本發(fā)明涉及天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種帶阻抗匹配的分形環(huán)天線。

背景技術(shù)：

在無線通信和微波能量傳輸領(lǐng)域中，環(huán)天線得到了廣泛的應(yīng)用。而分形幾何具有空間填充和自相似的特性。因此將分形幾何和天線設(shè)計(jì)結(jié)合起來，可以實(shí)現(xiàn)天線的小型化和多頻特性。

對于周長近似于波長的環(huán)天線，它的輻射阻抗是200歐姆左右。環(huán)天線的這種特性使得它很難匹配標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆電路?，F(xiàn)有的技術(shù)在對其進(jìn)行阻抗匹配時(shí)一般通過在距離天線水平方向h處放置一個(gè)無限大的地平面反射器，理論上，選擇一個(gè)合適的高度h可以調(diào)整天線輸入阻抗使之匹配到50歐姆。然而，這樣的反射平面增加了天線的總尺寸。如果天線是制造在單層介質(zhì)基片PCB的上下層的話，由于市售這種基片的厚度相當(dāng)有限，因此往往無法選擇到合適的h。且這種引入反射地平面來調(diào)整輻射阻抗的方案增加了總尺寸，這不符合天線設(shè)計(jì)中緊湊性的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決以上現(xiàn)有技術(shù)的難題，提供了一種分形環(huán)天線，該天線具備阻抗匹配能力，且由于其用于調(diào)整阻抗的部件是設(shè)置在環(huán)內(nèi)的，因此分形環(huán)天線不增加總體面積，甚至可以制作得更加的小型化。

為實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案是：

一種帶阻抗匹配的分形環(huán)天線，所述分形環(huán)天線包括有設(shè)置在環(huán)內(nèi)的金屬平面，所述金屬平面用于調(diào)整分形環(huán)天線的阻抗匹配。

上述方案中，設(shè)置于環(huán)內(nèi)的金屬平面能夠大大地改善分形環(huán)天線的輸入阻抗，在具體實(shí)施時(shí)通過調(diào)整金屬平面的尺寸就能夠使分形環(huán)天線匹配到所需的阻抗，同時(shí)改善分形環(huán)天線匹配到更低的諧振頻率。由于金屬平面是設(shè)置在環(huán)內(nèi)的，因此天線可以設(shè)計(jì)得更加的小型化。

優(yōu)選地，所述分形環(huán)天線采用KOCH分形結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述金屬平面經(jīng)過鏤空處理。

優(yōu)選地，所述分形環(huán)天線呈矩形狀，其每條邊均設(shè)置有KOCH分形結(jié)構(gòu)，其饋電端口設(shè)置在矩形狀分形環(huán)天線任意一條邊上。

優(yōu)選地，所述分形環(huán)天線呈正方形狀或長方形狀，所述正方形狀或長方形狀的分形環(huán)天線的每條邊均由2個(gè)2階KOCH分形結(jié)構(gòu)連接而成；其饋電端口設(shè)置在任意一條邊的中點(diǎn)處。

優(yōu)選地，所述金屬平面呈矩形狀。

優(yōu)選地，所述分形環(huán)天線呈正三角形狀，所述正三角形狀分形環(huán)天線的每條邊均由2個(gè)2階KOCH分形結(jié)構(gòu)連接而成，其饋電端口設(shè)置在任意一條邊的中點(diǎn)處。

優(yōu)選地，所述金屬平面呈正三角形狀。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供的分形環(huán)天線相對于現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)在于其環(huán)內(nèi)增設(shè)了一金屬平面，增設(shè)的金屬平面用于對分形環(huán)天線的輸入阻抗進(jìn)行調(diào)整，由于金屬平面是設(shè)置在環(huán)內(nèi)的，因此不增加額外的面積，有利于分形環(huán)天線的小型化設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用這種天線設(shè)計(jì)，在不減弱其他性能的條件下，能夠達(dá)到更優(yōu)的阻抗匹配效果。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1的分形環(huán)天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實(shí)施例1的分形環(huán)天線的另一種優(yōu)選方案的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為實(shí)施例2的分形環(huán)天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為實(shí)施例2的分形環(huán)天線的另一種優(yōu)選方案的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為內(nèi)部不設(shè)置金屬平面的分形環(huán)天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為圖5的分形環(huán)天線的等效電路圖。

圖7為圖1的分形環(huán)天線的等效電路圖。

圖8為圖1、圖5的分形環(huán)天線的反射系數(shù)對比圖。

圖9為圖1的分形環(huán)天線的仿真3D輻射增益方向圖。

圖10為圖1的分形環(huán)天線仿真和測試得到的YZ平面的2D增益方向圖。

圖11為圖1的分形環(huán)天線測試得到的最高增益和效率圖。

具體實(shí)施方式

附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例提供的分形環(huán)天線1呈正方形狀，其每條邊均由2個(gè)2階的KOCH分形結(jié)構(gòu)2連接而成，其饋電端口3設(shè)置在任意一條邊的中點(diǎn)處，同時(shí)，分形環(huán)天線1的環(huán)內(nèi)設(shè)置有一金屬平面4，本實(shí)施例中，所述金屬平面4呈正方形狀，所述金屬平面4用于調(diào)整分形環(huán)天線1的阻抗匹配。

