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      加短路過孔的謝爾賓斯基毯式分形貼片天線研究

      2011-05-29 00:37:16陳德智朱守正胡淑欣
      電波科學(xué)學(xué)報 2011年1期
      關(guān)鍵詞:過孔頻點貼片

      陳德智 朱守正 胡淑欣

      (華東師范大學(xué)信息學(xué)院,上海200241)

      1. 引 言

      隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,通信終端設(shè)備(例如手機)能夠提供給用戶的功能越來越多,語音、數(shù)據(jù)、視頻、上網(wǎng)、全球定位等,幾乎無所不能,服務(wù)功能的增多,需要設(shè)備能工作在多個頻率;另一方面,移動通信由第1代到第4代,信號頻率由0.9 GHz,1.8 GHz,2.5 GHz,3.4 GHz,將來可能還會向更高頻率發(fā)展。考慮新的設(shè)備與舊有系統(tǒng)的兼容,有時也需要設(shè)備工作于多個頻段。采用擴展頻譜方式的無線局域網(wǎng)一般選擇的都是ISM(Industrial、Scientific、Medical)頻段,許多工業(yè)、科研和醫(yī)療設(shè)備的發(fā)射頻率均集中于該頻段。例如美國ISM頻段由902~928 MHz、2.4~2.48 GHz、5.725~5.850 GHz三個頻段組成。實際應(yīng)用的需要,使得多頻/寬頻天線的研究日益得到重視。分形天線具有小型化和多頻特征,并且適當(dāng)修改整體或局部尺寸,可以很方便地調(diào)整工作頻率。因此,特別適合于當(dāng)前寬帶、超寬帶通信領(lǐng)域。

      所謂分形天線,是指幾何屬性上有分形特征的天線。分形的重要性質(zhì)之一是其具有形狀上的自相似特性。其局部與整體、局部與局部都存在這種自相似性。利用這一基本性質(zhì)制作分形天線,具有多頻段輻射特性[1-3]。

      另一方面,基于左右手復(fù)合傳輸線理論而設(shè)計的零階諧振式天線(ZORA)(Zeroth-Order Resonator Antennas),近年來也廣泛引起了人們的興趣,出現(xiàn)了不少研究成果[4-8],ZORA的諧振頻率與天線的總尺寸無關(guān),而只與單個諧振單元的尺寸有關(guān),在級數(shù)為2的情況下,ZORA的諧振頻率比同樣尺寸的普通貼片式天線要低一半左右。[6-8]

      本文在傳統(tǒng)Serpinski毯式分形貼片天線的基礎(chǔ)上,加上兩個短路過孔,使之形成一個具有分形結(jié)構(gòu)的ZORA,從而可以產(chǎn)生出更多的工作頻段,并減小天線的尺寸。仿真及實驗結(jié)果都表明:天線工作頻段比傳統(tǒng)分形天線多,并且在保持天線的體積不變的情況下,大大降低了天線的第一頻點。另外,仿真結(jié)果還表明:加短路過孔以后,天線的相對帶寬也較原來寬。

      2. 理論分析

      2.1 天線結(jié)構(gòu)及等效電路

      2.1.1 Serpinski毯式分形貼片天線[9-10]

      Sierpinski毯的生成過程如圖1所示,0階迭代為一個正方形,把此正方形等分為9個小正方形,并挖去正中間的一個,就成為1階迭代結(jié)構(gòu),在一階基礎(chǔ)上,把剩余的8個小正方形的每一個再等分為9個更小的正方形,并挖去正中間的一個,于是得到2階分形結(jié)構(gòu),依此類推,可得更高階的分形。用分形地毯作為微帶線,即可形成Serpinski毯式分形微帶天線。

      (a)1階 (b)2階 (c)3階圖1 Sierpinski毯的生成過程

      分形貼片天線可以產(chǎn)生對應(yīng)于0階分形天線即普通貼片天線的輻射頻率,同時可以產(chǎn)生若干較高頻率的輻射,從而實現(xiàn)多頻段天線[9-10]。

      2.1.2 加短路過孔的貼片天線[6-8]

      貼片的尺寸是貼片天線的重要指標(biāo),為了減小天線的尺寸,可以在貼片天線上加上金屬接地的過孔,使貼片與地短路,形成所謂零階諧振式天線ZORA(Zeroth-Order Resonator Antennas),短路以后,貼片天線的輻射頻率可以降低到大約原來貼片天線的一半左右。與此同時,貼片天線原來的輻射諧振頻率點仍然是存在的,只不過頻率點略有變化[6-7]。短路貼片天線的工作原理可以用傳輸線理論來解釋。

      如圖2(a)所示,在貼片天線上加上兩個金屬過孔,使貼片與地板短路,則天線的等效電路如圖2(b)。

      圖2(a)中有兩個過孔,以左邊的過孔為分界,將貼片分成左右兩部分,分別對應(yīng)圖2(b)中的左右虛線框。圖2(b)中LP1,LP2為貼片的電感,CP1、CP2為貼片與地面之間的電容,LV1、LV2是金屬過孔的電感。圖2(b)中每個虛線框構(gòu)成一個諧振器,以左邊的為例,其傳輸系數(shù)的??梢员硎緸?/p>

      (1)

      令H(ω)的分母為0,可以得諧振頻率為

      (2)

      調(diào)整過孔的位置可以改變LP1,LP2、CP1、CP2,調(diào)整過

      孔的直徑可以改變LV1、LV2.

