渐变宽度分形环宽带天线的设计与研究_王丽黎.pdf
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1、收稿日期:2022-11-12基金项目:国家自然科学基金(61771389)通信作者:王丽黎,副教授,硕士,主要从事微波与天线系统、先进导航技术的研究。E-mail:wanglili 电子元件与材料Electronic Components and Materials第 42 卷Vol.42第 5 期No.55 月May2023 年2023渐变宽度分形环宽带天线的设计与研究王丽黎,邓 雯,杜忠红,常雪迎(西安理工大学 自动化与信息工程学院,陕西 西安 710048)摘 要:针对现有天线结构过于单一、工作带宽较窄以及尺寸较大的问题,提出了一款适用于 S、C、X、Ku 和部分 K 波段的渐变宽度分
2、形环宽带天线。该天线采用三阶圆环迭代层叠的分形结构作为辐射贴片,由微带线经阻抗变换后馈电,并采用缺陷接地结构作为接地板,有效改善了天线的阻抗匹配,实现了天线良好的多频和宽带特性。通过仿真模型和优化参数,天线的最终尺寸为 34 mm25 mm1.6 mm,其相对带宽可达 153.5%(2.6320 GHz),增益为 2.99.8 dBi。该天线结构紧凑、体积较小,且在工作频段内具有较好的全向性和稳定的增益,可以应用于各种宽频带通信系统中。天线的实测和仿真结果基本吻合,验证了天线设计的有效性。关键词:分形结构;宽带;多频;缺陷地结构;阻抗匹配中图分类号:TN82文献标识码:ADOI:10.1410
3、6/ki.1001-2028.2023.1684引用格式:王丽黎,邓雯,杜忠红,等.渐变宽度分形环宽带天线的设计与研究 J.电子元件与材料,2023,42(5):611-617.Reference format:WANG Lili,DENG Wen,DU Zhonghong,et al.Design and research of fractal ring broadband antennawith gradual width J.Electronic Components and Materials,2023,42(5):611-617.Design and research of frac
4、tal ring broadband antennawith gradual widthWANG Lili,DENG Wen,DU Zhonghong,CHANG Xueying(School of Automation and Information Engineering,Xian University of Technology,Xian 710048,China)Abstract:A fractal ring broadband antenna with gradual width for S,C,X,Ku,and partial K-bands was proposed toaddr
5、ess the issues of the single structure,narrow operating bandwidth,and large size of the existing antennas.A fractalstructure with a third-order circular iterative lamination as the radiating patch was used,and the attenna was fed by a micro-strip line via impedance transformation.A defective ground
6、structure was applied as the grounding plate,which significantlyimproved the antennas impedance matching and resulted in good multi-frequency and broadband characteristics.With thesimulation model and parameter optimization,the antenna size is finally determined as 34 mm25 mm1.6 mm,its relativebandw
