一种电小尺寸分形单极子天线

摘要

本发明公开了一种电小尺寸分形单极子天线(长-0.049·λc，宽-0.041·λc，高-0.068·λc；λc为谐振频率)，其特征在于，它包括圆形金属地板、天线辐射体，天线辐射体包括分别由圆弧格西普·皮亚诺分形曲线导体构造的辐射体、分别与两分形曲线辐射体连接的左右相互对称两条倒L形导体段、连接于左侧倒L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋一、连接于右侧倒L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋二，以及连接于两竖直圆柱螺旋底端的水平圆环，其中一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体直接短路至金属地板，另一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体则与同轴馈线连接。本发明实现电小单极子天线的理想阻抗匹配、较高增益和良好效率，具有思路新颖、原理清晰、方法普适、加工容易等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及通信天线设备技术领域，特别是涉及一种电小尺寸分形单极子天线。

背景技术

天线是无线通信系统中最重要的部件之一。由于天线具有与工作波长可比拟的尺寸，因此当频率很低时，它的尺寸往往很大，如岸潜极低频(VLF)通信天线、坦克超高频(UHF)通信单鞭天线等。小型化和轻量化是现代无线通信设备始终追求的目标，天线已成为实现该目标的关键和瓶颈之一。当为了适应安装空间而将天线尺寸设计成远小于工作波长如小于0.1·λ甚至更小(电小天线)时，如寻呼机内置电小环天线，天线性能如带宽、增益、效率等指标会大大降低。尤其是电小尺寸天线，其输入阻抗通常实部R_A很小，虚部X_A则有很大的电抗分量，使得与标准50Ω同轴馈线匹配变得十分困难。这会引起天馈阻抗严重失配，造成天线反射损耗很大，因而增益和效率极低，例如常见的车载AM/FM广播天线。为了弥补小型化所带来的性能恶化，电小天线通常加载有源放大电路，将天线接收到的微弱信号放大数倍后再输入处理电路，从而达到近电尺度天线所具备的接收效果。然而，有源电小天线是仅考虑接收效果改善而不注重工作效率的一种天线。若用作发射天线，有源天线极低的效率使得其在工程实践中无法使用，因此常用作接收天线。

综上所述，要改善电小天线的性能，首先得提高其输入阻抗，使其接近于50Ω，并努力降低Q值以增大带宽。这有赖于良好精巧的结构设计和合适的材料选用，这跟任何其他类型天线设计一样。电小天线也常采用加载集总元件如电阻、电感和电容的方法实现阻抗匹配，然而集总元件自身的高Q值和损耗会造成天线带宽及效率大大降低。而其他小型化方法如几何弯折、高介电常数材料、磁性材料等，则会造成输入阻抗减小、带宽变窄、增益和效率下降等。分形是近二十年以来新出现的实现天线小型化的有效方法，它利用分形几何的自相似性(self-similarity)和空间填充性(space-filling)来实现天线的多谐频和小型化。分形天线能在保持辐射特性基本不变的情况下，使几何尺寸显著缩减。然而，与常规几何弯折一样，分形天线在实现谐振频率显著降低的同时，其输入电阻也将大大减小。

鉴于电小天线是工程应用中的一类重要天线，如何提升其性能成为天线研究领域中的一个重要方向。

发明内容

本发明的目的旨在为UHF超高频通信提供一种电小尺寸、全向性、高增益、高效率的移动终端天线，并为一般的电小尺度线天线提供一种与50Ω标准阻抗实现理想匹配的方法。

本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种电小尺寸分形单极子天线(长-0.049·λ_c，宽-0.041·λ_c，高-0.068·λ_c；λ_c为谐振频率)，其特征在于，它包括设置有同轴线馈电孔和同轴线的圆形金属地板、直立于金属地板上的天线辐射体。天线辐射体包括：分别由两条经一次迭代的周期性圆弧格西普·皮亚诺分形曲线导体构造的辐射体、分别与两分形导线 连接的左右相互对称的两条倒L形导体段、连接于左侧的倒L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋一、连接于右侧的倒L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋二，以及连接于两竖直圆柱螺旋底端的水平圆环；其中一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体直接短路至金属地板，另一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体则与50Ω馈电同轴线连接。

