基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線，包括介質基板、金屬接地板、輻射貼片單元和阻抗匹配微帶饋線，輻射貼片單元和阻抗匹配微帶饋線設置在介質基板的正面，金屬接地板設置在介質基板的背面，輻射貼片單元包括一階分形結構、漸變槽體結構、二階分形結構和變換匹配微帶饋線，一階分形結構包括呈倒階梯形排列的第一矩形輻射貼片、第二矩形輻射貼片和第三矩形輻射貼片，一階分形結構中部開設有漸變槽體結構，漸變槽體結構與一階分形結構自相似，漸變槽體結構中部設有二階分形結構。本發(fā)明采用新的分形結構，既展寬了天線頻帶，減小了天線體積，又實現(xiàn)了天線在3GHz?12.9GHz內滿足超寬帶特性，同時天線結構簡單，剖面低，易于安裝和集成。
【專利說明】
基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信技術領域，尤其涉及一種小型化的基于矩形階梯結構分形的 超寬帶微帶天線。
【背景技術】
[0002] 天線是無線通訊和雷達系統(tǒng)中最重要的部件之一，其性能優(yōu)劣直接關乎整個系統(tǒng) 的通信質量或探測能力。近年來，隨著無線通信的飛速發(fā)展，網(wǎng)路覆蓋區(qū)域不斷增多，各種 數(shù)據(jù)業(yè)務的需求也急劇增加，以往的通信設備和模式已經(jīng)無法適應現(xiàn)代通信多業(yè)務、高速 率、高質量的要求，天線設計正面臨著新的挑戰(zhàn)。為適應現(xiàn)代無線通信的發(fā)展要求，目前國 內外天線的研究主要朝小型化、寬頻帶和多頻段等幾個方向進行。
[0003] 分形幾何的創(chuàng)立為天線設計提供了新的途徑。分形天線是指幾何形狀具有自相似 性、空間填充性和分數(shù)維、電性能通常呈多諧振特性的一類天線。分形天線是分形幾何與天 線技術相結合的產(chǎn)物。自1995年N.Cohen發(fā)表第一篇關于分形天線的論文以來，分形天線研 究的熱潮一直不減并已實現(xiàn)商業(yè)應用。目前國內外所采用的分形結構主要集中在 Sierpinski carpet、Hilbert cueve、Cantor set等著名分形結構上，并且相當多的工作是 圍繞這些天線的優(yōu)化進行，實際上分形的種類和數(shù)據(jù)是無窮多的，易于操作的新的分形結 構天線能夠為微帶分形天線的研究提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種采用新的分形結構的超寬帶微帶天線。本發(fā)明所述的 基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線結構簡單，能夠滿足3GHZ-12.9GHz范圍內的超寬 帶特性要求，充分保證超寬帶通信系統(tǒng)的可靠性。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：
[0006] 基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線，包括介質基板、金屬接地板、輻射貼片 單元和阻抗匹配微帶饋線，所述的輻射貼片單元和阻抗匹配微帶饋線設置在介質基板的正 面，所述的金屬接地板設置在介質基板的背面，所述的輻射貼片單元包括一階分形結構、漸 變槽體結構、二階分形結構和變換匹配微帶饋線，所述的一階分形結構包括呈倒階梯形排 列的第一矩形輻射貼片、第二矩形輻射貼片和第三矩形輻射貼片，一階分形結構中部開設 有漸變槽體結構，漸變槽體結構與一階分形結構自相似，漸變槽體結構中部設置有二階分 形結構。
[0007] 所述第一矩形輻射貼片的面積為l〇*16mm2,第二矩形輻射貼片的面積為3.5* 12mm2，第三矩形輻射貼片的面積為1.4*8mm 2。
[0008] 所述漸變槽體結構包括呈倒階梯形排列的第一矩形槽體、第二矩形槽體和第三矩 形槽體，第一矩形槽體的面積為5*8mm2，第二矩形槽體的面積為2.5*6mm 2，第三矩形槽體的 面積為l*4mm2。
[0009] 所述二階分形結構包括第四矩形輻射貼片、第五矩形輻射貼片和第六矩形輻射貼 片，第四矩形輻射貼片的面積為2.5*4mm2,第五矩形輻射貼片的面積為1.5*3mm2,第六矩形 輻射貼片的面積為〇. 6*2mm2。
[0010]所述的一階分形結構、漸變槽體結構和二階分形結構均沿天線中心縱向軸對稱設 置。
[0011] 所述介質基板的長度、寬度和高度分別為35mm、30mm和1.6mm。
