阅读说明：本技术 基于交叉层叠分形环结构的超宽带天线 (Ultra-wideband antenna based on cross laminated fractal ring structure ) 是由 宋树祥 潘凯 李顺 于 2020-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于交叉层叠分形环结构的超宽带天线,包括介质基板、地板、馈线和主辐射贴片,所述的介质基板的背面设置有地板,所述的介质基板的正面设置有馈线和主辐射贴片；所述的主辐射贴片由多个同心设置的主圆环构成,每一阶所述的主圆环内加载了多个交叉层叠形式的同尺寸的小圆环。本发明采用交叉层叠分形环结构设计的天线拥有超宽的工作带宽,且具有良好的辐射特性和较为稳定的增益,适合应用于超宽带等多种无线通信系统。(The invention discloses an ultra-wideband antenna based on a cross laminated fractal ring structure, which comprises a dielectric substrate, a floor, a feeder line and a main radiation patch, wherein the floor is arranged on the back surface of the dielectric substrate, and the feeder line and the main radiation patch are arranged on the front surface of the dielectric substrate; the main radiation patch is composed of a plurality of main rings which are concentrically arranged, and a plurality of small rings which are in a cross laminated form and have the same size are loaded in each step of the main rings. The antenna designed by adopting the cross laminated fractal ring structure has ultra-wide working bandwidth, good radiation characteristic and stable gain, and is suitable for various wireless communication systems such as ultra-wide band and the like.)

基于交叉层叠分形环结构的超宽带天线

技术领域

本发明涉及通信天线领域，具体地说涉及一种基于交叉层叠分形环结构的超宽带天线。

背景技术

天线作为发射和接收电磁波信号的设备，在无线通信系统中起着不可或缺的作用。自2002年美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)把3.1-10.6GHz频谱划归为民用频段之后，超宽带(Ultra-Wide Band，UWB)技术以其宽带宽，低功耗及高速率等优点获得了快速发展，而超宽带天线即为基于超宽带技术的一种通信天线。传统的天线一般为窄带谐振式天线，工作带宽非常有限，无法适应现代通信中不断增长的信息流量。超宽带系统是拥有超宽带宽、高速传输速率，抗多径衰落及能量消耗少等优点的无线通信系统，比窄带通信系统更适合现代通信方式。

可以预见的是，随着通讯设备朝着简便易携及多频段工作方向发展，小尺寸及宽带宽将会成为天线设计的趋势，更多更好的解决方案将会被开发出来。而分形理论是一种描述不规则以及离散化的数学理论，将其应用于电磁领域尤其是天线设计，利用附带的自相似性使天线的辐射特性呈周期性变化，及空间填充性能有效提高空间的利用率，增大天线的有效电尺寸，以及延长天线的表面电流路径从而缩小尺寸和拓展带宽。分形结构有很多样式，为设计新型天线提供了多种可能性，将会在未来应用中拥有巨大的潜力。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，发明了基于交叉层叠分形环结构的超宽带天线。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

基于交叉层叠分形环结构的超宽带天线，包括介质基板、地板、馈线和主辐射贴片，所述的介质基板的背面设置有地板，所述的介质基板的正面设置有馈线和主辐射贴片；所述的主辐射贴片由多个同心设置的主圆环构成，每一阶所述的主圆环内加载了多个交叉层叠形式的同尺寸的小圆环。

本发明采用交叉层叠分形环结构设计的天线拥有超宽的工作带宽，且具有良好的辐射特性和较为稳定的增益，适合应用于超宽带等多种无线通信系统。

进一步，所述的主圆环设置有3个，由外向内其半径和厚度依次减小，分别为第一主圆环、第二主圆环和第三主圆环。

进一步，每一阶小圆环的外直径大小均等于对应阶主圆环外半径大小，所述的小圆环设置有3种，外直径由大到小分别为第一小圆环、第二小圆环和第三小圆环。

进一步，每一阶相邻的两个小圆环相位相差90度。

进一步，每一阶所述的小圆环都经过主圆环的圆心。

进一步，还包括阻抗变换结构，所述的馈线与主辐射贴片之间设置有阻抗变换结构，所述的阻抗变换结构与第一主圆环连接，能够使天线获得更好的阻抗匹配效果。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：1.天线阻抗带宽非常宽；2.体积较小；3.能够全向辐射；4.易于与其他电路集成。