      當(dāng)兩個諧振器具有共同諧振頻率時,此頻率即為天線的輻射頻率點。

      (a) 短路型貼片天線

      (b) 等效電路圖2

      2.1.3 加短路過孔的Sierpinski毯式分形貼片天線

      如前所述,分形天線可以產(chǎn)生多個輻射頻率,而將貼片短路又可以另外產(chǎn)生出低于原始貼片的輻射頻率,所以可以設(shè)想在分形貼片天線上加短路過孔,便可以產(chǎn)生出更多的頻段,并減小天線的尺寸。

      加短路過孔的Sierpinski毯式分形貼片天線如圖3所示。

      (a)加短路孔的分形天線 (b)實物照片

      (c)天線俯視圖尺寸圖3

      圖3中的天線,采用的基板介電常數(shù)2.2,損耗正切0.0009,基板尺寸為89.8 mm×99.6 mm×2 mm,貼片尺寸39.6 mm×39.6 mm,饋線寬度6 mm,長度20.2 mm,位于分形貼片天線正中間,過孔在縱向位于貼片正中,即與貼片下邊緣距離為19.8 mm,左邊過孔與貼片左邊緣相距12.6 mm,右邊過孔與貼片右邊緣相距0.6 mm,過孔直徑0.3 mm。

      2.2 仿真結(jié)果

      用HFSS軟件對天線進行仿真,得到如下結(jié)果。

      2.2.1 天線輻射頻段數(shù)增加

      仿真可得到天線的S11曲線如圖4所示。

      圖4 S11對比

      由圖4可以看出:未加過孔的天線,S11在-10 dB以下的點有4個,分別在2.5 GHz、6.4 GHz、11.6 GHz、12.4 GHz。而有過孔的分形天線,輻射頻段有6個,中心點分別為1.08 GHz、2.7 GHz、5.4 GHz、7.4 GHz、9.8 GHz、11.2 GHz.

      特別是在未增加天線尺寸的情況下,天線的第一頻點由2.5 GHz降低到了1.08 GHz。

      2.2.2 頻帶較寬

      各個頻率段的帶寬見表1

      表1 工作頻率段的帶寬及增益

      2.2.3 各個頻率點的增益和方向圖

      仿真可得各個頻率點方向圖見圖5,各個頻率點的增益見表1。

      圖5 各個頻點方向圖

      2.2.4 過孔位置及直徑的優(yōu)化

      利用HFSS仿真軟件對過孔位置及直徑進行優(yōu)化,可得如下結(jié)果:

      ①過孔左移

      在圖3中,如果將過孔左移(兩孔同時移動),則第一頻點會有所升高,如果移動得太多,則第1頻點消失。以圖3中的位置為基準(zhǔn),過孔左移的長度ΔX與第一頻點的關(guān)系見表2。

      表2 孔左移的長度ΔX與第一頻點的關(guān)系

      這是因為根據(jù)式(2),過孔左移將使LP1和CP1變小,ω變大。如過移動太多,將使第一頻點消失。

      ②過孔上下移動

      在圖3,如果將過孔上下移動,則頻率點基本不變,但增益會惡化。

      ③過孔的直徑變化

      過孔的直徑與其自身電感有關(guān),直徑大則電感LV小,另一方面,過孔本身具有電容效應(yīng),直徑大則電容效應(yīng)明顯,過孔直徑與第一頻點的關(guān)系見表3。

      表3 過孔直徑與第一頻點的關(guān)系

      2.2.5 二階分形天線

      對二階分形的天線再加過孔做仿真研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):在14 GHz以下,天線輻射頻段與前述的一階分形差不多,但二階分形天線增益較一階小,二階分形將在14 GHz以上產(chǎn)生輻射頻段。

      3. 實驗結(jié)果分析

      按照圖3的尺寸,實際制作了天線,并用安捷倫公司網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230A測試了S11參數(shù),結(jié)果如圖4,由圖4可以看出,天線的輻射頻段與仿真結(jié)果基本相符,特別是可以清楚看出天線的第一輻射頻點為1.17 GHz,遠低于同尺寸的普通Sierpinski毯式分形貼片天線。

      4. 結(jié) 論

      在傳統(tǒng)Sierpinski毯式分形貼片天線的基礎(chǔ)上,加上短路過孔,可使天線工作于更多的頻段,并且在保持天線的體積不變的情況下,將天線的第一頻點降低為原來的一半。文中給出了仿真結(jié)果和實驗結(jié)果,二者基本相符。

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