隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,，信道容量不斷擴(kuò)充,傳輸速率不斷提高,不同的運(yùn)行體制之間越來(lái)越相互兼容,服務(wù)方式也越發(fā)靈活,，使無(wú)線通信的工作頻段一再上拓。從 GSM900/1800到CDMA,、GPRS及2.4 GHz的藍(lán)牙通信系統(tǒng)以及2.4 GHz/5.2 GHz/5.8 GHz的WLAN系統(tǒng),，這些不同系統(tǒng)之間的交互通信就需要多頻天線,。連同對(duì)設(shè)備的小型化集成化的要求,，于是提出了對(duì)小尺寸、多頻帶,、集成化天線的迫切需求,。
   當(dāng)前的研究表明，實(shí)現(xiàn)天線多頻特性的方法主要包括多單元諧振[1],、槽縫[2]及探針加載[3],、分形[4]等，其中分形作為實(shí)現(xiàn)多頻特性的新方法越來(lái)越受到人們的關(guān)注,，多頻分形天線以其小型化,、易制作等優(yōu)勢(shì)逐漸被廣泛提出和應(yīng)用，近年來(lái)比較典型的分形天線有Sierpinski分形天線,、樹(shù)狀分形天線,、矩形自相似天線等。
    本文設(shè)計(jì)出一類具有正方形嵌套結(jié)構(gòu)的多頻天線,，為平衡微帶線饋電的雙面印刷的對(duì)稱振子天線,，制作了印刷多頻天線實(shí)物并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的比較分析，證明該多頻天線設(shè)計(jì)思路是正確的,。將該天線與已有的多頻天線進(jìn)行比較,，說(shuō)明正方形嵌套天線具有小型化的特點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用在多頻通信系統(tǒng)中,。
1 天線設(shè)計(jì)
1.1天線結(jié)構(gòu)
    正方形嵌套分形天線由多環(huán)分形天線[1]演化而來(lái),，其輻射單元由多個(gè)正方形的環(huán)嵌套得到，由此得到了新型正方形嵌套天線,如圖1所示,。兩種天線均可視為將正方形或者圓形的金屬片掏空形成金屬環(huán),，然后由大到小依次嵌套而得到。以此為基礎(chǔ),，就可以進(jìn)行正方形嵌套對(duì)稱振子天線的設(shè)計(jì),，如圖2所示。圖2中的方案包括兩部分,，一是輻射部分即兩個(gè)正方形嵌套振子,，二是饋電部分即平衡微帶線，采用這種饋電方式解決了對(duì)稱振子的平衡饋電問(wèn)題,。天線為雙面印刷電路板形式,，深色部分為導(dǎo)體,介質(zhì)材料為厚度為1.5 mm的FR4介質(zhì)材料，其相對(duì)介電常數(shù)為4.4,。

1.2天線饋電結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
    一般測(cè)試饋電采用的SMA接頭是同軸線形式,，是一種非平衡的饋電結(jié)構(gòu)，對(duì)于對(duì)稱振子而言需要平衡饋電,，平衡微帶線[5]是一種平衡結(jié)構(gòu)的傳輸線,，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于印刷型的對(duì)稱振子饋電中，參考文獻(xiàn)[6]中的饋電結(jié)構(gòu)引入了分流式平衡器,，這種方法會(huì)使天線的帶寬變窄,，不適用于超寬帶和多頻天線的饋電。本文提出的同軸線-準(zhǔn)微帶線-平衡微帶線饋電方法解決了這一問(wèn)題,。如圖3所示,，準(zhǔn)微帶線的寬度與其地板寬度相差不大，而平衡微帶線則是由兩個(gè)寬度相同的金屬帶條正對(duì)著印刷在介質(zhì)板的兩側(cè),。通過(guò)準(zhǔn)微帶線的過(guò)渡,，與對(duì)稱振子的兩極相連的傳輸線為平衡微帶線，從而使饋電達(dá)到了平衡,。印刷型的對(duì)稱振子多數(shù)情況下印刷在介質(zhì)板的兩側(cè),，這會(huì)引起對(duì)稱振子兩極不共軸，破壞方向圖的對(duì)稱性,，為防止這一情況出現(xiàn),，將對(duì)稱振子的兩極印刷在介質(zhì)板的同側(cè),，一極與同側(cè)的平衡微帶線的一支直接相連，另一極與印刷在介質(zhì)板另一側(cè)的平衡微帶線的另一支通過(guò)延長(zhǎng)段和金屬化的過(guò)孔相連,，由于兩個(gè)振子饋電頂點(diǎn)的距離較近,，并且介質(zhì)板很薄，所以延長(zhǎng)段和金屬過(guò)孔并不能引入較大的附加相移和阻抗變化,，這時(shí)對(duì)稱振子的兩極電位是等幅反相的,。

