本实用新型属于超宽带印刷天线技术领域，涉及一种低剖面超宽带印刷天线。
背景技术：
就宽带技术来说，现有技术有多种展宽天线工作带宽的方法。例如对天线进行阻抗元件加载展宽其工作带宽，还有通过多谐振技术展宽带宽，以及通过两种以上的技术相结合的方式来展宽频带。但是采用加载技术的天线的效率一般都比较低，加载的阻抗元件会吸收一定的电磁能量，天线的增益也就无法有效提高。多频谐振技术是利用天线的特殊结构，使其在多个频率点上谐振，从而覆盖很宽的频段。对数周期天线就是采用这一结构的典型代表，对数周期天线是一种离散的自相似结构，通过多个不同长度的振子在离散频率点上谐振来覆盖整个频带范围。螺旋类天线也主要利用了这一技术，它通过连续的重复性结构来覆盖宽频带。采用这类技术的天线容易形成多频辐射特性与宽带特性，同时，其增益也相对较高，但天线尺寸也相对较大。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种低剖面超宽带印刷天线，其采用微带馈线，结合辐射结构以及宽带分形地板结构体，实现了S11参数-10dB以下带宽达到100%以上，且在整个频带内具有较恒定的增益特性与全向辐射特性。
本实用新型所采用的技术方案是：
一种低剖面超宽带印刷天线，包括基板，所述基板正面印刷有辐射贴片与集成微带馈线，所述基板的正面还印刷有超宽带分形地板结构体以及辐射结构；
所述辐射贴片的边界加载有2阶Koch分形曲线构成，所述2阶Koch分形曲线为样条拟合圆弧过度曲线；
所述超宽带分形地板结构体与所述辐射贴片之间设有缝隙。
进一步地，还包括内导体，所述内导体与所述集成微带馈线并排设置，且所述内导体的高度小于所述集成微带馈线的高度。
进一步地，所述基板端部还设有安装法兰，所述内导体与所述集成微带馈线均与所述安装法兰连接。
进一步地，所述安装法兰上还安装有高频插座。
进一步地，所述辐射结构设于所述超宽带分形地板结构体上，且所述辐射结构的面积小于所述超宽带分形地板结构体的面积。
进一步地，所述2阶Koch分形曲线呈上下对称和左右对称形式，加载于所述辐射贴片的边界。
进一步地，所述超宽带分形地板结构体为加载于基板上的样条拟合1阶Koch分形结构。
更进一步地，所述样条拟合1阶Koch分形结构的中心为包络极大点，边缘两侧对称为极小点。
进一步地，所述辐射贴片与所述超宽带分形地板结构体之间的缝隙宽度为0.1mm-10mm。
进一步地，所述集成微带馈线为50W的微带馈线。
本实用新型的有益效果如下：
本实用新型的低剖面超宽带印刷天线，采用SFK微扰分形边界与SFPGP地板等技术实现宽频带设计，-10dB以下相对阻抗带宽为3GHz～12.5GHz，相对带宽123％，辐射效率大于90％，完全符合高性能超宽带终端天线设计指标的要求。
本实用新型的低剖面超宽带印刷天线结构，在辐射结构设计方面，同时引入微扰分形技术与部分地板临近耦合结构等两种关键技术，以进一步拓展天线的阻抗带宽，并最终采用一体化仿真优化平台技术完成天线最终的优化设计。该天线具有体积小、重量轻、结构简单、性能稳定、损耗低等优点，相对于传统的微带贴片天线，有超宽频带特性。
所谓微扰分形，即为在常规直线型SFK分形曲线结构基础上，通过数值优化程序，按照分形阶数、分形生成参数和天线目标带宽、目标增益等指标设定多目标适应度函数，经过GA和PSO等群集智能优化算法全局计算寻优后得到的非常规异性目标曲线形式，进而加载与矩形辐射贴片四周，以改善和提高天线宽频带全向辐射工作性能。微扰分形的目的就是提高天线性能，抑制带内寄生谐振与辐射。
常规完整地板即为一个完整的矩形结构，而本专利中天线地板底边和左右两边为常规矩形包络结构，但是顶边引入了一阶SFK分形曲线结构，具体体现为中间高两端低的曲线包络边缘，和常规矩形比较两侧金属覆铜部分进行了刻蚀有所缺失，顾因此得名部分地板结构。该部分地板结构的设计与参数选择，与辐射贴片类似，需要结构分形曲线自身阶数、生成函数参数和天线带宽、方向图等指标构建多目标适应度函数，进行全局寻优和数值计算协同仿真来确定。
附图说明
图1是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线的主视图；
图2是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线的右视图；
