一种基于分形结构的超宽带天线研究

装备环境工程E QU IP M ENT ENV I RONM ENTA L E NG I NEER I NG第5卷 第1期2008年02月一种矩形分形超宽带天线的研究穆丹1,姜弢1,2(1.哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,哈尔滨150001;2.哈尔滨工业大学通信技术研究所,哈尔滨150001)摘要:简要介绍了微带天线的优点和分形天线的基本概念及特性,设计了一种能够满足超宽带通信要求的、简化的矩形分形微带贴片天线。

并利用电磁仿真软件CST,分别对采用两种不同迭代次数所设计天线的性能进行了仿真实验,通过对实验数据的分析,证实了所设计天线的有效性。

关键词:分形天线;微带天线;超宽带中图分类号:TN966.4;TN822+.8 文献标识码:A 文章编号:1672-9242(2008)01-0084-04收稿日期:2007-11-02基金项目:黑龙江省自然科学基金(AF200611);教育部归国留学人员科研择优资助项目(2006)作者简介:穆丹(1982-),女,黑龙江哈尔滨人,硕士研究生,主要研究方向为超宽带天线设计。

R esearch on a N e w Rectangle FractalUW B AntennaM U Dan 1,JI ANG Tao1,2(1.H arb i n Eng i neer i ng U n i versity ,H arbi n 150001,Ch i na ;2.H arbi n Institute o f T echno l ogy ,H arb i n 150001,China)Abstract :T he advantages of m icro stri p an tenna and the basi c concept o f fracta l antenna w ere introduced .A rec tang l e frac tal an tenna w it h m i crostrip patch was desi gned to m eet t he requ irem ents o fU ltra-W i de Band communicati on .T he pe rf o r m ance o f the anten na was tested i n t wo different iterati ve conditions usi ng the e lectro m agnetic si m u lati on soft w are CST.T he resu lts sho w ed t hat t he design w as e ffective and feasi b l e .K ey w ords :fracta l an tenna ;m icrostr i p an tenna ;UW B随着近年来无线通信手持设备的普及、超宽带技术的发展,人们对宽带天线的设计提出了更高的要求[1]。

