基于皮亞諾分形結構的微帶陣列天線設計

張澤奎+陳星

摘 要： 為了適應現代無線通信對高增益寬頻帶天線的要求，改善微帶天線增益低、帶寬窄的缺陷，基于皮亞諾分形結構，設計研究一款工作在X波段的高增益、寬頻帶微帶陣列天線。該天線由64個分形輻射單元組成輻射陣列來獲得較高的增益，同時增加了寄生層形成F?P諧振腔，有效地提高了天線的帶寬。仿真和測試結果表明，在10 GHz處天線的增益為24.1 dBi，小于-10 dB的相對阻抗帶寬達到了12.6%，同時天線的口徑效率為89.4%。相對于傳統的矩形結構，減小了天線的尺寸，實現了天線的小型化。

關鍵詞： 皮亞諾分形； 高增益； 寬頻帶； 小型化天線

中圖分類號： TN823?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0074?03

Design of microstrip array antenna based on Peano fractal structure

ZHANG Zekui， CHEN Xing

（College of Electronics and Information Engineering， Sichuan University， Chengdu 610064， China）

Abstract： To adapt to the requirements of modern wireless communication to high?gain broadband antenna， and improve the defects of low gain and narrow bandwidth of microstrip antenna， a microstrip array antenna with high?gain broadband works at x?band is studied based on Peano fractal structure. This antenna consists of 8×8 fractal radiation array to acquire the higher gain. The parasitism layer is added to form F?P resonant cavity， which can improve antenna bandwidth efficiently. Simulation and test results show that the antenna gain is 24.1 dBi when antenna works at 10 GHz， the relative impedance bandwidth can reach 12.6% when [S11<]-10 dB， and the caliber efficiency can reach 89.4%. Compared with traditional rectangle structure， the proposed fractal array can reduce antenna dimension， and realize antenna miniaturization.

Keywords： Peano fractal； high gain； broadband； miniaturization antenna

0 引 言

隨著無線通信技術的發展，高增益、寬頻帶天線得到了越來越廣泛的應用，同時對具有該類特性的天線設計提出了更加嚴格的要求。由于微帶天線具有重量輕、低剖面、尺寸小和易于加工等特點，使得微帶天線自從發明以來在無線通信方面得到了十分廣泛的應用[1?3]。但是，由于傳統的微帶天線增益低、帶寬窄，又極大地限制了它的應用。

近來，針對微帶天線增益低的缺點，學者們提出了各種各樣的方法來提高微帶天線的增益，組陣就是最常用的一種方法[4?6]。然而，通過組陣方式雖然能夠提高天線的增益，但是，天線的阻抗帶寬將會隨著陣列的增加，變得越來越窄。另外一種增加微帶天線增益的方法，就是利用超材料技術，如電磁帶隙結構（EBG）和頻率選擇表面（FSS）。如文獻[7]利用EBG結構，天線在工作頻點處的增益高達27.0 dBi。文獻[8]則利用FSS結構，在工作頻點處的增益也達到了21.7 dBi。但是，二者的口徑效率均小于50%。

此外，采用一些特殊的結構能極大改善微帶天線的帶寬。參考文獻[9]采用了3層結構，天線的相對阻抗帶寬達到了12.5%。分形技術在天線設計中的應用同樣有助于改善微帶天線的帶寬，這是因為分形結構具有自相似的特性，能增加電流的流動路徑。正如文獻[10]所示，利用分形結構，天線的相對阻抗帶寬達到了49%，很大程度上改善了微帶天線的性能。

本文設計研究了一種雙層結構的微帶陣列天線，該天線的輻射單元采用了皮亞諾分形結構，不僅提高了微帶天線的增益，同時提高了微帶陣列天線的阻抗帶寬，這種結構的微帶天線應用前景廣泛。

1 天線設計與測試

分形結構具有很多特性，例如自相似性和空間填充性。將分形技術應用于天線的輻射單元，有利于減小天線的尺寸和獲得多個諧振點[11]。所以，分形結構常用來改善陣列天線的性能，如皮亞諾分形結構。