作为上述方案的进一步说明，所述圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体的顶端加载倒L形导体段，倒L形导体段的竖直部位下端连接圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体的顶端。

一种电小尺寸分形单极子天线，其特征在于，它的设置方式包括以下步骤：

步骤一，在XOZ平面构造一条宽度为W_i、水平长度为L₀和迭代次数为I_i的格西普·皮亚诺平面分形曲线(Guiseppe Peano Curve)，各次迭代I_i的水平长度l_i与竖直高度m_i之比为δ_i＝l_i/m_i(i为迭代次数I_i)；

步骤二，在直角坐标系下，按照步骤一所述方法，用直径为W₁的导线构造一条一次迭代I₁圆弧格西普·皮亚诺空间分形曲线，其水平段和竖直段分别为圆弧段和直线段，圆弧半径和弧度分别为R₀和

步骤三，按照步骤二所述方法，沿着+Z轴方向依次构造出N条一次迭代I₁圆弧格西普·皮亚诺分形曲线；然后，将这些单元分形曲线首尾相连，构成一条更长的、周期性格西普·皮亚诺分形曲线；其竖直高度H等于各单元高度与初始段高度的总和，即H＝l₀+(2·N+1)·l₁(N为单元数目，N≥1)；

步骤四，将步骤三中的N单元周期性分形曲线沿YOZ平面进行镜像复制，复制后左右两部分(X轴负/正半轴部分)间隔距离为s；

步骤五，在步骤四所述的两条空间分形曲线末端(顶端)分别加载两条相同的倒L形导体段，其前段竖直部分高为l₁，后段水平部分长为l；

步骤六，在步骤五所述的两条倒L形导体水平段的末端分别加载一个长、宽、厚分别L_p、W_P、T_P为的竖直导体板，两导体板间隔距离为(s-T_P)；步骤七，在步骤五所述的两条倒L形导体水平段中间偏竖直段位置分别加载一个竖直圆柱螺旋，螺旋直径、升角和线径分别为D_h、α_h、W_h，旋向为左旋或右旋；

步骤八，将步骤七所述的两条圆柱螺旋底端用一个直径和线径分别为D_L和W_L的圆环连接，连接点位于圆环的水平直径上；

步骤九，在天线底端水平放置一个金属地板，金属地板上表面与步骤四所述+X轴部分的N单元周期性格西普·皮亚诺分形曲线始端平齐；

步骤十，在步骤九所述的圆形金属地板与分形曲线始端平齐位置钻一圆孔，孔径等于50Ω标准同轴线外导体内径D_c，在该孔处安装带法兰盘的同轴连接头，如SMA型、N型、BNC型、TNC型头；

