基于分形技术的超宽带天线

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                1  引言

                         近些年，超宽带（UWB）通信系统得到了突飞猛进的发展。美国联邦通信委员会(FCC) 在2002年2月批准了第一个UWB商用准则。到当年4月，联邦通讯委员会批准该技术用于3.1GHz和10.6GHz之间未使用频段。该技术有望提高短距离传输速率，降低功耗，简化RFID设备等通信应用的硬件配置，并应用于传感器网络，雷达和定位跟踪。近年来天线设计师们以改善天线性能为主要研究目标。如今，一些超宽带天线设计应用于笔记本电脑的PCMCIA卡进行无线通信，然而尺寸限制了其应用。因此，为了解决这一技术在超宽带天线设计中的关键问题，即天线尺寸应减少。因此最近在保证应用频段的基础上，设计的超宽带天线往往侧重于小型化尺寸。分形几何已被证明是一种行之有效的设计方法，被广泛应用于设计微型天线。
                          
                         在本论文中，提出了一种基于塞宾斯基几何分形的微带天线，可以有效的减小天线尺寸，是通过增加天线的电长度实现的。换言之，表面电流重新定向，以便它必须承担微带表面一个较长的路径长度。通过使用这一概念，在设计天线时，可以考虑更高阶的分形以进一步增加它的表面电流路径的长度。所以这款天线设计为基于三阶塞宾斯基分形的超宽带应用天线。微带天线馈电采用微带线馈电，在带宽内很好达到了50欧姆阻抗匹配。并且在3.1-10.6GHz频段内有良好的电特性，达到了天线小型化的目的。结果表明，这种设计方法有良好的宽带阻抗匹配以及天线全向性辐射特性。
                          
                        2  天线设计

                         本论文设计了一种新型超宽带天线。天线的结构如图1所示，它是由1.6毫米厚的印刷板制作而成，介电常数4.4，尺寸为长宽20 ×15 mm2，辐射单元由一个三阶塞宾斯基分形结构组成，三角形的各边分别为t1=8mm，t2=5.89mm，t3=2.43mm，t4=1.47mm。该天线是微带馈电，馈电线特性阻抗为50欧姆，相关参数为w1=0.75mm，w2=3.00mm，f= 5.40mm。接地板为半接地面结构如图1（b）所示。由于分形结构，使得天线电流路径增多，实现天线带宽增宽以及阻抗匹配带宽增大。
                          
       

               

       

                图1  天线结构示意图（a）前视图（b）后视图

                          
                        3  结果分析

                         上一节给出了天线的最佳参数值。该天线的回波损耗如图2所示，图中我们清楚看到回波损耗大于10dB带宽包含了3.1GHz-10.6GHz的频率范围。超宽带是由于三个阶段塞宾斯基几何分形形成了多个共振所产生的。天线设计过程中进行进一步分析，以确定参数对天线输入匹配带宽的影响。对天线参数研究都是为了与其他多层设备天线进行整合对其所做的调整。
                          
       

               

       

                图2  天线回波损耗仿真数据

                          
                         对天线的参数进行分析，通过改变一个参数，保持其他参数不变。图3显示了不同的接地面高度（H= 4.3，4.8，5.3和5.8mm）仿真的回波损耗。这些数据清楚地表明，由于地平面高度的增加，在高频时对阻抗匹配影响比较大。如果高度值降低，过了5GHz的-7GHz的频率范围阻抗特性开始变差。因此，可以得出结论认为，地平面高度的参数，它影响的阻抗匹配之一。由此我们看出高度的最佳值是5.3毫米。
                          
                         馈线长度和宽度也是很重要的参数，对天线的阻抗匹配有很大。图4显示了馈线长度不同对带宽的影响（f=3.4，4.4，5.4和6.4mm）。可以看出输入阻抗对馈线长度变化很敏感，特别是在高频率时。在这种情况下的最优值是5.4毫米。
                          
                         图5表明馈线宽度对回波损耗影响更大，引起输入阻抗参数随宽度变化更敏感。研究发现，随着w2的值增加，低频更匹配，而高频失配，在5GHz-7GHz的频率范围内回波损耗数据很差。从而，最优化馈线宽度为3.0毫米。
       

               

       

                图3  接地面高度对回波损耗的影响

       

               

       

                图4  馈线长度对回波损耗的影响

       

               

       

                图5  馈线宽度对回波损耗的影响

                 
                         从仿真结果看出，天线在4和8GHz处有两个谐振频点。图6天线仿真方向图，图中可见天线E面方向图为双向的，H面方向图为全向的，这与贴片微带天线的性质吻合。然而，H面方向图在高频时，全向性效果不如低频稳定，这是因为高频时半接地板结构辐射更多的电磁波，从而影响了辐射特性。
                          
       

               

       

                （a）4GHz

       

               

       

                （b）8GHz

       

               

       

                （c）10GHz

       

                图6  天线仿真方向图，频率在

                          
                         图7为天线实物图。图8为实测天线回波损耗与仿真结果对比图。从图8可以清楚看出实测结果也满足超宽带天线要求，在3.1GHz-10.6GHz频段内回波损耗大于10dB。
       

               

       

                图7  天线实物图

       

               

       

                图8  天线仿真与实测回波损耗

                          
                        4  结论

                         本论文提出一种新型超宽带单极子天线。该天线具有20毫米×15毫米×1.6毫米小型化尺寸，并且覆盖带宽从3.1GHz到10.6GHz频段。该天线构造使用三个阶段的塞宾斯基分形。实测大于10dB回波损耗带宽介于2.5至11.1GHz。天线在整个超宽带频段内有良好的全向性以及定向性特性。此外，在文中在对一些影响天线回波损耗参数进行了研究。可以得出结论，所设计的天线可用于各种服务的无线应用。