分形迭代，得到2階謝爾賓斯基分形輻射貼片。隨后，將2階謝爾賓斯基分形輻射貼片內(nèi)部64個小正四邊形區(qū)域用1階康托爾分形結(jié)構(gòu)替代，組成二重復(fù)合分形輻射貼片。最后，將二重復(fù)合分形輻射貼片內(nèi)部的768個微型正四邊形區(qū)域用分形折線雪花結(jié)構(gòu)替代，組成謝爾賓斯基-康托爾-分形折線雪花三重復(fù)合分形輻射貼片。設(shè)計中使用的分形折線雪花結(jié)構(gòu)如圖3所示，設(shè)計完成的三重復(fù)合分形輻射貼片如圖4所示。

圖3 空心分形折線雪花結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 三重復(fù)合分形輻射貼片示意圖

三重復(fù)合分形天線整體是謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)，局部是康托爾分形結(jié)構(gòu)，微觀上是分形折線雪花結(jié)構(gòu)，天線從內(nèi)到外都具有自相似特性，射頻電流在整個天線輻射貼片上可以均勻分布，天線將具有很好的回波損耗性能和很大的工作帶寬。

3 天線輻射性能仿真分析

用矩量法對設(shè)計的三重復(fù)合分形天線的輻射性能進行仿真，得到天線的回波損耗和方向圖特性，如圖5所示。

從圖5(a)可知，該款天線的工作中心頻率為4.60 GHz，回波損耗最小值為-33.68 dB，天線工作頻帶范圍為3.168～6.064 GHz，絕對工作帶寬為2.896 GHz，相對工作帶寬為62.74%。從圖5(b)可知，天線E面方向圖的兩個瓣覆蓋了超過290°的角度范圍，天線H面方向圖覆蓋了全部角度，所以該天線具有全向輻射特性。仿真結(jié)果顯示，該款天線完全覆蓋了第五代移動通信的三個候選頻段，且滿足輻射性能好、工作帶寬大的要求，實現(xiàn)了設(shè)計目標。

圖5 天線輻射性能仿真結(jié)果

4 天線樣品實際測試

根據(jù)上文的設(shè)計制作出天線樣品，并對天線樣品的輻射性能進行了實際測試，結(jié)果如圖6所示。

從圖6(a)可知，該款天線的工作中心頻率為4.72 GHz，回波損耗最小值為-21.84 dB，天線工作頻帶范圍為3.197～5.244 GHz，絕對工作帶寬為2.047 GHz，相對工作帶寬為48.51%。從圖6(b)可知，該天線具有全向輻、射特性。對比圖5和圖6可知，天線輻射性能的仿真和實測結(jié)果基本一致，由于制作公差造成天線輕度失配，天線回波損耗特性的實測結(jié)果略差于仿真結(jié)果。

圖6 天線輻射性能實際測試結(jié)果

5 改進型天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

前面設(shè)計的三重復(fù)合分形天線完全覆蓋了第五代移動通信的三個候選頻段，這保證了使用該款天線的移動通信終端在常規(guī)環(huán)境中能夠正常工作。但在實際使用中，移動通信終端需要應(yīng)付各種惡劣環(huán)境，這要求移動通信天線有足夠的性能冗余。

使用漸變介電常數(shù)介質(zhì)基板改進天線的帶寬性能，其結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示，它由9層介質(zhì)構(gòu)成，各層的尺寸相同，各層介電常數(shù)呈等差變化。使用漸變介電常數(shù)介質(zhì)基板后，天線整體可看作多個基板參數(shù)不同的天線相疊加，每個天線的工作中心頻率不同，工作中心頻率距離較近時，多個工作頻帶疊加形成一個輻射強度和工作帶寬較大的工作頻帶，從而提高天線性能冗余。

改進型天線結(jié)構(gòu)的回波損耗特性如圖7(b)所示。由圖7(b)可知，使用漸變介電常數(shù)介質(zhì)基板后，天線的工作中心頻率為4.60 GHz，回波損耗最小值為-30.76 dB，天線工作頻帶范圍為2.994～6.488 GHz，絕對工作帶寬為3.494 GHz，相對工作帶寬為73.69%。對比可知，使用漸變介電常數(shù)介質(zhì)基板可有效展寬天線的工作頻段。

圖7 漸變介電常數(shù)介質(zhì)基板結(jié)構(gòu)及改進型天線的回波損耗特性

6 結(jié)論

本文針對第五代移動通信系統(tǒng)對天線的性能要求，將三種分形結(jié)構(gòu)相融合，設(shè)計了一款謝爾賓斯基-康托爾-分形折線雪花三重復(fù)合分形天線，用矩量法對天線性能進行了仿真，制作了天線樣品并對其輻射性能進行測試，使用漸變介電常數(shù)介質(zhì)基板成功展寬了天線的工作頻段。該款天線填補了第五代移動通信天線產(chǎn)品的空白，是第一款能夠完全覆蓋第五代移動通信三個候選頻段的單體天線。天線尺寸只有25 mm×25 mm×2 mm，可以放進各種移動通信終端產(chǎn)品。天線同時具備較低的回波損耗和高達2.047 GHz的較寬工作頻帶。該款天線在第五代移動通信系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Littelfuse 宣布收購溫度傳感器制造商 U.S. Sensor

Littelfuse 公司(納斯達克股票代碼：LFUS)于2017年7月 11日宣布收購 U.S. Sensor 公司的資產(chǎn)。總部設(shè)在加利福尼亞州的奧蘭治，U.S. Sensor 是一家最嚴苛的溫度傳感應(yīng)用中所用熱敏電阻和探頭組件的制造商。交易條款并未披露。

“U.S. Sensor 公司在幾個關(guān)鍵的電子和工業(yè)終端市場，包括家庭自動化、HVAC 和家用電器，拓展了我們現(xiàn)有的傳感器產(chǎn)品組合，”電子部高級副總裁和總經(jīng)理Deepak Nayar說道,“這個交易加強了能促使增長計劃完成的設(shè)計能力?！?/p>

U.S. Sensor 總裁 Roger Dankert 表示：“這是 U.S. Sensor 公司下一個令人興奮的階段， 我們在客戶關(guān)注和創(chuàng)新方面擁有同樣的觀點，并將受益于 Littelfuse的全球業(yè)務(wù)和規(guī)模?！?/p>

Littelfuse 并不希望此次交易會對其 2017 年收入或調(diào)整后的盈利預(yù)測產(chǎn)生重大影響。

(美哲公關(guān)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

福建省自然科學基金計劃資助項目(2016J01318)

TN828.6

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.010

林斌.第五代移動通信系統(tǒng)三重復(fù)合分形天線設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(14)：28-31.

2017-01-19)

林斌(1984-)，男，碩士，講師，主要研究方向：微波射頻器件設(shè)計、太赫茲波段器件設(shè)計。