图3是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线在4GHz频率时的电流分布图；
图4是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线在6GHz频率时的电流分布图；
图5是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线在8GHz频率时的电流分布图；
图6是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线在10GHz频率时的电流分布图；
图7是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线的S11敏感度分析图；
图8是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线的S11曲线图；
图9是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线的增益和辐射效率分析图；
图10-A是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线的在3GHz频率时的方向图；
图10-B是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线的在4GHz频率时的方向图；
图10-C是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线的在6GHz频率时的方向图；
图10-D是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线的在8GHz频率时的方向图；
图10-E是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线的在10GHz频率时的方向图；
图10-F是本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线的在12GHz频率时的方向图；
图中：
1、基板；2、辐射贴片；3、集成微带馈线；4、超宽带分形地板结构体；5、辐射结构；6、内导体；7、安装法兰。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
如图1至10-F所示，本实用新型提供的一种低剖面超宽带印刷天线，包括基板1，所述基板1正面印刷有辐射贴片2与集成微带馈线3，所述基板1的正面还印刷有超宽带分形地板结构体4以及辐射结构5；
所述辐射贴片2的边界加载有2阶Koch分形曲线构成，所述2阶Koch分形曲线为样条拟合圆弧过度曲线；
本实用新型中，在常规辐射贴片2的边界加载2阶Koch分形曲线，即在常规直线型SFK分形曲线结构基础上，通过数值优化程序，按照分形阶数、分形生成参数和天线目标带宽、目标增益等指标设定多目标适应度函数，经过GA和PSO等群集智能优化算法全局计算寻优后得到的非常规异性目标曲线形式，进而加载与矩形辐射贴片四周，以改善和提高天线宽频带全向辐射工作性能。微扰分形的目的就是提高天线性能，抑制带内寄生谐振与辐射。
SFK分形曲线边界取值区间与天线最低工作频点波长相比拟。
Koch曲线其长度随迭代阶数n按照(4/3)n关系变化。本实用新型通过在常规的矩形辐射贴片基础上引入2阶微扰分形Spline拟合边界，显著减小天线的外形尺寸，展宽天线的阻抗带宽、提高天线的辐射效率且减小互耦和交叉极化水平。
同时，本实用新型在超宽带分形地板结构体4与所述辐射贴片2之间设有缝隙。
进一步地，还包括内导体6，所述内导体6与所述集成微带馈线3并列设置，且所述内导体6的高度小于所述集成微带馈线3的高度，通过这样的设置，实现内导体6为同轴探针结构，集成微带馈线3与之配合，目的是同轴专微带的可靠电连接与激励，保证阻抗匹配。
进一步地，为了稳固结构，基板1端部还设有安装法兰7，所述内导体6与所述集成微带馈线3均与所述安装法兰7连接。
更进一步地，所述安装法兰7上还安装有高频插座8。通过高频插座8方便天线与系统后端射频通道PA或LNA集成连接。
进一步地，所述辐射结构5设于所述超宽带分形地板结构体4上，且所述辐射结构5的面积小于所述超宽带分形地板结构体4的面积。即辐射结构5仅为部分的超宽带分形地板结构体4，而不是全部的。