第19期2023年10月无线互联科技Wireless Internet Science and TechnologyNo.19October,2023基金项目:南京工业大学浦江学院校级科研课题;项目编号:njpj2022-1-14㊂作者简介:葛星梅(1994 ),女,江苏泰州人,助教,硕士研究生;研究方向:通信工程㊂基于分形结构的车载超宽带天线设计葛星梅,张双双(南京工业大学浦江学院,江苏南京211134)摘要:针对当前车载系统尺寸较大㊁工作带宽较窄以及窄带通信系统对超宽带系统存在干扰的问题,文章设计了一款超宽带(Ultra -Wideband ,UWB )天线,天线采用小型化超宽带设计,尺寸仅为60mm ˑ50mm ˑ1mm ,辐射贴片采用一种圆形与椭圆形迭代嵌套的三阶分形结构以实现良好的超宽带特性,并通过50Ω微带馈线产生了2.1~10GHz 频段的特性㊂文章设计的天线具有小型化㊁宽频带的优点,适用于大多数超宽带通信系统㊂关键词:超宽带;分形结构;小型化;车载系统中图分类号:TN822.8㊀㊀文献标志码:A0㊀引言㊀㊀随着4G㊁5G 时代的到来,车载天线的通信频段逐渐扩大㊂天线带宽扩大的同时会影响天线的尺寸,而集成技术的发展对车载天线的尺寸提出了新的要求,小型化超宽带天线因易于集成得到了广泛的应用[1]㊂为了增加带宽,天线采用分形形式㊂分形的基本特征是自相似性和空间填充[2],可以转化为多频特性,减小天线的尺寸㊂天线具有迭代的形状特征,天线带宽覆盖2.4GHz㊁5GHz WLAN 频段和2G /3G /4G 移动通信频段,包含了微波的S 波段㊁C 波段和X 波段,天线的输入阻抗为50Ω,在整个带宽内的回波损耗大于10dB [3-4]㊂本文提出了一种小型化超宽带车载天线,通过三阶分形迭代结构实现宽带天线的小型化㊂天线的尺寸仅为60mm ˑ50mm ˑ1mm,同时天线在多频段内的辐射性能良好,在目前多数超宽带通信系统中都可以适用㊂1㊀天线设计1.1㊀分形结构设计㊀㊀本文提出的分形天线采用的是一种圆形与椭圆形迭代嵌套的三阶分形结构,由分形天线通过迭代函数的形式产生㊂假设A 为分形结构的原始形状,W (A )是在A 的基础上进行仿射,则天线的阶层变换过程如式(1)所示:W (A )=W 1(A 1)ɣW 2(A 2)...W n (A n )A 1=W (A 1)A 2=W (W (A 2))...A n =W (A n -1)(1)天线的辐射贴片基于分形迭代理念形成三阶的分形结构,结构设计如图1所示㊂宽带天线贴片的一阶分形迭代过程设计如图1(a)㊁图1(b)和图1(c)所示,由一个如图1(a)所示的正11边形,整体设计是由较大轴比的椭圆依次旋转30ʎ而成的12瓣同心花瓣结构,得到如图1(b)所示的结构,然后通过布尔运算得到一阶分形结构,即图1(a)的正11边形减去图1(b)的同心花瓣得到如图1(c)所示的结构㊂将一阶贴片结构按照比例为XS =0.6逐步缩放,分别得到宽带天线贴片的二阶和三阶结构,每一阶都处于同心位置,依次得到图2的二阶和图3的三阶结构㊂图1㊀分形迭代过程图2㊀二阶分形结构图3㊀三阶分形结构11.2㊀天线结构设计㊀㊀本文设计的宽带天线贴片结构如图4所示,天线结构设计包括分形迭代辐射贴片㊁50Ω微带馈线㊁接地板以及介质基片㊂本文采用FR4的介质基片,其介电常数参数为4.4,损耗正切为0.02㊂为了使天线实现超宽带的性能要求,介质基板上的辐射贴片采用三阶分形迭代结构,使天线的多个谐振频率叠加起来,由此达到扩展天线带宽的目的㊂针对目前车载天线尺寸较大的问题,本文提出了小型化宽带的设计,天线的总尺寸仅为60mm ˑ50mm ˑ1mm㊂仿真优化后,天线的最终结构如图4所示,天线参数标识如图5所示,尺寸如表1所示㊂图4㊀天线最终结构图5㊀天线参数标识表1㊀天线尺寸参数数值/mm 参数数值/mm Sub_w 60Sub_h 50Gnd_h15FW1 1.5FL115.5XS 0.6RA 0.22㊀仿真结果与分析2.1㊀分形结构对天线性能的影响㊀㊀本文通过HFSS 分别对天线辐射贴片的一阶㊁二阶和三阶结构进行仿真分析㊂假设维持当前天线的微带馈线形状和接地板基本结构,逐步从一阶结构开始对天线进行仿真,进而和二阶㊁三阶对比天线的辐射性能以及每一阶段的辐射带宽,天线在不同阶数对应的回波损耗如图6所示㊂从图6可知,当天线辐射贴片为一阶分形结构时,天线在1.6~10GHz 均有谐振,但是仅在1.8~2.2GHz 频点范围附近天线回波损耗低于-10dB㊂通过HFSS 对天线在二阶迭代结构进行仿真时,对比与一阶分形结构时的性能结果,天线在二阶结构所呈图6㊀不同阶数辐射贴片对应的回波损耗现的频带内的辐射性能得到了改善,同时天线的辐射带宽得到了扩展,但是在3~4GHz 和8.3~8.7GHz 频点附近回波损耗依然略高于-10dB㊂当天线的贴片形状迭代至三阶时,三阶结构的辐射带宽相较于二阶结构得到了延展,工作频带延伸至2~10GHz,在频带内的辐射性能更加稳定,天线带宽覆盖2.4GHz㊁5GHz WLAN 频段和2G /3G /4G 移动通信频段,包含了微波的S 波段㊁C 波段和X 波段,根据图6所示的对比结果发现,采用分形结构可以有效改善天线的阻抗匹配特性,扩展天线带宽㊂2.2㊀馈线宽度对天线性能的影响㊀㊀天线馈线宽度参数的设置直接影响天线的性能,不同粗细的馈线对天线的带宽和通信距离会产生影响㊂通过HFSS 仿真不断改变天线馈线的宽度,对比不同宽度下天线的辐射带宽变化㊂FW1表示天线的馈线宽度,当天线其他参数维持当前值,仅将FW1的参数范围设置为1~2mm,步长值为0.2mm,通过仿真优化分析,不同FW1的值对S11参数的影响如图7所示㊂当FW1较大时,天线谐振频率靠低频,匹配深度较浅,当FW1较小时,天线匹配深度较好,工作频率偏向高频,当FW1在1.6mm 时,性能最优㊂图7㊀不同FW1对天线S11参数的影响2.3㊀辐射特性分析㊀㊀在当前的车联网时代,车载天线满足宽带特性的同时对天线的辐射性能仍有要求㊂天线的辐射性能优劣通过观察在频带内不同频率点的辐射方向图,天线在不同频率水平面辐射方向如图8所示㊂由图8可以看出,在2~10GHz,天线辐射方向图具有全向2辐射特性,且辐射特性良好㊂天线工作在4GHz 的三维辐射如图9所示,可以看出,当天线工作在4GHz 时,辐射方向图很光滑圆润,在H Plane 时表现良好的全向性能㊂图8㊀不同频率水平面辐射方向图9㊀4GHz 辐射三维宽带天线在各频点处辐射是否稳定通过增益来体现,天线在各频点处的最大值增益如图10所示㊂为了减少损耗,本文采用分形天线,分形天线通过结构迭代仅通过改变辐射贴片的形状实现小型化宽带的特性,通过HFSS 性能仿真图可以发现,天线在当前工作频段范围内最大值增益为正且稳定,符合宽带天线的辐射性能要求㊂在9GHz 处取得最大增益为11.2dBi,在4GHz 处取得最小增益为4.5dBi [5]㊂图10㊀各频点处最大值增益3㊀结语㊀㊀本文提出的基于分形结构的超宽带车载小型天线,解决了传统窄带天线带来的干扰问题,同时满足了现在车载集成化的发展,天线覆盖了2.4GHz㊁5GHz WLAN 频段和2G /3G /4G 移动通信频段,多频段的覆盖适用于当前大多数车载通信系统,将会在集成车载系统中得到广泛应用㊂参考文献[1]曾炳豪,朱浩奎,尹绍立,等.一种集成式车载天线设计[J ].汽车零部件,2016(11):3-7.[2]胡章芳,辛伟,罗元,等.一种新型类Vicsek 分形多频天线的设计[J ].电波科学学报,2016(4):760-765.[3]胡章芳,辛伟,罗元,等.一种新型类Vicsek 分形多频天线的设计[J ].电波科学学报,2016(4):760-765.[4]唐军,潘文波.车载设备内置超宽带天线研究[J ].机车电传动,2018(4):59-61,66.[5]侯翔宇,张兴红,曾凡峰,等.基于分形结构的超宽带单陷波天线的设计[J ].无线电工程,2021(11):1343-1349.(编辑㊀王雪芬)Design of vehicle UWB antenna based on fractal structureGe Xingmei Zhang ShuangshuangNanjing Tech University Pujiang Institute Nanjing 211134 ChinaAbstract Aiming at the problems of large size and narrow working bandwidth of current vehicle -mounted system and interference of narrowband communication system to ultra -wideband system an ultra -wideband UWB antenna is designed.The antenna adopts miniaturized ultra -wideband design the size of which is only 60mm ˑ50mm ˑ1mm.The radiant patch adopts a three -order fractal structure with circular and elliptical iteration nested to achieve good ultra -wideband characteristics.The characteristics in the 2.1~10GHz band are generated by a 50Ωmicrostrip feeder.The antenna has the advantages of miniaturization and wide band and is suitable for most UWB communication systems.Key words ultra -wideband fractal structure miniaturization on -board system3。