步骤十一，将步骤四所述的-X轴部分N单元周期性格西普·皮亚诺分形曲线末端则短路到金属地板。

作为上述方案的进一步说明，电小分形单极子天线选用的分形曲线类型为一次迭代格西普·皮亚诺分形曲线I₁。

优选地，电小分形单极子天线采用空间圆弧而非平面折线形式的一次迭代格西普·皮亚诺分形曲线I₁来实现天线尺寸更显著的小型化。

优选地，电小分形单极子天线采用两臂对称、折合的形式以实现阻抗加倍。

优选地，所述电小分形单极子天线采用分布式电容电感串联加载的方法来实现电小尺寸下的理想阻抗匹配。

优选地，迭代格西普·皮亚诺分形曲线的制作材料是宽度为W_i的印制导线或直径为D_i的金属导线。

优选地，所述金属地板形状为圆形、椭圆、方形或正多边形。

优选地，电小分形单极子天线的分形曲线、加载的圆柱螺旋电感以及金属地板采用铜、铝或不锈钢材料制作。

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

本发明独特地采用分形几何和分布式加载相结合的方法，使常规的超高频UHF频段单极子天线仅依靠精巧的结构设计即在较宽频带内实现了电小尺寸工作(＜＜0.1·λ；长-0.049·λ_c，宽-0.041·λ_c，高-0.068·λ_c；λ_c为谐振频率)；带内阻抗匹配良好、方向全向性好、增益和效率较高；尤其是谐振点，其输入阻抗几乎等于50Ω，增益和效率分别高达1.5dBi和95％。同时，本发明具有思路清晰、原理普适、结构简单、加工方便等特点等优点，使得单/偶极子天线这一天线领域中最原始、最简单、应用最广泛的的天线类型能够应用于极低、超低频段，因而进一步扩展了其应用领域；再者，本发明所提出的电小单极子天线匹配方法同样也适用于其他类型电小线天线的匹配。

附图说明

图1为天线模型所采用的直角坐标系定义示意图；

图2为各次迭代平面格西普·皮亚诺分形曲线(Guiseppe Peano Curve)示意图；图2(a)表示初始体或零次迭代I₀，图2(b)表示一次迭代I₁，图2(c)表示二次迭代I₂，图2(d)表示三次迭代I₃；

图3为一次迭代I₁空间圆弧格西普·皮亚诺分形曲线(Guiseppe Peano Curve)示意图；图3(a)表示右视图，图3(b)表示前视图(正视图)，图3(c)表示侧视图；

图4(a)为N＝3单元一次迭代I1周期性空间圆弧格西普·皮亚诺分形曲线(Guiseppe Peano Curve)示意图；图4(a)表示前视图(正视图)，图4(b)表示立体图；

图5为N＝3单元一次迭代I₁周期性空间圆弧格西普·皮亚诺分形曲线(Guiseppe Peano Curve)关于YOZ平面镜像对称示意图；图5(a)表示侧视图，图5(b)表示前视图(正视图)，图5(c)表示俯视图；

图6为N＝3单元一次迭代I₁周期性空间圆弧格西普·皮亚诺分形曲线(Guiseppe Peano Curve)镜像对称左右后顶端加载的倒L形导体段示意图；图6(a)表示倒L形导体段前视图(正视图)，图6(b)表示倒L形导体段俯视图；

图7为左右对称的两倒L形导体段中间相邻端分别加载竖直导体板示意图；图7(a)表示竖直导体板右视图，图7(b)表示竖直导体板前视图(正视图)，图7(c)表示竖直导体板与倒L形导体段组合体前视图(正视图)，图7(d)表示竖直导体板与倒L形导体段组合体俯视图，图7(e)表示竖直导体板与倒L形导体段组合体侧视图；

图8为两倒L形导体水平段中间位置分别加载竖直圆柱螺旋及两圆柱螺旋底端用圆环连接示意图；图8(a)表示竖直圆柱螺旋前视图(正视 图)，图8(b)表示竖直圆柱螺旋侧视图，图8(c)表示连接圆环俯视图，图8(d)表示连接圆环前视图(正视图)，图8(e)表示倒L形导体、竖直导体板、竖直圆柱螺旋及其底端连接圆的组合体前视图(正视图)，图8(f)表示倒L形导体、竖直导体板、竖直圆柱螺旋及其底端连接圆的组合体俯视图，图8(g)表示倒L形导体、竖直导体板、竖直圆柱螺旋及其底端连接圆的组合体侧视图；

图9为带馈电孔和同轴线的圆形地板示意图；图9(a)表示圆形地板俯视图，图9(b)表示圆形地板前视图(正视图)；

图10为各部分组合后的电小尺寸分形单极子天线整体示意图；图10(a)表示分形单极子天线俯视图，图10(b)表示分形单极子天线前视图(正视图)，图10(c)表示分形单极子天线右视图，图10(d)表示分形单极子天线侧视图；

