基于分形技術的超寬帶天線

1 引言

近些年，超寬帶（UWB）通信系統得到了突飛猛進的發(fā)展。美國聯邦通信委員會(FCC) 在2002年2月批準了第一個UWB商用準則。到當年4月，聯邦通訊委員會批準該技術用于3.1GHz和10.6GHz之間未使用頻段。該技術有望提高短距離傳輸速率，降低功耗，簡化RFID設備等通信應用的硬件配置，并應用于傳感器網絡，雷達和定位跟蹤。近年來天線設計師們以改善天線性能為主要研究目標。如今，一些超寬帶天線設計應用于筆記本電腦的PCMCIA卡進行無線通信，然而尺寸限制了其應用。因此，為了解決這一技術在超寬帶天線設計中的關鍵問題，即天線尺寸應減少。因此最近在保證應用頻段的基礎上，設計的超寬帶天線往往側重于小型化尺寸。分形幾何已被證明是一種行之有效的設計方法，被廣泛應用于設計微型天線。

在本論文中，提出了一種基于塞賓斯基幾何分形的微帶天線，可以有效的減小天線尺寸，是通過增加天線的電長度實現的。換言之，表面電流重新定向，以便它必須承擔微帶表面一個較長的路徑長度。通過使用這一概念，在設計天線時，可以考慮更高階的分形以進一步增加它的表面電流路徑的長度。所以這款天線設計為基于三階塞賓斯基分形的超寬帶應用天線。微帶天線饋電采用微帶線饋電，在帶寬內很好達到了50歐姆阻抗匹配。并且在3.1-10.6GHz頻段內有良好的電特性，達到了天線小型化的目的。結果表明，這種設計方法有良好的寬帶阻抗匹配以及天線全向性輻射特性。

2 天線設計

本論文設計了一種新型超寬帶天線。天線的結構如圖1所示，它是由1.6毫米厚的印刷板制作而成，介電常數4.4，尺寸為長寬20 ×15 mm²，輻射單元由一個三階塞賓斯基分形結構組成，三角形的各邊分別為t₁=8mm，t₂=5.89mm，t₃=2.43mm，t₄=1.47mm。該天線是微帶饋電，饋電線特性阻抗為50歐姆，相關參數為w₁=0.75mm，w₂=3.00mm，f= 5.40mm。接地板為半接地面結構如圖1（b）所示。由于分形結構，使得天線電流路徑增多，實現天線帶寬增寬以及阻抗匹配帶寬增大。

圖1 天線結構示意圖（a）前視圖（b）后視圖

3 結果分析

上一節(jié)給出了天線的最佳參數值。該天線的回波損耗如圖2所示，圖中我們清楚看到回波損耗大于10dB帶寬包含了3.1GHz-10.6GHz的頻率范圍。超寬帶是由于三個階段塞賓斯基幾何分形形成了多個共振所產生的。天線設計過程中進行進一步分析，以確定參數對天線輸入匹配帶寬的影響。對天線參數研究都是為了與其他多層設備天線進行整合對其所做的調整。

圖2 天線回波損耗仿真數據

對天線的參數進行分析，通過改變一個參數，保持其他參數不變。圖3顯示了不同的接地面高度（H= 4.3，4.8，5.3和5.8mm）仿真的回波損耗。這些數據清楚地表明，由于地平面高度的增加，在高頻時對阻抗匹配影響比較大。如果高度值降低，過了5GHz的-7GHz的頻率范圍阻抗特性開始變差。因此，可以得出結論認為，地平面高度的參數，它影響的阻抗匹配之一。由此我們看出高度的最佳值是5.3毫米。

饋線長度和寬度也是很重要的參數，對天線的阻抗匹配有很大。圖4顯示了饋線長度不同對帶寬的影響（f=3.4，4.4，5.4和6.4mm）?？梢钥闯鲚斎胱杩箤?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/饋線長度">饋線長度變化很敏感，特別是在高頻率時。在這種情況下的最優(yōu)值是5.4毫米。

圖5表明饋線寬度對回波損耗影響更大，引起輸入阻抗參數隨寬度變化更敏感。研究發(fā)現，隨著w₂的值增加，低頻更匹配，而高頻失配，在5GHz-7GHz的頻率范圍內回波損耗數據很差。從而，最優(yōu)化饋線寬度為3.0毫米。

圖3 接地面高度對回波損耗的影響

圖4 饋線長度對回波損耗的影響

圖5 饋線寬度對回波損耗的影響