基于分形技術(shù)的超寬帶天線(xiàn)

1 引言

近些年，超寬帶（UWB）通信系統得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC) 在2002年2月批準了第一個(gè)UWB商用準則。到當年4月，聯(lián)邦通訊委員會(huì )批準該技術(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設備等通信應用的硬件配置，并應用于傳感器網(wǎng)絡(luò )，雷達和定位跟蹤。近年來(lái)天線(xiàn)設計師們以改善天線(xiàn)性能為主要研究目標。如今，一些超寬帶天線(xiàn)設計應用于筆記本電腦的PCMCIA卡進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，然而尺寸限制了其應用。因此，為了解決這一技術(shù)在超寬帶天線(xiàn)設計中的關(guān)鍵問(wèn)題，即天線(xiàn)尺寸應減少。因此最近在保證應用頻段的基礎上，設計的超寬帶天線(xiàn)往往側重于小型化尺寸。分形幾何已被證明是一種行之有效的設計方法，被廣泛應用于設計微型天線(xiàn)。

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(xiàn)，可以有效的減小天線(xiàn)尺寸，是通過(guò)增加天線(xiàn)的電長(cháng)度實(shí)現的。換言之，表面電流重新定向，以便它必須承擔微帶表面一個(gè)較長(cháng)的路徑長(cháng)度。通過(guò)使用這一概念，在設計天線(xiàn)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(cháng)度。所以這款天線(xiàn)設計為基于三階塞賓斯基分形的超寬帶應用天線(xiàn)。微帶天線(xiàn)饋電采用微帶線(xiàn)饋電，在帶寬內很好達到了50歐姆阻抗匹配。并且在3.1-10.6GHz頻段內有良好的電特性，達到了天線(xiàn)小型化的目的。結果表明，這種設計方法有良好的寬帶阻抗匹配以及天線(xiàn)全向性輻射特性。

2 天線(xiàn)設計

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

圖1 天線(xiàn)結構示意圖（a）前視圖（b）后視圖

3 結果分析

上一節給出了天線(xiàn)的最佳參數值。該天線(xiàn)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(xiàn)設計過(guò)程中進(jìn)行進(jìn)一步分析，以確定參數對天線(xiàn)輸入匹配帶寬的影響。對天線(xiàn)參數研究都是為了與其他多層設備天線(xiàn)進(jìn)行整合對其所做的調整。

圖2 天線(xiàn)回波損耗仿真數據

對天線(xiàn)的參數進(jìn)行分析，通過(guò)改變一個(gè)參數，保持其他參數不變。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。這些數據清楚地表明，由于地平面高度的增加，在高頻時(shí)對阻抗匹配影響比較大。如果高度值降低，過(guò)了5GHz的-7GHz的頻率范圍阻抗特性開(kāi)始變差。因此，可以得出結論認為，地平面高度的參數，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(xiàn)長(cháng)度和寬度也是很重要的參數，對天線(xiàn)的阻抗匹配有很大。圖4顯示了饋線(xiàn)長(cháng)度不同對帶寬的影響（f=3.4，4.4，5.4和6.4mm）?？梢钥闯鲚斎胱杩箤?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/饋線(xiàn)長(cháng)度">饋線(xiàn)長(cháng)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(xiàn)寬度對回波損耗影響更大，引起輸入阻抗參數隨寬度變化更敏感。研究發(fā)現，隨著(zhù)w₂的值增加，低頻更匹配，而高頻失配，在5GHz-7GHz的頻率范圍內回波損耗數據很差。從而，最優(yōu)化饋線(xiàn)寬度為3.0毫米。

圖3 接地面高度對回波損耗的影響

圖4 饋線(xiàn)長(cháng)度對回波損耗的影響

圖5 饋線(xiàn)寬度對回波損耗的影響