一种基于口径耦合馈电的勾股树-地毯分形多频天线

1.本发明属于微波与射频天线设计技术领域，具体涉及一种基于口径耦合馈电的勾股树-地毯分形多频天线。


背景技术：

2.天线作为无线电系统中的一种能量转换设备，需要良好的性能指标，随着天线技术的发展，人们对天线提出了越来越高的性能需求。如天线的方向性，频带宽度，输入阻抗，极化等。为了得到出更多优秀性能的天线，人们对天线的馈电方式，结构等不断地优化并将具有相同特性的天线归门别类的研究。
3.分形结构是1975年法国数学家首次提出的一种具有自相似结构的特殊几何形状。科恩于1995年首次采用了对幻形天线做分形几何处理，以分形方式弯曲导线，使总弧长不变，每次迭代引入了新的弯曲，这样使得结构更复杂的天线集成到更小无线通信系统中，利用分形结构的空间填充性使天线小型化。分形几何在各领域具有巨大的潜力，目前，国内外众多科研高校和研究所已经开展了分形结构天线的研究。
4.现有微带天线有很多优点，比如低剖面，成本低，改变天线的电参数更加灵活，易于集成在小型化设备上，但它有一个固有缺点就是频段窄，由微波理论已经证实由于微带天线本身相当于一个漏波空腔，其谐振特性相当于rlc并联谐振电路，其带宽b与其品质因数q呈反比，而品质因数q往往依赖于天线的固有电尺寸。传统矩形贴片天线应用较多的是激励多模或者分层结构来获得双频和多频的。而分形天线往往借助自相似特性来在一定范围内获得多频段，一定程度的简化了电路设计并降低了造价。多频段使得天线的通信容量直接增加1-n倍。
5.如今许多卫星，激光雷达如等无线通信系统，尤其是在激光雷达测距领域，为了实现高精度，动态的距离和速度测量，往往需要采用多调制频率的激光同时发生测距系统，基于多路并行测量，并使用接收器讲多路到达的参考信号和接受信号进行采集。对于电磁波的接受装置，需要易于集成，并行接受，对每个接受的频段都要求有较好的抗干扰性，这就对天线的绝对带宽有较高的要求。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，结合天线技术和分形几何，本发明提出了一种基于口径耦合馈电的勾股树-地毯分形多频天线。
7.本发明采用的技术方案为：一种基于口径耦合馈电的勾股树-地毯分形多频天线，包括：勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1、介质基板2、开槽导体接地平板3、介质基板4、微带馈电线5。采用分层结构，整体是勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1一层很薄的贴片依附在介质基板2上，开槽导体接地平板3夹在相同大小的介质基板2与介质基板4之间，介质基板4将微带馈电线5与开槽导体接地平板3隔开，介质基板2将开槽导体接地平板3与勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1隔开。
8.进一步地，所述天线引入了具有可调节性的组合分形结构，组合分形结构指天线辐射贴片，即勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1，主体结构为外层的三阶及以上的勾股树分形结构，内部结构为sierpinski地毯分形结构，整体作为贴片天线。
9.其中，组合分形中，包括外部(勾股树分形)，内部(sierpinski地毯)分形结构都至少在两阶以上，所述勾股树分形外形由正方形贴片组成。
10.进一步地，所述勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1是金属薄片，由分形基元紧贴在介质基板2上，并且以此为基准，进行平移旋转放缩，形成高阶勾股树分形，并且与分形基元进行电气连接，形成整体。
11.进一步地，所述内部sierpinsk地毯是以正方形为基础的，要求每行正方形孔边长为上一级正方形孔边长的1/3，并且同一级的正方形大小相同，且同一级正方形直接的间距为正方形边长，同一列正方形要求同上所述；将一个实心正方形划分为的9个小正方形，去掉中间的小正方形，再对余下的小正方形重复这一操作便能得到高一阶的sierpinski地毯。
12.进一步地，所述介质基板为矩形形状，基板板材要求为损耗角较小的射频板材，材料选择fr-4板材或介电常数εr＝2.2的rogersrt droide/5880(tm)，且射频基板为矩形，长度为24mm，宽度为18mm，厚度为1.6mm。
13.进一步地，所述微带馈电线5中，包括一个输入波端口和一个中心信号线，中心信号线整体呈现窄条状，一端贴近整个装置的馈电边缘，另一端导引电磁波透过开槽导体接地平板3口径中心信号线和勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1均以开槽导体接地平板3的开槽口径中心轴线为对称轴。
14.其中，微带馈电线5贴合在介质基板4底部，且可以增加谐振枝节的微带线。
15.进一步地，所述天线工作频段范围为1-12ghz。
16.进一步地，所述天线中，将分形几何与射频天线相结合，使用口径耦合的馈电方式，即通过在接地平板上开槽一个矩形带隙，来形成馈线和辐射体之间的电磁耦合。