[0012] 所述的金屬接地板為矩形，金屬接地板的長度和寬度分別為11.5mm和30_。
[0013] 本發(fā)明在矩形微帶天線的基礎上，將呈倒階梯形排列的第一矩形輻射貼片、第二 矩形輻射貼片和第三矩形輻射貼片組成的一階分形結構作為基本輻射單元，能夠更好地實 現(xiàn)天線的阻抗匹配;本發(fā)明利用開設在一階分形結構中部且與一階分形結構自相似的漸變 槽體結構，進一步展寬了天線的帶寬;本發(fā)明在漸變槽體結構中部引入與漸變槽體結構自 相似的二階分形結構，再次改變了低頻電流的路徑，降低了低頻諧振頻率，同時還會引入多 頻諧振，從而實現(xiàn)了天線的超寬帶;本發(fā)明整體結構簡單，剖面低，易于安裝和集成。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明介質基板正面的結構示意圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明介質基板背面的結構示意圖；
[0016] 圖3為實施例中基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線在3GHZ-12.9GHz內的回 波損耗仿真結果圖；
[0017] 圖4為實施例中基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線在3GHZ-12.9GHz內電壓 駐波比的仿真結果圖；
[0018] 圖5為實施例中基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線在3.3GHz對應的輻射特 性EH面輻射方向圖；
[0019] 圖6為實施例中基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線在7.2GHz對應的輻射特 性EH面輻射方向圖；
[0020] 圖7為實施例中基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線在11.3GHz對應的輻射 特性EH面輻射方向圖。
【具體實施方式】
[0021] 如圖1至圖2所示，本發(fā)明所述的一種基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線， 包括介質基板1、金屬接地板2、輻射貼片單元和阻抗匹配微帶饋線3。輻射貼片單元和阻抗 匹配微帶饋線3設置在介質基板1的正面。金屬接地板2設置在介質基板1的背面。本實施例 以矩形微帶天線作為基礎，即采用長度、寬度和高度分別為35mm、30mm和1.6mm且介電常數(shù) 為4.4的FR4環(huán)氧樹脂覆銅板作為介質基板1，采用長度和寬度分別為11.5mm和30mm的矩形 銅皮作為金屬接地板2,既能實現(xiàn)超寬帶特性，又可減小天線的體積。
[0022] 本發(fā)明中的輻射貼片單元包括一階分形結構、漸變槽體結構、二階分形結構和變 換匹配微帶饋線4。一階分形結構、漸變槽體結構和二階分形結構均沿天線中心縱向軸對稱 設置。一階分形結構包括呈倒階梯形排列的第一矩形輻射貼片5、第二矩形輻射貼片6和第 三矩形輻射貼片7。第一矩形輻射貼片5的長度L及寬度W可近似按照下列公式確定：
[0023]
[0024]
[0025] 其中為有效介電常數(shù)，h為介質層厚度，λ〇為自由空間的波長，c為光速，er為介質 相對介電常數(shù)。本實施例中第一矩形輻射貼片5的面積為10*16mm 2,第二矩形輻射貼片6的 面積為3.5*12mm2,第三矩形輻射貼片7的面積為1.4*8mm 2。阻抗匹配微帶饋線3采用50Ω的 特性阻抗，其寬度可依據(jù)TXLine軟件計算得出，屬于現(xiàn)有技術，此處不再贅述。本發(fā)明的一 階分形結構采用基本矩形漸變結構，能夠更好地實現(xiàn)阻抗匹配。
[0026] 本發(fā)明在一階分形結構中部開設有漸變槽體結構，漸變槽體結構與一階分形結構 自相似，包括呈倒階梯形排列的第一矩形槽體8、第二矩形槽體9和第三矩形槽體10,漸變槽 體結構能夠改變輻射貼片中電流的流向，從而增加有效路徑，進一步展寬天線的帶寬。其 中，自相似為分形結構中的現(xiàn)有名詞，本領域技術人員明確清楚其含義，在本專利中不存在 公開不充分的問題。本實施例中第一矩形槽體8的面積為5*8mm 2,第二矩形槽體9的面積為 2.5*6mm2，第三矩形槽體10的面積為l*4mm2。