2 天線仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    這種天線最終的輻射單元為三個(gè)正方形嵌套單元，將實(shí)現(xiàn)三頻特性,。通過(guò)仿真獲得的天線尺寸為：l1=12 mm,， l2=9.2 mm，l3=8.2 mm,，l4=7.6 mm,，l5=7.3 mm, wg=5 mm，hg=22 mm,，ws=45 mm,，hs=40 mm，w=3 mm,，h=9 mm,，hf=25 mm，wf=3 mm,，lf=9 mm,。其中l(wèi)1~l5分別為由外至內(nèi)嵌套正方形的邊長(zhǎng)，根據(jù)以上參數(shù)制作了天線實(shí)物,。天線的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果列于圖4中,，仿真得到的天線工作頻帶分別為：2.29 GHz~2.71 GHz、5.12 GHz~5.25 GHz和5.75 GHz~5.97 GHz,，相對(duì)帶寬分別為：16.8%,，2.5%和3.75%,實(shí)測(cè)的天線工作頻帶為：2.37 GHz~2.76 GHz和4.99 GHz~6.21 GHz，相對(duì)帶寬為15.2%和21.8%,，從圖中還可以看出，天線在H面輻射方向近似全向,，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合,。
    由于實(shí)際天線介質(zhì)材料和實(shí)驗(yàn)條件的影響，測(cè)試所得到的反射系數(shù)與仿真結(jié)果還會(huì)有一定的差異,，因?yàn)闇y(cè)試所得的反射系數(shù)的降低,導(dǎo)致了以5.2 GHz和5.8 GHz為中心頻點(diǎn)的工作頻帶合并,結(jié)果使4.99 GHz~6.21 GHz范圍內(nèi)的反射系數(shù)均低于-10 dB,，但還是可以從圖4(a)中看出這一頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)諧振頻率，出現(xiàn)這一問(wèn)題的原因是由于介質(zhì)板的損耗導(dǎo)致的,，由于本文所采用的介質(zhì)材料為FR4基板,，這種材料的損耗正切為10-2數(shù)量級(jí),與常用的Rogers材料的損耗正切10-3量級(jí)相比,，屬于損耗較大的介質(zhì)材料，所以在輻射體輸入端反射的通過(guò)饋線傳輸?shù)金侂姸丝诘墓β式档?，使反射系?shù)降低,，即主要是由饋線的介質(zhì)損耗造成了反射系數(shù)降低；另外,，有耗介質(zhì)材料必然具有色散特性,，頻率越高色散特性越明顯,實(shí)際的介質(zhì)材料還具有不均勻性，在實(shí)驗(yàn)中SMA接頭和天線饋線的焊接處的不連續(xù)性也會(huì)影響到反射系數(shù),，上述三個(gè)方面的共同作用就會(huì)造成實(shí)測(cè)的反射系數(shù)對(duì)應(yīng)的諧振頻率與仿真值有偏差的問(wèn)題,。

    介質(zhì)損耗和實(shí)驗(yàn)條件還會(huì)影響方向圖的測(cè)試結(jié)果，具體體現(xiàn)在介質(zhì)的不均勻性會(huì)導(dǎo)致天線方向圖的不對(duì)稱,，位于天線底端的測(cè)試夾具會(huì)影響到天線E面和H面方向圖的測(cè)試結(jié)果,。但是對(duì)于本文所提出的天線來(lái)說(shuō)，H面的全向輻射特性是最重要的,。測(cè)試結(jié)果表明,，雙極天線的H面不圓度均不超過(guò)5 dB，這個(gè)結(jié)果是可以被接受的,，尤其是在近距離無(wú)線傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域,。
    測(cè)試結(jié)果還表明，F(xiàn)R-4介質(zhì)材料在頻率低于4 GHz的頻率范圍是可以獲得和理想情況下的仿真結(jié)果類似的性能,，當(dāng)頻率過(guò)高時(shí),，其性能將有較大下降，但在短距離無(wú)線傳輸?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域是可以滿足天線實(shí)際要求的,。
    所設(shè)計(jì)的天線為水平極化的印刷型的平面天線,，天線輻射體的最大尺寸與最低工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的比值K僅為0.134，與表1中所列舉的參考文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的全向多頻天線相比,，具有顯著的小型化的特點(diǎn),，并且由于采用了平衡微帶線這種印刷型傳輸線進(jìn)行饋電，可以更容易地與通信系統(tǒng)進(jìn)行集成,，在WLAN領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)用,。

    設(shè)計(jì)了一類新型正方形嵌套天線，該天線由不同大小的正方形環(huán)嵌套得到,。通過(guò)CST MICROWAVE STUDIO?誖進(jìn)行仿真研究,，設(shè)計(jì)出了具有多個(gè)工作頻帶的采用平衡微帶線饋電的嵌套正方形對(duì)稱振子印刷天線，它的工作頻帶涵蓋了WLAN系統(tǒng)所要求的2.4 GHz/5.2 GHz/5.8 GHz三個(gè)頻率,。制作了天線實(shí)物進(jìn)行測(cè)試,，天線實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真吻合較好，而且在主極化方向上的尺寸較小,，易于集成,，可廣泛應(yīng)用于WLAN系統(tǒng)中,。
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