專利名稱：一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種平面印刷板天線。
背景技術：
隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，人們對無線通信的依賴越來越強，從第一代移動通信的AMPS，TACS，NMT等模擬系統(tǒng)，第二代的GSM，IS-95等數(shù)字通信系統(tǒng)，發(fā)展到現(xiàn)在的 MT-2000, UMTS, TD-CDMA, WCDMA等第三代移動通信系統(tǒng)。通信的容量越來越大，語音的傳輸質(zhì)量越來越好，提供的服務越來越多，移動通信對人們的生活和工作也起著越來越大的作用。然而，目前的設備都在朝著小型化，寬頻帶的通信方向發(fā)展，特別是2002年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)把3. lGHz-10. 6GHz作為超寬帶通信頻段公布以來，超寬帶通信技術成為國內(nèi)專家和學者研究的熱門課題之一，超寬帶天線作為超寬帶通信系統(tǒng)的重要組成部分， 也隨之得到了國內(nèi)外專家的廣泛研究。近年來，國內(nèi)外的學者都在超寬帶通信上提出了很多解決方案，但是作為無線通信的重要組成部分的超寬帶天線都是采用各式各樣的結(jié)構實現(xiàn)超寬帶工作。分形天線成為研究的熱點問題之一，分形也隨之成為滿足未來產(chǎn)品要求的一種有效方法。它能夠使得我們有效地設計小型化天線或把多個無線電通信元件集成到一塊設備上。在用于無線應用中的下一代天線中，小型化是必須的。除此之外，無線電通信設備和電子信息設備朝著多功能化，小型化以及與周圍環(huán)境友好協(xié)調(diào)的方向發(fā)展，這使得寬頻帶，小型化，高增益成為國內(nèi)外研究的熱點課題之一。近年來，不需要鉆孔和易于集成的共面波導結(jié)構日新月異，并且該結(jié)構可以通過照相或者光刻技術制作，并且有較好的極化特性，因此該技術已經(jīng)應用在超寬帶天線的設計和相關的微波電路元器件的設計中。而目前的超寬帶通信所占的頻帶與無線局域網(wǎng)或者是其它的窄帶系統(tǒng)有共用的部分，因此需要設計的天線能夠降低，甚至不會給無限局域網(wǎng)等窄帶系統(tǒng)帶來干擾，因此設計帶有陷波特性的超寬帶天線成為目前研究的熱點。如果沒有適當?shù)脑O計來抑制諧波共振和寄生發(fā)射，這樣的天線將對附近的設備產(chǎn)生電磁干擾，危及系統(tǒng)本身和鄰近系統(tǒng)的正常工作，特別是對目前使用的窄帶系統(tǒng)造成嚴重的干擾，甚至不能實現(xiàn)正常通信。傳統(tǒng)的方式是在系統(tǒng)設計完成之后或者是在天線的后面添加濾波器的方法抑制或者消除不需要的信號。通常這種方法會造成天線與微波電路不匹配，甚至降低系統(tǒng)的整體效能，因此設計帶有陷波特性的超寬帶天線是解決此問題的重要方法之一。同時解決現(xiàn)有超寬帶天線的一些缺點(1)目前的超寬帶天線大多數(shù)是采用微帶單極子天線或者是共面波導饋電的單極子天線，這些天線的尺寸相對較大。近年來雖然基于槽式天線的超寬帶天線能夠滿足UWB(3. lGHz-10. 6GHz)的應用需求，但是這些天線的饋電方式和槽線的結(jié)合尺寸加工精度要求高，不便于實際的調(diào)試和生產(chǎn)。(2)目前大多數(shù)超寬帶天線，在系統(tǒng)集成時通常需要鉆孔，使用電抗元件等方式和射頻前端連接，因此增加系統(tǒng)的復雜性，降低了系統(tǒng)的效能，不能滿足小型化的需求。(3)近年來，學術界提出的大多數(shù)帶有陷波特性的超寬帶天線，大都是采用在接地面和輻射單元上刻蝕各種各樣的槽實現(xiàn)陷波特性，因此刻蝕的槽會產(chǎn)生電磁波的泄露，影響天線的輻射方向圖。
