一种类Sierpinski分形超宽带天线及其设计方法

技术领域

本发明属于无线通讯领域，尤其是涉及一种类Sierpinski分形超宽带天线及其设计方 法。

背景技术

超宽带技术(Ultra-Wideband,UWB)是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而 是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，其所占的频谱范围很宽，在3.1-10.6GHz频段中 占用500MHz以上的带宽。UWB技术具有设备功耗低、传输安全、抗干扰能力强、多径分辨能 力强等有点，使得UWB技术在射频、电路、系统及天线设计等领域中吸引了越来越多研究者 的兴趣。

与其他传统的无线通信技术(如RFID、WIFI等)相比，UWB是一种新型无载波无线通信 技术，即无需载波调制而是利用纳秒至微秒级的脉冲传输数据，相较于传统的窄带和宽带， 超宽带的频带更宽，因此极宽的带宽使得UWB技术在短距离范围内实现数百Mbit/s至数 Gbit/s数据传输速率，在定位测距中能够达到分米级的定位精度，适合室内复杂环境高精度 定位。

传统的UWB天线虽然各项性能指标均具有很宽的频带特性，但是天线尺寸大、剖面高等 缺陷限制了UWB技术的实际应用。为了满足当前电子产品日益小型化和便携化的要求，实现 超宽带天线的小型化设计是目前国内外的研究热点。而分型结构独有的自相似性和空间填充 性，可以有效扩宽天线带宽并减小尺寸，已然成为设计超宽带天线新方法。

但是，目前的超宽带天线的物理尺寸较大，不易于集成，因此，亟需设计中能够解决上 述技术问题的超宽带天线。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、尺寸小、性能稳定的类Sierpinski分形超宽带天线。

本发明的技术方案如下：

一种类Sierpinski分形超宽带天线，包括介质基板，所述介质基板的一面上贴合有辐射 单元、馈电单元和接地单元；

所述辐射单元为经过至少3次迭代分形形成的分形贴片、第一分贴片、第二分贴片构成 的且为连通体的成形贴片，所述成形贴片上形成有蚀刻缝隙；

所述馈电单元与所述辐射单元的底部连接；

所述接地单元设置在所述馈电单元的两侧，所述接地单元的顶边边缘的中心位置形成矩 形凹槽。

在上述技术方案中，所述分形贴片为Sierpinski分形结构。

在上述技术方案中，所述分形贴片为Sierpinski分形结构的3阶结构，1阶结构为圆环 与切除中间圆形的正六边形嵌套而成，2阶结构为1阶结构与缩小后的1阶结构的组合，3阶 结构为2阶结构、缩小后的2阶结构的组合。

在上述技术方案中，所述第一分贴片为圆形，圆形的第一分贴片嵌套在缩小后的2阶结 构内，所述第二分贴片为矩形，所述第一分贴片通过第二分贴片与所述缩小后的2阶结构连 接以构成成形贴片。

在上述技术方案中，所述第一分贴片与缩小后的2阶结构之间留有空隙，且在该空隙内 设置所述第二分贴片。

在上述技术方案中，所述馈电单元为矩形金属贴片，所述馈电单元的尺寸为 8.6-8.8mm*1.2-1.4mm，所述馈电单元位于所述介质基板的中线处，所述馈电单元的特征阻抗为50Ω。

在上述技术方案中，所述接地单元的尺寸为7.6-7.8mm*5.4-5.6mm，每个接地单元与馈 电单元之间的距离为0.25-0.45mm，所述接地单元的矩形凹槽的尺寸为 2.8-3.2mm*1.8-2.2mm，且该凹槽与所述接地单元的两侧边缘的距离分别为0.8mm-1.2mm、 1.3mm-1.7mm。

本发明的另一个目的是提供一种所述的类Sierpinski分形超宽带天线的设计方法，包括 以下步骤：

(1)利用Sierpinski分形方法，对辐射单元进行3次分形以得到分形贴片，在所述分 形贴片上与第一分贴片及第二分贴片组合，构成连通体的成形贴片；

(2)对所述接地单元的结构进行改进和优化，对称设置的接地单元为矩形，且在该接地 单元的顶边边缘的中心位置形成矩形凹槽；

(3)将馈电单元与辐射单元的底部连接形成整体。

在上述技术方案中，所述Sierpinski分形方法进行3次分形包括以下步骤：

(1-1)在初始结构为圆环内嵌入一个正六边形，在正六边形的中间切除一个圆形使正六 边形的中间具有空心圆，从而形成了第一迭代结构；

(1-2)将所述第一迭代结构缩小得到第一缩放结构，且将该第一缩放结构填充到第一迭 代结构的空心圆内，从而形成了第二迭代结构；

(1-3)将第二次迭代结构缩小得到第二缩放结构，且将该第二缩放结构填充到第二迭代 结构的空心圆内，从而形成了第三迭代结构；

(1-4)在所述第三迭代结构的空心圆内嵌入圆形的所述第一分贴片，圆形的第一分贴片 与空心圆为同心圆，且该第一分贴片与第三迭代结构的空心圆之间留有间隙，所述第一分贴 片的底部通过矩形的第二分贴片与第三迭代结构构成连通体的成形贴片，从而得到辐射单元。

