生长环阵列超宽频带天线设计

0 引言

随着无线通信技术在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技术开发和系统完善， 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，是无线通信技术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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