0 引言
随着无线通信威廉希尔官方网站 在21世纪不断高速发展,越来越 多的无线通信应用系统完成了威廉希尔官方网站 开发和系统完善, 已投入商业化的实际运营。完成多个无线通信应用系统 的整合,实现多网合一、多频段兼容和终端设备多功能 化,是无线通信威廉希尔官方网站 发展中迫在眉睫需要解决的问题。 移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统、移动 数字电视系统都是工作于微波频段的无线通信应用系 统,工作频段接近,对终端设备的要求相似,有较大的 整合潜力,有望整合成为微波频段多网合一系统。
我国目前处于多代移动通信共同发展的时期,正 在使用的2G频段为(905~915)MHz、(950~960)MHz、 (1 710~1785)MHz、(1 805~1 880)MHz;3G频段为 (1 880~1 980)MHz、(2 010~2 025)MHz、(2 110~ 2 170)MHz、(2 300~2 400)MHz;4G频段为(2 570~ 2 620)MHz;5G频段为(3 300~3 400)MHz、(4 400~ 4 500)MHz、(4 800~4 990)MHz [1-3]。RFID系统频段为(902~928)MHz、(2 400~2 483.5)MHz、 (5 725~5 875)MHz [4-5]。UWB系统频段为(3 100~ 10 600)MHz [6-8]。DTV系统频段为(11 700~12 200)MHz [9-12]。 微波频段多网合一系统要求天线有良好的兼容能力,能 够完全覆盖上述频段,尺寸较小、辐射强度较高、性能 冗余充足。
1 方形角缺陷分形结构简介
方形角缺陷分形结构由正四边形按照图1所示的方 法迭代得到。初始的正四边形分为16个大小相等的小正 四边形,删去4个边角处的小正四边形,得到1阶方形角 缺陷分形。对1阶方形角缺陷分形的每个小正四边形分 别做上述迭代,可得到2阶方形角缺陷分形结构。这样 依次迭代下去,可以得到高阶方形角缺陷分形结构。在 天线设计中使用方形角缺陷分形结构,可以让天线辐射 贴片内部有均匀分布的射频电流,保证天线有良好的超 宽频带工作能力。
2 生长环阵列结构简介
生长环阵列结构是一种具有自相似性的、迭代生成 的多环阵列结构,其迭代过程如图2所示。生长环阵列 结构是由40个阵元天线组成的、外圈边长为11、内圈边 长为9的正方形环阵列。在初始结构的四个边角生长出4 个外圈边长为5、内圈边长为3的小正方形环阵列,可以 得到1阶生长环阵列结构。在1阶生长环阵列结构的每个 小正方形环阵列的边角生长出3个外圈边长为3、内圈边 长为1的微型正方形环阵列,可以得到2阶生长环阵列结 构。使用生长环阵列结构组成天线阵列,可以利用辐射 叠加原理有效提高天线的辐射强度,并利用生长环阵列 结构的自相似性使阵列天线具有和阵元天线相似的超宽 频带工作能力。
3 天线结构设计
天线基板为εr=6的矩形低损耗FR4基板,它的尺寸 是36.8 mm×36.8 mm×1 mm。天线基板正面贴覆着方 形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片。天线基板背面贴覆 着由金属全导电接地结构组成的天线接地板。
方形角缺陷分形生长环阵列辐射贴片的结构如图3 所示,其使用生长环阵列结构作为基本阵列排布结构, 在生长环阵列结构的每个大小为1.6 mm×1.6 mm的阵 元天线区域中心,放置方形角缺陷分形天线。
方形角缺陷分形天线是在尺寸为1.6 mm×1.6 mm的矩形区域进行方形角缺陷分形迭代而得到。方形角缺 陷分形天线使用了2阶的方形角缺陷分形结构。每个方 形角缺陷分形天线的底部边沿中心处设有天线馈电点。
生长环阵列结构是2阶生长环阵列结构,它可以看 作是在一个由23行23列共529个方形区域组成的矩形区 域中,按照图2(c)所示规律在其中184个方形区域放置阵 元天线组成。
4 天线辐射性能测试结果
我们制作了天线样品,并搭建了天线性能测试系统 实际测试了天线的回波损耗性能和方向图性能,测试结 果如图4和图5所示。
从测试结果可以看出,该款天线具有出色的全向 工作能力,天线的工作频带范围为(551~17 193) MHz,工作带宽为(16 642)MHz,倍频带宽为 31.20,回波损耗最小值为-47.32 dB。
该款天线完全覆 盖了移动通信、射频识别、超宽带、移动数字电视等多 个无线通信系统的工作频带。 该款天线具有突出的性能优势:该款天线具有稳定 的超宽频带辐射工作能力,在(835~16 108)MHz频 段内的回波损耗值都低于-45 dB,且回波损耗值波动很 小,天线具有超高稳定辐射能力和较大性能冗余;该款 天线用一个宽达16 642 MHz的单一工作频带,实现了对2G至5G移动通信、射频识别、超宽带通信和移动数字电 视的兼容,且回波损耗最小值低达-47.32 dB,兼具优异 的超宽频带工作能力和较高的辐射强度;该款天线在有 184个阵元天线的情况下,尺寸仅为36.8 mm×36.8 mm× 1 mm,在天线小型化设计方面有独特的优势。
5 结论
本文针对多网合一无线通信终端设备对微波多频段 兼容天线的性能要求,设计了一款生长环阵列超宽频带 天线,使用方形角缺陷分形天线作为阵元天线,具有自 相似性的分形结构保证了阵元天线内部有均匀分布的射 频电流,确保阵元天线有优异的超宽频带工作能力;使 用生长环阵列结构将184个阵元天线组成天线阵列,利 用辐射叠加原理和阵列结构本身的自相似性使天线阵列 同时具有高辐射强度、大性能冗余和超宽工作频带。天线回波损耗性能和方向图性能实际测试结果表明,该款 天线尺寸小、辐射强度高、性能冗余大、辐射工作稳定 性强,具有超强兼容性和超宽频带工作能力,能够有效 兼容移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统和 移动数字电视系统,在微波频段多网合一系统中可以得 到大规模应用。
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