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生長環陣列超寬頻帶天線設計

作者:陳林鵬,林 斌,潘依郎,等時間:2020-03-03來源:電子產品世界收藏

陳林鵬,林? 斌,潘依郎,李振昌,唐? 荻,顏逸朋 (廈門大學嘉庚學院,福建?漳州?363105)

本文引用地址:http://www.ofia.com.cn/article/202003/410496.htm

摘? 要:本文針對多網合一無線通信終端設備對微波多頻段兼容天線的性能要求,將方形角缺陷結構 和生長環陣列結合,設計了一款。這款天線尺寸較小、輻射強度較高、性能冗余充足,能夠同時 工作于移動通信、射頻識別(RFID)、超寬帶(UWB)、移動數字電視(DTV)等多個無線通信系統,具有 優異的兼容性,可以作為多網合一無線通信系統終端天線得到大規模應用。 

關鍵詞:

0  引言 

隨著無線通信技術在21世紀不斷高速發展,越來越 多的無線通信應用系統完成了技術開發和系統完善, 已投入商業化的實際運營。完成多個無線通信應用系統 的整合,實現多網合一、多頻段兼容和終端設備多功能 化,是無線通信技術發展中迫在眉睫需要解決的問題。 移動通信系統、射頻識別系統、超寬帶通信系統、移動 數字電視系統都是工作于微波頻段的無線通信應用系 統,工作頻段接近,對終端設備的要求相似,有較大的 整合潛力,有望整合成為微波頻段多網合一系統。 

我國目前處于多代移動通信共同發展的時期,正 在使用的2G頻段為(905~915)MHz、(950~960)MHz、 (1 710~1785)MHz、(1 805~1 880)MHz;3G頻段為 (1 880~1 980)MHz、(2 010~2 025)MHz、(2 110~ 2 170)MHz、(2 300~2 400)MHz;4G頻段為(2 570~ 2 620)MHz;5G頻段為(3 300~3 400)MHz、(4 400~ 4 500)MHz、(4 800~4 990)MHz [1-3]。RFID系統頻段為(902~928)MHz、(2 400~2 483.5)MHz、 (5 725~5 875)MHz [4-5]。UWB系統頻段為(3 100~ 10 600)MHz [6-8]。DTV系統頻段為(11 700~12 200)MHz [9-12]。 微波頻段多網合一系統要求天線有良好的兼容能力,能 夠完全覆蓋上述頻段,尺寸較小、輻射強度較高、性能 冗余充足。

結構簡介 

結構由正四邊形按照圖1所示的方 法迭代得到。初始的正四邊形分為16個大小相等的小正 四邊形,刪去4個邊角處的小正四邊形,得到1階方形角 缺陷分形。對1階方形角缺陷分形的每個小正四邊形分 別做上述迭代,可得到2階方形角缺陷分形結構。這樣 依次迭代下去,可以得到高階方形角缺陷分形結構。在 天線設計中使用方形角缺陷分形結構,可以讓天線輻射 貼片內部有均勻分布的射頻電流,保證天線有良好的超 寬頻帶工作能力。

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簡介 

是一種具有自相似性的、迭代生成 的多環陣列結構,其迭代過程如圖2所示。生長環陣列 結構是由40個陣元天線組成的、外圈邊長為11、內圈邊 長為9的正方形環陣列。在初始結構的四個邊角生長出4 個外圈邊長為5、內圈邊長為3的小正方形環陣列,可以 得到1階生長環陣列結構。在1階生長環陣列結構的每個 小正方形環陣列的邊角生長出3個外圈邊長為3、內圈邊 長為1的微型正方形環陣列,可以得到2階生長環陣列結 構。使用生長環陣列結構組成天線陣列,可以利用輻射 疊加原理有效提高天線的輻射強度,并利用生長環陣列 結構的自相似性使陣列天線具有和陣元天線相似的超寬 頻帶工作能力。

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3  天線結構設計 

天線基板為εr=6的矩形低損耗FR4基板,它的尺寸 是36.8 mm×36.8 mm×1 mm。天線基板正面貼覆著方 形角缺陷分形生長環陣列輻射貼片。天線基板背面貼覆 著由金屬全導電接地結構組成的天線接地板。 

方形角缺陷分形生長環陣列輻射貼片的結構如圖3 所示,其使用生長環陣列結構作為基本陣列排布結構, 在生長環陣列結構的每個大小為1.6 mm×1.6 mm的陣 元天線區域中心,放置方形角缺陷。 

方形角缺陷分形天線是在尺寸為1.6 mm×1.6 mm的矩形區域進行方形角缺陷分形迭代而得到。方形角缺 陷分形天線使用了2階的方形角缺陷分形結構。每個方 形角缺陷分形天線的底部邊沿中心處設有天線饋電點。 

生長環陣列結構是2階生長環陣列結構,它可以看 作是在一個由23行23列共529個方形區域組成的矩形區 域中,按照圖2(c)所示規律在其中184個方形區域放置陣 元天線組成。

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4  天線輻射性能測試結果 

我們制作了天線樣品,并搭建了天線性能測試系統 實際測試了天線的回波損耗性能和方向圖性能,測試結 果如圖4和圖5所示。 

從測試結果可以看出,該款天線具有出色的全向 工作能力,天線的工作頻帶范圍為(551~17 193) MHz,工作帶寬為(16 642)MHz,倍頻帶寬為 31.20,回波損耗最小值為-47.32 dB。

該款天線完全覆 蓋了移動通信、射頻識別、超寬帶、移動數字電視等多 個無線通信系統的工作頻帶。 該款天線具有突出的性能優勢:該款天線具有穩定 的超寬頻帶輻射工作能力,在(835~16 108)MHz頻 段內的回波損耗值都低于-45 dB,且回波損耗值波動很 小,天線具有超高穩定輻射能力和較大性能冗余;該款 天線用一個寬達16 642 MHz的單一工作頻帶,實現了對2G至5G移動通信、射頻識別、超寬帶通信和移動數字電 視的兼容,且回波損耗最小值低達-47.32 dB,兼具優異 的超寬頻帶工作能力和較高的輻射強度;該款天線在有 184個陣元天線的情況下,尺寸僅為36.8 mm×36.8 mm× 1 mm,在天線小型化設計方面有獨特的優勢。

5  結論 

本文針對多網合一無線通信終端設備對微波多頻段 兼容天線的性能要求,設計了一款生長環陣列超寬頻帶 天線,使用方形角缺陷分形天線作為陣元天線,具有自 相似性的分形結構保證了陣元天線內部有均勻分布的射 頻電流,確保陣元天線有優異的超寬頻帶工作能力;使 用生長環陣列結構將184個陣元天線組成天線陣列,利 用輻射疊加原理和陣列結構本身的自相似性使天線陣列 同時具有高輻射強度、大性能冗余和超寬工作頻帶。天線回波損耗性能和方向圖性能實際測試結果表明,該款 天線尺寸小、輻射強度高、性能冗余大、輻射工作穩定 性強,具有超強兼容性和超寬頻帶工作能力,能夠有效 兼容移動通信系統、射頻識別系統、超寬帶通信系統和 移動數字電視系統,在微波頻段多網合一系統中可以得 到大規模應用。

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本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第03期第79頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。



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