生長環(huán)陣列超寬頻帶天線設(shè)計(jì)

0 引言

隨著無線通信技術(shù)在21世紀(jì)不斷高速發(fā)展，越來越 多的無線通信應(yīng)用系統(tǒng)完成了技術(shù)開發(fā)和系統(tǒng)完善， 已投入商業(yè)化的實(shí)際運(yùn)營。完成多個(gè)無線通信應(yīng)用系統(tǒng) 的整合，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)合一、多頻段兼容和終端設(shè)備多功能 化，是無線通信技術(shù)發(fā)展中迫在眉睫需要解決的問題。 移動(dòng)通信系統(tǒng)、射頻識(shí)別系統(tǒng)、超寬帶通信系統(tǒng)、移動(dòng) 數(shù)字電視系統(tǒng)都是工作于微波頻段的無線通信應(yīng)用系 統(tǒng)，工作頻段接近，對終端設(shè)備的要求相似，有較大的 整合潛力，有望整合成為微波頻段多網(wǎng)合一系統(tǒng)。

我國目前處于多代移動(dòng)通信共同發(fā)展的時(shí)期，正 在使用的2G頻段為（905～915）MHz、（950～960）MHz、 （1 710～1785）MHz、（1 805～1 880）MHz；3G頻段為 （1 880～1 980）MHz、（2 010～2 025）MHz、（2 110～ 2 170）MHz、（2 300～2 400）MHz；4G頻段為（2 570～ 2 620）MHz；5G頻段為（3 300～3 400）MHz、（4 400～ 4 500）MHz、（4 800～4 990）MHz ［1-3］。RFID系統(tǒng)頻段為（902～928）MHz、（2 400～2 483.5）MHz、 （5 725～5 875）MHz ［4-5］。UWB系統(tǒng)頻段為（3 100～ 10 600）MHz ［6-8］。DTV系統(tǒng)頻段為（11 700～12 200）MHz ［9-12］。 微波頻段多網(wǎng)合一系統(tǒng)要求天線有良好的兼容能力，能 夠完全覆蓋上述頻段，尺寸較小、輻射強(qiáng)度較高、性能 冗余充足。

1 方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)簡介

方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)由正四邊形按照圖1所示的方 法迭代得到。初始的正四邊形分為16個(gè)大小相等的小正 四邊形，刪去4個(gè)邊角處的小正四邊形，得到1階方形角 缺陷分形。對1階方形角缺陷分形的每個(gè)小正四邊形分 別做上述迭代，可得到2階方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)。這樣 依次迭代下去，可以得到高階方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)。在 天線設(shè)計(jì)中使用方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)，可以讓天線輻射 貼片內(nèi)部有均勻分布的射頻電流，保證天線有良好的超 寬頻帶工作能力。

2 生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)簡介

生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)是一種具有自相似性的、迭代生成 的多環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，其迭代過程如圖2所示。生長環(huán)陣列 結(jié)構(gòu)是由40個(gè)陣元天線組成的、外圈邊長為11、內(nèi)圈邊 長為9的正方形環(huán)陣列。在初始結(jié)構(gòu)的四個(gè)邊角生長出4 個(gè)外圈邊長為5、內(nèi)圈邊長為3的小正方形環(huán)陣列，可以 得到1階生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)。在1階生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)的每個(gè) 小正方形環(huán)陣列的邊角生長出3個(gè)外圈邊長為3、內(nèi)圈邊 長為1的微型正方形環(huán)陣列，可以得到2階生長環(huán)陣列結(jié) 構(gòu)。使用生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)組成天線陣列，可以利用輻射 疊加原理有效提高天線的輻射強(qiáng)度，并利用生長環(huán)陣列 結(jié)構(gòu)的自相似性使陣列天線具有和陣元天線相似的超寬 頻帶工作能力。

3 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線基板為εr=6的矩形低損耗FR4基板，它的尺寸 是36.8 mm×36.8 mm×1 mm。天線基板正面貼覆著方 形角缺陷分形生長環(huán)陣列輻射貼片。天線基板背面貼覆 著由金屬全導(dǎo)電接地結(jié)構(gòu)組成的天線接地板。

