《電子技術(shù)應(yīng)用》
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正方形嵌套分形多頻印刷對(duì)稱振子天線
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2011年第11期
林 澍1,2， 蔡潤南2， 黃冠龍2， 張雪瑩2
1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)博士后科研流動(dòng)站，黑龍江 哈爾濱150080； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080
摘要： 設(shè)計(jì)了一類具有正方形嵌套結(jié)構(gòu)的新型分形多頻對(duì)稱振子天線。振子由一系列相似的正方形單元嵌套組成。天線能夠同時(shí)工作于多個(gè)頻率，這些頻率涵蓋了WLAN系統(tǒng)所要求的2.4 GHz/5.2 GHz/5.8 GHz三個(gè)頻率，采用三維電磁仿真軟件CST MWS軟件進(jìn)行了仿真研究，得到了平衡微帶線饋電的對(duì)稱振子天線的模型。制作了天線實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的正確性，該類天線還具有較小的尺寸，且設(shè)計(jì)思路易于推廣到其他形式的嵌套結(jié)構(gòu)中，在多頻天線領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
中圖分類號(hào)： TN828.6
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2011)11-0128-03
Multiband printed dipole antenna with square-nested fractal
Lin Shu1,2, Cai Runnan2, Huang Guanlong2, Zhang Xueying2
1. Electronic Science and Technology Post-doctoral Research Center, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China 2. School of Electronics and Information Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China
Abstract： A kind of novel multiband dipole antenna with square-nested fractal are proposed and designed, which are nested with a series of similar square elements. The antenna can synchronously operate in multiple frequencies, covering the three required frequencies, 2.4 GHz/5.2 GHz/5.8 GHz, for WLAN application. The antenna is simulated by CST MWS?誖, a 3-dimension full-wave electromagnetic simulator, then model of the proposed antenna fed by balanced microstripline has been obtained. Finally, prototype of the antenna has been manufactured and measured in anechoic chamber. The results well match the simulated, which verifies the feasibility of design idea. Moreover, these antennas are miniature and the design idea can be easily applied into other types of nested structure, the features of which make the proposed antennas have promising application in multiband fields.
Key words : multiband antenna; fractal antenna; printed antenna; balanced microstripline; nested structure


    隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，信道容量不斷擴(kuò)充,傳輸速率不斷提高,不同的運(yùn)行體制之間越來越相互兼容,服務(wù)方式也越發(fā)靈活，使無線通信的工作頻段一再上拓。從 GSM900/1800到CDMA、GPRS及2.4 GHz的藍(lán)牙通信系統(tǒng)以及2.4 GHz/5.2 GHz/5.8 GHz的WLAN系統(tǒng)，這些不同系統(tǒng)之間的交互通信就需要多頻天線。連同對(duì)設(shè)備的小型化集成化的要求，于是提出了對(duì)小尺寸、多頻帶、集成化天線的迫切需求。
   當(dāng)前的研究表明，實(shí)現(xiàn)天線多頻特性的方法主要包括多單元諧振[1]、槽縫[2]及探針加載[3]、分形[4]等，其中分形作為實(shí)現(xiàn)多頻特性的新方法越來越受到人們的關(guān)注，多頻分形天線以其小型化、易制作等優(yōu)勢(shì)逐漸被廣泛提出和應(yīng)用，近年來比較典型的分形天線有Sierpinski分形天線、樹狀分形天線、矩形自相似天線等。
    本文設(shè)計(jì)出一類具有正方形嵌套結(jié)構(gòu)的多頻天線，為平衡微帶線饋電的雙面印刷的對(duì)稱振子天線，制作了印刷多頻天線實(shí)物并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的比較分析，證明該多頻天線設(shè)計(jì)思路是正確的。將該天線與已有的多頻天線進(jìn)行比較，說明正方形嵌套天線具有小型化的特點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用在多頻通信系統(tǒng)中。
1 天線設(shè)計(jì)
1.1天線結(jié)構(gòu)
    正方形嵌套分形天線由多環(huán)分形天線[1]演化而來，其輻射單元由多個(gè)正方形的環(huán)嵌套得到，由此得到了新型正方形嵌套天線,如圖1所示。兩種天線均可視為將正方形或者圓形的金屬片掏空形成金屬環(huán)，然后由大到小依次嵌套而得到。以此為基礎(chǔ)，就可以進(jìn)行正方形嵌套對(duì)稱振子天線的設(shè)計(jì)，如圖2所示。圖2中的方案包括兩部分，一是輻射部分即兩個(gè)正方形嵌套振子，二是饋電部分即平衡微帶線，采用這種饋電方式解決了對(duì)稱振子的平衡饋電問題。天線為雙面印刷電路板形式，深色部分為導(dǎo)體,介質(zhì)材料為厚度為1.5 mm的FR4介質(zhì)材料，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4。