附图说明

图1是本发明基于交叉层叠分形环结构的超宽带天线的正面结构示意图；

图2是本发明基于交叉层叠分形环结构的超宽带天线的背面结构示意图；

图3是本发明基于交叉层叠分形环结构的超宽带天线的回波损耗曲线图；

图4是本发明基于交叉层叠分形环结构的超宽带天线的峰值增益曲线图；

图5是本发明基于交叉层叠分形环结构的超宽带天线的辐射效率曲线图；

图6(a)-(c)是本发明基于交叉层叠分形环结构的超宽带天线在不同频率点的辐射方向图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

在本发明的描述中，需要说明的是，“正”、“背”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-2所示，本发明的基于交叉层叠分形环结构的超宽带天线，包括介质基板1、地板2、主辐射贴片4和馈线11，整体采用微带线馈电方式设计。其中，介质基板1采用介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的FR4材料，表面形状为矩形，其边长为34mm，宽度为25mm，厚度为1.6mm。主辐射贴片4、馈线11和地板2均采用金属镀铜。介质基板1的背面的下部设置有地板2，地板2为矩形与半椭圆形的结合体，其中矩形宽为23mm，高为6mm，椭圆的短半轴为4mm。所述的介质基板1的正面设置有馈线11和主辐射贴片4，馈线11连接在主辐射贴片4的下端。主辐射贴片4由3个半径和厚度由外到内依次减小的同圆心的主圆环构成，分别为第一主圆环5、第二主圆环6和第三主圆环7。其中，第一主圆环5的内外半径分别为9.5mm和11mm，厚度为1.5mm；第二主圆环6的内外半径分别为5.8mm和6.9mm，厚度为1.1mm；第三主圆环7的内外半径分别为3mm和3.8mm，厚度为0.8mm。

在每一阶主圆环内都设置有4个交叉层叠连接的小圆环，每一阶的小圆环的外直径大小均等于对应阶主圆环外半径大小，每相邻的两个小圆环相差90度，每相差180度的小圆环的圆心在同一条直线上，该直线同时也过主圆环圆心。每一阶的小圆环经过同阶主圆环的圆心即同阶的小圆环的外边缘会与大圆环的外边缘内切。所述的小圆环设置有3种，外直径由大到小分别为第一小圆环8、第二小圆环9和第三小圆环10。第一小圆环8的内外半径分别为4.9mm和5.5mm，厚度为0.6mm；第二小圆环9的内外半径分别为3.05mm和3.45mm，厚度为0.4mm；第三小圆环10的内外半径分别为1.6mm和1.9mm，厚度为0.3mm。

为了使天线获得更好的阻抗匹配效果，在馈线11与主辐射贴片4交接处加载了阻抗变化结构3，阻抗结构3的上端与第一主圆环5连接。其中阻抗变化结构3的上半部分高为3.26mm，宽为1mm，下半部分高为7.75mm，宽为2.3mm。

本发明的特点可通过结果进一步说明：

图3为回波损耗S11曲线图，回波损耗S11<-10dB的工作频段为2-11GHz，相对带宽达到了138.5％，说明了天线具有良好的阻抗匹配特性，覆盖了3.1-10.6GHz的超宽带频谱范围，拥有超宽带特性。

图4为天线的增益曲线图，天线在整体的工作频段内增益较高，波动较小，基本符合超宽带天线的辐射要求。

图5为天线辐射效率的曲线图，该天线在整体工作频段上的辐射效率处于较高的数值，范围在0.83-0.97之间，代表了该天线有良好的能量转换能力，总体辐射性能较好。

图6(a)-(c)分别为频率为4GHz，7GHz，10GHz的天线辐射方向图，其包括水平方向图E面(XOY)和垂直方向图H面(YOZ)，可以看出，天线在各频率点的E面辐射方向图为近似“8”字形，H面基本为圆形，能够全向辐射且辐射特性良好，满足超宽带天线的辐射要求。

尽管上文对本发明的具体实施方案进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方案进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。