在上述技术方案中，所述步骤(1-2)、(1-3)中第一缩放结构及第二缩放结构的缩放 比例为0.7-0.9。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.天线经过3次迭代形成分形结构，通过圆环与正六边形嵌套，使得辐射贴片上的电流 分布不局限于圆环边缘处，通过将正六边形切除中间圆形，并进行多次分形结构的迭代，极 大地增加了辐射贴片表面电流的传播路径，有效地降低了谐振频率，从而减小了天线的物理 尺寸。

2.通过Sierpinski分形形成的超宽带天线具有超宽带、多频工作、方向性好、驻波比小， 并且实现了良好阻抗匹配的优点，

3.天线的分形结构简单、尺寸紧凑、重量轻、损耗低，满足平面设计的要求。

4.克服了UWB天线尺寸大、制作成本高的问题，适合于小型化设备的使用。

附图说明

图1是本发明的类Sierpinski分形超宽带天线的结构示意图；

图2a是类Sierpinski分形超宽带天线的初始结构图；

图2b是基于图2a的接线单元形成凹槽的结构示意图；

图2c是基于图2b的1次迭代示意图；

图2d是基于图2c的2次迭代示意图；

图2e是基于图2d的3次迭代示意图；

图2f是基于图2e上设置第一分贴片及第二分贴片组成后的成形结构示意图；

图3是实施例2中类Sierpinski分形超宽带天线的回波损耗曲线图；

图4是实施例2中类Sierpinski分形超宽带天线回波损耗的仿真和测试结果示意图；

图5是实施例2中类Sierpinski分形超宽带天线在4.3GHz时E面和H面仿真的辐射方 向图；

图6是实施例2中类Sierpinski分形超宽带天线在7.5GHz时E面和H面仿真的辐射方 向图；

图7是实施例2中类Sierpinski分形超宽带天线在12GHz时E面和H面仿真的辐射方向 图。

图中：

1、辐射单元 2、接地单元 3、馈电单元

4、介质基板 5、第一分贴片 6、第二分贴片

7、凹槽

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例 仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，决不限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本发明的类Sierpinski分形超宽带天线，包括介质基板4，所述介质基板 4的一面上贴合有辐射单元1、馈电单元3和接地单元2(辐射单元1、馈电单元3与接地单元2设置在介质基板4的同一面构成共面波导结构，相比于现有的微带线馈电具有较低的损耗，更有益于与其他电路结构集成)；

所述辐射单元1为经过3次迭代分形形成的分形贴片、第一分贴片5、第二分贴片6构 成且为连通体的成形贴片，所述成形贴片上形成有蚀刻缝隙。

进一步地说，所述分形贴片为Sierpinski分形结构的3阶结构，1阶结构为圆环与切除 中间圆形的正六边形嵌套而成，2阶结构为1阶结构与缩小后的1阶结构的组合，3阶结构为 2阶结构、缩小后的2阶结构的组合。

进一步地说，所述第一分贴片5为圆形，圆形的第一分贴片5嵌套在缩小后的2阶结构 内，所述第二分贴片6为矩形，所述第一分贴片5通过第二分贴片6与所述缩小后的2阶结构连接以构成成形贴片。

进一步地说，所述第一分贴片5与缩小后的2阶结构之间留有空隙，且在该空隙内设置 所述第二分贴片6。

所述馈电单元3与所述辐射单元1的底部连接，所述馈电单元3为矩形金属贴片，所述 馈电单元3的尺寸为8.6mm*1.3mm，所述馈电单元3位于所述介质基板4的中线处，所述馈电单元3的特征阻抗为50Ω。

所述接地单元2的顶边边缘的中心位置形成矩形凹槽7，所述接地单元2对称设置在所 述馈电单元3的两侧。

进一步地说，所述接地单元2为2个矩形的金属贴片，每个矩形的金属贴片的尺寸为 7.8mm*5.5mm，每个金属贴片的顶边边缘的中心位置形成矩形凹槽7，2个矩形的金属贴片元 对称设置在所述馈电单元3的两侧。

