CN101488604A - 含两种分形的复合分形天线 - Google Patents

Abstract

一种含两种分形的复合分形天线，属多频段小型天线的技术领域。在传统的分形天线的基础上，增加一个分形天线，两个分形天线组成复合分形天线，其中一个分形结构单元作为整个天线的馈电单元，当馈电单元通过馈线从馈源获得电磁波能量时，会在另一个分形天线的寄生或互连的分形上产生耦合电流，该耦合电流与馈电单元上的电流流向一致并相位相同时，两个同向电流的作用使得远场辐射同相叠加，增强了天线的辐射特性，同时实现了各谐振点附近频段范围内的阻抗匹配，扩展了频段带宽。该复合分形天线的适用频率范围可从数百MHz的UHF频段起，延伸到几十GHz的毫米波频段。

Description

含两种分形的复合分形天线

技术领域

本发明涉及一种含两种分形的复合分形天线，具体而言，涉及由两种不同分形结构组成的平面型或立体型复合分形天线，属多频段小型天线的技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，人们对天线不断提出新的要求，比如小型化和多频段。为此可以将分形的概念引入天线的结构来满足这一要求。分形具有空间自填充能力和自相似属性，当把分形的概念引入天线的结构时就得到了分形天线。分形天线具有小型化和多频特征，因此特别适合于宽带、超宽带通信领域。当前，对单一分形天线的研究主要集中在对其基本分形性质的了解，研究已涉及Sierpinski垫片、Mandelbrot树、Koch曲线、Koch岛屿、Hilbert曲线、H曲线、Minkowski环等分形天线，天线形式有分形振子、环、微带、贴片、体天线等，分形天线阵的研究有随机与确定分形阵、多频段分形阵、Cantor和Sierpinski分形阵、IFS和紧凑型分形阵等。

传统的单一分形的分形天线，如Sierpinski垫片天线，因具有多频特性而广为人知，然而由天线理论可知，这类天线属于谐振式天线，带宽和增益都不是很大。另外，当分形结构确定之后，其相邻工作频率的比值也随之确定，很难根据应用需要来调节。因此，单一分形的分形天线虽然有多频特性，但各个谐振点处的带宽和辐射特性不是很理想，尤其在对多个非规则排列的工作频率应用要求设计天线时缺乏足够的设计自由度，限制了所述的天线的实际应用。

传统的改善所述的天线的带宽最常用的方法是增加介质基片厚度和减小介质基板的介电常数。增加介质基片厚度时，天线的尺寸随之增大，与当今天线小型化的要求相悖，并有可能激励出表面波。减小基片的介电常数，或甚至去除天线关键部位处的基片，令该处的介质为空气，可以起到抑制表面波和改善带宽的作用，但是馈线的宽度随之增大，增加了与辐射单元之间的互耦和辐射损耗，这些情况都是需要避免的。因此，这些传统方法都不是改善所述天线的性能的最佳方案。为改善所述天线的性能，必需对所述天线的结构进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种含两种分形的复合分形天线。该天线具有以下优点：在不增加天线尺寸和制造工艺复杂性的前提下，扩展了天线可应用的频段带宽，同时改善了天线在各谐振点处的辐射特性，具有多个不相关的谐振频率，使天线能与多个不相关的频率调谐。

本发明通过采用以下技术方案使上述技术问题得到解决。在传统的分形天线的基础上，增加一个分形天线，两个分形天线组成复合分形天线，其中一个分形结构单元作为整个天线的馈电单元。当馈电单元通过馈线从馈源获得电磁波能量时，会在另一个分形天线的寄生或互连的分形上产生耦合电流。当寄生或互连的分形上面激发出的耦合电流与馈电单元上的电流流向一致并相位相同时，两个同向电流的作用使得远场辐射同相叠加，增强了天线的辐射特性，同时实现了各谐振点附近频段范围内的阻抗匹配，扩展了频段带宽。

现结合附图详细说明本发明的技术方案。一种含两种分形的复合分形天线，含介质基片1和第一分形2，介质基片1是矩形的低损耗板材，第一分形2由分形馈电单元20和微波传输线21组成，微波传输线21由中心信号线210、第一接地线211、第二接地线212和输入端口213组成，分形馈电单元20、中心信号线210、第一接地线211、第二接地线212和输入端口213是依附在介质基片1的上表面的金属薄膜，分形馈电单元20是以介质基片1的纵向中位线为对称轴的轴对称图形，中心信号线210是沿介质基片1的纵向中位线延伸的窄条带，中心信号线210的上端与分形馈电单元20的底部合为一体，中心信号线210的下端为输入端口213，第一接地线211和第二接地线212是全等的矩形，第一接地线211和第二接地线212以介质基片1的纵向中位线为对称轴对称地分布在中心信号线210的两边，其特征在于，所述的复合分形天线还含第二分形3，第二分形3是依附在介质基片1的上表面或下表面的金属薄膜，第二分形3是以介质基片1的纵向中位线为对称轴的轴对称图形，第二分形3以与第一分形2电气连接或不电气连接的方式加载于第一分形2，第一分形2和第二分形3上镂有一定数量的一阶分形到三阶分形的孔洞。