 

 

1.2天線饋電結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    一般測(cè)試饋電采用的SMA接頭是同軸線形式，是一種非平衡的饋電結(jié)構(gòu)，對(duì)于對(duì)稱振子而言需要平衡饋電，平衡微帶線[5]是一種平衡結(jié)構(gòu)的傳輸線，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于印刷型的對(duì)稱振子饋電中，參考文獻(xiàn)[6]中的饋電結(jié)構(gòu)引入了分流式平衡器，這種方法會(huì)使天線的帶寬變窄，不適用于超寬帶和多頻天線的饋電。本文提出的同軸線-準(zhǔn)微帶線-平衡微帶線饋電方法解決了這一問題。如圖3所示，準(zhǔn)微帶線的寬度與其地板寬度相差不大，而平衡微帶線則是由兩個(gè)寬度相同的金屬帶條正對(duì)著印刷在介質(zhì)板的兩側(cè)。通過準(zhǔn)微帶線的過渡，與對(duì)稱振子的兩極相連的傳輸線為平衡微帶線，從而使饋電達(dá)到了平衡。印刷型的對(duì)稱振子多數(shù)情況下印刷在介質(zhì)板的兩側(cè)，這會(huì)引起對(duì)稱振子兩極不共軸，破壞方向圖的對(duì)稱性，為防止這一情況出現(xiàn)，將對(duì)稱振子的兩極印刷在介質(zhì)板的同側(cè)，一極與同側(cè)的平衡微帶線的一支直接相連，另一極與印刷在介質(zhì)板另一側(cè)的平衡微帶線的另一支通過延長段和金屬化的過孔相連，由于兩個(gè)振子饋電頂點(diǎn)的距離較近，并且介質(zhì)板很薄，所以延長段和金屬過孔并不能引入較大的附加相移和阻抗變化，這時(shí)對(duì)稱振子的兩極電位是等幅反相的。

2 天線仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    這種天線最終的輻射單元為三個(gè)正方形嵌套單元，將實(shí)現(xiàn)三頻特性。通過仿真獲得的天線尺寸為：l1=12 mm， l2=9.2 mm，l3=8.2 mm，l4=7.6 mm，l5=7.3 mm, wg=5 mm，hg=22 mm，ws=45 mm，hs=40 mm，w=3 mm，h=9 mm，hf=25 mm，wf=3 mm，lf=9 mm。其中l(wèi)1~l5分別為由外至內(nèi)嵌套正方形的邊長，根據(jù)以上參數(shù)制作了天線實(shí)物。天線的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果列于圖4中，仿真得到的天線工作頻帶分別為：2.29 GHz~2.71 GHz、5.12 GHz~5.25 GHz和5.75 GHz~5.97 GHz，相對(duì)帶寬分別為：16.8%，2.5%和3.75%,實(shí)測(cè)的天線工作頻帶為：2.37 GHz~2.76 GHz和4.99 GHz~6.21 GHz，相對(duì)帶寬為15.2%和21.8%，從圖中還可以看出，天線在H面輻射方向近似全向，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合。
    由于實(shí)際天線介質(zhì)材料和實(shí)驗(yàn)條件的影響，測(cè)試所得到的反射系數(shù)與仿真結(jié)果還會(huì)有一定的差異，因?yàn)闇y(cè)試所得的反射系數(shù)的降低,導(dǎo)致了以5.2 GHz和5.8 GHz為中心頻點(diǎn)的工作頻帶合并,結(jié)果使4.99 GHz~6.21 GHz范圍內(nèi)的反射系數(shù)均低于-10 dB，但還是可以從圖4(a)中看出這一頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)諧振頻率，出現(xiàn)這一問題的原因是由于介質(zhì)板的損耗導(dǎo)致的，由于本文所采用的介質(zhì)材料為FR4基板，這種材料的損耗正切為10-2數(shù)量級(jí),與常用的Rogers材料的損耗正切10-3量級(jí)相比，屬于損耗較大的介質(zhì)材料，所以在輻射體輸入端反射的通過饋線傳輸?shù)金侂姸丝诘墓β式档?，使反射系?shù)降低，即主要是由饋線的介質(zhì)損耗造成了反射系數(shù)降低；另外，有耗介質(zhì)材料必然具有色散特性，頻率越高色散特性越明顯,實(shí)際的介質(zhì)材料還具有不均勻性，在實(shí)驗(yàn)中SMA接頭和天線饋線的焊接處的不連續(xù)性也會(huì)影響到反射系數(shù)，上述三個(gè)方面的共同作用就會(huì)造成實(shí)測(cè)的反射系數(shù)對(duì)應(yīng)的諧振頻率與仿真值有偏差的問題。

