分形阵列螺旋仿生超宽带天线设计

收稿日期:2017-08-15
基金项目:福建省自然科学基金(2016J01318)。

作者简介:林斌(1984-),男,福建漳州人,厦门大学嘉庚学院信息科学与技术学院讲师,研究方向:微波射频器件设计、太赫兹波段器件设计。

分形阵列螺旋仿生超宽带天线设计
林斌,刘泽泰,张颖,蔡沅坤,叶广雅,张培涛
(厦门大学嘉庚学院,福建漳州363105)
摘要:文章针对移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统对天线的性能要求,使用耳蜗螺旋仿生辐射结构
作为阵元天线,谢尔宾斯基分形结构作为阵列排布结构,设计了一款分形阵列螺旋仿生超宽带天线,并对其工作
性能进行了测试。

测试结果表明,该款天线的工作频带范围为0.537~13.158GHz ,工作带宽为12.621GHz ,带宽倍
频程为24.51,回波损耗最小值为-32.08dB 。

该款天线完全覆盖了移动通信系统所有工作频段、射频识别系统频
段、超宽带系统频段。

因此,它是一款性能很好的超高兼容性通信天线。

关键词:移动通信系统;射频识别系统;超宽带通信系统;耳蜗螺旋仿生天线;谢尔宾斯基分形阵列
中图分类号:TN 828.6文献标识码:A 文章编号:1671-2250(2018)01-0088-04
0引言
移动通信是无线技术的最重要应用之一,目前我国第二代、第三代、第四代移动通信长期共存,第五代移动通信已在研发之中,将于2020年投入使用。

不同制式、多个频段的移动通信无线信号将长期共存,这就需要移动通信天线具有很好的多频段兼容能力,能够同时覆盖GSM 0.905~0.915GHz 、0.950~0.960GHz 、1.710~1.785GHz 、1.805~1.880GHz 频段,TD-SCDMA 1.880~1.920GHz 、2.010~2.025GHz 、2.300~2.400GHz 频段,WCDMA 1.920~1.980GHz 、2.110~2.170GHz 频段,TD-LTE 2.570~2.620GHz 频段,第五代移动通信3.300~3.400GHz 、4.400~4.500GHz 、4.800~4.990GHz 候选频段,尺寸较小且有足够的性能冗余[1,2,3]。

国内外现有的多频段移动通信天线存在的问题是未能完全覆盖第二代至第五代移动通信频
段,且难以兼顾小尺寸和高辐射强度两个性能要求。

射频识别技术是一种基于无线通信的识别技术,识别过程可自动进行,识别准确性高且成本低廉,在
多个领域已得到广泛的应用[4,5]。

目前,射频识别技术最具有应用前景的频段为0.902~0.928GHz 、2.400~
2.4835GHz 和5.725~5.875GHz 。

国内外传统的射频识别天线类型主要是各种偶极子天线及其改进形式,此外周期性天线、折叠曲流天线、微带天线、环天线、缝隙天线、立体结构天线、倒F 天线等在射频识别系统中的应用也都有相关的研究[6,7,8]。

现有射频识别天线存在的主要问题是工作中心频率稳定性不够好、回波损耗和工作带宽性能冗余不足、多个工作频段的性能不平衡。

超宽带(UWB )通信技术是目前国际上电子通信科研领域的研究热点之一,是未来近程无线互联的主要手段。

美国联邦通信委员会(FCC )确定的超宽带(UWB )通信的频段为
3.100~10.600GHz ,这一标准
现在已成为超宽带通信系统天线的国际标准[9,10]。

目前超宽带天线设计中存在的最大问题是天线未能真
第1期
正实现“宽带”。

目前的超宽带天线大多是用多个工作频段叠加的方式,实现对3.100~10.600GHz频段的覆盖,而严格意义上的超宽带天线需要用一个很宽的工作频段覆盖3.100~10.600GHz频段,且工作频段内天线的回波损耗值波动较小。

移动通信系统、射频识别系统、超宽带系统工作频率接近,且都需要移动终端(智能手机、射频识别读写器和超宽带终端),如果能设计一款天线,同时覆盖第二代移动通信GSM制式0.905~0.915GHz、
0.950~0.960GHz、1.710~1.785GHz、1.805~1.880GHz频段,第三代移动通信TD-SCDMA制式1.880~
1.920GHz、
2.010~2.025GHz、2.300~2.400GHz频段,第三代移动通信WCDMA制式1.920~1.980GHz、
2.110~2.170GHz频段,第四代移动通信TD-LTE制式2.570~2.620GHz频段,第五代移动通信
3.300~
3.400GHz、
4.400~4.500GHz、4.800~4.990GHz三个候选频段,射频识别系统0.902~0.928GHz、2.400~ 2.4835GHz、
5.725~5.875GHz三个常用频段,超宽带系统3.100~10.600GHz频段,尺寸较小且有足够的性能冗余,就能够实现对移动通信系统、射频识别系统、超宽带系统的兼容。

