基于分形结构的车载超宽带天线设计

葛星梅,张双双

(南京工业大学浦江学院,江苏 南京 211134)

0 引言

随着4 G、5G时代的到来,车载天线的通信频段逐渐扩大。天线带宽扩大的同时会影响天线的尺寸,而集成技术的发展对车载天线的尺寸提出了新的要求,小型化超宽带天线因易于集成得到了广泛的应用[1]。为了增加带宽,天线采用分形形式。分形的基本特征是自相似性和空间填充[2],可以转化为多频特性,减小天线的尺寸。天线具有迭代的形状特征,天线带宽覆盖2.4 GHz、5 GHz WLAN频段和2 G/3 G/4 G移动通信频段,包含了微波的S波段、C波段和X波段,天线的输入阻抗为50 Ω,在整个带宽内的回波损耗大于10 dB[3-4]。

本文提出了一种小型化超宽带车载天线,通过三阶分形迭代结构实现宽带天线的小型化。天线的尺寸仅为60 mm×50 mm×1 mm,同时天线在多频段内的辐射性能良好,在目前多数超宽带通信系统中都可以适用。

1 天线设计

1.1 分形结构设计

本文提出的分形天线采用的是一种圆形与椭圆形迭代嵌套的三阶分形结构,由分形天线通过迭代函数的形式产生。假设A为分形结构的原始形状,W(A)是在A的基础上进行仿射,则天线的阶层变换过程如式(1)所示:

W(A)=W1(A1)∪W2(A2)...Wn(An)

A1=W(A1)

A2=W(W(A2))

...

An=W(An-1)

(1)

天线的辐射贴片基于分形迭代理念形成三阶的分形结构,结构设计如图1所示。宽带天线贴片的一阶分形迭代过程设计如图1(a)、图1(b)和图1(c)所示,由一个如图1(a)所示的正11边形,整体设计是由较大轴比的椭圆依次旋转30°而成的12瓣同心花瓣结构,得到如图1(b)所示的结构,然后通过布尔运算得到一阶分形结构,即图1(a)的正11边形减去图1(b)的同心花瓣得到如图1(c)所示的结构。将一阶贴片结构按照比例为XS=0.6逐步缩放,分别得到宽带天线贴片的二阶和三阶结构,每一阶都处于同心位置,依次得到图2的二阶和图3的三阶结构。

图1 分形迭代过程

图2 二阶分形结构

图3 三阶分形结构

1.2 天线结构设计

本文设计的宽带天线贴片结构如图4所示,天线结构设计包括分形迭代辐射贴片、50 Ω 微带馈线、接地板以及介质基片。本文采用FR4的介质基片,其介电常数参数为 4.4,损耗正切为0.02。为了使天线实现超宽带的性能要求,介质基板上的辐射贴片采用三阶分形迭代结构,使天线的多个谐振频率叠加起来,由此达到扩展天线带宽的目的。针对目前车载天线尺寸较大的问题,本文提出了小型化宽带的设计,天线的总尺寸仅为 60 mm×50 mm×1 mm。仿真优化后,天线的最终结构如图4所示,天线参数标识如图5所示,尺寸如表1 所示。

表1 天线尺寸

图4 天线最终结构

图5 天线参数标识

2 仿真结果与分析

2.1 分形结构对天线性能的影响

本文通过HFSS分别对天线辐射贴片的一阶、二阶和三阶结构进行仿真分析。假设维持当前天线的微带馈线形状和接地板基本结构,逐步从一阶结构开始对天线进行仿真,进而和二阶、三阶对比天线的辐射性能以及每一阶段的辐射带宽,天线在不同阶数对应的回波损耗如图6所示。

图6 不同阶数辐射贴片对应的回波损耗

从图6可知,当天线辐射贴片为一阶分形结构时,天线在1.6～10 GHz均有谐振,但是仅在1.8～2.2 GHz频点范围附近天线回波损耗低于-10 dB。通过HFSS对天线在二阶迭代结构进行仿真时,对比与一阶分形结构时的性能结果,天线在二阶结构所呈现的频带内的辐射性能得到了改善,同时天线的辐射带宽得到了扩展,但是在3～4 GHz和8.3～8.7 GHz频点附近回波损耗依然略高于-10 dB。当天线的贴片形状迭代至三阶时,三阶结构的辐射带宽相较于二阶结构得到了延展,工作频带延伸至2～10 GHz,在频带内的辐射性能更加稳定,天线带宽覆盖2.4 GHz、5 GHz WLAN频段和2 G/3 G/4 G移动通信频段,包含了微波的S波段、C波段和X波段,根据图6所示的对比结果发现,采用分形结构可以有效改善天线的阻抗匹配特性,扩展天线带宽。

2.2 馈线宽度对天线性能的影响

天线馈线宽度参数的设置直接影响天线的性能,不同粗细的馈线对天线的带宽和通信距离会产生影响。通过HFSS仿真不断改变天线馈线的宽度,对比不同宽度下天线的辐射带宽变化。FW1表示天线的馈线宽度,当天线其他参数维持当前值,仅将FW1的参数范围设置为1～2 mm,步长值为 0.2 mm,通过仿真优化分析,不同FW1的值对S11参数的影响如图7所示。当FW1较大时,天线谐振频率靠低频,匹配深度较浅,当FW1较小时,天线匹配深度较好,工作频率偏向高频,当FW1在1.6 mm时,性能最优。

图7 不同FW1对天线 S11参数的影响

2.3 辐射特性分析

在当前的车联网时代,车载天线满足宽带特性的同时对天线的辐射性能仍有要求。天线的辐射性能优劣通过观察在频带内不同频率点的辐射方向图,天线在不同频率水平面辐射方向如图8所示。由图8可以看出,在 2～10 GHz,天线辐射方向图具有全向辐射特性,且辐射特性良好。天线工作在4 GHz的三维辐射如图9所示,可以看出,当天线工作在4 GHz时,辐射方向图很光滑圆润,在H Plane时表现良好的全向性能。

图9 4 GHz辐射三维

宽带天线在各频点处辐射是否稳定通过增益来体现,天线在各频点处的最大值增益如图10所示。为了减少损耗,本文采用分形天线,分形天线通过结构迭代仅通过改变辐射贴片的形状实现小型化宽带的特性,通过HFSS性能仿真图可以发现,天线在当前工作频段范围内最大值增益为正且稳定,符合宽带天线的辐射性能要求。在9 GHz处取得最大增益为 11.2 dBi,在4 GHz 处取得最小增益为 4.5 dBi[5]。

图10 各频点处最大值增益

3 结语

本文提出的基于分形结构的超宽带车载小型天线,解决了传统窄带天线带来的干扰问题,同时满足了现在车载集成化的发展,天线覆盖了2.4 GHz、5 GHz WLAN频段和2 G/3 G/4 G移动通信频段,多频段的覆盖适用于当前大多数车载通信系统,将会在集成车载系统中得到广泛应用。