基于分形结构的超宽带天线的制作方法

1.本实用新型涉及天线技术领域，特别涉及基于分形结构的超宽带天线。


背景技术：

2.超宽带(ultra-wideband，uwb)技术是目前备受关注的一种新型短距离高速率无线通信技术。2002年，联邦通信委员会(fcc)发布了一个带宽标准为7.5ghz的超宽带无线通信频段，覆盖的频率范围为3.1ghz-10.6ghz，在工业和学术方面，超宽带无线电技术已经投入大量的研究工作。与其他传统的无线通信技术相比较，uwb的技术特点主要有传输速率高、通信距离短、平均发射功率低、隐蔽性好，不易被截获、保密性高、多径分辨率极高、适合于便携型应用等。
3.使用分形结构是一种更有效拓展天线带宽和减小天线尺寸的方法，也是一种有效实现超宽带的方法。由于分形结构具有自相似的特性，通过调节分形结构中的参数，将多频的各个谐振点相互拉近，进而实现天线的宽带特性。其次，由于分形结构具有空间填充特性，使天线具有小型化的特性。因此，分形天线技术极大促进了超宽带天线技术的发展与应用。
4.分形超宽带天线的覆盖范围与其分形结构的具体构造密切相关，例如申请号为201410586712.6的中国发明专利申请公开了一款分形超宽带天线，虽然其工作频带为2.2ghz-10.2ghz，初步实现了的超宽带，但是还存在进一步提升的空间。