图11为电小尺寸分形单极子天线的输入阻抗Z_in的频率特性图；

图12为电小尺寸分形单极子天线的反射系数|S₁₁|曲线；

图13为电小尺寸分形单极子天线的实增益G频率特性曲线；

图14为电小尺寸分形单极子天线的效率η_A频率特性曲线；

图15为电小尺寸分形单极子天线在f_L＝424.00MHz的2D实增益方向图(G＝-3.42dBi)；

图16为电小尺寸分形单极子天线在f_L＝428.76MHz的2D实增益方向图(G＝1.524dBi)；

图17为电小尺寸分形单极子天线在f_L＝432MHz的2D实增益方向图(G＝-3.32dBi)。

附图标记说明：1、同轴线馈电孔2、同轴线3、金属地板4、天线主体4-1、分形曲线辐射体4-2、左侧倒L形导体段4-3、右侧倒L形导体4-4、竖直圆柱螺旋一4-5、竖直圆柱螺旋二4-6、水平连接圆环4-7、倒L形导体竖直段。

具体实施方式

本发明是一种工作于UHF频段的电小尺寸分形单极子天线(长-0.049·λ_c，宽-0.041·λ_c，高-0.068·λ_c；λ_c为谐振频率)，它包括设置有同轴线馈电孔1和同轴线2的圆形金属地板3、直立于金属地板3上的天线主体4，天线主体4包括分别由两条一次迭代的周期性圆弧格西普·皮亚诺分形曲线导体构造的辐射体4-1、分别与两分形曲线辐射体连接的左右相互对称的两条倒L形导体段4-2、4-3、连接于左侧倒L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋一4-4、连接于右侧倒L形导体水平中段的竖直圆柱螺旋二4-5，以及连接于两竖直圆柱螺旋底端的水平圆环4-6，其中一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体短路至金属地板3，另一条圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体与同轴馈线2连接。圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体的顶端加载倒L形导体段，倒L形导体段的竖直段4-7下端连接圆弧格西普·皮亚诺分形曲线辐射体的顶端。

以下结合具体实施例对本发明的具体实施方案作进一步的详述。

这里，将基于一次迭代I₁空间圆弧格西普·皮亚诺分形曲线(Guiseppe Peano Curve)来设计电小尺寸分形单极子天线，并给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。

本发明的电小尺寸分形单极子天线设置方式，它包括以下步骤：

步骤一，首先建立空间直角坐标系(笛卡尔坐标系)，如图1所示。

步骤二，在XOZ平面演示线宽为W_i、水平段长l_i与竖直段长m_i之比为δ_i＝l_i/m_i(i为迭代次数I_i)、水平总长度为L₀的各次迭代格西普·皮亚诺分形曲线I_i的构造过程，如图2所示。

步骤三，在空间直角坐标系下，用线径为W₁的导线构造一条一次迭代空间圆弧格西普·皮亚诺分形曲线单元I₁。其中，圆弧半径和弧度分别为R₀和如图3所示。

步骤四，将步骤三所构造的单元西普·皮亚诺分形曲线I₁变成一条首尾相连的N单元周期性分形曲线，如图4所示。

步骤五，将步骤四的N单元周期性分形曲线沿YOZ平面进行镜像复制，复制后左右两部分(X轴负/正半轴部分)间隔距离为s，如图5所示。

步骤六，在步骤五的两条周期性分形曲线顶端分别加载两条相同的倒L形导体段，其前段竖直部分高为l₁，后段水平部分长为l，如图6所示。

步骤七，在步骤六所述的两条倒L形导体水平段末端分别加载一个长、宽、厚分别L_p、W_P、T_P为的竖直导体板，两导体板间距为(s-T_P)，如图7所示。

步骤八，在步骤七所述的两条倒L形导体水平段中间偏竖直段位置分别加载一个竖直圆柱螺旋，螺旋直径、升角和线径分别为D_h、α_h、W_h，旋向为左旋或右旋，如图8(a)-(b)、8(e)-(g)所示。