上述方案中，設(shè)置于環(huán)內(nèi)的金屬平面4能夠大大地改善分形環(huán)天線1的輸入阻抗，在具體實(shí)施時(shí)通過調(diào)整金屬平面4的尺寸就能夠使分形環(huán)天線1匹配到所需的阻抗，同時(shí)改善分形環(huán)天線1匹配到更低的諧振頻率。由于金屬平面4是設(shè)置在環(huán)內(nèi)的，因此天線可以設(shè)計(jì)得更加的小型化。

如圖2所示，所述金屬平面4可依據(jù)阻抗匹配的需要進(jìn)行鏤空處理。經(jīng)過鏤空處理的金屬平面4呈環(huán)狀。

實(shí)施例2

如圖3所示，本實(shí)施例提供的分形環(huán)天線1呈正三角形狀，所述正三角形狀分形環(huán)天線1的每條邊均由2個(gè)2階KOCH分形結(jié)構(gòu)2連接而成，其饋電端口3設(shè)置在任意一條邊的中點(diǎn)處。分形環(huán)天線1的環(huán)內(nèi)設(shè)置有一金屬平面4，所述金屬平面4呈正三角形狀。所述金屬平面4在具體實(shí)施的時(shí)候，是用來對分形環(huán)天線1的阻抗進(jìn)行匹配的。

上述方案中，設(shè)置于環(huán)內(nèi)的金屬平面4能夠大大地改善分形環(huán)天線1的輸入阻抗，在具體實(shí)施時(shí)通過調(diào)整金屬平面4的尺寸就能夠使分形環(huán)天線1匹配到所需的阻抗，同時(shí)改善分形環(huán)天線1匹配到更低的諧振頻率。由于金屬平面4是設(shè)置在環(huán)內(nèi)的，因此天線可以設(shè)計(jì)得更加的小型化。

如圖4所示，所述金屬平面4可依據(jù)阻抗匹配的需要進(jìn)行鏤空處理。經(jīng)過鏤空處理的金屬平面4呈環(huán)狀。

實(shí)施例3

圖6為圖5的分形環(huán)天線1的等效電路圖，因此可以對饋電端口3的輸入阻抗進(jìn)行計(jì)算：

其中，Cp為2個(gè)饋電接頭之間的等效寄生電容，C1為分形環(huán)天線1的等效串聯(lián)寄生電容，L1為分形環(huán)天線1的等效串聯(lián)寄生電感，Rrad為環(huán)天線的等效輻射電阻,ω為角頻率ω＝2πf。由于環(huán)天線的串聯(lián)等效歐姆電阻很小，在此處忽略不計(jì)。

假設(shè)饋電端口3的源阻抗為Z_O,可以得到反射系數(shù)為

圖7所示是圖1的分形環(huán)天線1的等效電路圖，增加的環(huán)內(nèi)阻抗匹配金屬平面增大了串聯(lián)等效電感，電感增量為L2。增大電感的工作原理可以理解為：分形環(huán)天線相當(dāng)于變壓器的線圈，環(huán)內(nèi)金屬平面相當(dāng)于變壓器線圈中間的鐵棒，增加了等效電感，因此表現(xiàn)在線圈額外串聯(lián)了一個(gè)等效電感L2。此時(shí)將上式中的L1替換為L1+L2，則輸入阻抗為：

因此，可以計(jì)算得到圖1所示分形環(huán)天線的反射系數(shù)S11.

圖8所示是圖1和圖5的分形環(huán)天線的反射系數(shù)S11的對比圖，圖1、圖5中，KOCH分形結(jié)構(gòu)的分形環(huán)天線1尺寸一致，唯一的區(qū)別是圖5中的天線無環(huán)內(nèi)金屬平面，圖1的天線環(huán)內(nèi)設(shè)置有金屬平面。由圖8可以看出圖1的天線具有更低的S11，即具有更好的阻抗匹配效果；同時(shí)圖1天線的中心頻率也更低，這說明了在設(shè)計(jì)的頻率情況下，環(huán)內(nèi)金屬面可以使天線更加小型化。用等效電路圖建模仿真的方法，也可以驗(yàn)證上述提升阻抗匹配的效果。

圖9為圖1的分形環(huán)天線的仿真3D輻射增益方向圖。圖10為圖1的分形環(huán)天線仿真和測試得到的YZ平面的2D增益方向圖。圖11為圖1的分形環(huán)天線測試得到的最高增益和效率圖。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。