17.本发明的有益效果：本发明所述天线包括：勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1、介质基板2、开槽导体接地平板3、介质基板4、微带馈电线5；采用分层结构，整体是勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1一层很薄的贴片依附在介质基板2上，开槽导体接地平板3夹在相同大小的介质基板2与介质基板4之间，介质基板4将微带馈电线5与开槽导体接地平板3隔开，介质基板2将开槽导体接地平板3与勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1隔开。本发明所述天线将分形几何与射频天线相结合，综合考虑了微带天线的窄带宽的缺点设计了一种较少用到的组合结构分形几何辐射贴片，进一步展开了天线工作带宽，在工作频段呈现为多频带的特性，不仅具有微带天线小型化，剖面薄，重量轻，易于集成的优点，还解决了微带天线带宽窄和频段单一的缺点，在有限的尺度内呈现成多个工作频带，且各个频带之间隔离度较好，满足当今无线通信系统的需求。
附图说明
18.图1为本发明的一种基于口径耦合馈电的勾股树-地毯分形多频天线的结构主视图。
19.图2为本发明实施例中所述天线内部分形(三阶sierpinski地毯分形)详细结构
图。
20.图3为本发明实施例中所述天线的具体结构图(俯视图)。
21.图4为本发明实施例中在工作频段内的回波损耗示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图与实施例进一步阐述本发明的技术方案。
23.如图1所示，一种基于口径耦合馈电的勾股树-地毯分形多频天线结构主视图，包括：勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1、介质基板2、开槽导体接地平板3、介质基板4、微带馈电线5。采用分层结构，整体是勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1一层很薄的贴片依附在介质基板2上，开槽导体接地平板3夹在相同大小的介质基板2与介质基板4之间，形状大小与介质基板一致且对齐，介质基板4将微带馈电线5与开槽导体接地平板3隔开，介质基板2将开槽导体接地平板3与勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1隔开。
24.在本实施例中，所述天线引入了具有可调节性的组合分形结构，组合分形结构指天线辐射贴片，即勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1，主体结构为外层的三阶及以上的勾股树分形结构，内部结构为sierpinski地毯分形结构，整体作为贴片天线。
25.其中，组合分形中，包括外部(勾股树分形)，内部(sierpinski地毯)分形结构都至少在两阶以上，所述勾股树分形外形由正方形贴片组成。
26.在本实施例中，所述勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1是金属薄片，由分形基元紧贴在介质基板2上，并且以此为基准，进行平移旋转放缩，形成高阶勾股树分形，并且与分形基元进行电气连接，形成整体。
27.在本实施例中，所述内部sierpinsk地毯是以正方形为基础的，要求每行正方形孔边长为上一级正方形孔边长的1/3，并且同一级的正方形大小相同，且同一级正方形直接的间距为正方形边长，同一列正方形要求同上所述；将一个实心正方形划分为的9个小正方形，去掉中间的小正方形，再对余下的小正方形重复这一操作便能得到高一阶的sierpinski地毯。
28.如图2所示，分形馈电基元是三阶sierpinski地毯，其分形维数为1.892，构造方法是，一个边长为a的正方形基片1，在其中心位置镂空一个a/3的正方形2，在正方形1的四个顶点与正方形2的四个顶点的连线中心在镂空八个边长为a/9的正方形3，此时正方形1一共有八个“回”字结构的小单元4，每个“回”字单元4再重复以上操作便可以得到如图2所示的sierpinski地毯基本馈电单元。本实施例中采用a＝2.5mm的sierpinski地毯。
29.勾股树分形的构造方式是，以一个分形馈电基元为基准，由起始的正方形贴片开始作为口径缝隙的主体辐射单元，二级正方形贴片5，6一共两片，通常设置为一级正方形贴片边长的0.707或略大于0.707，两片二级正方形贴片的边分别与一级正方形贴片的边顺时针和逆时针呈45度角，且两片二级正方形贴片关于一级正方形贴片的中心轴线对称，可以选择边长略大于说明给出的尺寸方便焊接并免除一些边界交会处过小而产生的工艺问题。在二阶正方形贴片的边线基础上，将边长为二阶正方形贴片的0.707左右的三阶正方形贴片7，8，9，10分别顺时针和逆时针旋转45度，以二阶正方形贴片轴线为基准呈对称状，共计4个，再通过工艺贴合在一起。依此类推，最终形成高阶勾股树分形结构天线。
30.可以看出对于勾股树分形5，7，8或者5，9，10与1，5，6三者相似，对于三阶