技术实现要素：

5.本实用新型解决的技术问题为：提供一种小型高性能的基于分形结构的超宽带天线，该基于分形结构的超宽带天线能够覆盖2.4ghz-16ghz频带。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：基于分形结构的超宽带天线，包括介质基板和分别设于所述介质基板的顶面的馈电线、辐射贴片及接地片，所述馈电线连接所述辐射贴片，所述馈电线的两侧分别具有所述接地片，所述辐射贴片的中部具有呈花朵状的分形结构，所述分形结构包括一阶纹样结构，所述一阶纹样结构包括绕同一中心轴均布的n个结构单元，n为大于或等于2的正整数；所述结构单元包括第一运算图形和第二运算图形，所述第一运算图形为第一椭圆结构，所述第二运算图形为第一运算图形缩小到0.8倍并旋转后形成的第二椭圆结构；所述一阶纹样结构中，所述第一运算图形未与所述第二运算图形重合的区域镂空。
7.进一步地，所述辐射贴片的外轮廓呈圆形。
8.进一步地，所述辐射贴片的半径为10.6mm。
9.进一步地，所述n为3。
10.进一步地，所述分形结构还包括二阶纹样结构，所述二阶纹样结构依据所述一阶纹样结构缩小0.6倍而形成，其中，所述二阶纹样结构的中心与所述一阶纹样结构的中心同
心。
11.进一步地，所述第一椭圆结构的长轴为16mm，短轴为8mm。
12.进一步地，所述介质基板的介电常数为3.66，电损耗正切值为0.004。
13.进一步地，所述馈电线呈矩形，所述馈电线的长度为5.35mm，所述馈电线的长度为0.44mm。
14.进一步地，所述接地片呈矩形，所述接地片的长度为14.73mm，宽度为5.25mm。
15.本实用新型的有益效果在于：本基于分形结构的超宽带天线利用分形几何结构的空间填充性增加天线的电长度，使天线在有限的空间内实现更大的电流有效路径长度，提高天线的辐射效率，实现天线的小型化。并且将天线外观结构的设计与仿生学相结合，不仅在性能上满足设计的需求，也从艺术的视角促进了科学技术的发展。本基于分形结构的超宽带天线为一款单极子天线，使用共面波导结构进行馈电，进行了二阶分形演变后天线性能达到最优。
16.本基于分形结构的超宽带天线具有尺寸小、重量轻的优势，以极小的天线尺寸实现了2.4ghz-16ghz的宽带覆盖；使用共面波导馈电，辐射损耗小，易于其他元器件实现串并联；结构简单，便于生产。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
18.图1为本实用新型实施例一的基于分形结构的超宽带天线的透视图；
19.图2为本实用新型实施例一的基于分形结构的超宽带天线的俯视图；
20.图3为本实用新型实施例一的另一种结构的基于分形结构的超宽带天线的俯视图(当分形结构为一阶分形结构时)；
21.图4为本实用新型实施例一的基于分形结构的超宽带天线在不同阶数的rl曲线图；
22.图5为本实用新型实施例一的基于分形结构的超宽带天线的增益曲线图；
23.图6为本实用新型实施例一的基于分形结构的超宽带天线在3.6ghz时的辐射方向图；
24.图7为本实用新型实施例一的基于分形结构的超宽带天线在6.3ghz时的辐射方向图；
25.图8为本实用新型实施例一的基于分形结构的超宽带天线在12.2ghz时的辐射方向图；
26.图9为本实用新型实施例一的基于分形结构的超宽带天线在13.6ghz时的辐射方向图。
27.附图标号说明：
28.1、介质基板；
29.2、馈电线；
30.3、辐射贴片；31、分形结构；311、第一运算图形；312、第二运算图形；313、第一镂空区；314、第二镂空区；
31.4、接地片。
具体实施方式
32.本实用新型目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
33.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
34.需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后
……
，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
35.另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
36.另外，若全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“和/或”为例，包括方案，或方案，或和同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
37.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
38.实施例一
39.请参照图1至图9，本实用新型的实施例一为：如图1和图2所示，基于分形结构的超宽带天线，包括介质基板1和分别设于所述介质基板1的顶面的馈电线2、辐射贴片及接地片4，所述馈电线2连接所述辐射贴片3，所述馈电线2的两侧分别具有所述接地片4，所述辐射贴片3的中部具有呈花朵状的分形结构31。本实施例中，所述辐射贴片3的外轮廓呈圆形，所述馈电线2与所述接地片4分别呈矩形。
40.如图3所示，所述分形结构31包括一阶纹样结构，所述一阶纹样结构包括绕同一中心轴均布的n个结构单元，n为大于或等于2的正整数；所述结构单元包括第一运算图形311和第二运算图形312，所述第一运算图形311为第一椭圆结构，所述第二运算图形312为第一运算图形311缩小到0.8倍并旋转后形成的第二椭圆结构；所述一阶纹样结构中，所述第一运算图形311未与所述第二运算图形312重合的区域镂空形成第一镂空区313。经实验仿真，将辐射贴片3的外轮廓的基础模型设计为圆形结构，并将分形结构31设计成以椭圆结构
为基础的类花朵结构，可以更大限度的达到扩大带宽的效果。
41.本实施例中，所述n为3，也就是说，任意相邻的两个所述结构单元中，一个所述结构单元中心旋转60
°
后与相邻的另一个所述结构单元重合。
42.如图1和图2所示，进一步地，所述分形结构31还包括二阶纹样结构，所述二阶纹样结构依据所述一阶纹样结构缩小0.6倍而形成，其中，所述二阶纹样结构的中心与所述一阶纹样结构的中心同心。容易理解的，所述二阶纹样结构形成有第二镂空区314。
43.经实验仿真，本实施例最终确定二阶模型为最终天线模型。若对基于分形结构的超宽带天线有不同的性能需求，可以通过改变第一椭圆结构的长轴与短轴长度，或增加/减少分形阶数等方法达到改变电长度以及电流分布的目的从而改变基于分形结构的超宽带天线的性能。
44.本实施例中，所述辐射贴片3与接地片4的阻抗匹配为50欧姆；所述辐射贴片3的半径为10.6mm；所述第一椭圆结构的长轴为16mm，短轴为8mm；所述介质基板1为30mm*30mm*0.51mm的rogers ro4350，所述介质基板1的介电常数为3.66，电损耗正切值为0.004；所述馈电线2的长度为5.35mm，所述馈电线2的长度为0.44mm；所述接地片4的长度为14.73mm，宽度为5.25mm，所述馈电线2的长度方向与所述接地片4的宽度方向相同，所述馈电线2远离所述辐射贴片3形成有波导端口。
45.对本实施例的基于分形结构的超宽带天线进行仿真测试，得到如图4至图9所示测试结果图。
46.图4为实施例的基于分形结构的超宽带天线在不同阶数的rl曲线图，从s参数曲线可以看出，基于分形结构的超宽带天线的s11在2.4ghz-16ghz均在参考电平-10db以下，符合设计需求。
47.图5为实施例的基于分形结构的超宽带天线的增益曲线图，从图中可以看出，本实施例的基于分形结构的超宽带天线增益较高，并且随着频率升高，增益逐渐增大。
48.图6为实施例的基于分形结构的超宽带天线在3.6ghz时的辐射方向图；图7为实施例的基于分形结构的超宽带天线在6.3ghz时的辐射方向图；图8为实施例的基于分形结构的超宽带天线在12.2ghz时的辐射方向图；图9为实施例的基于分形结构的超宽带天线在13.6ghz时的辐射方向图；从图6至图9可以看出，本实施例的基于分形结构的超宽带天线在低频时表现出良好的全向性能，在频率为12.2ghz和13.6ghz时，产生副瓣，但其全向性依旧较好。
49.上述仅为本实用新型的可选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