一种分齿蝶形超宽带天线的设计与研究超宽带Ultrawide-band信号是指-10 dB相对带宽大于20％或者绝对带宽大于500 MHz的超宽带天线作为信号的收发装置，直接影响系统的性能。

目前常用的超宽带天线形式主要包括TEM喇叭天线、双锥天线、对数周期天线、螺旋天线、Vivaldi 天线和蝶形天线等。

其中平面结构的蝶形天线(也称领结形天线)，由立体的双锥形天线演化而来，具有结构简单、便于设计安装、利于低频辐射等优点，已应用在超宽带通信与探测领域。

为改善天线宽带性能，目前基于基本蝶形发展出了多种衍生结构。

如双蝶形结构、1 天线结构图1为分齿蝶形天线的实验原型结构图。

结构参数中A，B为蝶形天线的宽与长；C为两页分齿位置间的距离；D为馈电端的宽度；分齿槽设计为从馈电端至末端的辐射形状，各分齿等宽等距分布，齿宽齿距均为E，有E=A／(2n-1)，分齿数目，n=9。

定义分齿比例参数为p，有p=B／C，即天线长与分齿位置间的距离的比。

2 参数对天线性能的影响对于本天线，影响其性能的参数主要包括蝶形张角大小、长宽大小、分齿位置等。

可由文献知，蝶形天线张角为90°时相对其他角度，输入阻抗随频率变化更为平坦，具有更好的宽带特性，因此设计天线长宽尺寸相等(A=B)，张角为直角。

通过仿真发现，天线在尺寸的等比例放大的情况下，输入端驻波比波形基本保持不变，曲线整体向低频段移动。

因此可以在确定天线结构后针对所需频段进行尺寸的等比例调整。

同时，针对1 GHz以下的频段范围，分齿位置的变化时，天线输入端驻波比波形变化明显，而其他参数变化的影响有限。

据此，确定分齿比例p为关键仿真参数。

以下通过分齿天线与普通蝶形天线的对比，及不同分齿比例下天线性能的变化进行分析。

2．1 分齿蝶形天线与普通蝶形天线的性能对比对两类天线进行建模仿真，其尺寸数据如下：普通蝶形天线A=B=200 mm，D=10 mm；分齿蝶形天线p=2，其他参数与普通蝶形天线相同。