林 斌

(廈門(mén)大學(xué) 嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105)

移動(dòng)通信是無(wú)線技術(shù)的重要應(yīng)用之一，能夠支撐多頻段、多標(biāo)準(zhǔn)、多模式的移動(dòng)通信技術(shù)，是我國(guó)無(wú)線通信應(yīng)用事業(yè)發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)。目前，我國(guó)的第二代移動(dòng)通信依然得到廣泛應(yīng)用，第三代移動(dòng)通信方興未艾，第四代移動(dòng)通信已開(kāi)始普及。正在研發(fā)的第五代移動(dòng)通信后來(lái)居上，具備超高的數(shù)據(jù)傳輸能力，將在2020年前后投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。不同頻率、不同制式的移動(dòng)通信無(wú)線信號(hào)將在空間長(zhǎng)期共存，這就要求移動(dòng)通信天線具備多頻段兼容的功能，能夠同時(shí)覆蓋第二代至第五代移動(dòng)通信所有工作頻段，并滿(mǎn)足小尺寸、低厚度、低回波損耗、大工作帶寬的要求[1-4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研制了一批高性能的多頻段移動(dòng)通信天線。Elsheakh等人設(shè)計(jì)了一款有5個(gè)工作頻段的單極天線，但其中的3個(gè)頻段帶寬很小，缺乏帶寬冗余[5]；楊利霞等人設(shè)計(jì)了一款開(kāi)槽雙頻分形雪花天線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)第二代和第三代移動(dòng)通信頻段的兼容，但天線尺寸較大，難以放進(jìn)手機(jī)里[6]；愛(ài)爾蘭貝爾實(shí)驗(yàn)室使用大型天線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了第五代移動(dòng)通信多頻段天線設(shè)計(jì)，但該天線不能兼容第二代、第三代、第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)[7]；Belhadef等人設(shè)計(jì)了一款6頻段分形平面倒F天線，但其回波損耗性能和帶寬性能都不好，天線缺乏實(shí)用價(jià)值[8]。

現(xiàn)有的多頻段移動(dòng)通信天線未能完全覆蓋第二代到第五代移動(dòng)通信頻段；部分天線輻射強(qiáng)度較弱，部分天線尺寸較大，難以放進(jìn)手機(jī)中。要在兼容第二代到第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的同時(shí)，滿(mǎn)足小尺寸、低厚度、低回波損耗、大工作帶寬的要求，就必須對(duì)現(xiàn)有的多頻段移動(dòng)通信天線進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 用于復(fù)合分形天線設(shè)計(jì)的分形結(jié)構(gòu)

矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)可以按照?qǐng)D1所示的迭代構(gòu)造方法得到。1階矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)是一個(gè)邊長(zhǎng)為a的1層矩形環(huán)，線寬為0.1a；2階矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)，是在1階矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)內(nèi)部嵌套了一個(gè)旋轉(zhuǎn)45°的第2層矩形環(huán)，其線寬是第1層矩形環(huán)的一半；3階矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)，是在2階矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)內(nèi)部再嵌套一個(gè)旋轉(zhuǎn)45°的第3層矩形環(huán)，其線寬是第2層矩形環(huán)的一半。每個(gè)矩形環(huán)大小不同，工作的頻率也不同。多個(gè)矩形環(huán)嵌套疊加可以得到較大的工作頻段[9-10]?？低袪柗中谓Y(jié)構(gòu)、謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)、十字分形結(jié)構(gòu)都是以正四邊形為原始結(jié)構(gòu)的面分形結(jié)構(gòu)，它們分別可以按照?qǐng)D2～圖4所示的迭代構(gòu)造方法得到。這3種面分形結(jié)構(gòu)用于天線設(shè)計(jì)時(shí)，兼具高輻射強(qiáng)度和大工作帶寬，可以大幅展寬矩形微帶天線的工作頻段[11-16]。

圖1 矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)的構(gòu)造過(guò)程

圖2 康托爾分形結(jié)構(gòu)的構(gòu)造過(guò)程

圖3 謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)的構(gòu)造過(guò)程

圖4 十字分形結(jié)構(gòu)的構(gòu)造過(guò)程

2 多頻段兼容復(fù)合分形天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該款天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)為兼容第二代到第五代移動(dòng)通信頻段，同時(shí)覆蓋GSM 0.905～0.915 GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785 GHz、1.805～1.880 GHz頻段，TD-SCDMA 1.880～1.920 GHz、2.010～2.025 GHz、2.300～2.400 GHz頻段，WCDMA 1.920～1.980 GHz、2.110～2.170 GHz頻段，TD-LTE 2.570～2.620 GHz頻段，第五代移動(dòng)通信3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz、4.800～4.990 GHz候選頻段。