进一步地说，所述矩形凹槽7的尺寸为3mm*2mm，矩形凹槽7与接地单元2的两侧边缘 的距离分别为1mm、1.5mm。

进一步地说，每个接地单元2的矩形金属贴片与馈电单元3之间的距离为0.35mm。

进一步地说，所述介质基板4使用PI(聚酰亚胺)介质板，其相对介电常数为3.5。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2所示，本发明的类Sierpinski分形超宽带天线的设计方法， 包括以下步骤：

(1)利用Sierpinski分形方法，对辐射单元1进行3次分形以得到分形贴片，在所述分形贴片上与第一分贴片5及第二分贴片6组合，构成连通体的成形贴片；

(1-1)在初始结构为圆环内嵌入一个正六边形，在正六边形的中间切除一个圆形使正六 边形的中间具有空心圆，从而形成了第一迭代结构；其中，初始结构的圆环的外圆半径为6mm， 内圆半径为5.5mm，在正六边形中间切除的圆形半径为4.8mm；

(1-2)将所述第一迭代结构缩小得到第一缩放结构，且将该第一缩放结构填充到第一迭 代结构的空心圆内，从而形成了第二迭代结构，其中，第一缩放结构的缩小比例为0.8；

(1-3)将第二次迭代结构缩小得到第二缩放结构，且将该第二缩放结构填充到第二迭代 结构的空心圆内，从而形成了第三迭代结构，其中，第二缩放结构的缩小比例为0.8；

(1-4)在所述第三迭代结构的空心圆内嵌入圆形的所述第一分贴片5，圆形的第一分贴 片5与空心圆为同心圆，第一分贴片5的半径为2.8mm，第一分贴片5与第三迭代结构的空 心圆之间留有间隙，间隙为0.2mm，所述第一分贴片5的底部通过矩形的第二分贴片6与第 三迭代结构构成连通体的成形贴片，从而得到辐射单元1，其中矩形的第二分贴片6的尺寸 为0.6mm*0.3mm。

(2)对所述接地单元2的结构进行改进和优化，2个对称设置的接地贴片的形状为矩形， 且在该接地贴片的顶边边缘的中心位置形成矩形凹槽7；

(3)将馈电单元3与辐射单元1的底部连接形成整体。

为了进一步地说明本发明的超宽带天线良好的性能，利用电磁仿真软件HFSS对本发明进 行建模仿真。

如图3所示，本发明的超宽带天线回波损耗小于-10dB的频带范围为3.1GHz-14GHz，达 到了超宽带频带范围。

为了进一步说明分形结构对天线设计的作用，利用电磁仿真软件HFSS对本发明进行建模 仿真得到的分步回波损耗，由图中可以看出，随着迭代次数的增加，天线阻抗匹配越高，能 够达到超宽带天线的性能要求。

如图5-7所示，超宽带天线在4.3GHz、7.5GHz和12GHz时的辐射方向图。由图5-7可知， 在4.3GHz、7.5GHz和12GHz时，天线的E面方向图呈现形状为“8”字的定向辐射，天线H面方向图近似圆形，呈现全向辐射特性，说明本发明的超宽带天线在整个通带频段内具有较 好的全向辐射特性。

本发明的超宽带天线带宽能够达到3.1GHz-14GHz，工作带宽覆盖了3.1-10.6GHz的超宽 带频段范围，并且在通带频段内具有全向辐射特性。

此外，本发明的介质基板4的尺寸为20.8mm*13mm*0.025mm，具有紧凑的结构，适用于 集成在UWB设备内。

在公开的文献：Dinesh V,Murugesan G.A CPW-Fed Hexagonal Antenna WithFractal Elements For UWB Applications[J].Appl.Math,2019,13(1):73-79.中提到的分形超宽 带天线实现了1.7GHz-11GHz的频带带宽，尺寸大小为25mm*25mm*1.588mm，虽然分形超宽带 天线达到了超宽带频带的范围，但是物理尺寸较大，不利于天线的集成。

在专利申请号为201910424911.X的专利中提出了一种类Sierpinski分形超宽带天线， 天线采用二阶分形结构作为辐射贴片，天线的整体尺寸为25mm*18mm*1.6mm，实现了在 3.6-19.3GHz的频带范围，虽然尺寸较前者减小一些，但物理尺寸仍较大，并且其在高频的 辐射方向图E面不是流畅的。

与上述公开的2中分形超宽带天线相比，本发明的尺寸为20.8mm*13mm*0.025mm，尺寸 更小，并且在其高频的辐射方向图中E面能够呈现流畅的“8”字型，H面不是流畅的圆形。

以此类推，可以得到三次以上迭代次数的天线。本发明通过增加迭代次数来优化天线高 频部分的阻抗匹配，且增加了带宽。在本实施例中仅给出了经3次迭代的实施例。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语， 用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转 90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名 称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任 何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发 明的保护范围。