技术特征：
1.基于分形结构的超宽带天线，包括介质基板和分别设于所述介质基板的顶面的馈电线、辐射贴片及接地片，所述馈电线连接所述辐射贴片，所述馈电线的两侧分别具有所述接地片，其特征在于：所述辐射贴片的中部具有呈花朵状的分形结构，所述分形结构包括一阶纹样结构，所述一阶纹样结构包括绕同一中心轴均布的n个结构单元，n为大于或等于2的正整数；所述结构单元包括第一运算图形和第二运算图形，所述第一运算图形为第一椭圆结构，所述第二运算图形为第一运算图形缩小到0.8倍并旋转后形成的第二椭圆结构；所述一阶纹样结构中，所述第一运算图形未与所述第二运算图形重合的区域镂空。2.根据权利要求1所述的基于分形结构的超宽带天线，其特征在于：所述辐射贴片的外轮廓呈圆形。3.根据权利要求2所述的基于分形结构的超宽带天线，其特征在于：所述辐射贴片的半径为10.6mm。4.根据权利要求1所述的基于分形结构的超宽带天线，其特征在于：所述n为3。5.根据权利要求1所述的基于分形结构的超宽带天线，其特征在于：所述分形结构还包括二阶纹样结构，所述二阶纹样结构依据所述一阶纹样结构缩小0.6倍而形成，其中，所述二阶纹样结构的中心与所述一阶纹样结构的中心同心。6.根据权利要求1所述的基于分形结构的超宽带天线，其特征在于：所述第一椭圆结构的长轴为16mm，短轴为8mm。7.根据权利要求1所述的基于分形结构的超宽带天线，其特征在于：所述介质基板的介电常数为3.66，电损耗正切值为0.004。8.根据权利要求1所述的基于分形结构的超宽带天线，其特征在于：所述馈电线呈矩形，所述馈电线的长度为5.35mm，所述馈电线的长度为0.44mm。9.根据权利要求1所述的基于分形结构的超宽带天线，其特征在于：所述接地片呈矩形，所述接地片的长度为14.73mm，宽度为5.25mm。

技术总结
本实用新型公开了基于分形结构的超宽带天线，包括介质基板和分别设于所述介质基板的顶面的馈电线、辐射贴片及接地片，所述馈电线连接所述辐射贴片，所述馈电线的两侧分别具有所述接地片，所述辐射贴片的中部具有呈花朵状的分形结构，分形结构包括一阶纹样结构，一阶纹样结构包括绕同一中心轴均布的n个结构单元；结构单元包括第一运算图形和第二运算图形，第一运算图形为第一椭圆结构，第二运算图形为第一运算图形缩小到0.8倍并旋转后形成的第二椭圆结构；一阶纹样结构中，第一运算图形未与所述第二运算图形重合的区域镂空。本基于分形结构的超宽带天线能够覆盖2.4GHz-16GHz，实现了更宽频带的覆盖。实现了更宽频带的覆盖。实现了更宽频带的覆盖。


技术研发人员：池静然 肖遥 郭晓娟
受保护的技术使用者：信维创科通信技术（北京）有限公司
技术研发日：2022.12.12
技术公布日：2023/8/26