一种用于移动终端的仿“山”字形分形微带天线的设计

于 臻， 李 尧， 林梓恒， 冉小英， 姚姝含， 梁 冰

（华北科技学院电子信息工程学院，河北廊坊 065201）

0 引 言

随着现代移动通信技术的高速发展，对移动设备中的天线性能也提出了更高的要求，多频段、小型化天线成为移动终端设备中重点研究内容。中国汉字种类繁多，如汉字“一、二、山、天、中”等，根据其结构特点，可将其结构应用到现代移动设备终端天线的设计中。多频段、小型化天线是现代通信天线发展的主流趋势，将分形技术运用到天线设计中可以实现天线多频段与小型化，中文字体中部分结构简单的汉字形态可通过分形结构的演变用于天线外观的设计。分形是一种与标度无关的几何，与宽带天线的频率无关性较为相似。分形的自相似性可使分形天线具有多频段和宽频带特性［1］；分形几何具有的空间填充性，可缩减天线尺寸，实现小型化［2-3］的目的。

天线辐射体采用仿“山”形汉字结构。在一个简单的单极子天线基础上产生两个枝节，整体形似汉字“山”，对各枝节进行分形，每一个小部分均是等比例的“山”字形结构。

1 天线设计方法与汉字原型

1.1 多频段小型化实现方法

天线辐射体可采用耦合馈电［4-6］、开槽缝隙［7-8］、电路匹配加载［9］、分布式电感加载［10］和分形几何等技术［11-12］实现多频段覆盖。分形结构整体与局部之间存在高度相似，低阶次的基础结构与高阶次的分形部分为等比关系，利于实现多频特性。分形天线的空间填充性强，在有限的空间内拥有较长的几何长度。在天线设计中，天线辐射体结构上的弯曲和折叠可有效增加天线的电长度，降低天线的谐振频率［13-16］。

1.2 天线设计思路

本天线设计思路来源于汉字“山”，对“山”字的笔画及长短进行了一定的简化处理、优化，如图1 所示。

图1 设计思路原型

2 仿汉字“山”形分形微带天线结构

天线采用2 次迭代“山”字分形，形成多个枝节，枝节间的相互耦合使天线实现多频段。枝节的分形结构增长了电流在天线中的路径，增加了天线的电长度，同时改变了辐射体内部电流的流向，实现了天线的小型化。辐射体的形状以“山”字形为基础结构，其中，1阶分形结构的中间枝节和右侧枝节长度分别为最左侧枝节长度的3 倍和2 倍，宽度为1 mm；2 阶分形中各枝节长度比例不变。为保证天线内部电流的流径均匀，2 阶“山”字枝节宽度均为1 mm。天线介质板采用相对介电常数εr＝4.4、厚H ＝1.6 mm，介质损耗角正切tan δ ＝0.02 的聚四氟乙烯玻璃布板（FR4）材料，采用50 Ω微带馈线结构。天线大小为40 mm × 60 mm× 1.6 mm，天线的结构与尺寸参数如表1、图2 所示。

表1 仿“山”字形分形微带天线尺寸参数 mm

图2 仿“山”字形分形微带天线模型结构

3 天线仿真结果与参数分析

3.1 回波损耗特性分析

天线辐射体生成过程如图3 所示（其中：黄色是天线辐射体部分；暗黄色为覆铜接地板，覆于深绿色介质材料背面侧）。

图3 仿“山”字形分形微带天线演进过程

图3（a）中，天线辐射体将单极子微带天线作为0阶分形结构，接地板采用矩形结构。图3（b）中，在0阶单极子辐射体结构基础上，产生左右两个枝节，从左向右枝节长度比例为1∶3∶2，宽度为1 mm。如图3（c）所示，在1 阶迭代的基础上，进行2 次分形，形成多个枝节，增加了辐射体表面电流路径。由于辐射体采用分形结构，辐射体本身结构类似于三叉戟结构，随着分形阶数的上升，使得辐射体易与50 Ω馈线实现良好的匹配，实现天线频带的增加；同时，辐射体的多重枝节结构也促进了多频谐振特性的产生。