[0027] 本發(fā)明在漸變槽體結構中部設置有二階分形結構，包括第四矩形輻射貼片11、第 五矩形輻射貼片12和第六矩形輻射貼片13,二階分形結構能夠降低低頻諧振頻率，改善天 線的低頻匹配問題，同時可實現(xiàn)多頻諧振現(xiàn)象。本實施中第四矩形輻射貼片11的面積為 2.5*4mm 2,第五矩形輻射貼片12的面積為1.5*3mm2,第六矩形輻射貼片13的面積為0.6* 2mm 2。變換匹配微帶饋線4的一端連接第六矩形輻射貼片13的底端，變換匹配微帶饋線4的 另一端連接著第二矩形輻射貼片6,實現(xiàn)一階分形結構與二階分形結構之間的阻抗匹配。
[0028] 如圖3和圖4所示，利用HFSS11軟件對本實施例中的基于矩形階梯結構分形的超寬 帶微帶天線進行仿真優(yōu)化，可知該天線在3GHZ-12.9GHz內的回波損耗參數(shù)SI 1小于-10dB， 滿足了超寬帶特性;該天線在3GHZ-12.9GHz內電壓駐波比VSWR小于2，滿足通信系統(tǒng)工程的 要求。如圖5至圖7所示，本實施例中的基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線Η面在 3.3GHz、7.2GHz和11.3GHz均保持良好的全向輻射特性。
[0029] 本發(fā)明所述的基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線通過采用新的分形結構， 既展寬了天線頻帶，減小了天線體積，又實現(xiàn)了天線在3GHZ-12.9GHz內滿足超寬帶特性，同 時天線結構簡單，剖面低，易于安裝和集成。
【主權項】
1. 基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線，包括介質基板、金屬接地板、輻射貼片單 元和阻抗匹配微帶饋線，所述的輻射貼片單元和阻抗匹配微帶饋線設置在介質基板的正 面，所述的金屬接地板設置在介質基板的背面，其特征在于:所述的輻射貼片單元包括一階 分形結構、漸變槽體結構、二階分形結構和變換匹配微帶饋線，所述的一階分形結構包括呈 倒階梯形排列的第一矩形輻射貼片、第二矩形輻射貼片和第三矩形輻射貼片，一階分形結 構中部開設有漸變槽體結構，漸變槽體結構與一階分形結構自相似，漸變槽體結構中部設 置有二階分形結構。2. 如權利要求1所述的基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線，其特征在于:所述第 一矩形輻射貼片的面積為l〇*16mm2，第二矩形輻射貼片的面積為3.5*12 mm2，第三矩形輻射 貼片的面積為1.4*8 mm2。3. 如權利要求2所述的基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線，其特征在于:所述漸 變槽體結構包括呈倒階梯形排列的第一矩形槽體、第二矩形槽體和第三矩形槽體，第一矩 形槽體的面積為5 * 8 mm2，第二矩形槽體的面積為2.5 * 6 mm2，第三矩形槽體的面積為1 * 4 mm2。4. 如權利要求3所述的基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線，其特征在于:所述二 階分形結構包括第四矩形輻射貼片、第五矩形輻射貼片和第六矩形輻射貼片，第四矩形輻 射貼片的面積為2.5*4mm 2，第五矩形輻射貼片的面積為1.5*3 mm2，第六矩形輻射貼片的面 積為0.6*2 mm2。5. 如權利要求4所述的基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線，其特征在于:所述的 一階分形結構、漸變槽體結構和二階分形結構均沿天線中心縱向軸對稱設置。6. 如權利要求5所述的基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線，其特征在于:所述介 質基板的長度、寬度和高度分別為35mm、30mm和1.6mm。7. 如權利要求6所述的基于矩形階梯結構分形的超寬帶微帶天線，其特征在于:所述的 金屬接地板為矩形，金屬接地板的長度和寬度分別為11.5mm和30_。
【文檔編號】H01Q13/08GK105896070SQ201610266415
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】謝澤會, 王延峰, 郭淑婷, 史坤峰, 楊倩, 趙紅梅, 姚海龍
【申請人】鄭州輕工業(yè)學院