生長環(huán)陣列超寬頻帶天線設計

陳林鵬，林? 斌，潘依郎，李振昌，唐? 荻，顏逸朋 （廈門大學嘉庚學院，福建?漳州?363105）

摘? 要：本文針對多網(wǎng)合一無線通信終端設備對微波多頻段兼容天線的性能要求，將方形角缺陷分形天線結構 和生長環(huán)陣列結合，設計了一款超寬頻帶天線。這款天線尺寸較小、輻射強度較高、性能冗余充足，能夠同時 工作于移動通信、射頻識別（RFID）、超寬帶（UWB）、移動數(shù)字電視（DTV）等多個無線通信系統(tǒng)，具有 優(yōu)異的兼容性，可以作為多網(wǎng)合一無線通信系統(tǒng)終端天線得到大規(guī)模應用。 

關鍵詞：分形天線；方形角缺陷分形；生長環(huán)陣列結構；超寬頻帶天線

0  引言 

隨著無線通信技術在21世紀不斷高速發(fā)展，越來越 多的無線通信應用系統(tǒng)完成了技術開發(fā)和系統(tǒng)完善， 已投入商業(yè)化的實際運營。完成多個無線通信應用系統(tǒng) 的整合，實現(xiàn)多網(wǎng)合一、多頻段兼容和終端設備多功能 化，是無線通信技術發(fā)展中迫在眉睫需要解決的問題。 移動通信系統(tǒng)、射頻識別系統(tǒng)、超寬帶通信系統(tǒng)、移動 數(shù)字電視系統(tǒng)都是工作于微波頻段的無線通信應用系 統(tǒng)，工作頻段接近，對終端設備的要求相似，有較大的 整合潛力，有望整合成為微波頻段多網(wǎng)合一系統(tǒng)。 

我國目前處于多代移動通信共同發(fā)展的時期，正 在使用的2G頻段為(905～915)MHz、(950～960)MHz、 (1 710～1785)MHz、(1 805～1 880)MHz；3G頻段為 (1 880～1 980)MHz、(2 010～2 025)MHz、(2 110～ 2 170)MHz、(2 300～2 400)MHz；4G頻段為（2 570～ 2 620）MHz；5G頻段為(3 300～3 400)MHz、(4 400～ 4 500)MHz、（4 800～4 990）MHz ^[1-3]。RFID系統(tǒng)頻段為（902～928）MHz、（2 400～2 483.5）MHz、 （5 725～5 875）MHz ^[4-5]。UWB系統(tǒng)頻段為（3 100～ 10 600）MHz ^[6-8]。DTV系統(tǒng)頻段為（11 700～12 200）MHz ^[9-12]。 微波頻段多網(wǎng)合一系統(tǒng)要求天線有良好的兼容能力，能 夠完全覆蓋上述頻段，尺寸較小、輻射強度較高、性能 冗余充足。

1  方形角缺陷分形結構簡介 

方形角缺陷分形結構由正四邊形按照圖1所示的方 法迭代得到。初始的正四邊形分為16個大小相等的小正 四邊形，刪去4個邊角處的小正四邊形，得到1階方形角 缺陷分形。對1階方形角缺陷分形的每個小正四邊形分 別做上述迭代，可得到2階方形角缺陷分形結構。這樣 依次迭代下去，可以得到高階方形角缺陷分形結構。在 天線設計中使用方形角缺陷分形結構，可以讓天線輻射 貼片內部有均勻分布的射頻電流，保證天線有良好的超 寬頻帶工作能力。

2  生長環(huán)陣列結構簡介 

生長環(huán)陣列結構是一種具有自相似性的、迭代生成 的多環(huán)陣列結構，其迭代過程如圖2所示。生長環(huán)陣列 結構是由40個陣元天線組成的、外圈邊長為11、內圈邊 長為9的正方形環(huán)陣列。在初始結構的四個邊角生長出4 個外圈邊長為5、內圈邊長為3的小正方形環(huán)陣列，可以 得到1階生長環(huán)陣列結構。在1階生長環(huán)陣列結構的每個 小正方形環(huán)陣列的邊角生長出3個外圈邊長為3、內圈邊 長為1的微型正方形環(huán)陣列，可以得到2階生長環(huán)陣列結 構。使用生長環(huán)陣列結構組成天線陣列，可以利用輻射 疊加原理有效提高天線的輻射強度，并利用生長環(huán)陣列 結構的自相似性使陣列天線具有和陣元天線相似的超寬 頻帶工作能力。