本发明的技术方案的进一步特征在于，所述的低损耗板材是射频板材、FR4玻璃纤维板材或聚四氟乙烯板材。

本发明的技术方案的进一步特征在于，微波传输线21是共面波导馈线或微带传输线。

与传统的单一分形天线相比，本发明的复合分形天线具有以下优点：

1、充分发挥了不同分形单元的优势，具有更强的自填充能力，产生较多的电流有效路径长度，支持更多的电流模式，能进一步降低天线的谐振频率而且不影响天线的多频特性，有利于实现天线的小型化；

2、每个分形单元的形状和结构都可根据需要进行独立调节，使最终组合的复合分形天线易于工作在多个所需频段，并具有良好的性能。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图，其中，a是俯视图，b是x-x截面图，分形馈电单元20和第二分形3分别是二阶Sierpinski分形单元和二阶Koch分形环。

图2是实施例2的结构示意图，其中其中，a是俯视图，b是y-y截面图，馈电单元20和第二分形3分别是三阶Sierpinski地毯和三阶RFC分形单元。

图3是本发明的复合分形天线与传统的Sierpinski单一分形天线驻波比的比较。

图4是本发明的复合分形天线与传统的Sierpinski单一分形天线在2.4GHz处辐射方向图的比较。

图5是本发明的复合分形天线与传统的Sierpinski单一分形天线在3.5GHz处辐射方向图的比较。

图6是本发明的复合分形天线与传统的Sierpinski单一分形天线在5.8GHz处辐射方向图的比较。

具体实施方式

现结合实施例进一步说明本发明的技术方案和工作原理。所有的实施例具有与上述的复合分形天线的结构完全相同的结构。以下每个实施例仅罗列关键的技术数据。

实施例一本实施例的结构，见图1。

本实施例是平面型复合分形天线，介质基片1是射频板材，分形馈电单元20是二阶Sierpinski分形单元，即镂去一个一阶Sierpinski分形的正三角形和三个二阶Sierpinski分形的正三角形的0阶Sierpinski分形，0阶Sierpinski分形的形状是正三角形，第二分形3是二阶Koch分形环，即由二阶Koch分形曲线段、一阶Koch分形曲线段和0阶Koch分形曲线段拼合成的曲线形窄条带，0阶Sierpinski分形的一个顶点与中心信号线210的上端合为一体，二阶Koch分形环以其两端分别与0阶Sierpinski分形的另外的两个顶点电气连接的方式加载于0阶Sierpinski分形的顶部和以介质基片1的纵向中位线为对称轴对称地依附在介质基片1的上表面，微波传输线21是共面波导馈线。

以下罗列本实施例的主要技术数据：

介质基片1的长度、宽度、厚度、介电常数和损耗角正切分别为26mm、26mm、0.8mm、3.38和0.0027；

二阶Sierpinski分形单元，即0阶Sierpinski分形的形状是正三角形，其边长为10.4mm；

二阶Sierpinski分形单元的分形维数为1.585，意为，0阶Sierpinski分形的正三角形被镂去一个边长为5.2mm的一阶Sierpinski分形的正三角形和三个边长为2.6mm的二阶Sierpinski分形的正三角形；

二阶Koch分形环，即0阶Koch分形的分形曲线呈正三角形状，Koch分形环的正三角形的边长为10mm，二阶Koch分形环的分形维数为1.2618，意为，一阶Koch分形的分形曲线段的边长为3.3mm，2阶Koch分形的分形曲线段的边长为1.1mm；

二阶Sierpinski分形单元加载二阶Koch分形环后的总体高度为18.2mm；

中心信号线210的宽度为0.8mm，中心信号线210与第一接地线211之间的间隔＝中心信号线210与第二接地线212之间的间隔＝0.1mm；

第一接地线211和第二接地线212是全等的矩形，其长度和宽度分别为12.5mm和8mm。

介质基片1也可是诸如FR4玻璃纤维、聚四氟乙烯之类的低损耗板材。

微波传输线21也可是微带传输线。

第二分形3也可是诸如Koch分形、Minkowski分形之类的其他分形。

实施例二本实施例的结构，见图2。

本实施例是立体型复合分形天线，分形馈电单元20是三阶Sierpinski地毯，三阶Sierpinski地毯的形状是正方形，三阶Sierpinski地毯的一边的中心部分与中心信号线210的上端合为一体，第二分形3是三阶RFC分形单元，三阶RFC分形单元以其的正方形覆盖三阶Sierpinski地毯的方式依附在介质基片1的下表面，微波传输线21是共面波导馈线。

