專利名稱：基于分形理論的角反射器天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種小型化的天線。
背景技術(shù)：
隨著無線電通信行業(yè)的不斷向前發(fā)展，人們對設(shè)備的集成度要求越來越高，如 GPS，DRM，3G系統(tǒng)等。同時這些系統(tǒng)還應(yīng)具有體積小、重量輕、寬頻帶等特性，這就對系統(tǒng)天 線的設(shè)計提出了更高要求，如多頻段、電小尺寸、低輪廓等等。然而，天線屬窄帶器件范疇， 其特性主要依賴于天線尺寸和系統(tǒng)信號波長的比值，當天線結(jié)構(gòu)固定時，其諧振特性、輻射 特性往往取決于系統(tǒng)的工作頻率，天線小型化難度大。為解決這一問題，近年來產(chǎn)生了諸多 天線小型化的設(shè)計方法及手段，主要包括(1)彎折線天線彎折線天線是最常用的天線小型化設(shè)計方案之一，該類型天線一般采用彎曲折疊 方法，使天線導線在有限空間內(nèi)達到規(guī)定長度。其采用的彎折方式主要有蛇形線、螺旋方 法、空間彎曲折疊等等。目前該技術(shù)正在向二維空間或三維空間擴展，從而減小包圍天線圓 球的半徑，達到縮減天線空間的目的。總體來說，輻射效率高是彎折線天線具有的特點，但 存在的問題是天線工作頻點處輻射阻抗較低，需要利用額外的調(diào)諧措施與饋源匹配。(2)加載天線加載技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的天線小型化方法，具有較長發(fā)展歷史。根據(jù)加載位置 不同，可分為頂部、中部、底部加載等天線形式。常用的加載方法主要是電阻、電抗及混合加 載。在系統(tǒng)工作頻率不高時，一般采用集總加載方法；工作頻率較高時，則采用分布電阻加 載。近年來，該類型天線主要是采用鐵氧體或其它介質(zhì)材料進行加載。當信號在介電常數(shù)
為ε ρ磁導率為^的材料中傳播時，波長相當于原波長的倍。由于天線高度比擬于
信號波長，所以與自由空間傳播相比，鐵氧體加載天線具有更小的物理尺寸。受加載空間及
材料厚度限制，鐵氧體材料無法填充整個天線空間，小型化比例在工程應(yīng)用中低于·Τ。。
此外，鐵氧體天線方向性強，不利于全向接收；屬脆性材料，容易破碎。(3)開槽作為一種天線小型化的輔助技術(shù)，開槽分為天線表面開槽和接地板開槽兩種，主 要應(yīng)用于微帶天線、電子標簽天線等貼片天線的設(shè)計中。其基本原理是通過在天線本身，或 接地板上開縫、開槽等手段將規(guī)則形狀的天線表面電流路徑彎曲，相當于增加了天線貼片 長度，降低了諧振頻率。(4)左手介質(zhì)天線2000年以來，隨著左手介質(zhì)的問世，針對天線加載技術(shù)的研究又重新被人們重視 起來，左手介質(zhì)加載天線成為了該領(lǐng)域的研究熱點。作為一種特殊的高性能磁性材料，左手 介質(zhì)介電常數(shù)、磁導率均為負值，又被稱為雙負介質(zhì)。目前，國內(nèi)外針對左手介質(zhì)天線的研 究已經(jīng)逐步由甚高頻段向GHz頻段、THz頻段擴展，近年來不斷有相關(guān)文獻發(fā)表。但針對該天線的研究僅僅停留在理論階段，尚未應(yīng)用于工程實踐。與其他天線小型化手段相比，分形曲線具有利用無線場曲線填充有限大空間的特 點，將這種曲線用于天線設(shè)計可大大增加天線電長度，增加天線輻射電阻。因此，近年來分 形天線始終被認為是小型化程度最高的天線形式，始終活躍在天線研究領(lǐng)域的前沿。“分形”概念首先由Mandelbrot于1975年提出，后被廣泛應(yīng)用于科學和工程的 各個領(lǐng)域，其中的一個重要分支就是分形天線。目前分形天線的理論研究主要有Cantor， Koch, Sierpinski三角形、Pean0、Hilbert、分形環(huán)、分形樹等等。雖然分形天線具有這樣或 那樣的優(yōu)點，但應(yīng)用于工程實踐的很少，其主要原因在于分形天線一般采用細導線結(jié)構(gòu)，屬 電小天線范疇，輻射電阻較小，在諧振頻點處分形天線增益過低，作為接收天線難以滿足增 益高于3dB的基本設(shè)計要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改善傳統(tǒng)分形天線增益過低問題、能夠滿足一般無線 電設(shè)備接收天線小型化設(shè)計要求的基于分形理論的角反射器天線。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明基于分形理論的角反射器天線，其特征是包括導線層、電介質(zhì)層，導線層 包括首尾相連的帶有角點的導線段，所述的導線段為分形結(jié)構(gòu)，導線層有兩層、敷設(shè)于電介 質(zhì)層上表面，導線層在電介質(zhì)層上的覆蓋面為矩形面，覆蓋面的邊長為導線段的邊長，兩片 導線層可成0 180度間任意張角，兩片導線層其末端固連，兩片導線層相固連的導線段幾 何中心處設(shè)置天線饋電點。