CN102142608A

CN102142608A - 基于分形理论的角反射器天线

Info

Publication number: CN102142608A
Application number: CN2011100765688A
Authority: CN
Inventors: 刘洋; 赵琳; 孙丽丽; 王伟
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2011-08-03

Abstract

本发明的目的在于提供基于分形理论的角反射器天线，包括导线层、电介质层，导线层包括首尾相连的带有角点的导线段，所述的导线段为分形结构，导线层有两层、敷设于电介质层上表面，导线层在电介质层上的覆盖面为矩形面，覆盖面的边长为导线段的边长，两片导线层可成0～180度间任意张角，两片导线层其末端固连，两片导线层相固连的导线段几何中心处设置天线馈电点。本发明是一种高增益接收天线，满足天线增益高于3dB的基本设计要求，具有多频段特性，天线谐振频段高于传统分形天线，谐振频段数是相同条件下传统分形天线的两倍；具有全向性特点，对来自各个方向信号具有相同的增益，驻波特性良好，回波损耗低，敏感于微弱信号。

Description

基于分形理论的角反射器天线

技术领域

本发明涉及的是一种小型化的天线。

背景技术

随着无线电通信行业的不断向前发展，人们对设备的集成度要求越来越高，如GPS，DRM，3G***等。同时这些***还应具有体积小、重量轻、宽频带等特性，这就对***天线的设计提出了更高要求，如多频段、电小尺寸、低轮廓等等。然而，天线属窄带器件范畴，其特性主要依赖于天线尺寸和***信号波长的比值，当天线结构固定时，其谐振特性、辐射特性往往取决于***的工作频率，天线小型化难度大。为解决这一问题，近年来产生了诸多天线小型化的设计方法及手段，主要包括：

(1)弯折线天线

弯折线天线是最常用的天线小型化设计方案之一，该类型天线一般采用弯曲折叠方法，使天线导线在有限空间内达到规定长度。其采用的弯折方式主要有蛇形线、螺旋方法、空间弯曲折叠等等。目前该技术正在向二维空间或三维空间扩展，从而减小包围天线圆球的半径，达到缩减天线空间的目的。总体来说，辐射效率高是弯折线天线具有的特点，但存在的问题是天线工作频点处辐射阻抗较低，需要利用额外的调谐措施与馈源匹配。

(2)加载天线

加载技术是应用最为广泛的天线小型化方法，具有较长发展历史。根据加载位置不同，可分为顶部、中部、底部加载等天线形式。常用的加载方法主要是电阻、电抗及混合加载。在***工作频率不高时，一般采用集总加载方法；工作频率较高时，则采用分布电阻加载。近年来，该类型天线主要是采用铁氧体或其它介质材料进行加载。当信号在介电常数为ε_r，磁导率为μ_r的材料中传播时，波长相当于原波长的

倍。由于天线高度比拟于信号波长，所以与自由空间传播相比，铁氧体加载天线具有更小的物理尺寸。受加载空间及材料厚度限制，铁氧体材料无法填充整个天线空间，小型化比例在工程应用中低于此外，铁氧体天线方向性强，不利于全向接收；属脆性材料，容易破碎。

(3)开槽

作为一种天线小型化的辅助技术，开槽分为天线表面开槽和接地板开槽两种，主要应用于微带天线、电子标签天线等贴片天线的设计中。其基本原理是通过在天线本身，或接地板上开缝、开槽等手段将规则形状的天线表面电流路径弯曲，相当于增加了天线贴片长度，降低了谐振频率。

(4)左手介质天线

2000年以来，随着左手介质的问世，针对天线加载技术的研究又重新被人们重视起来，左手介质加载天线成为了该领域的研究热点。作为一种特殊的高性能磁性材料，左手介质介电常数、磁导率均为负值，又被称为双负介质。目前，国内外针对左手介质天线的研究已经逐步由甚高频段向GHz频段、THz频段扩展，近年来不断有相关文献发表。但针对该天线的研究仅仅停留在理论阶段，尚未应用于工程实践。