使用该款天线后,智能手机可以和射频识别读写器、超宽带终端设备结合在一起,可实现多种无线通信终端的整合。

1耳蜗螺旋仿生天线简介
目前在生物科学领域,对生物的声波和超声波收发器官的研究已取得重大进展。

声波、超声波和电磁波的传播遵循相似的物理定律,将生物的声波和超声波收发器官的工作原理应用到微波波段天线设计中,可以帮助人类提高天线的性能,设计出更高性能的仿生天
线。

耳蜗是人类听觉器官的重要组成部分,它由螺旋状的薄骨
构成,这种螺旋结构使耳蜗能够接收频率在20Hz-20KHz之
间的声波信号。

如果将微波天线领域的带宽倍频程的概念用于声
波领域,计算出的耳蜗的带宽倍频程可以达到1000倍。

将耳蜗的
天然超宽带工作原理用于微波天线领域,可以设计具有超宽工作
频段的天线。

课题组使用阿基米德螺旋结构模拟耳蜗的构造,得到耳蜗
螺旋仿生天线如图1所示。

该天线的起始段为阿基米德螺旋结
构,与耳蜗的螺旋构造较为相似,保证天线具有很宽的工作频
段。

阿基米德螺旋线宽不变,电流减小较慢,要满足终端条件,需旋
转10个周期以上。

为了控制天线的尺寸不至于过大,天线的末端
使用了平面等角螺旋结构,电流在其上迅速减小,保证了天线旋转较少的周数就能满足截断条件。

2谢尔宾斯基分形阵列简介
耳蜗螺旋仿生天线虽然具有超宽的工作频段,能够实现完全覆盖第二代至第五代移动通信系统、射频识别系统、超宽带通信系统工作频段,但其毕竟只是单体天线,辐射能量有限,辐射能量分布在如此宽的工作频带上,会造成天线辐射强度较弱。

多个天线组成阵列,可以有效增强辐射。

分形阵列是按照分形规律排布的天线组阵方法,可以充分发挥分形结构宽频工作的特点,在通过组阵增强辐射的同时,保证天线具有较大工作带宽。

谢尔宾斯基分形是一种常见的面分形
结构,在射频天线设计中得到广泛的应用
[11,12],其迭代过程如图2所示。

课题组在设计中采用谢尔宾斯基分形结构的分形迭代规律作为阵元天线的排布方式。

(b)1
阶
图2谢尔宾斯基分形结构示意图
(a)0阶(c)2
阶
图1耳蜗螺旋仿生天线结构示意图
林斌,刘泽泰,张颖,等:分形阵列螺旋仿生超宽带天线设计
2018年1月
浙江万里学院学报
图5天线样品照片图6天线实测辐射性能图7天线实测方向图
3分形阵列螺旋仿生超宽带天线结构设计
天线基板为低损耗微波陶瓷基板,如图3所示。

基板形状为矩形,尺寸是31.5mm ×31.5mm ×1.8mm 。

为了让天线具有更好的宽频带工作性能,课题组在天线基板中使用了”渐变介电常数”技术。

基板整体由9层尺寸一致,厚度均为0.2mm 的陶瓷层构成,9层陶瓷层的介电常数分别为60、62、64、66、68、66、64、62、60。

使用渐变介电常数基板后,天线整体近似由9个基板介电常数不同的小天线叠加组成。

9个小天线的工作频段不同,它们的工作频段叠加会组成一个很宽的工作频段。

分形阵列螺旋仿生超宽带天线结构如图4所示。

在设计中使用尺寸为31.5mm ×31.5mm 的2阶谢尔宾斯基分形结构作为基本阵列排布结构,在其内部每个尺寸为3.5mm ×3.5mm 的小正方形区域放置一个耳蜗螺旋仿生天线,组成分形阵列螺旋仿生辐射贴片。

每个耳蜗螺旋仿生天线的尺寸为3.5mm ×3.5mm ,其结构如图4所示,其由两条对称的螺旋臂组成,每条螺旋臂的起始端是模拟耳蜗螺旋结构的阿基米德螺旋臂,末端是具有电流快速衰减效应的平面等角螺旋臂。

每个耳蜗螺旋仿生天线的对称中心线上开设有断开间隙,在每个断开间隙的两侧设有天线馈电点。

使用耳蜗螺旋仿生天线作为阵元天线,保证了天线具有宽频带工作特性。

使用渐变介电常数基板,进一步拓展了天线的工作频段。

将阵元天线按照谢尔宾斯基分形阵列结构排列组成天线阵列,天线整体上是谢尔宾斯基分形结构,局部是耳蜗螺旋仿生天线,天线兼具二者的优点,能够兼容移动通信系统、射频识别系统、超宽带系统,且有足够的性能冗余。

