基于矩形阶梯结构分形的超宽带微带天线

摘要

本发明公开了一种基于矩形阶梯结构分形的超宽带微带天线，包括介质基板、金属接地板、辐射贴片单元和阻抗匹配微带馈线，辐射贴片单元和阻抗匹配微带馈线设置在介质基板的正面，金属接地板设置在介质基板的背面，辐射贴片单元包括一阶分形结构、渐变槽体结构、二阶分形结构和变换匹配微带馈线，一阶分形结构包括呈倒阶梯形排列的第一矩形辐射贴片、第二矩形辐射贴片和第三矩形辐射贴片，一阶分形结构中部开设有渐变槽体结构，渐变槽体结构与一阶分形结构自相似，渐变槽体结构中部设有二阶分形结构。本发明采用新的分形结构，既展宽了天线频带，减小了天线体积，又实现了天线在3GHz‑12.9GHz内满足超宽带特性，同时天线结构简单，剖面低，易于安装和集成。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种小型化的基于矩形阶梯结构分形的超宽带微带天线。

背景技术

天线是无线通讯和雷达系统中最重要的部件之一，其性能优劣直接关乎整个系统的通信质量或探测能力。近年来，随着无线通信的飞速发展，网路覆盖区域不断增多，各种数据业务的需求也急剧增加，以往的通信设备和模式已经无法适应现代通信多业务、高速率、高质量的要求，天线设计正面临着新的挑战。为适应现代无线通信的发展要求，目前国内外天线的研究主要朝小型化、宽频带和多频段等几个方向进行。

分形几何的创立为天线设计提供了新的途径。分形天线是指几何形状具有自相似性、空间填充性和分数维、电性能通常呈多谐振特性的一类天线。分形天线是分形几何与天线技术相结合的产物。自1995年N.Cohen发表第一篇关于分形天线的论文以来，分形天线研究的热潮一直不减并已实现商业应用。目前国内外所采用的分形结构主要集中在Sierpinski carpet、Hilbert cueve、Cantor set等著名分形结构上，并且相当多的工作是围绕这些天线的优化进行，实际上分形的种类和数据是无穷多的，易于操作的新的分形结构天线能够为微带分形天线的研究提供理论依据及数据支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用新的分形结构的超宽带微带天线。本发明 所述的基于矩形阶梯结构分形的超宽带微带天线结构简单，能够满足3GHz-12.9GHz范围内的超宽带特性要求，充分保证超宽带通信系统的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于矩形阶梯结构分形的超宽带微带天线，包括介质基板、金属接地板、辐射贴片单元和阻抗匹配微带馈线，所述的辐射贴片单元和阻抗匹配微带馈线设置在介质基板的正面，所述的金属接地板设置在介质基板的背面，所述的辐射贴片单元包括一阶分形结构、渐变槽体结构、二阶分形结构和变换匹配微带馈线，所述的一阶分形结构包括呈倒阶梯形排列的第一矩形辐射贴片、第二矩形辐射贴片和第三矩形辐射贴片，一阶分形结构中部开设有渐变槽体结构，渐变槽体结构与一阶分形结构自相似，渐变槽体结构中部设置有二阶分形结构。

所述第一矩形辐射贴片的面积为10*16mm²，第二矩形辐射贴片的面积为3.5*12mm²，第三矩形辐射贴片的面积为1.4*8mm²。

所述渐变槽体结构包括呈倒阶梯形排列的第一矩形槽体、第二矩形槽体和第三矩形槽体，第一矩形槽体的面积为5*8mm²，第二矩形槽体的面积为2.5*6mm²，第三矩形槽体的面积为1*4mm²。

所述二阶分形结构包括第四矩形辐射贴片、第五矩形辐射贴片和第六矩形辐射贴片，第四矩形辐射贴片的面积为2.5*4mm²，第五矩形辐射贴片的面积为1.5*3mm²，第六矩形辐射贴片的面积为0.6*2mm²。

所述的一阶分形结构、渐变槽体结构和二阶分形结构均沿天线中心纵向轴对称设置。

所述介质基板的长度、宽度和高度分别为35mm、30mm和1.6mm。

所述的金属接地板为矩形，金属接地板的长度和宽度分别为11.5mm和30mm。

本发明在矩形微带天线的基础上，将呈倒阶梯形排列的第一矩形辐射贴片、第二矩形辐射贴片和第三矩形辐射贴片组成的一阶分形结构作为基本辐射单元，能够更好地实现天线的阻抗匹配；本发明利用开设在一阶分形结构中部且与一阶分形结构自相似的渐变槽体结构，进一步展宽了天线的带宽；本发明在渐变槽体结构中部引入与渐变槽体结构自相似的二阶分形结构，再次改变了低频电流的路径，降低了低频谐振频率，同时还会引入多频谐振，从而实现了天线的超宽带；本发明整体结构简单，剖面低，易于安装和集成。