3  天線結構設計 

天線基板為ε_r=6的矩形低損耗FR4基板，它的尺寸 是36.8 mm×36.8 mm×1 mm。天線基板正面貼覆著方 形角缺陷分形生長環(huán)陣列輻射貼片。天線基板背面貼覆 著由金屬全導電接地結構組成的天線接地板。 

方形角缺陷分形生長環(huán)陣列輻射貼片的結構如圖3 所示，其使用生長環(huán)陣列結構作為基本陣列排布結構， 在生長環(huán)陣列結構的每個大小為1.6 mm×1.6 mm的陣 元天線區(qū)域中心，放置方形角缺陷分形天線。 

方形角缺陷分形天線是在尺寸為1.6 mm×1.6 mm的矩形區(qū)域進行方形角缺陷分形迭代而得到。方形角缺 陷分形天線使用了2階的方形角缺陷分形結構。每個方 形角缺陷分形天線的底部邊沿中心處設有天線饋電點。 

生長環(huán)陣列結構是2階生長環(huán)陣列結構，它可以看 作是在一個由23行23列共529個方形區(qū)域組成的矩形區(qū) 域中，按照圖2(c)所示規(guī)律在其中184個方形區(qū)域放置陣 元天線組成。

4  天線輻射性能測試結果 

我們制作了天線樣品，并搭建了天線性能測試系統(tǒng) 實際測試了天線的回波損耗性能和方向圖性能，測試結 果如圖4和圖5所示。 

從測試結果可以看出，該款天線具有出色的全向 工作能力，天線的工作頻帶范圍為（551～17 193） MHz，工作帶寬為（16 642）MHz，倍頻帶寬為 31.20，回波損耗最小值為-47.32 dB。

該款天線完全覆 蓋了移動通信、射頻識別、超寬帶、移動數(shù)字電視等多 個無線通信系統(tǒng)的工作頻帶。 該款天線具有突出的性能優(yōu)勢：該款天線具有穩(wěn)定 的超寬頻帶輻射工作能力，在（835～16 108）MHz頻 段內的回波損耗值都低于-45 dB，且回波損耗值波動很 小，天線具有超高穩(wěn)定輻射能力和較大性能冗余；該款 天線用一個寬達16 642 MHz的單一工作頻帶，實現(xiàn)了對2G至5G移動通信、射頻識別、超寬帶通信和移動數(shù)字電 視的兼容，且回波損耗最小值低達-47.32 dB，兼具優(yōu)異 的超寬頻帶工作能力和較高的輻射強度；該款天線在有 184個陣元天線的情況下，尺寸僅為36.8 mm×36.8 mm× 1 mm，在天線小型化設計方面有獨特的優(yōu)勢。

5  結論 

本文針對多網(wǎng)合一無線通信終端設備對微波多頻段 兼容天線的性能要求，設計了一款生長環(huán)陣列超寬頻帶 天線，使用方形角缺陷分形天線作為陣元天線，具有自 相似性的分形結構保證了陣元天線內部有均勻分布的射 頻電流，確保陣元天線有優(yōu)異的超寬頻帶工作能力；使 用生長環(huán)陣列結構將184個陣元天線組成天線陣列，利 用輻射疊加原理和陣列結構本身的自相似性使天線陣列 同時具有高輻射強度、大性能冗余和超寬工作頻帶。天線回波損耗性能和方向圖性能實際測試結果表明，該款 天線尺寸小、輻射強度高、性能冗余大、輻射工作穩(wěn)定 性強，具有超強兼容性和超寬頻帶工作能力，能夠有效 兼容移動通信系統(tǒng)、射頻識別系統(tǒng)、超寬帶通信系統(tǒng)和 移動數(shù)字電視系統(tǒng)，在微波頻段多網(wǎng)合一系統(tǒng)中可以得 到大規(guī)模應用。

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本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第03期第79頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。