傳統(tǒng)的印刷超寬帶天線主要是圓錐天線和印刷盤錐天線，為了減小體積，中國專利“一款超寬帶階梯地板印刷單極子天線，申請編號2005100242^8. 7”闡述了一種基于階梯型接地板和橢圓形輻射單元的超寬帶天線，但該天線的帶寬有限，仍不能滿足UWB的應用，且不能克服UWB和WLAN的電磁干擾問題。文獻“Harmonic Control For An Integrated Microstrip Antenna With Loaded Transmission Line, Shun-Yun Lin, Kuang-Chih Huang, and Jin—Sen Chen.Microwave And Optical Technology Letters, Vol. 44, No. 4, FebrUary，2005”，提出一種利用周期結(jié)構抑制諧波，采用額外的周期性濾波器結(jié)構產(chǎn)生陷波特性，實現(xiàn)UWB和WLAN的協(xié)同工作，但是體積較大，且結(jié)構復雜。為了克服上述缺點，文獻"Design of a 5.8-GHz Antenna Incorporating a New Patch Antenna， Ching-Hong K.Chin，Quan Xue, Chi Hou Chan，IEEE Antennas And Wireless Propagation，Vol. 4， 2005”，闡述了在共面波導饋電信號線上刻蝕濾波器的方法，產(chǎn)生陷波的特性，但是體積仍然較大，不能很好的實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化設計，且該天線的制作要求相對較高。文獻“A miniaturized monopole antenna for ultra-wide band applications with band-notch Filter，B. Ahmadi, R. Faraji-Dana, IET Microw. Antennas Propag.，2009，Vol.3, No. 14， PP. 1224-1231. ”闡述了刻蝕U形槽和V形槽的帶有陷波特性的超寬帶天線，但是體積較大， 且采用漸變饋電結(jié)構，給設計和調(diào)試帶來不便。文獻“Compact CPff-fed ultra-wideband antenna with dual band-notched characteristics, Y.S.LI, X.D.Yang, C. Y. Liu, T. Jiang, Electronics Letters, 2010，vol. 46，No. 14”，采用在輻射源單元上刻蝕倒 U 形槽和在共面波導接地面上刻蝕H形槽，來產(chǎn)生陷波特性，該天線采用在共面波導接地面上刻蝕槽的形式，使得部分電磁波外泄，影響天線的輻射方向圖。綜上所述，目前提出的超寬帶天線主要是采用單極子的形式實現(xiàn)超寬帶特性，為了實現(xiàn)超寬帶系統(tǒng)與目前使用的窄帶系統(tǒng)之間的兼容，目前國內(nèi)外學者主要采用在天線的后集成濾波器，在輻射單元上刻蝕各種各樣的槽抑制帶外信號和寄生信號，但是以上技術增加了天線的體積，而在天線上刻蝕各種各樣的槽抑制帶外信號和寄生信號的方法，破壞了天線的輻射單元的形狀，從而造成電磁波泄漏，影響天線的輻射方向圖。〃分形〃這一概念是由法國數(shù)學家B. Mandelbrot于1975年首次提出的，〃分形(Fractal)"這個名詞源于拉丁文的"破碎"。分形具有兩大主要特征自相似性和空間填充性(即分數(shù)維)。自相似就是說適當?shù)姆糯蠡蚩s小幾何尺寸，整個結(jié)構并不改變，在各種尺度上都有相同程度的不規(guī)則性。分數(shù)維是指用一個特征數(shù)(不一定是整數(shù)) 來測定其不平度、復雜性或卷積度。自然界中的許多物體都能用分形來模擬，如山脈、樹木和云彩等。文獻"Fractal multiband antenna based on the Sierpinski gasket， Puente, C. ；Romeu, J. ；Pous, R. ；Garcia，X. ；Benitez, F.，Electronics Letters，1996， Vol. 32，PP. 1_2，，和文獻"On the behavior of the Sierpinski multiband fractal antenna， Puente—Baliarda， C. ， Romeu, J. ， Pous， R. ， Cardama, Α. ， IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol，46， PP. 517-524" M Sierpinski M ^ M X ^ M 行詳細的分析和實驗驗證，但是這種天線的帶寬仍然較窄，不能滿足超寬帶通信的需求。