图4 为不同结构状态下天线阻抗特性仿真比较，其中，在2 阶分形结构下，天线产生2.35、3.75 和5.1 GHz 3 个中心谐振频点，分别约为1.5 GHz的1.5、2.5和3.5 倍关系（红色实线所示）。

图4 仿“山”字形分形微带天线不同迭代下的回波损耗

图中，3 个中心谐振频点2.35、3.75 和5.1 GHz处回波损耗分别为－ 27.0、－ 22.73 和－ 35.30 dB。－ 10 dB 频段带宽分别为2.25 ～2.45 GHz 和3.35 ～5.5 GHz，可覆盖的无线通信系统见表2。

表2 仿“山”字形分形微带天线的频段覆盖

3.2 天线表面电流分布

图5 为天线分别在2.35、3.75 和5.1 GHz谐振频率处辐射体表面电流幅值和矢量分布。可见，采用分形结构枝节可使流经天线表面的电流路径更长。对于2.35 GHz（见图5（a））谐振频点下的天线辐射体，枝节外边缘有更多的电流分布；在3.75 GHz（见图5（b））时，电流更多集中在辐射体左侧与中间枝节；在5.1 GHz（见图5（c））时，电流更多集中于右侧枝节。

图5 仿“山”字形分形微带天线表面电流幅值和矢量分布

3.3 增益与方向特性

图6为天线仿真3D增益方向图。在中心谐振频率为2.35（见图6（a））、3.75（见图6（b））和5.1 GHz（见图6（c））处，天线增益分别为1.98、3.44 和4.21 dBi。天线整体的方向性较强，在整个工作频段范围内，天线保持了较好的辐射特性。

图6 仿“山”字形分形微带天线3D增益方向图

4 仿“山”字形分形微带天线测试结果与性能分析

仿“山”字形分形微带天线实物正、反面如图7 所示。天线介质材料选用1.6 mm 厚的FR4 介质板，天线金属辐射体与接地板为30 μm 厚的覆铜。采用单探头球面场微波暗室系统以及矢量网络分析仪E5071B对天线的辐射特性和方向特性进行测试。

图7 仿“山”字形分形微带天线样机及测试装置

比较测量的回波损耗和仿真结果，可见，天线的中心谐振频点5.1 GHz 向左发生偏移，偏移量为0.4、2.35 GHz频点处回波损耗值与仿真值相差11 dB，如图8 所示。3.35 ～5.5 GHz范围－ 10 dB 带宽出现了细微偏移，天线整体测试的带宽与仿真带宽较为匹配，整体上保持了较好的一致性。

图8 仿“山”字形分形微带天线实测与仿真结果比较

由测试回波损耗可以看出，天线－ 10 dB 带宽为2.15 ～2.45 GHz，3.45 ～5.55 GHz。这些频段可覆盖4G、5G移动通信系统、WiMAX、WLAN、导航及蓝牙等无线应用，与仿真结果基本一致，见表3。

表3 仿“山”字形分形微带天线实测频带覆盖

在2.35（见图9（a））、3.75（见图9（b））和5.1 GHz（见图9（c））频点上的3D 增益图与E/H 面方向图测试结果如图9 所示。

图9 天线3D方向图及E面H面方向图

天线在2.35、3.75 和5.1 GHz频点下对应的增益约为2.06、1.17 和3.54 dBi，与仿真结果比较接近，验证了天线设计的可行性。

5 结 语

本文天线通过采用2 次迭代仿汉字“山”形枝节分形，实现了天线结构小型化，整体尺寸大小为40 mm × 60 mm × 1.6 mm。分形结构使得天线辐射体产生多个枝节，形成多条电流路径，自身山字形结构与三叉戟馈电结构相似，使辐射体阻抗与50 Ω馈线易匹配，利于宽带化。同时，由于枝节长度的不同，电长度不同，产生不同的谐振频点，实现了天线的多频段。天线实测结果与仿真结果比较吻合，验证了设计的合理性，该天线具有较好的辐射特性，工作在2.15 ～2.45GHz和3.35 ～5.55 GHz两个频段内，可满足移动通信系统的要求。