專利名稱：一種Koch分形天線及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種Koch分形天線。
背景技術(shù)：
隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，天線作為無線通信設(shè)備的重要組成部分，是影響通信系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵部件，在全球定位系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和個人移動終端等系統(tǒng)中有廣泛的應用。人們對于移動通信的要求越來越高，需要能夠同時工作在多個頻段且性能優(yōu)異的通信設(shè)備，比如個人移動設(shè)備應用從GSM、DCS、PCS到3G，從GPS到W1-Fi和WiMax，通信頻段被劃分給各種應用，且頻段相互之間不連續(xù)。盡管許多傳統(tǒng)的無線通信天線都可以工作在多個無線頻段，但它們的工作的頻帶都很窄且只能覆蓋一個工作頻段，仍存在形式尺寸大、加工成本高、剖面高或機械加工精度要求高等缺陷。現(xiàn)在無線通信的高速發(fā)展，第二代移動系統(tǒng)(2G)、第三代移動系統(tǒng)(3G)、W1-Fi和WiMax技術(shù)日益成熟，為了減少無線網(wǎng)的成本，亟需天線具有覆蓋多頻段的功能。因此覆蓋多頻段和工作帶寬寬的小型化天線成為無線通信系統(tǒng)中迫切的需求。分形天線作為分形幾何和天線技術(shù)交叉的產(chǎn)物擁有了自相似和空間填充的特性。分形的自相似就是說適當?shù)姆糯蠡蚩s小幾何尺寸，整個結(jié)構(gòu)并不改變，在各種尺度上都有相同程度的不規(guī)則性。正是這種特性使得分形能夠在很小的體積內(nèi)充分的利用空間，也就是能夠用于天線小型化填充有限空間設(shè)計的一個關(guān)鍵原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種Koch分形天線及其設(shè)計方法，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、剖面低、多頻段、帶寬寬和易于集成等功能。為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下:
一種Koch分形天線，包括介質(zhì)基板，位于介質(zhì)基板I 一面上主輻射單元，位于介質(zhì)基板I另一面上饋源端7的接地板，其特征在于:所述主輻射單元2通過饋線6連接到饋源端7 ;所述接地板8為矩形；接地板不完全覆蓋介質(zhì)基板，但覆蓋到介質(zhì)基板兩側(cè)邊緣，接地板的高度設(shè)置保證天線工作頻段為1.6GHz-2.2GHz和2.6GHz-4.0GHz ;所述主輻射單元上設(shè)有經(jīng)過兩次Koch分形后的結(jié)構(gòu)，主輻射單元的頂端中間位置設(shè)有U型缺口 5沿饋線6軸向?qū)ΨQ，缺口的大小設(shè)置保證所述天線的工作頻段為1.6GHz-2.2GHz和2.6GHz-4.0GHz ;所述介質(zhì)基板1、主輻射單元2、U型缺口 5、饋線(6以及接地板8分別沿饋線6軸向?qū)ΨQ。一種所述Koch分形天線的設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟:
第一步，利用Koch分形方法，對主輻射單元進行兩次分形設(shè)計；
Koch曲線的比較直觀的生成方法可以看作是將一條線段安長度等分為三段，然后將中間一段線段按著一定的角度折線段換掉，這樣便形成一個生成元。Koch曲線沒迭代一次，線段總長度增長為原來的4/3，而曲線的總高度卻始終保持恒定，于此同時天線的輻射電阻逐漸增加，諧振頻率逐漸降低。本設(shè)計針對這一特點進過大量的仿真與計算最終選擇了兩次分形，從而增加了表面電流的電流路徑。第二步，去除主輻射單元的頂端大三角形，在頂端中間位置開設(shè)U型缺口，并分別位于將U型缺口兩側(cè)的靠近頂端的兩個小三角形改成兩個正方形，整個圖形沿饋線軸向?qū)ΨQ；
為了進一步改變天線的傳輸特性，在主輻射單元進行兩次分形后，設(shè)計了 U型缺口，沿饋線軸向?qū)ΨQ，以改變了電流的走向。第三步，對接地板結(jié)構(gòu)進行改進和優(yōu)化，接地板形狀為矩形。本設(shè)計對介質(zhì)基板下增加了接地板，接地板形狀為矩形，改變了與主輻射單元的電磁效應。與現(xiàn)代技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點是:使用了微帶線技術(shù)與分形理論結(jié)合，達到了現(xiàn)代多頻段天線的以滿足結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、剖面低、多頻段、帶寬寬和易于集成等特點，克服了傳統(tǒng)多頻段天線形式尺寸大、加工成本高、剖面高或機械加工精度要求高等缺陷。