皮亞諾分形曲線如圖1所示。定義皮亞諾分形比為[n=f2f1，]將圖中所示的[f1]進行三等分后彎折得到皮亞諾分形結構。如果將該分形結構應用于矩形貼片的每一邊，得到如圖2所示的皮亞諾分形貼片結構。因為該結構將增加電流的流動路徑，并可能激發多個諧振，所以有可能提高天線的帶寬。

圖1 皮亞諾分形曲線

圖2 皮亞諾分形結構貼片單元

1.1 天線設計

為了驗證該設計方案，組陣主要是提高天線的增益，而采用雙層結構的形式能有效地提高天線的帶寬。首先設計單層的8×8陣列天線，天線的每個單元均采用如圖2所示的皮亞諾分形結構，采用相對介電常數為2.65，厚度為0.5 mm的介質板。天線采用1分64的功率分配網絡進行饋電，天線結構圖如圖3所示。

圖3 單層陣列天線結構圖

針對該結構的單層陣列天線，經過仿真軟件的優化設計，最終得到天線在工作頻點10 GHz處的增益達到了23.0 dBi，回波損耗小于-10 dB的相對帶寬約為1.5%，說明采用單層的陣列結構就能夠得到很高的增益，但是帶寬相對很窄。對單層的天線同樣進行了加工測試，得到如圖4所示的[S11]參數。

圖5給出了天線結構的側視圖。該天線分為上下兩層，上層為寄生層，下層為輻射層，兩層所用介質基板的介電常數同為[er，]厚度為[h。]上下兩層之間為空氣層，空氣層厚度為[hz。]天線采用特性阻抗為50 Ω的同軸進行饋電，饋電口位于下層輻射層，同軸內導體與微帶功率分配器中心相連。

圖4 單層陣列天線S11的仿真測試結果

圖5 天線結構側視圖

上層寄生層和下層輻射層的俯視圖和分形單元的俯視圖如圖6所示。為了在工作頻段10 GHz的增益大于24 dBi的增益，同時使得[S11<]-10 dB的相對阻抗帶寬大于10%，天線采用了64個分形輻射單元組成8×8的陣列，上層同樣由64個相同結構的分形單元組成8×8的陣列，上層寄生層的主要作用是提高天線的阻抗帶寬。

圖6 輻射層和寄生層的俯視圖

1.2 仿真與測試結果

天線介質基板的介電常數為[er，]厚度[h=0.5 ]mm。通過仿真優化，最終得到各部分的參數如表1所示。天線的最終尺寸為143 mm×143 mm，圖7給出了加工的實物圖，圖8和圖9分別給出了仿真和測試的[S11]參數和方向圖。

表1 最終的結構參數 mm

[[hz]＼&[D]＼&[L]＼&[W1]＼&[W2]＼&[W3]＼&[L0]＼&[L1]＼&[L2]＼&[L3]＼&[Lt]＼&2＼&9.12＼&8.82＼&1.38＼&1.38＼&1.28＼&0.81＼&1.30＼&5.30＼&3.24＼&8.02＼&]

圖7 加工實物圖

圖8 仿真與測試的[S11]參數

圖9 仿真與測試的方向圖

從圖8可以看出，實測的相對阻抗帶寬略小于仿真的結果，且在8.4 GHz，11.2 GHz和11.9 GHz出現了諧振，但是測試與仿真結果仍具有良好的一致性。測試數據表明，該天線的相對阻抗帶寬為12.6%（從9.5～10.76 GHz）。圖9所示的測試與仿真方向圖表明，天線的增益滿足了設計要求，達到了24.1 dBi。從中還可以看出天線的旁瓣大于仿真的結果，但是仍小于主瓣10 dB，這可能是因為加工的誤差和測試時上下兩層之間的間距無法保證完全一致。

2 結 論

本文仿真、加工并測試了一款采用皮亞諾分形技術的微帶陣列天線。仿真和測試結果表明，利用皮亞諾分形結果作為天線的輻射單元能有效地減小天線的尺寸。該設計方法在提高天線增益的同時，也能保證很寬的相對阻抗帶寬。最終在工作頻點10 GHz處的增益達到了24.1 dBi，[S11<]-10 dB的相對阻抗帶寬為12.6%。

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