一种新型类Vicsek分形多频天线的设计

胡章芳 辛伟 罗元 胡银平 严凤莉

(重庆邮电大学光电工程学院,重庆 400065)



一种新型类Vicsek分形多频天线的设计

胡章芳 辛伟 罗元 胡银平 严凤莉

(重庆邮电大学光电工程学院,重庆 400065)

在Vicsek结构的分形理论基础上进行了改进,提出了一种具有良好空间填充性和自相似特性的新型类Vicsek分形天线,并在接地板上引入缺陷地结构(Defected Ground Structure, DGS)来改善频率、抑制谐波,得到了可以运用在无线局域网(Wireless Local Area Networks, WLAN)、全球微波互联接入(Worldwide Interoperability For Microwave Access, WiMAX)以及C波段卫星通信的四个频段. 天线的谐振频率分别为2.45 GHz、3.46 GHz、5.8 GHz和7 GHz,相应带宽为0.2 GHz(2.37～2.57 GHz)、0.49 GHz(3.2～3.69 GHz)、0.75 GHz (5.52～6.27 GHz)和0.56 GHz(6.68～7.24 GHz),增益最高达到4.89 dB. 天线的小尺寸及全向性辐射特性表明该天线能很好地满足便携式多频段移动设备的要求.

类Vicsek分形;多频段;缺陷地;微带天线

DOI 10.13443/j.cjors.2015090501

引 言

随着现代无线通信系统的快速发展,人们对小型化、多频段无线移动设备的需求越来越广泛. 天线作为一种发射和接收无线电波的元件,是无线通讯设备中必不可少的一部分,因此,多频段、小型化天线的研究也越来越受到人们的重视. 其中,微带天线以其小尺寸、轻重量、低成本等优点在众多天线中脱颖而出,得到了国内外学者大量的研究和应用.

微带天线的多频化问题一直是研究的热点,主要方向有:1) 分形结构:利用分形体的自相似性实现天线的多频化,利用空间填充性减小天线尺寸[1].文献[2]提出了一款针对WLAN无线网应用的H型分形天线,其结构简单,能够在很小的体积内充分地利用其空间. 2) 开槽结构:在微带天线上开矩形、U形等槽或孔结构,破坏其表面电流分布,可使天线工作在双频或多频. 文献[3]合理设计了一种开矩形槽的双频带科赫分形天线,既实现了分形天线的特点,又克服了单极子天线窄带性等缺陷,可以完美地覆盖WiMAX频段以及数字蜂窝系统. 文献[4]在Koch分形边界的矩形贴片上加载了分形孔结构,得到了2.32～2.52 GHz、3.37～3.45 GHz和5.6～5.9 GHz三个工作频段,可应用于WLAN及WiMAX频段. 3) 多贴片结构:使谐振频率不同的贴片形成双谐振,达到多频的目的. 文献[5]提出了一种新颖的半U型开缝叠层微带天线,通过改变上下两层贴片之间泡沫的厚度来调节上下两层贴片对应谐振频点的频率间隔. 4) 集总元件加载:在天线上引入一些损耗加载结构或有耗匹配网络以降低天线的Q值来达到多频效果. 文献[6]引入了集总电阻与电容的加载,以寻求天线带宽与辐射效率之间的平衡. 虽然以上4种方法都能实现天线的多频化,但多贴片和集总元件加载通常会使天线结构变得复杂且体积较大,不利于天线的小型化.

本文运用类Vicsek分形单元,并引入缺陷地结构,设计了一款可同时用于WLAN、WiMAX以及C波段卫星通信的四频分形天线. 该天线工作频段分别为2.37～2.57 GHz、3.2～3.69 GHz、5.52～6.27 GHz和6.68～7.24 GHz. 天线的尺寸为36.0 mm×21.0 mm×0.5 mm,尺寸较小且全向辐射性能良好,满足便携式移动设备的要求.

1 天线设计与结构

1.1 类Vicsek分形

在方形Sierpinski结构的分形基础上,匈牙利的Vicsek设计出了一种算法,即把正方形分成九个相同的等分,把边缘上四个直角小方型去掉,这样就还剩下五个小正方形[7]. 重复上面的操作直至无穷,可以得到图1所示的几何图形. Vicsek分形具有良好的空间填充性,能有效地减小天线尺寸,但其高阶分形的多频效应并不明显,且带宽较窄,不适合便携式多频段移动设备天线的设计[8].

(a) 一阶 (b) 二阶图1 Vicsek分形结构

为了满足便携式多频段移动设备的要求,本文在Vicsek模型的基础上,结合开槽结构,用以改善其高阶分形的多频效应,提出了一种新的分形思路,即也是把正方形分成九个相同的等分,把边缘上四个直角小方型去掉的同时,将中心正方形的中心部分掏空,掏空的面积为以原中心小方形边长的c=0.9倍为边长的另一个小正方形. 重复以上操作,可以得到图2所示的类Vicsek分形结构.