分形結(jié)構(gòu)具備自相似性，內(nèi)部電流分布均勻，工作帶寬較大、輻射效率較高，適合用于多頻段兼容天線設(shè)計(jì)。將兩種不同的分形結(jié)構(gòu)有機(jī)融合，可以得到復(fù)合分形結(jié)構(gòu)，它的基本結(jié)構(gòu)使用一種面分形結(jié)構(gòu)，而內(nèi)部的每個(gè)小正四邊形區(qū)域使用另一種分形結(jié)構(gòu)。復(fù)合分形結(jié)構(gòu)用于天線設(shè)計(jì)時(shí)，可以保證天線邊沿和內(nèi)部都具有自相似性。復(fù)合分形天線的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)分形天線。

微帶貼片天線剖面低、輻射強(qiáng)度大、可以集成在手機(jī)電路中，在移動(dòng)通信天線中應(yīng)用廣泛。在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先設(shè)計(jì)一個(gè)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正四邊形微帶貼片天線，再將天線正面的正四邊形輻射貼片替換為矩形環(huán)-康托爾復(fù)合分形結(jié)構(gòu)；將天線背面的正四邊形接地板替換為十字-謝爾賓斯基復(fù)合分形結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)在保留微帶貼片天線優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，展寬了天線的工作頻帶，使之可以同時(shí)覆蓋第二代至第五代移動(dòng)通信頻段。

設(shè)計(jì)中使用的天線基板為低損耗透波陶瓷基板，其尺寸為30 mm×30 mm。微帶貼片天線正面的正四邊形輻射貼片邊長(zhǎng)L滿(mǎn)足式(1)。

(1)

其中，C為光速，基板厚度h=1 mm，基板相對(duì)介電常數(shù)εr=3，令天線中心工作頻率fr=3.50 GHz，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到L=24 mm。

完成初步設(shè)計(jì)后，對(duì)天線輻射貼片進(jìn)行2次康托爾分形迭代。隨后將2階康托爾分形輻射貼片內(nèi)部的每個(gè)小正四邊形區(qū)域，用3階矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)替代，組成了矩形環(huán)-康托爾復(fù)合分形輻射貼片，如圖5(a)所示。

天線背面是尺寸為27 mm×27 mm的正四邊形金屬接地板，對(duì)其進(jìn)行2次謝爾賓斯基分形迭代。隨后將2階謝爾賓斯基分形接地板內(nèi)部的每個(gè)小正四邊形區(qū)域，用2階十字分形結(jié)構(gòu)替代，組成了十字-謝爾賓斯基復(fù)合分形接地板，如圖5(b)所示。

該天線的輻射貼片整體是康托爾分形結(jié)構(gòu)，微觀上是矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)；該天線的接地板整體是謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)，微觀上是十字分形結(jié)構(gòu)。射頻電流在整個(gè)天線輻射貼片和接地板上都可以均勻分布，天線將具有良好的寬頻帶工作特性。

圖5 天線結(jié)構(gòu)示意圖

3 天線輻射性能仿真分析

使用基于矩量法的微波設(shè)計(jì)軟件Microwave Office對(duì)天線的輻射性能進(jìn)行了仿真，設(shè)置仿真頻率范圍為0～7 GHz，仿真頻率間隔為0.01 GHz；設(shè)置天線輻射貼片和接地板為理想金屬。得到天線的回波損耗和方向圖特性，如圖6所示。