方形角缺陷分形生長環(huán)陣列輻射貼片的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其使用生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)作為基本陣列排布結(jié)構(gòu)， 在生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)的每個(gè)大小為1.6 mm×1.6 mm的陣 元天線區(qū)域中心，放置方形角缺陷分形天線。

方形角缺陷分形天線是在尺寸為1.6 mm×1.6 mm的矩形區(qū)域進(jìn)行方形角缺陷分形迭代而得到。方形角缺 陷分形天線使用了2階的方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)。每個(gè)方 形角缺陷分形天線的底部邊沿中心處設(shè)有天線饋電點(diǎn)。

生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)是2階生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，它可以看 作是在一個(gè)由23行23列共529個(gè)方形區(qū)域組成的矩形區(qū) 域中，按照圖2（c）所示規(guī)律在其中184個(gè)方形區(qū)域放置陣 元天線組成。

4 天線輻射性能測試結(jié)果

我們制作了天線樣品，并搭建了天線性能測試系統(tǒng) 實(shí)際測試了天線的回波損耗性能和方向圖性能，測試結(jié) 果如圖4和圖5所示。

從測試結(jié)果可以看出，該款天線具有出色的全向 工作能力，天線的工作頻帶范圍為（551～17 193） MHz，工作帶寬為（16 642）MHz，倍頻帶寬為 31.20，回波損耗最小值為-47.32 dB。

該款天線完全覆 蓋了移動(dòng)通信、射頻識(shí)別、超寬帶、移動(dòng)數(shù)字電視等多 個(gè)無線通信系統(tǒng)的工作頻帶。 該款天線具有突出的性能優(yōu)勢：該款天線具有穩(wěn)定 的超寬頻帶輻射工作能力，在（835～16 108）MHz頻 段內(nèi)的回波損耗值都低于-45 dB，且回波損耗值波動(dòng)很 小，天線具有超高穩(wěn)定輻射能力和較大性能冗余；該款 天線用一個(gè)寬達(dá)16 642 MHz的單一工作頻帶，實(shí)現(xiàn)了對2G至5G移動(dòng)通信、射頻識(shí)別、超寬帶通信和移動(dòng)數(shù)字電 視的兼容，且回波損耗最小值低達(dá)-47.32 dB，兼具優(yōu)異 的超寬頻帶工作能力和較高的輻射強(qiáng)度；該款天線在有 184個(gè)陣元天線的情況下，尺寸僅為36.8 mm×36.8 mm× 1 mm，在天線小型化設(shè)計(jì)方面有獨(dú)特的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

本文針對多網(wǎng)合一無線通信終端設(shè)備對微波多頻段 兼容天線的性能要求，設(shè)計(jì)了一款生長環(huán)陣列超寬頻帶 天線，使用方形角缺陷分形天線作為陣元天線，具有自 相似性的分形結(jié)構(gòu)保證了陣元天線內(nèi)部有均勻分布的射 頻電流，確保陣元天線有優(yōu)異的超寬頻帶工作能力；使 用生長環(huán)陣列結(jié)構(gòu)將184個(gè)陣元天線組成天線陣列，利 用輻射疊加原理和陣列結(jié)構(gòu)本身的自相似性使天線陣列 同時(shí)具有高輻射強(qiáng)度、大性能冗余和超寬工作頻帶。天線回波損耗性能和方向圖性能實(shí)際測試結(jié)果表明，該款 天線尺寸小、輻射強(qiáng)度高、性能冗余大、輻射工作穩(wěn)定 性強(qiáng)，具有超強(qiáng)兼容性和超寬頻帶工作能力，能夠有效 兼容移動(dòng)通信系統(tǒng)、射頻識(shí)別系統(tǒng)、超寬帶通信系統(tǒng)和 移動(dòng)數(shù)字電視系統(tǒng)，在微波頻段多網(wǎng)合一系統(tǒng)中可以得 到大規(guī)模應(yīng)用。

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