(a) 一阶 (b) 二阶

(c) 三阶图2 类Vicsek分形结构

1.2 天线的分形结构

运用类Vicsek分形结构设计天线首先需要计算初始方形贴片的尺寸,而微带天线的辐射贴片长度约等于天线谐振时对应工作波长的二分之一,由辐射贴片尺寸与谐振频率之间的关系可以得到方形贴片的初始尺寸,其计算可以参考以下经验公式[9]:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中: L为天线实际的辐射单元长度; w为辐射单元宽度; f为谐振频率; εe为有效介电常数; εr为介质相对介电常数; c为真空中的光速; h为介质板的厚度; ΔL为等效辐射缝隙长度.

得到初始方形贴片的基本尺寸后,利用1.1节提到的类Vicsek分形规则对方形贴片进行分形,得到了其一阶、二阶、三阶分形天线,将其进行对比分析,验证此分形方法的可行性,最后将其三阶分形参数由HFSS电磁仿真软件进一步优化,得到了如图3所示的具体设计结构. 天线制作于36 mm×21 mm的Rogers RO4003介质基板上,厚度为0.5 mm,相对介电常数为3.38,损耗正切tanδ=0.002 7. 天线采用50 Ω微带线馈电,微带线宽dw=2.8 mm,长l=15 mm,分形边长B=20 mm.

(a) 正面图 (b) 背面图图3 天线结构图

其一、二、三阶分形天线的回波损耗特性如图4所示.从图中可以看出,三阶分形天线共有四个谐振频率,其分别工作在2.37～2.57 GHz、3.2～3.69 GHz、5.52～6.27 GHz和6.68～7.24 GHz四个频段上. 三阶分形相对于一阶分形增加了两个谐振频率,低频谐振点工作频率下降了20%,高频谐振点工作频率下降了12.5%;三阶分形相对于二阶分形增加了一个谐振频率,低频谐振点工作频率下降了10.5%,高频谐振点工作频率下降了8.8%,验证了此分形结构具有良好的空间填充性和自相似特性.

图4 回波损耗特性图

1.3 缺陷地结构

普通矩形接地板结构的类Vicsek分形天线背面结构图如图5(a)所示,矩形接地板高l1=6 mm,其回波损耗如图6所示,两个谐振频率分别为2.33 GHz和6.41 GHz,不符合WLAN和WiMAX的规定工作频段. 普通矩形加三角接地板结构的类Vicsek分形天线背面结构如图5(b)所示,三个谐振频率分别为2.51 GHz、3.41 GHz和6.03 GHz,为了改善获取的三个工作频段,本文引入了缺陷接地结构(Defected Ground Structure,DGS),该结构通过在微带天线接地平面上刻蚀周期性或非周期性图形,来改变接地电流的分布,从而改变传输线的频率特性,以实现改善频率、抑制谐波、增加带宽等作用[10-11]. 为了获得良好的匹配,在等腰三角形里面刻蚀矩形缺陷,经HFSS参数优化后得出,等腰三角形高l2=21 mm,底边长l3=18 mm,矩形缺陷长w2=2.5 mm,宽w3=2 mm. 三角形地以及矩形缺陷的尺寸和位置在一定程度上影响了天线的谐振频率和阻抗带宽,其回波损耗如图6所示,从图中可以看出,原矩形接地板天线的2.33 GHz谐振点被转移到了2.45 GHz,6.41 GHz谐振点被转移到了5.80 GHz,且增加了3.46 GHz和7 GHz两个谐振点. 刻蚀矩形缺陷后,原矩形加三角接地板天线的6.03 GHz被转移到了5.80 GHz,且增加了其带宽. 因此可以得出如下结论:由于缺陷地结构的存在,改变了原矩形接地板天线的频率特性,在没有增加整体体积的情况下,最终可以得到适用于WLAN、WiMAX和C波段卫星通信的分形天线.

天线的详细参数见表1. 其正面由三阶类Vicsek分形单元和微带馈线组成,背面接地板为矩形加等腰三角形缺陷地结构.

(a) (b) (c)图5 天线背面结构图

图6 回波损耗特性图

参数尺寸/mm参数尺寸/mmH0.5a21b36B20dw2.8l15w120.6w22.5w32l16l221l318

2 参数优化与实测结果

2.1 分形变量c对天线性能的影响

在类Vicsek分形天线中,有一个非常重要的变量c,其代表着中心正方形挖空部分的面积占原中心正方形的比例,图7分析了变量c对天线频率特性的影响,从图中可以看出,随着变量c的增大,天线的谐振频率向低频方向移动,回波损耗变低且带宽增宽,但当c值趋近于1时,天线的制作工艺将会变得非常复杂,同时这种工艺的复杂化程度也会随

着分形次数的增加而增加. 在保证天线性能符合要求,同时工艺相对简单的情况下,本文选择c=0.9.

2.2 辐射特性

图8为天线在四个谐振点的方向图,当天线工作在2.45 GHz和3.46 GHz时,其主辐射方向都在0°和180°,最大增益分别为2.09 dB和2.72 dB;当天线工作在5.8 GHz时,其主辐射方向在30°和150°,最大增益为3.22 dB;当天线工作在7 GHz时,其主辐射方向在35°和160°,最大增益为4.89 dB.