7、idth is 153.5%(2.63-20 GHz),and the gain is 2.9-9.8 dBi.The antenna is compact,small in size,and has goodomnidirectionality and stable gain in the operating band,which can be used in various broadband communication systems.Themeasured results of the antenna are consistent with the simulation.So its
8、validity was verified.Keywords:fractal structure;broadband;multi-frequency;defective ground structure;impedance matching 随着现代无线通信技术的迅速发展,研究设计宽带宽、多频和小型化的高性能天线已成为设计者的重要目标。采用传统的欧式几何来设计该类天线具有一定的难度,而分形几何的出现为人们提供了一种新的思路1,对设计具有小型化、多频段、辐射性能良好的天线起着重要的作用2。将分形结构应用在天线的电子元件与材料设计中,利用其自相似性可以使天线产生多个频段,从而展宽天线的带宽3;其空
9、间填充性可以有效增加天线的空间利用率,延长天线表面电流路径,从而减小天线的整体尺寸4,实现天线小型化的目的。近年来,通过大量的研究,人们提出了各种新型的分形结构,除了常用的 Sierpinski5-6、Koch7-8、Minkowski9等分形结构,还有一些常规形状(如多边形、字母等)的迭代使用。Mohandoss 等10提出的天线的辐射贴片采用正五边形与圆形嵌套迭代的分形结构,天线回波损耗小于-10 dB 的带宽为 2.915 GHz,尺寸为 32 mm32 mm。黑彦霖等11采用 Sierpinski 分形结构设计了一款新型自互补宽带天线,带宽拓展至4.989.93 GHz,天线结构简单且
10、性能良好,尺寸为35 mm16 mm。Jindal 等12设计了一款改进型的矩形分形天线,实现了 2.054.88 GHz 的阻抗带宽,天线尺寸为32 mm30 mm,覆盖了 S 和 C 波段。但是这三种天线增益较低、带宽较窄,且不能同时适用于 S 波段13、C 波段14、X 波段15、Ku 波段16和部分 K 波段17的无线通信要求。本文采用圆环迭代层叠的分形结构设计了一款渐变宽度分形环宽带天线。通过增加分形的迭代次数实现了 2.6320 GHz 的阻抗带宽,且天线可以同时工作在 S、C、X、Ku 和部分 K 波段上,实现了多频特性。同时设计缺陷接地结构(Defective Ground S
11、tructure,DGS),进一步改善天线的阻抗匹配。天线的最终尺寸为 34 mm25 mm1.6 mm,与文献10-12相比,本文所提出的天线结构紧凑且体积更小,大幅增加了天线的阻抗带宽,且在工作频段内具有较好的辐射特性和稳定的增益,适用于不同的宽带通信应用。1 天线设计1.1 分形结构设计当分形结构用于天线的设计上时,其自相似性能够使天线具有多频和宽带特性,其具有的空间填充性也为设计小型化天线提供了新思路。迭代函数系统(Iterated Function System,IFS)可以将分形结构迭代的过程表达为一系列自仿射变换,是分形理论中重要的数学语言。假设(x,y)是图形中的一个初始点,经
12、过仿射变换后的点是(x,y),则仿射变换可表示为:wxy|=rcos-ssinrsinscos|xy|+x0y0|(1)式中:r、s 分别为控制 x、y 方向的比例缩放系数;、分别为控制 x、y 方向的旋转变化量;x0、y0分别为控制 x、y 方向的线性平移量。假设初始图形用 A 表示,则 W(A)是作用于初始图形 A 上的仿射变换,迭代过程满足:W(A)=w1(A1)w2(A2)w3(A3)wN(AN)(2)当 r=s,=时,n 阶迭代结构可以表达为:A1=W(A1)A2=W(W(A1)AN=W(AN-1)|(3)本文提出一种圆环迭代层叠的分形结构如图 1 所示,天线的一阶结构为同心大圆环,
13、如图 1(a)所示。将一阶分形结构以 =0.5 的比例缩小后向下平移0.5R1,再依次旋转 90,180,270,并使得一阶结构外圆环半径的大小与缩小后的外圆环直径的大小相等,得到二阶交叉层叠的圆环结构,如图 1(b)所示。一阶、二阶分形结构迭代的过程可以用 IFS 来表述。设初始图形为 A,用 w1,w2,w3,w4表示自仿射变换,将其应用到初始图形 A 上,得到分形结构的迭代过程用式(4)表示:w0 xy|=xy|+00|w1xy|=0.5000.5|xy|+0-0.5R1|w2xy|=0.5000.5|xy|+0.5R1cos0-0.5R1sin0|w3xy|=0.5000.5|xy|+
