生长环阵列超宽频带天线设计

  作者:陈林鹏,林 斌,潘依郎,等 时间:2020-03-03来源:电子产品世界

陈林鹏,林  斌,潘依郎,李振昌,唐  荻,颜逸朋 (厦门大学嘉庚学院,福建 漳州 363105)

摘  要:本文针对多网合一无线通信终端设备对微波多频段兼容天线的性能要求,将方形角缺陷分形天线结构 和生长环阵列结合,设计了一款超宽频带天线。这款天线尺寸较小、辐射强度较高、性能冗余充足,能够同时 工作于移动通信、射频识别(RFID)、超宽带(UWB)、移动数字电视(DTV)等多个无线通信系统,具有 优异的兼容性,可以作为多网合一无线通信系统终端天线得到大规模应用。 

关键词:分形天线;方形角缺陷分形;生长环阵列结构;超宽频带天线

0  引言 

随着无线通信技术在21世纪不断高速发展,越来越 多的无线通信应用系统完成了技术开发和系统完善, 已投入商业化的实际运营。完成多个无线通信应用系统 的整合,实现多网合一、多频段兼容和终端设备多功能 化,是无线通信技术发展中迫在眉睫需要解决的问题。 移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统、移动 数字电视系统都是工作于微波频段的无线通信应用系 统,工作频段接近,对终端设备的要求相似,有较大的 整合潜力,有望整合成为微波频段多网合一系统。 

我国目前处于多代移动通信共同发展的时期,正 在使用的2G频段为(905~915)MHz、(950~960)MHz、 (1 710~1785)MHz、(1 805~1 880)MHz;3G频段为 (1 880~1 980)MHz、(2 010~2 025)MHz、(2 110~ 2 170)MHz、(2 300~2 400)MHz;4G频段为(2 570~ 2 620)MHz;5G频段为(3 300~3 400)MHz、(4 400~ 4 500)MHz、(4 800~4 990)MHz [1-3]。RFID系统频段为(902~928)MHz、(2 400~2 483.5)MHz、 (5 725~5 875)MHz [4-5]。UWB系统频段为(3 100~ 10 600)MHz [6-8]。DTV系统频段为(11 700~12 200)MHz [9-12]。 微波频段多网合一系统要求天线有良好的兼容能力,能 够完全覆盖上述频段,尺寸较小、辐射强度较高、性能 冗余充足。

1  方形角缺陷分形结构简介 

方形角缺陷分形结构由正四边形按照图1所示的方 法迭代得到。初始的正四边形分为16个大小相等的小正 四边形,删去4个边角处的小正四边形,得到1阶方形角 缺陷分形。对1阶方形角缺陷分形的每个小正四边形分 别做上述迭代,可得到2阶方形角缺陷分形结构。这样 依次迭代下去,可以得到高阶方形角缺陷分形结构。在 天线设计中使用方形角缺陷分形结构,可以让天线辐射 贴片内部有均匀分布的射频电流,保证天线有良好的超 宽频带工作能力。

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2  生长环阵列结构简介 

生长环阵列结构是一种具有自相似性的、迭代生成 的多环阵列结构,其迭代过程如图2所示。生长环阵列 结构是由40个阵元天线组成的、外圈边长为11、内圈边 长为9的正方形环阵列。在初始结构的四个边角生长出4 个外圈边长为5、内圈边长为3的小正方形环阵列,可以 得到1阶生长环阵列结构。在1阶生长环阵列结构的每个 小正方形环阵列的边角生长出3个外圈边长为3、内圈边 长为1的微型正方形环阵列,可以得到2阶生长环阵列结 构。使用生长环阵列结构组成天线阵列,可以利用辐射 叠加原理有效提高天线的辐射强度,并利用生长环阵列 结构的自相似性使阵列天线具有和阵元天线相似的超宽 频带工作能力。

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3  天线结构设计 

天线基板为εr=6的矩形低损耗FR4基板,它的尺寸 是36.8 mm×36.8 mm×1 mm。天线基板正面贴覆着方 形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片。天线基板背面贴覆 着由金属全导电接地结构组成的天线接地板。 

方形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片的结构如图3 所示,其使用生长环阵列结构作为基本阵列排布结构, 在生长环阵列结构的每个大小为1.6 mm×1.6 mm的阵 元天线区域中心,放置方形角缺陷分形天线。 

方形角缺陷分形天线是在尺寸为1.6 mm×1.6 mm的矩形区域进行方形角缺陷分形迭代而得到。方形角缺 陷分形天线使用了2阶的方形角缺陷分形结构。每个方 形角缺陷分形天线的底部边沿中心处设有天线馈电点。 

生长环阵列结构是2阶生长环阵列结构,它可以看 作是在一个由23行23列共529个方形区域组成的矩形区 域中,按照图2(c)所示规律在其中184个方形区域放置阵 元天线组成。

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4  天线辐射性能测试结果 

我们制作了天线样品,并搭建了天线性能测试系统 实际测试了天线的回波损耗性能和方向图性能,测试结 果如图4和图5所示。 

从测试结果可以看出,该款天线具有出色的全向 工作能力,天线的工作频带范围为(551~17 193) MHz,工作带宽为(16 642)MHz,倍频带宽为 31.20,回波损耗最小值为-47.32 dB。

该款天线完全覆 盖了移动通信、射频识别、超宽带、移动数字电视等多 个无线通信系统的工作频带。 该款天线具有突出的性能优势:该款天线具有稳定 的超宽频带辐射工作能力,在(835~16 108)MHz频 段内的回波损耗值都低于-45 dB,且回波损耗值波动很 小,天线具有超高稳定辐射能力和较大性能冗余;该款 天线用一个宽达16 642 MHz的单一工作频带,实现了对2G至5G移动通信、射频识别、超宽带通信和移动数字电 视的兼容,且回波损耗最小值低达-47.32 dB,兼具优异 的超宽频带工作能力和较高的辐射强度;该款天线在有 184个阵元天线的情况下,尺寸仅为36.8 mm×36.8 mm× 1 mm,在天线小型化设计方面有独特的优势。

5  结论 

本文针对多网合一无线通信终端设备对微波多频段 兼容天线的性能要求,设计了一款生长环阵列超宽频带 天线,使用方形角缺陷分形天线作为阵元天线,具有自 相似性的分形结构保证了阵元天线内部有均匀分布的射 频电流,确保阵元天线有优异的超宽频带工作能力;使 用生长环阵列结构将184个阵元天线组成天线阵列,利 用辐射叠加原理和阵列结构本身的自相似性使天线阵列 同时具有高辐射强度、大性能冗余和超宽工作频带。天线回波损耗性能和方向图性能实际测试结果表明,该款 天线尺寸小、辐射强度高、性能冗余大、辐射工作稳定 性强,具有超强兼容性和超宽频带工作能力,能够有效 兼容移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统和 移动数字电视系统,在微波频段多网合一系统中可以得 到大规模应用。

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本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第03期第79页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。

关键词: 202003 分形天线 方形角缺陷分形 生长环阵列结构 超宽频带天线

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