以下罗列本实施例的主要技术数据：

介质基片1是FR4玻璃纤维板材，其长度、宽度、厚度、介电常数和损耗角正切分别为36mm、24mm、1.0mm、4.4和0.02；

三阶Sierpinski地毯的形状，即0阶Sierpinski分形的形状是正方形，其边长为12.0mm；

三阶Sierpinski地毯的分形维数为1.893，意为，0阶Sierpinski分形的正方形被镂去一个边长为4mm的一阶Sierpinski分形的正方形、八个边长为1.3mm的二阶Sierpinski分形的正方形和六十四个边长为0.43mm的三阶Sierpinski分形的正方形；

三阶RFC分形单元的形状，即0阶RFC分形的形状是正方形，其边长为11.25mm，一阶RFC分形的正方形的边长为5.6mm，二阶RFC分形的正方形的边长为2.8mm，三阶RFC分形的正方形的边长为1.4mm；

中心信号线210的宽度为1.6mm，中心信号线210与第一接地线211之间的间距＝中心信号线210与第二接地线212之间的间距＝0.2mm；

第一接地线211和第二接地线212是全等的矩形，其长度和宽度分别为19mm和11mm。

介质基片1也可是聚四氟乙烯板材。

第二分形3也可是诸如Koch分形或Minkowski分形之类的其他分形。

工作原理。两个实施例的工作原理基本相同，为避免重复，现仅以实施例2的立体型复合分形天线为例说明之。

RFC分形单元，即第二分形3是三阶Sierpinski地毯，即分形馈电单元20在三维空间的立体加载，RFC分形单元和三阶Sierpinski地毯组成立体型复合分形天线。

该天线在其工作频段工作时，输入端口213与天线的馈源连接，分形馈电单元20，即三阶Sierpinski地毯通过微波传输线21从输入端口213获得电磁波能量并向外辐射；在第二分形3，即三阶RFC分形单元中激起感应电流，三阶Sierpinski地毯与三阶RFC分形单元之间的耦合使得天线的阻抗、辐射特性发生改变。在三阶Sierpinski地毯的作用下，使三阶RFC分形单元的表面电流的流向始终与三阶Sierpinski地毯的表面电流的流向保持一致，从而实现增强天线的远场辐射特性和增益尽可能大的目标。不同分形结构的引入，提供了更多不同谐振模式，确保相邻工作频率比的多频特性的特殊要求易于得到满足，为设计多频段工作的天线提供了更多的自由度。当不同分形结构的谐振频率比较接近时，容易获得天线的宽带特性。

本发明打破了一般分形天线只采用一种分形结构的传统，充分发挥了不同分形单元的优势，具有更强的自填充能力，能进一步降低天线的谐振频率而且不影响天线的多频特性，实现了天线的小型化，容易得到特殊要求的相邻工作频率比的多频特性，极大地提高了天线的设计自由度。

图3-6给出了根据本发明的立体型复合分形天线与传统的Sierpinski单一分形天线的驻波比、辐射方向图随频率变化的仿真结果。可以看到，本发明的立体型复合分形天线的驻波比带宽更宽，辐射方向图也优于传统的Sierpinski垫片天线，特别是在5.8GHz处，天线的最大增益提高了4dB。

本发明的复合分形天线的适用频率范围可以从数百MHz的UHF频段起，延伸到几十GHz的毫米波频段。

Claims (9)

1、一种含两种分形的复合分形天线，含介质基片(1)和第一分形(2)，介质基片(1)是矩形的低损耗板材，第一分形(2)由分形馈电单元(20)和微波传输线(21)组成，微波传输线(21)由中心信号线(210)、第一接地线(211)、第二接地线(212)和输入端口(213)组成，分形馈电单元(20)、中心信号线(210)、第一接地线(211)、第二接地线(212)和输入端口(213)是依附在介质基片(1)的上表面的金属薄膜，分形馈电单元(20)是以介质基片(1)的纵向中位线为对称轴的轴对称图形，中心信号线(210)是沿介质基片(1)的纵向中位线延伸的窄条带，中心信号线(210)的上端与分形馈电单元(20)的底部合为一体，中心信号线(210)的下端为输入端口(213)，第一接地线(211)和第二接地线(212)是全等的矩形，第一接地线(211)和第二接地线(212)以介质基片(1)的纵向中位线为对称轴对称地分布在中心信号线(210)的两边，其特征在于，所述的复合分形天线还含第二分形(3)，第二分形(3)是依附在介质基片(1)的上表面或下表面的金属薄膜，第二分形(3)是以介质基片(1)的纵向中位线为对称轴的轴对称图形，第二分形(3)以与第一分形(2)电气连接或不电气连接的方式加载于第一分形(2)，第一分形(2)和第二分形(3)上镂有一定数量的一阶分形到三阶分形的孔洞。