從圖6(a)可知，僅有輻射貼片使用康托爾分形結(jié)構(gòu)、僅有輻射貼片使用復(fù)合分形結(jié)構(gòu)、輻射貼片和接地板都使用復(fù)合分形結(jié)構(gòu)3種情況下，天線的最低回波損耗值分別為-48.54 dB，-38.53 dB，-28.04 dB；回波損耗值小于-10 dB時(shí)，天線的工作頻帶分別為2.676～4.124 GHz，2.388～4.596 GHz，0.728～6.502 GHz；天線的工作帶寬分別為1.448 GHz，2.208 GHz，5.774 GHz；相對(duì)帶寬分別為42.59%，63.23%，159.72%。從3種情況下天線回波損耗的對(duì)比可知，在天線設(shè)計(jì)中使用復(fù)合分形結(jié)構(gòu)比使用單一分形結(jié)構(gòu)，可以獲得更大的帶寬；輻射貼片和接地板都使用復(fù)合分形結(jié)構(gòu)比僅有輻射貼片使用復(fù)合分形結(jié)構(gòu)，帶寬性能更好。這是由于復(fù)合分形結(jié)構(gòu)整體和局部都具有自相似性，復(fù)合分形天線邊沿和內(nèi)部都具有分形輻射縫隙，天線輻射能量可以分布在更大的頻率范圍。從回波損耗仿真結(jié)果可以看出，天線工作帶寬的增大，伴隨著回波損耗值的上升，這是因?yàn)樘炀€輻射總能量基本不變，工作帶寬的增大將造成天線工作頻帶內(nèi)的輻射強(qiáng)度相應(yīng)減弱。不過(guò)，輻射貼片和接地板都使用復(fù)合分形結(jié)構(gòu)時(shí)，天線最低回波損耗值仍達(dá)到-28.04 dB，完全能夠滿(mǎn)足移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)天線回波損耗值的要求。

從圖6(b)可知，天線方向圖的E面分為兩個(gè)部分，有效工作角度范圍超過(guò)270°；天線方向圖的H面可在360°范圍內(nèi)全向工作，天線整體具有全向工作能力。仿真結(jié)果顯示，該款天線實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，完全覆蓋了第二代至第五代移動(dòng)通信的所有工作頻段。

圖6 天線輻射性能仿真結(jié)果

4 天線實(shí)測(cè)與分析

根據(jù)上文所描述的設(shè)計(jì)方案，使用磁控濺射工藝制作出了天線樣品，如圖7所示。采用AV3672A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量了天線的回波損耗，如圖8(a)所示。使用開(kāi)放區(qū)域測(cè)試場(chǎng)地(Open Area Test Site，OATS)測(cè)量了天線的方向圖，如圖8(b)所示。

從圖8(a)可知，天線的最低回波損耗值為-23.14 dB；回波損耗值<-10 dB時(shí)，天線的工作頻帶為0.751～6.353 GHz，工作帶寬為5.602 GHz，相對(duì)帶寬為157.71%。從圖8(b)可知，天線整體具有全向工作能力。

對(duì)比圖6和圖8可知，天線實(shí)測(cè)性能和仿真性能基本一致。天線的實(shí)測(cè)回波損耗稍高于仿真結(jié)果，實(shí)測(cè)工作帶寬稍小于仿真結(jié)果。仿真時(shí)天線輻射貼片和接地板設(shè)置為理想金屬，電導(dǎo)率為無(wú)窮大；而實(shí)際制作天線樣品時(shí)，輻射貼片和接地板使用的是金屬銀，其電導(dǎo)率是一個(gè)有限值，因此天線性能實(shí)測(cè)結(jié)果略差于仿真結(jié)果。

為了減小介質(zhì)損耗，該款天線使用了低損耗透波陶瓷材料作為基板。為保證陶瓷基板有較高的機(jī)械強(qiáng)度，基板厚度不能小于1 mm，這限制了本款天線在超薄手機(jī)中的應(yīng)用，是本設(shè)計(jì)的不足之處。

圖7 天線樣品

圖8 天線輻射性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)第二代至第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)多頻段兼容天線的性能要求，使用低損耗微波陶瓷材料作為介質(zhì)基板，將矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)和康托爾分形結(jié)構(gòu)融合為矩形環(huán)-康托爾復(fù)合分形輻射貼片，將謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)和十字分形結(jié)構(gòu)融合為十字-謝爾賓斯基復(fù)合分形接地板，設(shè)計(jì)了一款多頻段兼容復(fù)合分形移動(dòng)通信天線。天線性能仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，該款天線最低回波損耗值為-23.14 dB，天線工作頻帶范圍為0.751～6.353 GHz，工作帶寬為5.602 GHz，相對(duì)帶寬為157.71%，天線具有全向工作能力。該款天線完全覆蓋了第二代至第五代移動(dòng)通信所有工作頻段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)第二代至第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的兼容。該款天線在尺寸壓縮方面具有較大優(yōu)勢(shì)，天線尺寸僅為30 mm×30 mm×1 mm，能夠植入大多數(shù)手機(jī)中。天線回波損耗較低且變化較為平穩(wěn)，工作帶寬較大，性能冗余較為充裕。該款天線同時(shí)滿(mǎn)足小尺寸、低厚度、低回波損耗、大工作帶寬的要求，能夠同時(shí)用于第二代至第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)。