文獻“Fractal two-dimensional electromagnetic bandgap structures，F(xiàn)rezza, F· Pajewski，L Schettini，G· IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2004 Vol. 52，pp. 220-227，，，和文獻“Small but long Koch fractal monopole，Puente，C. ；Romeu, J. ；Pous, R. ；Ramis, J. ；Hijazo, A. , Electronics Letters,1998, Vol. 34, PP. 9-10.，，對Koch分形天線進行了詳細的研究和分析，但是Koch分形天線的體積相對較大，且不便于實際設計和應用。為了進一步展寬天線的阻抗帶寬，文獻“Circular fractal monopole antenna for low VSWR UWB applications, S. N. Khan, J. Hu,J.Xiong, and S. He, Progress In Electromagnetics Research Letters，2008，Vol. 1，19-25” 提出了圓形分型結(jié)構，但是該天線的體積較大，且不能滿足超寬帶通信的需求。今年來，人們開始對康托集分形結(jié)構進行研究，文獻"A multifractal cantor antenna for multiband wireless applications, B. Manimegalai, S. Raju and V. Abhaikumar, IEEE Antenna and Wireless Propagation letters, Vol. 8，2009”提出利用康托集理論的方法設計雙頻天線， 但是該天線不能滿足目前的超寬帶通信的需求。為了進一步改善天線的輻射特性，同時實現(xiàn)超寬帶通信系統(tǒng)與目前使用的窄帶 M^t^W'IWXi^r JCM “Sma 11 Square Monopole Antenna for UffB Applications with Variable Frequency B and—Notch Function, M. Ojaroudi, G. Ghanbari, N. Ojaroudi, C.Ghobadi, IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters,2009, Vol.8, pp. 1061-1064. ”禾口文獻"Compact Monopole Antenna with Band-notched Characteristic for UffB Applications, H. W. , Liu, C. H. , Ku, T. S. , Wang, C. F. , YANG, IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters, 2010, pp. 397-400”提出了利用微帶調(diào)諧線的實現(xiàn)陷波的方法，這兩種天線采用微帶饋電的方法，但是天線的體積較大，且需要調(diào)節(jié)的參數(shù)較多，不便于實際生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供帶寬寬、輻射效率高、帶有陷波特性的一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線，其特征是包括介質(zhì)基板、輻射單元、共面波導饋電信號帶線、共面波導接地面，輻射單元、共面波導饋電信號帶線、共面波導接地面固定在介質(zhì)基板上，輻射單元布置于共面波導接地面圍成的結(jié)構里，共面波導饋電信號帶線連接輻射單元。