进一步地，所述2阶Koch分形曲线呈上下对称和左右对称形式，加载于所述辐射贴片2的边界。即辐射贴片2的四个边界是相同的结构。
在辐射贴片的外围蚀刻2阶SFK微扰边界，为了不破坏天线结构的对称性，分别在左右两侧采用相同的SFK结构，而位于矩形辐射贴片顶端和底端的SFK微扰分形边界和左右两侧的边界具有相同的结构尺寸。整个天线的Spline拟合部分地板SFPGP的中心及两侧边缘采用独立差异高度设计。
微扰分形的目的就是提高天线性能，抑制带内寄生谐振与辐射。作用是天线的主辐射结构。
本实用新型中，所述超宽带分形地板结构体4为加载于基板1上的样条拟合1阶Koch分形结构。
进一步地，所述样条拟合1阶Koch分形结构的中心为包络极大点，边缘两侧对称为极小点。
常规完整的地板即为一个完整的矩形结构，而本实用新型中天线地板底边和左右两边为常规矩形包络结构，但是顶边引入了一阶SFK分形曲线结构，具体体现为中间高两端低的曲线包络边缘，和常规矩形比较两侧金属覆铜部分进行了刻蚀有所缺失，顾因此得名部分地板结构。该部分地板结构的设计与参数选择，与辐射贴片类似，需要结构分形曲线自身阶数、生成函数参数和天线带宽、方向图等指标构建多目标适应度函数，进行全局寻优和数值计算协同仿真来确定。
本实用新型中，所述辐射贴片2与所述超宽带分形地板结构体4之间的缝隙宽度为0.1mm-10mm。
这个缝隙的宽度很窄，为毫米和亚毫米量级，需要通过全波仿真数值计算，根据输入阻抗变换来确定。
参照附图1-2，具体地，本实用新型中的天线印刷于介电常数4.4的FR4基板1上。通过在天线底端特性阻抗为50W的集成微带馈线3，同时在集成微带馈线3上焊接SMA接头（即高频插座8）实现天线的馈电。与传统的窄带天线设计相比，本实用新型超宽带印刷天线的设计，有许多因素需要综合权衡考虑。由于在每个谐振频点的电磁特性完全取决于天线上辐射结构的不同部分，因此要在整个工作带宽范围内实现良好的电性能并不容易，如对中心频率进行调谐、宽带阻抗匹配、高的辐射效率、良好的全向辐射特性结合电磁设计理论，具体可以采用三维全波仿真手段，设定优化目标，构建适应度函数，通过程序寻优计算、调谐和阻抗匹配（即不圆度小）等，进行天线的合理布置。
通过在常规的矩形辐射贴片基础上引入2阶微扰分形Spline拟合边界即辐射贴片的SFK曲线边界，矩形印刷辐射结构的曲线形外包络边缘结构显著减小天线的外形尺寸，展宽天线的阻抗带宽、提高天线的辐射效率且减小互耦和交叉极化水平，如图6所示整个天线的辐射体结构尺寸约为最低工作频率对应波长相比拟。在辐射贴片的外围蚀刻2阶Spline微扰拟合分形，曲线形外包络边缘结构为了不破坏天线结构的对称性，分别在左右两侧采用相同的拟合分形结构。而位于矩形辐射贴片顶端和底端的SFK微扰分形边界和左右两侧的边界具有相同的结构尺寸。整个天线的Spline拟合部分地板SFPGP的中心及两侧边缘高度采用非等高度设计。该天线介质基板外形尺寸比传统矩形贴片印刷天线尺寸缩小了40％。天线在3GHz到12.5GHz的123%频带范围内，回波损耗小于-10dB具有全向辐射特性，辐射效率高于90%。通过对SFK微扰分形边界和SFPGP接地板结构参数进行优化调谐，结合电磁设计理论，采用三维全波仿真手段，设定优化目标，构建适应度函数，通过程序寻优计算、调谐和阻抗匹配可以获得良好的宽频带特性，该天线适用于UWB超宽带通信系统。
本实用新型中，天线介质板（基板1）外形尺寸比传统矩形贴片印刷天线尺寸缩小了40％。天线在3GHz到12.5GHz的123%频带范围内，回波损耗小于-10dB具有全向辐射特性，辐射效率高于90%。通过对SFK微扰分形边界和SFPGP接地板分形生成函数、阶数进行多伦多次调谐设计结构参数进行优化调谐，可以获得良好的宽频带特性，该天线适用于UWB超宽带通信系统。
本实用新型，在辐射结构设计方面，同时引入微扰分形技术与部分地板临近耦合结构等两种关键技术，进一步拓展了天线的阻抗带宽，并最终采用自研专用一体化仿真优化平台技术完成天线最终的优化设计，该天线具有体积小、重量轻、结构简单、性能稳定、损耗低等优点，相对于传统的微带贴片天线，有超宽频带特性。