与其他天线小型化手段相比，分形曲线具有利用无线场曲线填充有限大空间的特点，将这种曲线用于天线设计可大大增加天线电长度，增加天线辐射电阻。因此，近年来分形天线始终被认为是小型化程度最高的天线形式，始终活跃在天线研究领域的前沿。

“分形”概念首先由Mandelbrot于1975年提出，后被广泛应用于科学和工程的各个领域，其中的一个重要分支就是分形天线。目前分形天线的理论研究主要有Cantor，Koch，Sierpinski三角形、Peano、Hilbert、分形环、分形树等等。虽然分形天线具有这样或那样的优点，但应用于工程实践的很少，其主要原因在于分形天线一般采用细导线结构，属电小天线范畴，辐射电阻较小，在谐振频点处分形天线增益过低，作为接收天线难以满足增益高于3dB的基本设计要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改善传统分形天线增益过低问题、能够满足一般无线电设备接收天线小型化设计要求的基于分形理论的角反射器天线。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于分形理论的角反射器天线，其特征是：包括导线层、电介质层，导线层包括首尾相连的带有角点的导线段，所述的导线段为分形结构，导线层有两层、敷设于电介质层上表面，导线层在电介质层上的覆盖面为矩形面，覆盖面的边长为导线段的边长，两片导线层可成0～180度间任意张角，两片导线层其末端固连，两片导线层相固连的导线段几何中心处设置天线馈电点。

本发明还可以包括：

1、所述的导线段为铜箔。

2、所述的导线段上镀锡层。

3、所述的电介质层为环氧树脂电介质板、介电常数为4.4，电介质层的边长长于导线层的边长，差值范围为2-4mm。

本发明的优势在于：小型化程度优于传统分形天线，克服了传统分形天线增益过低，难以用于工程实践的技术难点，是一种高增益接收天线，满足天线增益高于3dB的基本设计要求，具有多频段特性，天线谐振频段高于传统分形天线，谐振频段数是相同条件下传统分形天线的两倍；具有全向性特点，对来自各个方向信号具有相同的增益，驻波特性良好，回波损耗低，敏感于微弱信号。

附图说明

图1为传统角反射器天线结构示意图；

图2为以三阶分形、张角45度的基于Hilbert分形的角反射器天线为例的本发明结构示意图；

图3为三阶分形、180度张角的基于Hilbert分形的角反射器天线结构示意图；

图4为三阶分形、180度张角的基于Hilbert分形的角反射器天线侧面示意图；

图5为三阶分形、180度张角的基于Hilbert分形的角反射器天线安装示意图；

图6为三阶分形、180度张角的基于Hilbert分形的角反射器天线的回波损耗示意图；

图7为三阶分形、180度张角的基于Hilbert分形的角反射器天线的驻波特性示意图；

图8为三阶分形、180度张角的基于Hilbert分形的角反射器天线第一谐振频点处的E面归一化方向图；

图9为三阶分形、180度张角的基于Hilbert分形的角反射器天线第一谐振频点处的H面归一化方向图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～9，如图1所示为传统角反射器天线基本结构图，角反射器天线实质上是利用镜像理论，在原有激励源后特定位置放置反射板，从而形成激励源镜像，提高天线增益。由于增益过低是传统分形天线难于工程应用的关键，因此将角反射器天线设计思想引入分形天线可一定程度上改善这一问题，加快分形天线工程应用进程。

如图2至图5所示，其中图2为45度张角基于Hilbert分形的角反射器天线结构，图3至图5分别为180度张角基于Hilbert分形的角反射器天线结构图、侧视图、及安装示意图。图2至图5给出的天线结构除张角及分形阶数外并无显著不同，因此本发明统一进行阐述，最终以180度张角天线为例进行天线特性说明。本发明包括电介质层1、导线层2和接地板4。导线层2依附于电介质层以便安装，在本发明中敷设于电介质层1表面，接地板4放置于导线层2及接地板4下方。导线层2包括多条首尾相连的，带有角点的弯曲导线段22，导线段22根据三阶Hilbert分形曲线设计，构成三阶接收天线元件。导线层2在电介质层1上的覆盖面为矩形面，覆盖面边长为导线层2的边长，馈电点3设置于导线段22上。本示例中，导线段22材质为铜箔，为防止氧化、延长天线使用寿命，在导线段22上镀有锡层；电介质层1采用环氧树脂电介质板，介电常数为4.4，电介质层1边长略大于导线层2边长，差值范围越2～4mm。