sierpinski地毯而言，4与1相似，即满足局部相似和整体相似的关系，满足分形结构的基本要素。其中sierpinski地毯结构也可以根据实际需要换成其他的镂空分形结构体。本实施例采用的勾股树和sierpinski地毯分形均为三阶，也可以换成其他阶数。会影响天线谐振点的产生以及偏移。
31.在本实施例中，所述介质基板为矩形形状，基板板材要求为损耗角较小的射频板材，材料选择fr-4板材或介电常数εr＝2.2的rogersrt droide/5880(tm)，损耗角正切值为0.0009，且射频基板为矩形，长度为24mm，宽度为18mm，厚度为1.6mm。
32.两片介质基板夹着一块很薄的开槽导体接地平板3，形状大小与介质基板一致，开槽导体接地平板3上有矩形口径开槽，大小为0.155mm*1.4mm，位于距离介质基板下端8mm且左右端的中心处。
33.在本实施例中，所述微带馈电线5中，包括一个输入波端口和一个中心信号线，中心信号线整体呈现窄条状，一端贴近整个装置的馈电边缘，另一端导引电磁波透过开槽导体接地平板3口径中心信号线和勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1均以开槽导体接地平板3的开槽口径中心轴线为对称轴。
34.其中，微带馈电线5贴合在介质基板4底部，可以增加谐振枝节的微带线，且微带馈电线5可以自由调节长度，大小为9mm*0.55mm，微带馈电线5的末端与开槽导体接地平板3的口径相隔一个介质基板4的厚度，开槽导体接地平板3的口径与勾股树-sierpinski地毯组合分形辐射体1之间相隔一个介质基板2的厚度。
35.如图3所示，在本实施例中，勾股树分形结构采用三阶分形，组成勾股树分形的内嵌基片采用三阶sierpinski地毯，所述天线工作频段范围为1-12ghz，在工作频段工作时，输入端口与图3的微带馈电线5相连，微带馈电线5的电磁能量通过介质基板2、4和开槽导体接地平板3，使得导体贴片与接地板之间激励射频电磁场，并通过贴片四周的缝隙向外辐射，最终在sierpinski地毯激起感应电流，sierpinski地毯内部分形基元的电流与整体相一致，且由勾股树分形结构引导，从而增强方向性，并在整个工作频段内产生多频点特性，每个频点之间具有一定的规律性，取决于分形结构。
36.本实施例中，充分融合了两种不同分形的优势，利用了勾股树分形的导向性以及sierpinski地毯分形的自填充性，内嵌的sierpinski地毯分形使得在有限的空间内表面电流流向发生改变，改变整体阻抗特性，提供了更多的谐振模式，在一个宽频段内产生多频特性。
37.在本实施例中，所述天线中，将分形几何与射频天线相结合，综合考虑了微带天线的窄带宽的缺点，选择使用口径耦合的馈电方式，即通过在接地平板上开槽一个矩形带隙，来形成馈线和辐射体之间的电磁耦合。属于一种间接馈电方式，可以有效的避免馈电线本身带来的电磁辐射干扰。但是，在工艺层面上，口径耦合馈电需要对多层之间的对齐较为严格。和直接馈电相比，口径耦合馈电方式需要考虑更多的设计参数，更方便进行天线性能的优化，口径将会显著改变输入阻抗的特性，这种方法通过缝隙来激励基片另一面的辐射体，馈电元和寄生元是二个谐振回路，当两者频率接近时，使频带大幅度展宽。
38.本实施例中所述的组合分形结构具有可调节性，内层和外层的阶数均可调节以满足特定情况下的需要。在外层勾股树分形达到三阶以上时，往往可以达到在工作频段内产生多个频点的效果，而内嵌的sierpinski地毯分形结构可以使用二阶或者三阶，内部分形
结构的阶数不同可以在某个频段处展宽工作频带，但亦有可能在某个工作频段内回波损耗增大或者使得频点偏移。
39.本实施例中所设计的组合分形天线，分形结构部分会因为分形阶数不同尺寸大小不同，需要合理设置馈电口径以及馈电线长度，保证天线性能。由于馈电线与分形辐射体并不直接连接，可以更好的分别合理设置位置和大小，保证天线最佳辐射性能，必要时可以通过在馈电线上增加枝节改变输入阻抗以更好的贴合辐射贴片的阻抗达到最佳的辐射效果。
40.如图4所示，本实施例的回波损耗s11仿真结果，每条曲线代表不同的基片大小对应的结果。可以看到相比于传统微带贴片天线的窄带宽以及单一工作频率，本实施例不仅取得了更好的辐射性能，而且具有多个谐振频点，且多谐振频点之间具有一定的规律，性能最佳时达到-38db。基本达成了小型化，且多频工作相邻工作频率比的天线辐射特性。
41.本实施例可以应用到激光雷达测距领域，作为高精度功能安全型雷达的接收装置，由于高方向性，使得本实施例能定向接受来自某一发射方向特定谐振频率的电磁波，很难收到其他干扰。且满足当下并行接受的条件，可以作为激光雷达测距装置的接受组件。
42.综上，本发明将分形几何与射频天线相结合，并综合考虑了微带天线的窄带宽的缺点，分别采用了更为灵活的口径耦合馈电方式，并设计了一种较少用到的组合结构分形几何辐射贴片，这两种方法会进一步展开天线工作带宽，在工作频段呈现为多频带的特性。本发明所述天线不仅具有微带天线小型化，剖面薄，重量轻，易于集成的优点，还解决了微带天线带宽窄和频段单一的缺点，在有限的尺度内呈现成多个工作频带，且各个频带之间隔离度较好，满足当今无线通信系统的需求。