参照附图3-6表示的一种低剖面超宽带印刷天线在不同频率时的电流分布图可知，表面电流主要集中于辐射贴片和地板的边缘部分，这意味着除了辐射贴片参加辐射外，靠近贴片下边缘的部分地板结构也成为了辐射结构的一部分，对总的辐射场做出贡献且影响方向图形状，并最终决定天线性能的优劣。同样从附图2-5中可以看出，第一谐振峰与天线的外部轮廓直接相关，换言之，其辐射性能由整个天线的外部轮廓尺寸决定；而二次，三次谐波与辐射贴片的下半部分息息相关，即高频段的电性能由天线辐射体的下半部分结构尺寸决定。
本实用新型可以按照工作频段的不同，对天线辐射体的不同部分的结构参数进行PSO优化设计，获得了相应频点的最佳辐射性能参数，最终再采用PSO-EM联合优化仿真的方法，完成了天线整体性能最优设计。
本实用新型与传统天线设计仿真最大的区别在于，利用群算法，在有限的物理解空间内，充分地挖掘并实现了最优电性能的结构参数组合，实现天线性能最优设计。
从图3-6表面电流分布仿真结果还可以看出，本专利天线良好的宽带匹配性能得益于沿着SFK微扰分形边和SFPGP分形部分地板边缘流动的表面电流，由于它们的存在产生临近谐振效应，因此天线的工作频带得以展宽。这即是本专利才能的分形结构的自相似与分数维特性引入的多重谐振特性。
参照图7，当分形部分地板边缘长度取不同值时，天线回波损耗随着频率的变化取向。可以看出当SFPGP地板边缘长度取值在8.5~7mm范围内取值时，带宽最宽，天线展现出良好的阻抗匹配特性。通过一体化全波仿真可以发现，当部分地板边缘长度进一步增加时，与在超宽带印刷单极天线设计中引入新型微扰分形部分地板结构，对天线宽带阻抗匹配的改善，阻抗带宽的拓展，天线性能的增强程度远远高于现有技术中传统的矩形部分地板结构。
图9中分别给出了小型化印刷超宽带天线的增益、辐射效率随频率的变化仿真曲线。可以看出在整个工作频带内天线具有相对稳定的增益，平均增益约为4dB。天线在工作频段内具有较好的“鲁棒性”几乎是非dispersive（分散）的。在从3.1~10.2GHz整个超宽频段内，辐射效率不低于90%，实现了超宽带高效辐射。
图10-A至图10-F详细列出了本节所提出新型超宽带印刷天线的归一化辐射方向图仿真结果。图中分别给出了位于3，4，6，8，10和12GHz的E面和H面的主极化、交叉极化分量仿真曲线(方向图）。可以清楚看到在整个工作频带内，在H面天线基本呈现出全向辐射特性，而在E面呈现出类似于偶极子的“∞”形辐射方向图，当工作频率小于8GHz时，最大增益方向垂直于x轴方向。但是当工作频率进一步上升时，全向辐射特性劣化，方向图呈现一定程度的畸变，这主要是由于随着工作频率的升高，天线电尺寸增大所引起。在高频端，天线最大增益方向偏向是30deg。天线介质板外形尺寸比传统矩形贴片印刷天线尺寸缩小了40％。天线在3GHz到12.5GHz的123%频带范围内，回波损耗小于-10dB具有全向辐射特性，辐射效率高于90%。通过对SFK微扰分形边界和SFPGP接地板结构参数进行优化调谐，可以获得良好的宽频带特性，该天线适用于UWB超宽带通信系统。
天线工作带宽的大小取决于天线输入阻抗随频率的变化特性，而天线的输入阻抗则与天线自身结构、电尺寸及馈电网络等因素息息相关，因此天线形式的选择极为重要。微带天线是印刷天线的一种，采用微带形式的天线结构虽然可以克服使用常规单、双锥天线，缝隙天线，圆柱面共性阵列天线等体积大、重量大、加工成本高的不足，但常规的微带天线难以实现较宽的频带，传统的贴片微带天线为谐振式天线，带宽很窄(约2%)，达不到超宽带工作要求；若采用行波式微带天线，带宽可以满足要求，但增益达不到要求。多层微带结构、L型探针耦合馈电结构和增加短路钉的方法可以在一定程度上扩展频带，但结构上比较复杂，增加了加工、调试的难度。本专利所提出天线在设计上解决了上述各种现有技术存在的问题，在发挥微带天线重量轻、剖面低的优势基础上，进一步展宽了天线的工作带宽，实现了S11参数-10dB以下带宽达到100%以上，且在整个频带内具有较恒定的增益特性与全向辐射特性。这是采用传统的经典天线设计理论和现有宽频带技术，几乎不可能达到性能指标。
本实用新型对于满足未来卫星通信与地面通信互联互通，实现无缝数据传输且具有良好电特性的新型终端天线研究具有很强的理论意义和实用价值。其中对宽频带、稳定增益、方向图可重构扫描且结构简单、体积小、容易加工实现新型智能化终端天线的需求就更为迫切，尤其是在卫星通信、无线通信技术飞速发展的今天。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。