本發(fā)明還可以包括1、所述的輻射單元為康托集分型結(jié)構輻射單元。2、所述的康托集分型結(jié)構輻射單元為矩形或三角形康托集分型結(jié)構輻射單元。3、所述的康托集分型結(jié)構輻射單元為1次迭代或2次迭代的康托集分型結(jié)構輻射單元。4、所述的共面波導接地面設置調(diào)諧微帶線。5、所述的調(diào)諧微帶線結(jié)構為L形結(jié)構或T形結(jié)構。6、所述的調(diào)諧微帶線有1個或3個。7、所述的共面波導接地面為環(huán)形結(jié)構。8、所述的介質(zhì)基板為聚四氟乙烯介質(zhì)基板，且介電損耗正切角不大于10。本發(fā)明的優(yōu)勢在于本發(fā)明可以實現(xiàn)超寬帶的阻抗帶寬；本發(fā)明所設計的天線印刷在介質(zhì)基板上同一面，由康托集分形結(jié)構輻射單元、共面波導接地面、共面波導饋電結(jié)構和調(diào)諧微帶線組成，該結(jié)構不僅有利于與微波集成電路集成，而且還能實現(xiàn)系統(tǒng)的緊湊設計；采用共面波導饋電結(jié)構，便于展寬阻抗帶寬；在環(huán)形共面波導饋電結(jié)構內(nèi)部設置調(diào)諧微帶線，省去濾波器的設計，降低設計成本和系統(tǒng)的復雜性，同時提高系統(tǒng)的整體效能，也縮小了整體體積；采用調(diào)諧微帶線技術，結(jié)構簡單，設計容易，且可以根據(jù)所需要的諧波帶寬，經(jīng)計算得出調(diào)諧微帶線的尺寸；采用分形技術不僅能有效的減小天線的尺寸，同時還能展寬天線的阻抗帶寬。本發(fā)明主要采用寬槽結(jié)構與康托集分形機構輻射單元之間的耦合以及共面波導饋電結(jié)構實現(xiàn)超寬帶通信。本發(fā)明設計的康托集分形結(jié)構陷波超寬帶天線結(jié)構簡單，緊湊，體積小，加工方便，成本低。


圖1為本發(fā)明實施方式1的基本結(jié)構俯視圖；圖2為本發(fā)明實施方式1的基本結(jié)構主視圖；圖3為本發(fā)明實施方式1的基本結(jié)構側(cè)視圖；圖4為本發(fā)明實施方式1的0次迭代輻射單元；圖5為本發(fā)明實施方式1的1次迭代輻射單元；圖6為本發(fā)明實施方式1的2次迭代輻射單元；圖7為本發(fā)明實施方式2的基本結(jié)構俯視圖；圖8為本發(fā)明實施方式3的基本結(jié)構俯視圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述結(jié)合圖1 8，本發(fā)明一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線包括介質(zhì)基板105、 輻射單元、共面波導饋電信號帶線、共面波導接地面，輻射單元、共面波導饋電信號帶線、共面波導接地面固定在介質(zhì)基板105上，輻射單元布置于共面波導接地面圍成的結(jié)構里，共面波導饋電信號帶線連接輻射單元。本發(fā)明采用的技術方案為1、根據(jù)有限地共面波導結(jié)構的饋電方式和相關的計算公式計算出有限地共面波導的共面波導饋電信號帶線的尺寸以及共面波導饋電信號帶線與共面波導接地面之間的縫隙尺寸。2、設計滿足超寬帶通信的矩形超寬帶天線，通過調(diào)整矩形輻射單元的幾何尺寸和矩形輻射單元與共面波導接地面之間的耦合縫隙設計寬槽結(jié)構矩形超寬帶天線，并利用基于有限元方法的高頻結(jié)構仿真軟件HFSS對設計的天線進行優(yōu)化，使所設計的天線能夠滿足超寬帶通信的需求。3、根據(jù)康托集理論和分形天線設計技術，設計迭代函數(shù)，使所設計的康托集分形天線能夠滿足超寬帶通信的需求，并利用基于有限元方法的高頻結(jié)構仿真軟件HFSS研究一次迭代，二次迭代和多次迭代超寬帶天線的性能。4、根據(jù)開路調(diào)諧微帶線技術理論設計需要的調(diào)諧微帶線，并利用基于有限元方法的高頻結(jié)構仿真軟件HFSS對所設計的天線進行仿真分析和表面電流分析。根據(jù)仿真分析和開路調(diào)諧微帶線技術理論，在設計調(diào)諧微帶線，并根據(jù)所需的陷波頻率，對設計的天線進行優(yōu)化，得到所要的陷波超寬帶天線。