基于分形技術(shù)的超寬帶天線

1 引言

近些年，超寬帶（UWB）通信系統(tǒng)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC) 在2002年2月批準(zhǔn)了第一個(gè)UWB商用準(zhǔn)則。到當(dāng)年4月，聯(lián)邦通訊委員會(huì)批準(zhǔn)該技術(shù)用于3.1GHz和10.6GHz之間未使用頻段。該技術(shù)有望提高短距離傳輸速率，降低功耗，簡(jiǎn)化RFID設(shè)備等通信應(yīng)用的硬件配置，并應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，雷達(dá)和定位跟蹤。近年來天線設(shè)計(jì)師們以改善天線性能為主要研究目標(biāo)。如今，一些超寬帶天線設(shè)計(jì)應(yīng)用于筆記本電腦的PCMCIA卡進(jìn)行無線通信，然而尺寸限制了其應(yīng)用。因此，為了解決這一技術(shù)在超寬帶天線設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，即天線尺寸應(yīng)減少。因此最近在保證應(yīng)用頻段的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的超寬帶天線往往側(cè)重于小型化尺寸。分形幾何已被證明是一種行之有效的設(shè)計(jì)方法，被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)微型天線。

在本論文中，提出了一種基于塞賓斯基幾何分形的微帶天線，可以有效的減小天線尺寸，是通過增加天線的電長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)的。換言之，表面電流重新定向，以便它必須承擔(dān)微帶表面一個(gè)較長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度。通過使用這一概念，在設(shè)計(jì)天線時(shí)，可以考慮更高階的分形以進(jìn)一步增加它的表面電流路徑的長(zhǎng)度。所以這款天線設(shè)計(jì)為基于三階塞賓斯基分形的超寬帶應(yīng)用天線。微帶天線饋電采用微帶線饋電，在帶寬內(nèi)很好達(dá)到了50歐姆阻抗匹配。并且在3.1-10.6GHz頻段內(nèi)有良好的電特性，達(dá)到了天線小型化的目的。結(jié)果表明，這種設(shè)計(jì)方法有良好的寬帶阻抗匹配以及天線全向性輻射特性。

2 天線設(shè)計(jì)

本論文設(shè)計(jì)了一種新型超寬帶天線。天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由1.6毫米厚的印刷板制作而成，介電常數(shù)4.4，尺寸為長(zhǎng)寬20 ×15 mm²，輻射單元由一個(gè)三階塞賓斯基分形結(jié)構(gòu)組成，三角形的各邊分別為t₁=8mm，t₂=5.89mm，t₃=2.43mm，t₄=1.47mm。該天線是微帶饋電，饋電線特性阻抗為50歐姆，相關(guān)參數(shù)為w₁=0.75mm，w₂=3.00mm，f= 5.40mm。接地板為半接地面結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。由于分形結(jié)構(gòu)，使得天線電流路徑增多，實(shí)現(xiàn)天線帶寬增寬以及阻抗匹配帶寬增大。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖（a）前視圖（b）后視圖

3 結(jié)果分析

上一節(jié)給出了天線的最佳參數(shù)值。該天線的回波損耗如圖2所示，圖中我們清楚看到回波損耗大于10dB帶寬包含了3.1GHz-10.6GHz的頻率范圍。超寬帶是由于三個(gè)階段塞賓斯基幾何分形形成了多個(gè)共振所產(chǎn)生的。天線設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行進(jìn)一步分析，以確定參數(shù)對(duì)天線輸入匹配帶寬的影響。對(duì)天線參數(shù)研究都是為了與其他多層設(shè)備天線進(jìn)行整合對(duì)其所做的調(diào)整。

圖2 天線回波損耗仿真數(shù)據(jù)

對(duì)天線的參數(shù)進(jìn)行分析，通過改變一個(gè)參數(shù)，保持其他參數(shù)不變。圖3顯示了不同的接地面高度（H= 4.3，4.8，5.3和5.8mm）仿真的回波損耗。這些數(shù)據(jù)清楚地表明，由于地平面高度的增加，在高頻時(shí)對(duì)阻抗匹配影響比較大。如果高度值降低，過了5GHz的-7GHz的頻率范圍阻抗特性開始變差。因此，可以得出結(jié)論認(rèn)為，地平面高度的參數(shù)，它影響的阻抗匹配之一。由此我們看出高度的最佳值是5.3毫米。

饋線長(zhǎng)度和寬度也是很重要的參數(shù)，對(duì)天線的阻抗匹配有很大。圖4顯示了饋線長(zhǎng)度不同對(duì)帶寬的影響（f=3.4，4.4，5.4和6.4mm）?？梢钥闯鲚斎胱杩箤?duì)饋線長(zhǎng)度變化很敏感，特別是在高頻率時(shí)。在這種情況下的最優(yōu)值是5.4毫米。

圖5表明饋線寬度對(duì)回波損耗影響更大，引起輸入阻抗參數(shù)隨寬度變化更敏感。研究發(fā)現(xiàn)，隨著w₂的值增加，低頻更匹配，而高頻失配，在5GHz-7GHz的頻率范圍內(nèi)回波損耗數(shù)據(jù)很差。從而，最優(yōu)化饋線寬度為3.0毫米。

圖3 接地面高度對(duì)回波損耗的影響

圖4 饋線長(zhǎng)度對(duì)回波損耗的影響

圖5 饋線寬度對(duì)回波損耗的影響