本發(fā)明還可以包括1、所述的導線段為銅箔。2、所述的導線段上鍍錫層。3、所述的電介質(zhì)層為環(huán)氧樹脂電介質(zhì)板、介電常數(shù)為4. 4，電介質(zhì)層的邊長長于導 線層的邊長，差值范圍為2-4mm。本發(fā)明的優(yōu)勢在于小型化程度優(yōu)于傳統(tǒng)分形天線，克服了傳統(tǒng)分形天線增益過 低，難以用于工程實踐的技術(shù)難點，是一種高增益接收天線，滿足天線增益高于3dB的基本 設(shè)計要求，具有多頻段特性，天線諧振頻段高于傳統(tǒng)分形天線，諧振頻段數(shù)是相同條件下傳 統(tǒng)分形天線的兩倍；具有全向性特點，對來自各個方向信號具有相同的增益，駐波特性良 好，回波損耗低，敏感于微弱信號。
圖1為傳統(tǒng)角反射器天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為以三階分形、張角45度的基于Hilbert分形的角反射器天線為例的本發(fā)明 結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為三階分形、180度張角的基于Hilbert分形的角反射器天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為三階分形、180度張角的基于Hilbert分形的角反射器天線側(cè)面示意圖；圖5為三階分形、180度張角的基于Hilbert分形的角反射器天線安裝示意圖；圖6為三階分形、180度張角的基于Hilbert分形的角反射器天線的回波損耗示意圖；圖7為三階分形、180度張角的基于Hilbert分形的角反射器天線的駐波特性示意 圖；圖8為三階分形、180度張角的基于Hilbert分形的角反射器天線第一諧振頻點處 的E面歸一化方向圖；圖9為三階分形、180度張角的基于Hilbert分形的角反射器天線第一諧振頻點處 的H面歸一化方向圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述結(jié)合圖1 9，如圖1所示為傳統(tǒng)角反射器天線基本結(jié)構(gòu)圖，角反射器天線實質(zhì)上 是利用鏡像理論，在原有激勵源后特定位置放置反射板，從而形成激勵源鏡像，提高天線增 益。由于增益過低是傳統(tǒng)分形天線難于工程應(yīng)用的關(guān)鍵，因此將角反射器天線設(shè)計思想引 入分形天線可一定程度上改善這一問題，加快分形天線工程應(yīng)用進程。如圖2至圖5所示，其中圖2為45度張角基于Hilbert分形的角反射器天線結(jié)構(gòu)， 圖3至圖5分別為180度張角基于Hilbert分形的角反射器天線結(jié)構(gòu)圖、側(cè)視圖、及安裝示 意圖。圖2至圖5給出的天線結(jié)構(gòu)除張角及分形階數(shù)外并無顯著不同，因此本發(fā)明統(tǒng)一進 行闡述，最終以180度張角天線為例進行天線特性說明。本發(fā)明包括電介質(zhì)層1、導線層2 和接地板4。導線層2依附于電介質(zhì)層以便安裝，在本發(fā)明中敷設(shè)于電介質(zhì)層1表面，接地 板4放置于導線層2及接地板4下方。導線層2包括多條首尾相連的，帶有角點的彎曲導 線段22，導線段22根據(jù)三階Hilbert分形曲線設(shè)計，構(gòu)成三階接收天線元件。導線層2在 電介質(zhì)層1上的覆蓋面為矩形面，覆蓋面邊長為導線層2的邊長，饋電點3設(shè)置于導線段22 上。本示例中，導線段22材質(zhì)為銅箔，為防止氧化、延長天線使用壽命，在導線段22上鍍有 錫層；電介質(zhì)層1采用環(huán)氧樹脂電介質(zhì)板，介電常數(shù)為4. 4，電介質(zhì)層1邊長略大于導線層2 邊長，差值范圍越2 4mm。本示例中以180度張角天線進行說明。其導線層2為矩形結(jié)構(gòu)，長150mm，寬70mm， 精細結(jié)構(gòu)比值為5，電介質(zhì)層1的厚度為1mm。圖6為三階分形的，180度張角基于Hilbert分形的角反射器天線回波損耗示意 圖。如圖6所示，在該條件下天線中共存在6個諧振頻段，諧振頻點分別為161MHzJ98MHz、 421MHz、569MHz、71 IMHz 和 84IMHz,相對帶寬分別為 12. 78%,10. 23%、11. 54%,9. 91
