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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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用于无线通信的多波段分形天线

Ancy P V1，萨提亚·布山·苏克拉2，A K普拉卡什3.， K K Mukundan4
  1. M Tech电子，TocH科学技术研究所，喀拉拉邦，印度
  2. 科学/工程师“SD”，ADRFD/RFSG/AVN, VSSC，印度Thiruvananthapuram
  3. 印度喀拉拉邦TocH科学技术研究所教授
  4. 科学/工程师“SG”，ADRFD/RFSG/AVN, VSSC，印度Thiruvananthapuram
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

现代无线通信对带宽的要求越来越高。传统上，每个天线工作在一个频段，不同的应用需要不同的天线。这将占用更多的占用空间。提出了一种用于无线通信的新型多波段分形天线。分形具有自相似的形状和空间填充特性。这种特性使得分形天线结构紧凑，可在多频段工作。分形天线是通过在一定比例因子下重复施加一个发生器形状，得到具有对数周期特征的多频带天线和小型化特征的天线。ISM频段(Industrial, Scientific and Medical频段)和GSM频段是目前最常用的无线频段。分形结构的工作频率覆盖两个GSM频段和一个ISM频段。模拟了Sierpinski和Minkowski分形结构。 Fractal with PIFA structure compromise size reduction. PIFA is one of the most promising antenna types because it is small and has a low profile, making it suitable for mounting on portable equipment. Sierpinski-PIFA gives 35% size reduction and 60% size reduction is possible using Minkowski- PIFA structure. The radiating element is etched on Nalco substrate with dielectric constant of 4.2. The Antenna was simulated using CST Microwave Studio based on FDTD method. Antenna design is discussed in detail and results obtained are presented here.



关键字
GSM波段，ISM波段，分形，PIFA结构和CST微波工作室

介绍
无线天线设计的约束条件包括对多波段共振的要求。双频、三频、四频和双模蜂窝电话是一种多频无线设备。双频段操作涉及在GSM模式下在850 MHz和1900 MHz频率下发射和接收，而双模式涉及在CDMA和GSM模式下操作。传统的天线无法满足这些要求，因此需要替代方法。可重构天线使用它可以获得多波段天线。一般来说，可重构性可以通过以下技术来实现:馈电网络中的可调谐元件、自适应匹配网络、移相器和可调谐滤波器、PIN二极管、MEMS等可调谐元件以及辐射元件中的最佳开关。但它很笨重，我们一次只能得到一个带子。因此，最近的天线发展将分形数学应用于天线设计，产生了具有多波段性能的新型分形天线。

分形的概念
分形天线可靠，性价比高。分形天线允许多波段功能，减小尺寸和最佳的智能天线技术。分形具有自相似的形状和空间填充特性，可以细分为各个部分。这种特性使得分形天线结构紧凑，工作在宽频波段。天线的不同分形元素使其具有不同的共振。几何结构中不连续的存在增加了天线的带宽和辐射特性。它也有很长的电气长度，适合一个紧凑的大小[5]。有很多数学结构都是分形;例:谢尔宾斯基的垫圈，闵可夫斯基的梳子，康托尔的梳子，冯·科赫的雪花，曼德尔布罗特集合，洛伦兹。吸引子等
分形特征
1)多电维，多频带或宽带，相邻谐振频率之间的比值与分形维数成正比。
2)小型化、紧凑化，有效填充空间。(它的电气长度也很长，适合紧凑的尺寸)
3)自载至50，不需要辅助电抗和电容。
4)阵列元素之间的相互耦合可以大大降低。
5)对于多波段，只需要一次馈电。
6)几何结构中不连续的存在增加了天线的带宽和辐射特性

不同分形结构的比较
Sierpinski的设计方法是将正常的方形斑块分成9等份，去掉中心部分。普通贴片负责低频，插槽负责高频。模拟sierpinski天线的宽度和长度分别为39和30。
Minkowski分形天线是基于方形发生器结构设计的。
W1(n+1) = a1xLn
W2(n+1) = a2xLn
W1为中间段宽度，W2为压痕宽度。a1是W1/L0比值，a2是W2/L0比值。N是迭代次数。平方长度L0=30 mm的初始值由典型微带贴片计算公式得出。[7]
图4显示了模拟的Sierpinski和minkowski分形结构。天线衬底为FR-4，介电常数为4.2。
表1比较了两种结构的频率、回波损耗、带宽和尺寸。
表1显示模拟sierpinski结构调谐到2.08GHz和6.7GHz频率，minkowski结构调谐到410MHz和2.24GHz频率。对于相同的尺寸(~30mm)， minkowski可以调到410MHz，而sierpinski只能调到2.08GHz。这意味着对于低频，闵可夫斯基更适合，因为它的尺寸与相同频率的谢尔宾斯基相比更小。因此，天线选用minkowski分形结构。

采用分形结构减小尺寸
从不同的分形分析来看，闵可夫斯基结构最适合考虑尺寸缩减。通过引入具有分形结构的平面倒F天线(PIFA)，微型化再次成为可能。PIFA对用户的后向辐射相对较小，可以减少手机可能的电磁能量吸收。但PIFA存在效率低、带宽窄、不能实现多频带等缺点。为了增强这些缺点，特别是窄带宽，并满足移动单元的小型化要求，Fractal PIFA被设计为[9]。图5显示了PIFA结构。
利用CST Microwave Studio对具有PIFA结构的Sierpinski进行了模拟。仿真结构如图6所示。
贴片天线的大小通常与四分之一波长相当。贴片天线的最大尺寸对应多波段天线的最低频率。在这种情况下，第一GSM频段(800MHz)是最低频率对于第一GSM频段(800MHz)，尺寸是94mm。也就是说，没有PIFA结构，sierpinski分形的尺寸为(~100x100)mm。使用PIFA结构和sierpinski分形，天线的尺寸减小到(65x65)mm。这意味着使用PIFA结构可以减少35%的尺寸。
Sierpinski PIFA结构的回波损失如图7所示。
从回波损失曲线可以清楚地看出，需要得到三个波段。对应带宽的三个频段如表2所示。
Minkowski-PIFA结构初始长度L0为40mm。即结构的尺寸为40mm，并进行了两次迭代。这样可以减少60%的尺寸。返回损失如图9所示。
表3显示了频带和相应的带宽。
所有这些频段在各种无线应用中都很有用，特别是波段1、波段2、波段3用于GSM，波段4用于3G业务，波段5用于ISM频段。

结论
本文分别分析了不同的经典分形结构，选择了满足要求频带的闵可夫斯基结构。分形结构与PIFA小型化相结合是可能的。仿真结果表明，minkowski二次迭代得到了更小的天线。通过结合minkowski和PIFA结构，天线尺寸再次减小(减小60%)，满足无线通信所需的尺寸。

表格一览
表的图标 表的图标 表的图标
表1 表2 表3

数字一览
图1 图2 图3 图4 图5
图1 图2 图3 图4 图5
图1 图2 图3 图3
图5 图6 图7 图9

参考文献











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