步骤九，将步骤八所述的两条圆柱螺旋底端用一个直径和线径分别为D_L和W_L的水平圆环连接，连接点位于圆环的水平直径上，如图8(c)-(g)所示。

步骤十，在天线底端水平放置一个直径和厚度分别为D_g和T_g圆形金属地板，如图9所示。地板上表面与步骤五所述+X轴部分的N单元周期性格西普·皮亚诺分形曲线始端平齐，如图10(a)-(d)所示。

步骤十一，在步骤十所述的圆形地板与分形曲线始端平齐位置钻一圆孔，孔径等于同轴线外导体直径D_c，如图10(a)-(d)所示。

步骤十二，将步骤五所述的-X轴部分N单元周期性格西普·皮亚诺分形曲线末端则短路到圆形金属板，如图10(b)-(d)所示。

本发明针对电小尺寸天线是工程实践中的一种重要天线类型，但其输入阻抗极低难以匹配、Q值很高带宽很窄、效率极低，致使其应用潜力大大受限这一现状，作者提出了采用西普·皮亚诺分形曲线(Guiseppe Peano Curve)折合方式和分布式电感、电容加载方法，实现了电小尺寸单极子天线在较宽频带内实现了理想阻抗匹配。结合图11-图17所示，图11中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是输入阻抗Z_in，单位为Ω；实线表示实部R_in，虚线表示虚部X_in；由图知，单极子谐振于f_c＝428.754MHz，阻抗为Z_in＝R_in＝50Ω，显然，该谐振点能达到理想匹配。

图12为电小尺寸分形单极子天线的反射系数|S₁₁|曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是反射系数幅度|S₁₁|，单位为dB。谐振点f_c＝428.754MHz的反射系数幅度|S₁₁|达到-51dB。|S₁₁|＝-5dB对应的带宽BW＝3.37MHz，相对带宽约0.8％。

图13为电小尺寸分形单极子天线的实增益G频率特性曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是天线实增益G，单位为dBi。谐振点f_c＝428.754MHz的实增益G＝1.53dBi。|S₁₁|＝-5dB带内 实增益G>-1dBi；实增益G>-4dBi对应的带宽BW＝8MHz，相对带宽约1.87％。

图14为电小尺寸分形单极子天线的效率η_A频率特性曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为MHz；纵轴(Y轴)是天线效率η_A，单位为％。谐振点f_c＝428.754MHz的天线效率η_A接近于100％。|S₁₁|＝-5dB带内天线效率η_A>50％；实增益G>-4dBi带内天线效率η_A>25％。

图15为电小尺寸分形单极子天线在f_L＝424.00MHz的2D实增益方向图(G＝-3.42dBi)。其中，实线是主极化分量Co-Pol，虚线是交叉极化分量X-Pol；粗线表示H-面(XOY平面)；细线表示E-面(XOZ平面)。

图16为电小尺寸分形单极子天线在f_L＝428.76MHz的2D实增益方向图(G＝1.524dBi)。其中，实线是主极化分量Co-Pol，虚线是交叉极化分量X-Pol；粗线表示H-面(XOY平面)；细线表示E-面(XOZ平面)。

图17为电小尺寸分形单极子天线在f_L＝432MHz的2D实增益方向图(G＝-3.32dBi)。其中，实线是主极化分量Co-Pol，虚线是交叉极化分量X-Pol；粗线表示H-面(XOY平面)；细线表示E-面(XOZ平面)。

研究结果表明，该电小天线在1.87％的相对带宽内，增益G>-4dBi，效率天线效率η_A>25％，谐振点增益高达1.52dBi，效率接近于100％。同时，该电小单极子还具有良好的全向方向性和较低的交叉极化电平。相比之下，其他集总加载型电小天线在效率、增益和带宽方面都逊色很多。另外，该发明具有原理新颖、适用天线广、结构简单、设计容易、加工方便等优点。最后，本发明所提方法还适用于其他类型线天线的电小尺寸理想匹配，如偶极子、环天线、菱形天线等。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。