14、0.5R1cos900.5R1sin90|w4xy|=0.5000.5|xy|+-0.5R1cos00.5R1sin0|(4)由式(2)(4),本文的二阶分形结构 A2为:A2=W(A)=4i=0wi(A)(5)216王丽黎,等:渐变宽度分形环宽带天线的设计与研究在二阶交叉层叠圆环结构的基础上,设计的三阶结构如图 1(c)所示。同样,利用仿射变换原理,将二阶结构的每个交叉层叠圆环以=0.654 的比例缩小后偏离其圆心往外移动 0.346R3,此迭代过程只涉及尺寸缩放和平移,不涉及旋转,得到均匀宽度小圆环。在此基础上,将均匀宽度小圆环的内圈以 t=0.654 的比例再次缩小,并偏离圆心相对于外圈
15、移动,使得小圆环内外圈之间的距离为 m,由此获得渐变宽度小圆环,其可以看作是一个具有可变宽度的扁平环。此分形结构的设计不仅展宽了天线的带宽,而且提高了天线整体的匹配性能。(a)一阶 (b)二阶 (c)三阶图 1 分形结构迭代过程Fig.1 The iterative process of fractal structure1.2 天线的设计本文所设计的天线最终结构如图 2 所示,该天线包括介质基板、主辐射贴片、馈线和地板。天线采用三阶圆环迭代层叠的分形结构作为正面辐射贴片,随着迭代次数的增加,延长了天线表面的电流路径,实现了天线的紧凑性。天线背面采用具有 DGS 结构的接地层,DGS 接地平面
16、是在矩形与半椭圆形的结合体上设计五个大小相等的圆形缝隙,其引入的电容能够消除天线的一部分感应电容,进一步改善了天线的阻抗匹配特性。天线的总尺寸为 34 mm 25 mm 1.6 mm,采用相对介电常数为4.4,损耗角正切为0.02 的 FR-4材料作为介质基板,并设置 50 阻抗微带线进行馈电。天线的最优结构参数如表 1 所示。2 天线结构参数优化分析2.1 分形结构对天线性能的影响本文采用圆环迭代层叠的分形结构来设计天线,由于不同半径大小的圆环其有效电长度不同,对应的谐振频率也不同,所以由不同半径大小的圆环组成的天线就有多个谐振频率,这使得天线可以在多个频段内工作。通过简单的阻抗匹配将不同的
17、工作频段连接起来实现了宽带宽。为了进一步分析不同分形结构对天线性能的影响,控制其他参数保持不变,使用 CST仿真软件进行仿真分析,对比结果如图 3 所示。图 2 天线结构示意图Fig.2 The graph of antenna structure表 1 天线参数Tab.1 Antenna parameters结构参数数值(mm)结构参数数值(mm)L34l28.16W25w11.3H1.6w22.1R111Gl23R210.6Gh6R35.5Gr4R45.3r0.9R53.6m0.4l13.34由图 3 可以看出,一阶分形结构只有在低频处有谐振点,且 10 dB 回波损耗带宽较窄;与一阶分形
18、结构相比,二阶分形结构增加了多谐振点,进一步拓展了天线在低频和中频处的带宽;三阶分形结构使得天线在高频处增加了多谐振点,其谐振特性优于二阶分形结构,且进一步改善了天线在整个工作频段内的阻抗匹配。由以上结果进一步表明利用不同的圆环分形316电子元件与材料结构可以使天线产生多个频段,进而能够实现天线的宽带特性,且明显地改善了天线的阻抗匹配特性。图 3 不同分形结构对天线 S11参数的影响Fig.3 Effect of different fractal structures on the S11parameter of antenna2.2 接地结构对天线性能的影响研究发现,天线与馈线的阻抗匹配越
19、好,其工作频带内的回波损耗就越小。而不同结构的接地板可以影响天线的输入阻抗,进而影响天线的阻抗匹配。因此,分析不同接地板结构对天线性能产生的影响是很有必要的。图 4 为不同接地板结构对应的 S11参数仿真结果。由图 4 可知,当接地板为矩形时,天线带宽仅覆盖少部分 10 dB 频带范围;采用矩形与半椭圆形结合的接地板时,天线在 6.37.7 GHz 频段范围内阻抗匹配较差,不满足天线设计要求;本文选择具有 DGS结构的接地板不仅改善了天线在整个工作频带内的阻抗匹配,且进一步拓展了天线的带宽。经仿真优化证明,当地板高度 Gh=6 mm,半椭圆形的短半轴 Gr=4mm,圆形缝隙的半径 r=0.9
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