附图说明

图1为本发明介质基板正面的结构示意图；

图2为本发明介质基板背面的结构示意图；

图3为实施例中基于矩形阶梯结构分形的超宽带微带天线在3GHz-12.9GHz内的回波损耗仿真结果图；

图4为实施例中基于矩形阶梯结构分形的超宽带微带天线在3GHz-12.9GHz内电压驻波比的仿真结果图；

图5为实施例中基于矩形阶梯结构分形的超宽带微带天线在3.3GHz对应的辐射特性EH面辐射方向图；

图6为实施例中基于矩形阶梯结构分形的超宽带微带天线在7.2GHz对应的辐射特性EH面辐射方向图；

图7为实施例中基于矩形阶梯结构分形的超宽带微带天线在11.3GHz对应的辐射特性EH面辐射方向图。

具体实施方式

如图1至图2所示，本发明所述的一种基于矩形阶梯结构分形的超宽带微 带天线，包括介质基板1、金属接地板2、辐射贴片单元和阻抗匹配微带馈线3。辐射贴片单元和阻抗匹配微带馈线3设置在介质基板1的正面。金属接地板2设置在介质基板1的背面。本实施例以矩形微带天线作为基础，即采用长度、宽度和高度分别为35mm、30mm和1.6mm且介电常数为4.4的FR4环氧树脂覆铜板作为介质基板1，采用长度和宽度分别为11.5mm和30mm的矩形铜皮作为金属接地板2，既能实现超宽带特性，又可减小天线的体积。

本发明中的辐射贴片单元包括一阶分形结构、渐变槽体结构、二阶分形结构和变换匹配微带馈线4。一阶分形结构、渐变槽体结构和二阶分形结构均沿天线中心纵向轴对称设置。一阶分形结构包括呈倒阶梯形排列的第一矩形辐射贴片5、第二矩形辐射贴片6和第三矩形辐射贴片7。第一矩形辐射贴片5的长度L及宽度W可近似按照下列公式确定：

$L=\frac{{\lambda }_0}{2\sqrt{{ϵ}_e}}-0.824h\frac{({ϵ}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({ϵ}_e-0.258)(W/h+0.8)};$

$W=\frac{{\mathrm{c\lambda }}_0}{2}{\left(\frac{{ϵ}_r+1}{2}\right)}^{-\frac{1}{2}};$

其中ε_e为有效介电常数，h为介质层厚度，λ₀为自由空间的波长，c为光速，ε_r为介质相对介电常数。本实施例中第一矩形辐射贴片5的面积为10*16mm²，第二矩形辐射贴片6的面积为3.5*12mm²，第三矩形辐射贴片7的面积为1.4*8mm²。阻抗匹配微带馈线3采用50Ω的特性阻抗，其宽度可依据TXLine软件计算得出，属于现有技术，此处不再赘述。本发明的一阶分形结构采用基本矩形渐变结构，能够更好地实现阻抗匹配。

本发明在一阶分形结构中部开设有渐变槽体结构，渐变槽体结构与一阶分形结构自相似，包括呈倒阶梯形排列的第一矩形槽体8、第二矩形槽体9和第三 矩形槽体10，渐变槽体结构能够改变辐射贴片中电流的流向，从而增加有效路径，进一步展宽天线的带宽。其中，自相似为分形结构中的现有名词，本领域技术人员明确清楚其含义，在本专利中不存在公开不充分的问题。本实施例中第一矩形槽体8的面积为5*8mm²，第二矩形槽体9的面积为2.5*6mm²，第三矩形槽体10的面积为1*4mm²。

本发明在渐变槽体结构中部设置有二阶分形结构，包括第四矩形辐射贴片11、第五矩形辐射贴片12和第六矩形辐射贴片13，二阶分形结构能够降低低频谐振频率，改善天线的低频匹配问题，同时可实现多频谐振现象。本实施中第四矩形辐射贴片11的面积为2.5*4mm²，第五矩形辐射贴片12的面积为1.5*3mm²，第六矩形辐射贴片13的面积为0.6*2mm²。变换匹配微带馈线4的一端连接第六矩形辐射贴片13的底端，变换匹配微带馈线4的另一端连接着第二矩形辐射贴片6，实现一阶分形结构与二阶分形结构之间的阻抗匹配。

如图3和图4所示，利用HFSS11软件对本实施例中的基于矩形阶梯结构分形的超宽带微带天线进行仿真优化，可知该天线在3GHz-12.9GHz内的回波损耗参数S11小于-10dB，满足了超宽带特性；该天线在3GHz-12.9GHz内电压驻波比VSWR小于2，满足通信系统工程的要求。如图5至图7所示，本实施例中的基于矩形阶梯结构分形的超宽带微带天线H面在3.3GHz、7.2GHz和11.3GHz均保持良好的全向辐射特性。

本发明所述的基于矩形阶梯结构分形的超宽带微带天线通过采用新的分形结构，既展宽了天线频带，减小了天线体积，又实现了天线在3GHz-12.9GHz内满足超宽带特性，同时天线结构简单，剖面低，易于安装和集成。