2、根据权利要求1所述的含两种分形的复合分形天线，其特征在于，所述的低损耗板材是射频板材、FR4玻璃纤维板材或聚四氟乙烯板材。

3、根据权利要求1所述的含两种分形的复合分形天线，其特征在于，微波传输线(21)是共面波导馈线或微带传输线。

4、根据权利要求1所述的含两种分形的复合分形天线，其特征在于，介质基片(1)是射频板材，分形馈电单元(20)是二阶Sierpinski分形单元，即镂去一个一阶Sierpinski分形的正三角形和三个二阶Sierpinski分形的正三角形的0阶Sierpinski分形，0阶Sierpinski分形的形状是正三角形，第二分形(3)是二阶Koch分形环，即由二阶Koch分形曲线段、一阶Koch分形曲线段和0阶Koch分形曲线段拼合成的曲线形窄条带，0阶Sierpinski分形的一个顶点与中心信号线(210)的上端合为一体，二阶Koch分形环以其两端分别与0阶Sierpinski分形的另外的两个顶点电气连接的方式加载于0阶Sierpinski分形的顶部和以介质基片(1)的纵向中位线为对称轴对称地依附在介质基片(1)的上表面，微波传输线(21)是共面波导馈线。

5、根据权利要求4所述的含两种分形的复合分形天线，其特征在于，

介质基片(1)的长度、宽度、厚度、介电常数和损耗角正切分别为26mm、26mm、0.8mm、3.38和0.0027；

二阶Sierpinski分形单元，即0阶Sierpinski分形的形状是正三角形，其边长为10.4mm；

二阶Sierpinski分形单元的分形维数为1.585，意为，0阶Sierpinski分形的正三角形被镂去一个边长为5.2mm的一阶Sierpinski分形的正三角形和三个边长为2.6mm的二阶Sierpinski分形的正三角形；

二阶Koch分形环，即0阶Koch分形的分形曲线呈正三角形状，Koch分形环的正三角形的边长为10mm，二阶Koch分形环的分形维数为1.2618，意为，一阶Koch分形的分形曲线段的边长为3.3mm，2阶Koch分形的分形曲线段的边长为1.1mm；

二阶Sierpinski分形单元加载二阶Koch分形环后的总体高度为18.2mm；

中心信号线(210)的宽度为0.8mm，中心信号线(210)与第一接地线(211)之间的间隔＝中心信号线(210)与第二接地线(212)之间的间隔＝0.1mm；

第一接地线(211)和第二接地线(212)是全等的矩形，其长度和宽度分别为12.5mm和8mm。

6、根据权利要求4所述的含两种分形的复合分形天线，其特征在于，第二分形(3)是Minkowski分形。

7、根据权利要求1所述的含两种分形的复合分形天线，其特征在于，介质基片(1)是FR4玻璃纤维板材，分形馈电单元(20)是三阶Sierpinski地毯，三阶Sierpinski地毯的形状是正方形，三阶Sierpinski地毯的一边的中心部分与中心信号线(210)的上端合为一体，第二分形(3)是三阶RFC分形单元，三阶RFC分形单元以其的正方形覆盖三阶Sierpinski地毯的方式依附在介质基片(1)的下表面，微波传输线(21)是共面波导馈线。

8、根据权利要求7所述的含两种分形的复合分形天线，其特征在于，

介质基片(1)的长度、宽度、厚度、介电常数和损耗角正切分别为36mm、24mm、1.0mm、4.4和0.02；

三阶Sierpinski地毯的形状，即0阶Sierpinski分形的形状是正方形，其边长为12.0mm

三阶Sierpinski地毯的分形维数为1.893，意为，0阶Sierpinski分形的正方形被镂去一个边长为4mm的一阶Sierpinski分形的正方形、八个边长为1.3mm的二阶Sierpinski分形的正方形和六十四个边长为0.43mm的三阶Sierpinski分形的正方形；

三阶RFC分形单元的形状，即0阶RFC分形的形状是正方形，其边长为11.25mm，一阶RFC分形的正方形的边长为5.6mm，二阶RFC分形的正方形的边长为2.8mm，三阶RFC分形的正方形的边长为1.4mm；

中心信号线(210)的宽度为1.6mm，中心信号线(210)与第一接地线(211)之间的间距＝中心信号线(210)与第二接地线(212)之间的间距＝0.2mm；

第一接地线(211)和第二接地线(212)是全等的矩形，其长度和宽度分别为19mm和11mm。

9、根据权利要求7所述的含两种分形的复合分形天线，其特征在于，第二分形(3)是Minkowski分形。

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