10. 46%、11.3%，回波損耗均高于6dB。由此可見，在前三個諧振頻段內(nèi)，天線可作為系統(tǒng)輻 射天線元件使用；在后三個頻段，也滿足接收天線回波損耗不低于6dB的基本設(shè)計要求，可 作為系統(tǒng)接收天線使用。對于基于分形理論的角反射器天線來說，天線特性受制于外圍尺 寸、分形階數(shù)、精細結(jié)構(gòu)、饋電位置、電介質(zhì)板等諸多因素影響，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮，確定適 合系統(tǒng)要求的天線結(jié)構(gòu)。圖7給出了三階分形的，180度張角基于Hilbert分形的角反射器天線駐波特性。 一般情況下，天線駐波比小于1. 5證明天線、饋線匹配良好。由圖7可見，在第一諧振頻點 處，天線駐波比(VSWR)達到了 1.06，說明本示例天線具有良好的駐波特性。圖8、圖9分別為第一諧振頻點處天線E面、H面方向圖。由圖可見，本發(fā)明中天線具有全向性特點，天線增益達3. 3dB，符合接收天線設(shè)計標準。本發(fā)明中基于分形理論的角反射器天線的制備方法主要包括以下步驟(1)根據(jù)相關(guān)公式計算分形天線諧振頻率，以確定天線分形階數(shù)、外圍尺寸、接地 板及電介質(zhì)層相關(guān)參數(shù)。(2)利用電磁場計算軟件仿真優(yōu)化，具體確定最終天線設(shè)計參數(shù)；參數(shù)主要包括 精細結(jié)構(gòu)比值、介質(zhì)板厚度、介質(zhì)介電常數(shù)、饋電位置等。本發(fā)明中選擇CST微波實驗室作 為仿真軟件。(3)設(shè)計印刷電路板，并通過電路板制作工藝得到基于分形理論的角反射器天線。(4)對基于分形理論的角反射器天線導線段鍍錫。在步驟(3)中，本示例具體操作內(nèi)容主要包括根據(jù)步驟(1)、(2)中所得結(jié)果，利 用ftx)tel軟件繪制印刷電路板圖，經(jīng)針式打印機輸出到不干膠紙，然后將不干膠紙貼在適 合尺寸的覆銅板上(覆銅板已清潔處理)，使用切紙刀片沿線條輪廓切出，將需腐蝕部分紙 條撕去，投入化學溶液中腐蝕(本發(fā)明中選用三氯化鐵)，30 60分鐘后將印刷電路板取 出清洗、曬干，即完成制作。同樣的，步驟(3)中印刷電路板的制作同樣可通過其他方式完成。附圖中的頻率單位均為MHz。
權(quán)利要求
1.基于分形理論的角反射器天線，其特征是包括導線層、電介質(zhì)層，導線層包括首尾 相連的帶有角點的導線段，所述的導線段為分形結(jié)構(gòu)，導線層有兩層、敷設(shè)于電介質(zhì)層上表 面，導線層在電介質(zhì)層上的覆蓋面為矩形面，覆蓋面的邊長為導線段的邊長，兩片導線層可 成0 180度間任意張角，兩片導線層其末端固連，兩片導線層相固連的導線段幾何中心處 設(shè)置天線饋電點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分形理論的角反射器天線，其特征是所述的導線段為 銅箔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于分形理論的角反射器天線，其特征是所述的導線 段上鍍錫層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于分形理論的角反射器天線，其特征是所述的電介 質(zhì)層為環(huán)氧樹脂電介質(zhì)板、介電常數(shù)為4. 4，電介質(zhì)層的邊長長于導線層的邊長，差值范圍 為 2-4mmο
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于分形理論的角反射器天線，其特征是所述的電介質(zhì) 層為環(huán)氧樹脂電介質(zhì)板、介電常數(shù)為4. 4，電介質(zhì)層的邊長長于導線層的邊長，差值范圍為 2_4mmο
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供基于分形理論的角反射器天線，包括導線層、電介質(zhì)層，導線層包括首尾相連的帶有角點的導線段，所述的導線段為分形結(jié)構(gòu)，導線層有兩層、敷設(shè)于電介質(zhì)層上表面，導線層在電介質(zhì)層上的覆蓋面為矩形面，覆蓋面的邊長為導線段的邊長，兩片導線層可成0～180度間任意張角，兩片導線層其末端固連，兩片導線層相固連的導線段幾何中心處設(shè)置天線饋電點。本發(fā)明是一種高增益接收天線，滿足天線增益高于3dB的基本設(shè)計要求，具有多頻段特性，天線諧振頻段高于傳統(tǒng)分形天線，諧振頻段數(shù)是相同條件下傳統(tǒng)分形天線的兩倍；具有全向性特點，對來自各個方向信號具有相同的增益，駐波特性良好，回波損耗低，敏感于微弱信號。
文檔編號H01Q9/16GK102142608SQ201110076568
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者劉洋, 孫麗麗, 王偉, 趙琳 申請人:哈爾濱工程大學