从图中可以看出,天线方向图在四个频点都具有近乎全向的方向特性,符合全向天线的特点,能很好地满足便携式多频段移动设备的要求.

图7 不同变量c对天线频率的影响

(a) 2.45 GHz (b) 3.46 GHz

(c) 5.8 GHz (d) 7 GHz图8 天线的辐射方向图

2.3 实测结果

采用全波仿真软件HFSS对天线进行了模拟仿真,同时使用矢量网络分析仪对实际制作的天线在暗室中进行了测试,天线测试的实际工作带宽为2.28～3.70 GHz、5.50～6.34 GHz和6.82～7.20 GHz. 图9为天线的实物图. 图10为此天线仿真与测试的回波损耗参数的对比曲线,从图上可以看出两者吻合度较高. 两者的误差可能是天线制作上和实验设备上的误差引起的.

(a) 天线正面实物图 (b) 天线背面实物图图9 天线的实物图

图10 仿真与测试的回波损耗特性

方法工作频带/GHz增益/dB尺寸文献[4]2.45/2.32～2.523.4/3.37～3.455.8/5.6～5.96.55.03.050mm×50mm×3.2mm文献[12]2.3/2.23～2.393.53/3.41～3.595.5/4.97～6.511.613.391.7840mm×30mm×0.8mm文献[13]2.45/2.35～2.653.5/3.3～3.695.8/5.6～5.851.12.23.1355mm×52mm×1.52mm本文2.45/2.37～2.573.46/3.2～3.695.8/5.52～6.277/6.68～7.242.092.723.224.8936mm×21mm×0.5mm

文中天线与文献[4]、[12]、[13]中的天线尺寸及覆盖频段对比如表2所示. 从表2中可以看出,文中天线的尺寸较以上三种天线有大幅度缩减,在能满足传统的2.4 GHz/5.8 GHz WLAN以及3.5 GHz WiMAX频段的基础上,还可以适用于C波段的卫星通信,且结构简单,易于加工制作.

3 结 论

本文在Vicsek模型的分形理论基础上,结合开槽结构,用以改善其高阶分形的多频效应,提出了一种新的类Vicsek分形结构,并运用三阶类Vicsek分形单元,结合缺陷地结构,设计了一款小型化分形多频天线,可同时工作在WLAN、WiMAX和C波段卫星通信频段. 在保证天线尺寸不变的情况下,通过调节分形变量c,同时改进地板为带矩形缺陷的矩形加等腰三角形结构来获得四个阻抗匹配良好的频段. 天线提供了0.2 GHz(2.37～2.57 GHz)、0.49 GHz(3.2～3.69 GHz)、0.75 GHz(5.52～6.27 GHz)和0.56 GHz(6.68～7.24 GHz)四个阻抗带宽,增益分别达到2.09 dB、2.72 dB、3.22 dB和4.89 dB. 天线具备小尺寸、高增益、辐射特性较好等优点,适用于当前应用的无线通信系统.

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胡章芳 (1969-),女,重庆人,副教授,硕士生导师,主要研究方向为光电信息处理.

辛伟 (1992-),男,湖北人,硕士研究生,研究方向为分形微带天线理论与设计.

Design of a new Vicsek-like fractal multi-frequency antenna

HU Zhangfang XIN Wei LUO Yuan HU Yinping YAN Fengli

(InstituteofPhotoelectronicEngineering,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

Based on the fractal theory of Vicsek structure, a new Vicsek-like fractal antenna with good space filling property and self-similarity property is proposed, and the defected ground structure (DGS) is introduced on its ground plate to improve the frequency and suppress the harmonics, which makes it a better candidate for applications of WLAN, WiMAX and C band satellite communication systems. It provides four impedance bandwidths of 0.2 GHz, 0.49 GHz, 0.75 GHz and 0.56 GHz for the working bands of 2.37-2.57 GHz centered at 2.45 GHz, 3.2-3.69 GHz centered at 3.46 GHz, 5.52-6.27 GHz centered at 5.8 GHz and 6.68-7.24 GHz centered at 7 GHz, respectively. Furthermore, the 4.89 dB of relative high gain is achieved. The small size and omnidirectional radiation characteristics of the antenna show that it can meet the requirements of portable multiband mobile devices.

Vicsek-like fractal; multi-frequency; defected ground structure; microstrip antenna

10.13443/j.cjors.2015090501

2015-09-05

重庆市“121”科技支撑示范工程项目(重庆光电产业科技支撑示范工程协同管理创新与应用研究，cstc2014zktjccxBX0065)

TN82

A

1005-0388(2016)04-0760-06

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,2016,31(4):760-765.

HU Z F, XIN W, LUO Y, et al. Design of a new Vicsek-like fractal multi-frequency antenna[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):760-765. (in chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015090501

联系人： 辛伟 E-mail: 512185894@qq.com