4天线样品制作与测试
根据前文所述的设计方案,我们使用磁控溅射工艺制作出了分形阵列螺旋仿生超宽带天线样品,如图5所示。

课题组对天线的工作性能进行了测试,结果如图6、图7所示。

图3天线基板结构图4天线
结构设计
第1期林斌,刘泽泰,张颖,等:分形阵列螺旋仿生超宽带天线设计
从图6可知,实测结果显示,该款天线的工作频带范围为0.537~13.158GHz,工作带宽为12.621GHz,带宽倍频程为24.51,回波损耗最小值为-32.08dB。

实测结果显示,该款天线实现了设计目标,完全覆盖了第二代至第五代移动通信系统所有工作频段、射频识别系统三个常用频段、超宽带通信系统工作频段。

从图7可知,该款天线的方向图电面有效辐射角度超过280度,磁面在360度范围内均能有效辐射,该天线具有良好的全向工作能力。

5结语
针对第二代至第五代移动通信系统、射频识别系统、超宽带系统对天线的性能要求,文章使用具有渐变介电常数性能的低损耗微波陶瓷基板作为天线基板,将耳蜗螺旋仿生天线和谢尔宾斯基分形阵列相结合,设计了一款分形阵列螺旋仿生超宽带天线,制作了天线样品进行了测试。

该款天线尺寸较小,在拥有64个阵元天线的情况下,天线尺寸只有31.5mm×31.5mm×1.8mm,能够放入各种无线通信终端设备里;天线辐射强度大,回波损耗最小值低达-32.08dB,保证了天线对无线通信信号有较好的传输效果;天线工作带宽达到12.621GHz,带宽倍频程达到24.51,实现了对GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、第五代移动通信候选频段等移动通信制式的所有工作频段、射频识别系统频段、超宽带系统频段的兼容。

该款天线在超过12GHz的很宽的频段内都具有稳定而均匀的工作性能,具有较大应用潜力。

参考文献院
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2018年1月浙江万里学院学报
Design of the Fractal Array Spiral Bionic Ultra Wideband Antenna LIN Bin,LIU Ze-tai,ZHANG Ying,CAI Yuan-kun,YE Guang-ya,ZHANG Pei-tao
(Xiamen University Tan Kah Kee College,Zhangzhou Fujian363105)
Abstract:A fractal array spiral bionic ultra wideband antenna was designed to meet with the requirements of the antenna's performances including mobile communication systems,radio frequency identification systems and ultra-wideband communication systems.As an element of the antenna,the cochlea spiral bionic and the Sierpinski fractal array structure were applied to design the antenna.Meanwhile,the performance of the antenna was detected.The results indicated that the antenna's working frequency range could be0.537GHz to13.158GHz,the bandwidth was up to12.621GHz,the bandwidth octave was 24.51,and the minimal return loss was-32.08dB.The working frequency of this antenna completely covered all bands of the mobile communication systems,the radio frequency identification systems,and the ultra-wideband systems.Therefore,it is a highly compatible communication antenna with excellent performances.
Key words:mobile communication system;radio frequency identification system;ultra-wideband communication system;cochlea spiral bionic antenna;Sierpinski fractal array
(责任编辑:刘阳雄) (上接第82页)
Studies on nonspecific immunity of Chinese soft-shell turtles
(pelodiscus sinensis)in different populations and seasons
CHEN Zhong-fa,WANG Wei,XU Jie-hao,YIN Shang-jun,QIAN Guo-ying
(Zhejiang Wanli University,Zhejiang Provincial Top Key Discipline of Biological Engineering,Ningbo Zhejiang315100) Abstract:Nonspecific immunity is the first line of body defense reactions,and the basis of all immunologic defense abilities.The present study measured the differences of nonspecific immunity indexes in4populations of Chinese soft-shell turtle,including Huanghe River populations from Henan and Shandong,the Japanese soft-shell turtles from Hangzhou,and the Huangsha population from Guangxi.Meanwhile,nonspecific immunity indexes were also compared among different seasons in April,August and October.The results indicated that the indexes of GSH-PX and LZM in Huangsha population were significantly lower than those of the other populations(P<0.05).And the nonspecific immune ability of the Japanese soft-shell turtles in April was significantly lower than that in August and October(P<0.05).Therefore,the nonspecific immunity abilities of Chinese soft-shell turtles were different among different populations and seasons.
Key words:Chinese soft-shell turtle;nonspecific immunity;population;season
(责任编辑:刘阳雄)。