本示例中以180度张角天线进行说明。其导线层2为矩形结构，长150mm，宽70mm，精细结构比值为5，电介质层1的厚度为1mm。

图6为三阶分形的，180度张角基于Hilbert分形的角反射器天线回波损耗示意图。如图6所示，在该条件下天线中共存在6个谐振频段，谐振频点分别为161MHz、298MHz、421MHz、569MHz、711MHz和841MHz，相对带宽分别为12.78％、10.23％、11.54％、9.91％、10.46％、11.3％，回波损耗均高于6dB。由此可见，在前三个谐振频段内，天线可作为***辐射天线元件使用；在后三个频段，也满足接收天线回波损耗不低于6dB的基本设计要求，可作为***接收天线使用。对于基于分形理论的角反射器天线来说，天线特性受制于***尺寸、分形阶数、精细结构、馈电位置、电介质板等诸多因素影响，设计时应综合考虑，确定适合***要求的天线结构。

图7给出了三阶分形的，180度张角基于Hilbert分形的角反射器天线驻波特性。一般情况下，天线驻波比小于1.5证明天线、馈线匹配良好。由图7可见，在第一谐振频点处，天线驻波比(VSWR)达到了1.06，说明本示例天线具有良好的驻波特性。

图8、图9分别为第一谐振频点处天线E面、H面方向图。由图可见，本发明中天线具有全向性特点，天线增益达3.3dB，符合接收天线设计标准。

本发明中基于分形理论的角反射器天线的制备方法主要包括以下步骤：

(1)根据相关公式计算分形天线谐振频率，以确定天线分形阶数、***尺寸、接地板及电介质层相关参数。

(2)利用电磁场计算软件仿真优化，具体确定最终天线设计参数；参数主要包括：精细结构比值、介质板厚度、介质介电常数、馈电位置等。本发明中选择CST微波实验室作为仿真软件。

(3)设计印刷电路板，并通过电路板制作工艺得到基于分形理论的角反射器天线。

(4)对基于分形理论的角反射器天线导线段镀锡。

在步骤(3)中，本示例具体操作内容主要包括：根据步骤(1)、(2)中所得结果，利用Protel软件绘制印刷电路板图，经针式打印机输出到不干胶纸，然后将不干胶纸贴在适合尺寸的覆铜板上(覆铜板已清洁处理)，使用切纸刀片沿线条轮廓切出，将需腐蚀部分纸条撕去，投入化学溶液中腐蚀(本发明中选用三氯化铁)，30～60分钟后将印刷电路板取出清洗、晒干，即完成制作。

同样的，步骤(3)中印刷电路板的制作同样可通过其他方式完成。

附图中的频率单位均为MHz。

Claims

1.基于分形理论的角反射器天线，其特征是：包括导线层、电介质层，导线层包括首尾相连的带有角点的导线段，所述的导线段为分形结构，导线层有两层、敷设于电介质层上表面，导线层在电介质层上的覆盖面为矩形面，覆盖面的边长为导线段的边长，两片导线层可成0～180度间任意张角，两片导线层其末端固连，两片导线层相固连的导线段几何中心处设置天线馈电点。

2.根据权利要求1所述的基于分形理论的角反射器天线，其特征是：所述的导线段为铜箔。

3.根据权利要求1或2所述的基于分形理论的角反射器天线，其特征是：所述的导线段上镀锡层。

4.根据权利要求1或2所述的基于分形理论的角反射器天线，其特征是：所述的电介质层为环氧树脂电介质板、介电常数为4.4，电介质层的边长长于导线层的边长，差值范围为2-4mm。

5.根据权利要求3所述的基于分形理论的角反射器天线，其特征是：所述的电介质层为环氧树脂电介质板、介电常数为4.4，电介质层的边长长于导线层的边长，差值范围为2-4mm。