    介質(zhì)損耗和實(shí)驗(yàn)條件還會(huì)影響方向圖的測(cè)試結(jié)果，具體體現(xiàn)在介質(zhì)的不均勻性會(huì)導(dǎo)致天線方向圖的不對(duì)稱，位于天線底端的測(cè)試夾具會(huì)影響到天線E面和H面方向圖的測(cè)試結(jié)果。但是對(duì)于本文所提出的天線來說，H面的全向輻射特性是最重要的。測(cè)試結(jié)果表明，雙極天線的H面不圓度均不超過5 dB，這個(gè)結(jié)果是可以被接受的，尤其是在近距離無線傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域。
    測(cè)試結(jié)果還表明，F(xiàn)R-4介質(zhì)材料在頻率低于4 GHz的頻率范圍是可以獲得和理想情況下的仿真結(jié)果類似的性能，當(dāng)頻率過高時(shí)，其性能將有較大下降，但在短距離無線傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域是可以滿足天線實(shí)際要求的。
    所設(shè)計(jì)的天線為水平極化的印刷型的平面天線，天線輻射體的最大尺寸與最低工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長的比值K僅為0.134，與表1中所列舉的參考文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的全向多頻天線相比，具有顯著的小型化的特點(diǎn)，并且由于采用了平衡微帶線這種印刷型傳輸線進(jìn)行饋電，可以更容易地與通信系統(tǒng)進(jìn)行集成，在WLAN領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)用。


    設(shè)計(jì)了一類新型正方形嵌套天線，該天線由不同大小的正方形環(huán)嵌套得到。通過CST MICROWAVE STUDIO?誖進(jìn)行仿真研究，設(shè)計(jì)出了具有多個(gè)工作頻帶的采用平衡微帶線饋電的嵌套正方形對(duì)稱振子印刷天線，它的工作頻帶涵蓋了WLAN系統(tǒng)所要求的2.4 GHz/5.2 GHz/5.8 GHz三個(gè)頻率。制作了天線實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，天線實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真吻合較好，而且在主極化方向上的尺寸較小，易于集成，可廣泛應(yīng)用于WLAN系統(tǒng)中。
參考文獻(xiàn)
[1] SONG C T P, HALL P S, SHIRAZ H G. Multiband multiple ring monopole antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2003,51(4):722-729.
[2] LI F, REN L S, ZHAO G, et al. A compact microstripline-fed slot antenna with dual band-notched characteristics for WLAN/WiMAX applications. Progress In Electromagnetics Research Letters, 2010,16:89-97.
[3] SHINGH A K,MESHRAM M K. Shorting pin loaded dualband compact rectangular microstrip antenna. International  Journal of Electronics,2007,94(3):237-250.
[4] KRISHNA D D,GOPIKRISHNA M, ANANDAN C K, et al. CPW-fed koch fractal slot antenna for WLAN/WiMAX  applications. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2008,7:389-392.
[5] SIMONS R N, LEE R Q, PERL T D. Non-planar linearly tapered slot antenna with balanced micro-strip feed[C]. IEEE AP-S,1992:2109-2112.
[6] KOUZAKI T, KIMOTO K, KUBOTA S, et al. Quasi yagiuda antenna array for detecting targets in a dielectric substrate. IEEE International  Conference on Ultra-Wideband,  2009:759-762.

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