圖1為本設(shè)計的結(jié)構(gòu)正面示意圖。圖2為本設(shè)計的結(jié)構(gòu)背面示意圖。圖3為HFSS仿真與加工的實物經(jīng)過矢量網(wǎng)絡分析儀測量后的Sll參數(shù)對比圖。圖4為HFSS仿真與加工的實物經(jīng)過矢量網(wǎng)絡分析儀測量后的VSWR參數(shù)對比圖。圖中:1介質(zhì)基板,2主福射單兀,3 Koch 一次分形、4 Koch 二次分形、5 U型缺口，6饋線,7饋源端,8接地板。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步的說明。圖1為天線的正面示意圖。其中I為介質(zhì)基板，為FR-4，介電常數(shù)為4.4的材料構(gòu)成，2結(jié)構(gòu)為主輻射單元，對2主輻射單元進行了兩次Koch分形操作，得到的3 Koch 一次分形、4 Koch 二次分形，改變了主輻射單元表面電流的路徑，為在主輻射單元2上開U型缺口 5為了改變表面電流在頂端的流向，與主輻射單元相連接的饋線6與饋源端7相連接對整個天線進行饋電。圖2為天線的背面結(jié)構(gòu)。其中接地板8為矩形形狀。與主輻射單元2相互作用改變空間的電磁分布.圖3和圖4為天線的HFSS仿真與加工的實物經(jīng)過矢量網(wǎng)絡分析儀測量后的Sll和VSWR參數(shù)對比圖。以上的操作都是為了使天線工作在1.6GHz-2.2GHz和2.6GHz_4.0GHz頻段中。通過仿真和測試得出該分形天線有兩個工作頻段，其中第一頻段的絕對帶寬為600MHz(1.6GHz-2.2GHz )，相對中心頻率1.8GHz的相對帶寬為33.33%，第二頻段的絕對帶寬為1400MHz(2.6GHz-4.0GHz)相對于中心頻率3.4GHz的相對帶寬為41.18%。本發(fā)明設(shè)計的天線具有雙頻段、高帶寬的效果，覆蓋了第二代移動通信DCS頻段(1710MHZ-1880MHZ)/PCS頻段(1850MHz-1990MHz)、第三代移動通信 TD_SCDMA( 1800MHz-1900MHz 及 2110MHz_2025MHz) 和WiMax頻段(3.4GHz-3.69GHz)等無線通信頻段。
權(quán)利要求
1.一種Koch分形天線，包括介質(zhì)基板，位于介質(zhì)基板(I) 一面上的主輻射單元，位于介質(zhì)基板(I)另一面上饋源端(7)的接地板(8)，其特征在于:所述主輻射單元(2)通過饋線(6)連接到饋源端(7);所述接地板(8)為矩形；接地板(8)不完全覆蓋介質(zhì)基板，但覆蓋到介質(zhì)基板兩側(cè)邊緣，接地板的高度設(shè)置保證天線工作頻段為1.6GHz-2.2GHz和2.6GHz-4.0GHz ;所述主輻射單元上設(shè)有經(jīng)過兩次Koch分形后的結(jié)構(gòu)，主輻射單元的頂端中間位置設(shè)置的U型缺口(5)沿饋線(6)軸向?qū)ΨQ，缺口的大小設(shè)置保證所述天線的工作頻段為1.6GHz-2.2GHz和2.6GHz_4.0GHz ;所述介質(zhì)基板(I)、主輻射單元(2)、U型缺口(5)、饋線(6 )以及接地板(8 )分別沿饋線(6 )軸向?qū)ΨQ。
2.一種如權(quán)利要求1所述的Koch分形天線的設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟: 第一步，利用Koch分形方法，對主輻射單元進行兩次分形設(shè)計； 第二步，去除主輻射單元的頂端大三角形，在頂端中間位置開設(shè)U型缺口，并分別位于將U型缺口兩側(cè)的靠近頂端的兩個小三角形改成兩個正方形，整個圖形沿饋線軸向?qū)ΨQ；第三步，對接地板結(jié)構(gòu)進行改進和優(yōu)化，接地板形狀為矩形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Koch分形天線及其設(shè)計方法。在微帶貼片天線上進行的各種技術(shù)和形狀的操作，以Koch分形理論為基礎(chǔ)，利用了微帶貼片天線的本身的特質(zhì)，從而改變了天線本身的輻射特性形成了覆蓋多頻段且工作帶寬寬的特性。該分形天線的工作頻段在1.6GHz-2.2GHz和2.6GHz-4.0GHz，相對中心頻率1.8GHz的相對帶寬為33.33%，第二頻段的絕對帶寬為2.6GHz-4.0GHz相對于中心頻率3.4GHz的相對帶寬為41.18%。本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、剖面低、多頻段、帶寬寬且易于集成，可應用于DCS/PCS/TD-SCDMA和WiMax頻段的現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)。
文檔編號H01Q1/48GK103165980SQ20131012061
公開日2013年6月19日 申請日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者楊利霞, 石斌, 施衛(wèi)東 申請人:江蘇大學