本發(fā)明所設計的康托集分形結(jié)構的超寬帶天線，是在共面波導接地面內(nèi)部設置調(diào)諧微帶線形成陷波特性，調(diào)諧微帶線的有效長度可以根據(jù)陷波頻率和介質(zhì)極板參數(shù)計算， 采用Xn=c/4(fn￡rff)計算得出。其中c為光速，fn為陷波特性的中心頻率，^ff為有效介電常數(shù)。上述介質(zhì)板的介電常數(shù)在2-9. 8之間，且介電常數(shù)損耗角小于10_3。本發(fā)明采用以下幾種措施1、利用共面波導的形式實現(xiàn)單一平面印刷天線結(jié)構，同時也便于實現(xiàn)和微波集成電路集成化設計，進而降低系統(tǒng)的質(zhì)量，縮小系統(tǒng)的體積，實現(xiàn)系統(tǒng)的便攜式設計。2、采用在共面波導接地面內(nèi)部設置調(diào)諧微帶線的形式實現(xiàn)陷波功能，通過改變調(diào)諧微帶線的結(jié)合形狀，改變電流的流經(jīng)路徑，從而實現(xiàn)陷波功能，實現(xiàn)超寬帶通信與目前使用的窄帶系統(tǒng)之間的協(xié)同通信。3、采用康托集分形結(jié)構輻射單元，不僅能有效的減小天線的結(jié)構尺寸，同時還能展寬天線的阻抗帶寬，滿足超寬帶通信的需求，且結(jié)構簡單，便于實際的設計和制作。采用共面波導饋電結(jié)構和調(diào)諧微帶線實現(xiàn)陷波超寬帶天線，不僅能有效的減小天線的幾何尺寸，還能實現(xiàn)超寬帶通信系統(tǒng)和目前使用的窄帶通信系統(tǒng)的協(xié)調(diào)通信。使用共面波導饋電結(jié)構，分形技術和調(diào)諧微帶線的優(yōu)點主要有1、采用共面波導饋電結(jié)構，可以實現(xiàn)單一平面印刷天線結(jié)構，并且易于實現(xiàn)餓微波集成電路的設計。本發(fā)明使用的屬于有限地共面波導饋電結(jié)構，不僅能有效的展寬天線的阻抗帶寬，還能有效的減小天線的尺寸，實現(xiàn)小型化設計。2、采用微帶調(diào)諧線技術，不僅能有效提高輻射特性，改善使用在輻射單元和超寬帶天線接地面上刻蝕槽等結(jié)構造成的輻射方向圖畸變，還能有效的降低因采用刻蝕槽等引起的電磁波泄漏，改善系統(tǒng)的電磁環(huán)境，便于整個設備或者系統(tǒng)的電磁兼容設計。此外，采用微帶調(diào)諧線技術，形成開路的四分之一開路線，產(chǎn)生一個諧振頻率，進而產(chǎn)生一個陷波特性，有效的避免超寬帶系統(tǒng)和目前使用的窄帶系統(tǒng)之間的相互干擾。3、采用共面波導結(jié)構可以很容易的實現(xiàn)寬頻帶阻抗帶寬，且降低天線介質(zhì)損耗， 提高天線的效率，從而獲得更高的天線增益。4、采用康托集分形結(jié)構不僅能有效的減小天線的尺寸，還能展寬天線的阻抗帶寬，滿足超寬帶通信的需求?？低屑中谓Y(jié)構簡單，便于實際設計和制作，調(diào)試，批量生產(chǎn)。實施方式1 本發(fā)明的一個實例如圖1，圖2，圖3，圖4，圖5和圖6所示。它由康托集分形結(jié)構輻射單元101、共面波導饋電信號帶線102、共面波導接地面103、調(diào)諧微帶線104和介質(zhì)基板105組成。該天線的共面波導饋電信號帶線104的下端與SMA內(nèi)導體連接。SMA的外導體與共面波導接地面103連接。根據(jù)圖1，圖2和圖3所示的結(jié)構，只要選擇合適的尺寸，就能滿足其超寬帶工作特性和陷波特性。天線參數(shù)的設計1、介質(zhì)基板的選擇介質(zhì)基板的介電常數(shù)一般在2-9. 8之間，本發(fā)明采用的介電常數(shù)為2. 65的聚四氟乙烯板，該基板價格較低，損耗較小，基于上述要求。在實際中，可根據(jù)實際應用采用介電常數(shù)損耗角小的介質(zhì)基板，如介電常數(shù)損耗角小于ΙΟ—3的基板。本發(fā)明采用的介質(zhì)基板的厚 度為1.6mm，滿足所需的強度。2、共面波導饋電結(jié)構的設計整個天線的共面波導的饋電結(jié)構的阻抗為50 Ω，根據(jù)有限地共面波導饋電結(jié)構的 計算公式，計算出共面波導饋電信號帶線104的寬度，以及共面波導饋電信號帶線104與共 面波導接地面之間的縫隙的寬度。共面波導的阻抗與共面波導饋電信號帶線104的導帶寬 度、以及共面波導饋電信號帶線104與共面波導接地面之間的縫隙的寬度、介質(zhì)基板105的 厚度和介電常數(shù)有關，只要改變ー個參數(shù)，就能改天線的特性阻杭。為此還可以利用常用的 計算公式來計算有限接地面共面波導的特性阻杭。3、康托集分形結(jié)構輻射単元的設計根據(jù)微帶天線知識，單極子天線和康托集理論知識的基本理論，設計滿足超寬帶 通信的康托集分形結(jié)構輻射貼片單元。可以調(diào)節(jié)康托集分形結(jié)構輻射単元的幾何尺寸，康 托集分形結(jié)構輻射単元與共面波導接地面之間的耦合縫隙等對所設計的天線進行優(yōu)化，使 所設計的天線能夠滿足超寬帶通信的需求。其0次迭代的康托集分形結(jié)構輻射單元為矩形貼片單元，如圖4所示，1次迭代的 康托集分形結(jié)構輻射単元如圖5所示，2次迭代的康托集分形結(jié)構輻射単元如圖5所示。其設計步驟如下，圖4，圖5，圖6的輻射單元分別記為A，B，C。則可以根據(jù)康托集
知識和理論得到所設計天線的結(jié)構，其相關設計公式如下
權利要求
1.一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線，其特征是包括介質(zhì)基板、輻射單元、共面波導饋電信號帶線、共面波導接地面，輻射單元、共面波導饋電信號帶線、共面波導接地面固定在介質(zhì)基板上，輻射單元布置于共面波導接地面圍成的結(jié)構里，共面波導饋電信號帶線連接輻射單元。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線，其特征是所述的輻射單元為康托集分型結(jié)構輻射單元。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線，其特征是所述的康托集分型結(jié)構輻射單元為矩形或三角形康托集分型結(jié)構輻射單元。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線，其特征是所述的康托集分型結(jié)構輻射單元為1次迭代或2次迭代的康托集分型結(jié)構輻射單元。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線，其特征是所述的共面波導接地面設置調(diào)諧微帶線。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線，其特征是所述的調(diào)諧微帶線結(jié)構為L形結(jié)構或T形結(jié)構。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線，其特征是所述的調(diào)諧微帶線有1個或3個。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線，其特征是所述的共面波導接地面為環(huán)形結(jié)構。
9.根據(jù)權利要求8所述的一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線，其特征是所述的介質(zhì)基板為聚四氟乙烯介質(zhì)基板，且介電損耗正切角不大于10。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種基于康托集分形結(jié)構的超寬帶天線，包括介質(zhì)基板、輻射單元、共面波導饋電信號帶線、共面波導接地面，輻射單元、共面波導饋電信號帶線、共面波導接地面固定在介質(zhì)基板上，輻射單元布置于共面波導接地面圍成的結(jié)構里，共面波導饋電信號帶線連接輻射單元。本發(fā)明設計的康托集分形結(jié)構陷波超寬帶天線結(jié)構簡單，緊湊，體積小，加工方便，成本低。
文檔編號H01Q1/48GK102299419SQ201110163579
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權日2011年6月17日
發(fā)明者吳成云, 李迎松, 楊曉冬, 白玉 申請人:哈爾濱工程大學