0 引言

    隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的無線通信頻段模式需要長期共存，移動通信天線具備多頻段覆蓋的功能已是基本需求。射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)近年來已經(jīng)獲得了一系列的成果，在倉儲物流、商業(yè)自動化、防偽、圖書、航空等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用^[1-2]。RFID技術(shù)可用于現(xiàn)代中近距離可靠身份識別、定位、支付及安全體系，與移動通信相結(jié)合將有助于實現(xiàn)中遠程乃至全球的定位應(yīng)用。

    近年來，國內(nèi)外學者研制了一批高性能的多頻段移動通信天線。埃及艾因·夏姆斯大學Elsheakh的研究團隊設(shè)計了一款3D單極天線，實現(xiàn)了5個通信頻段的覆蓋，但是其中有3個頻段帶寬很小，性能冗余不足^[3]；阿爾及利亞特萊姆森大學Belhadef的研究團隊使用分形平面倒F結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款6頻段天線，但有4個頻段回波損耗很大，5個頻段相對帶寬不足10%，天線實用性不強^[4]；摩洛哥阿卜杜勒馬立克·愛莎蒂大學Bekali的研究團隊設(shè)計了一款雙頻可重構(gòu)貼片天線，實現(xiàn)了天線的小型化，但是天線實測結(jié)果與仿真結(jié)果差距較大，天線雙頻工作性能不穩(wěn)定^[5]。能夠兼容移動通信頻段和RFID頻段的高穩(wěn)定輻射天線無疑是遠程準確度信息獲取的重點技術(shù)瓶頸。

    移動通信系統(tǒng)和RFID系統(tǒng)都需要高穩(wěn)定性收發(fā)天線，分裂生長式分形結(jié)構(gòu)就是針對這個需求，采用全新的分形遞歸算法設(shè)計出的新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)從機制上保證了天線在多個工作頻段都有較好的輻射性能和帶寬性能。作為設(shè)計樣例，本文研制了能同時覆蓋目前應(yīng)用最廣泛的移動通信的900 MHz頻段、1.9 GHz頻段，并兼容RFID的2.45 GHz頻段的新天線，實現(xiàn)了移動通信系統(tǒng)和RFID系統(tǒng)的兼容，讓使用這種天線的手機同時具備RFID讀寫器或中遠距離移動支付的功能。

1 分裂生長式分形結(jié)構(gòu)設(shè)計

    “分形（Fractal）”是法國數(shù)學家Mandelbrot在1977年首次提出的，用于描述一類具有自相似特性的幾何形狀。目前，分形結(jié)構(gòu)在天線設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用^[6]。基于分形結(jié)構(gòu)的天線，內(nèi)部的電流分布較為均勻，天線工作帶寬較大，分形結(jié)構(gòu)內(nèi)部有較多彎折，在壓縮天線尺寸方面有獨特的優(yōu)勢^[7]。

    傳統(tǒng)的面式分形結(jié)構(gòu)，如謝爾賓斯基分形、康托爾分形、明可夫斯基分形等，進行迭代時是依靠邊沿曲線的不斷折疊或?qū)?nèi)部結(jié)構(gòu)不斷進行有規(guī)律的“挖洞”，這些天線都能夠多頻帶工作。傳統(tǒng)的面式分形天線各輻射邊距離較近，產(chǎn)生的輻射會相互耦合、相互影響，要將天線產(chǎn)生的多個輻射頻段精確地調(diào)節(jié)到設(shè)計者需要的目標輻射頻段上，有較大難度^[8-10]。

    傳統(tǒng)的線式分形結(jié)構(gòu)，如科赫分形、希爾伯特分形等，彎曲折疊次數(shù)較多，矢量輻射場信號會隨著分形階數(shù)的提升而變得越發(fā)不穩(wěn)定，射頻電流迅速衰減，天線的高頻段輻射較弱，且容易出現(xiàn)不需要的高次諧波。這些缺點都限制了高階線式分形結(jié)構(gòu)在天線設(shè)計中的應(yīng)用^[11-13]。

    為了解決上述問題，本文創(chuàng)造性地對傳統(tǒng)分形的迭代算法進行改進，設(shè)計了一種分裂生長式分形結(jié)構(gòu)算法，分裂生長式分形結(jié)構(gòu)的原型為四條邊形狀相同的四邊形雪花結(jié)構(gòu)，以正四邊形結(jié)構(gòu)為例，分裂生長式分形結(jié)構(gòu)的迭代過程如圖1所示。

    正四邊形分裂生長式分形結(jié)構(gòu)的原始結(jié)構(gòu)是正四邊形（0階正四邊形），第一次迭代時在其中間挖出一個各邊邊長為0階正四邊形一半的正四邊形孔，并在0階正四邊形的四條邊上連接上四個各邊邊長為0階正四邊形一半的正四邊形（1階正四邊形），迭代過程可以看作是1階正四邊形從0階正四邊形中分裂出去并生長在0階正四邊形四周。第二次迭代時，每個1階正四邊形中分裂生長出各邊邊長為其一半的2階正四邊形，1階正四邊形的一邊與0階正四邊形相連，另外三邊與分裂生長出的2階正四邊形相連。這樣依次迭代，可以得到高階的正四邊形分裂生長式分形結(jié)構(gòu)。

    將這種新正四邊形分裂生長式分形結(jié)構(gòu)用于天線設(shè)計時，每一次分裂生長都會增加多個大小和形狀相同的正四邊形輻射貼片，每個正四邊形輻射貼片都是一個小型的微帶天線，都具有一對性能穩(wěn)定的與前一階輻射特性相近的邊，每一次分裂生長后，天線在高頻段都會增加一個新的諧振點。與傳統(tǒng)分形相比，分裂生長式分形結(jié)構(gòu)每一級都有新增的正四邊形輻射貼片，輻射穩(wěn)定可靠，新增的正四邊形輻射貼片在上一級正四邊形輻射貼片外，和上一級正四邊形輻射貼片間距較遠，各級之間的相互耦合、相互影響的程度可以通過饋電長度設(shè)計得到很好的控制。

2 分裂生長式分形微帶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

    在設(shè)計中，為了進一步減小天線尺寸，對上文所述的分裂生長式分形結(jié)構(gòu)的原始結(jié)構(gòu)還可以進行改進，使用π型四邊形雪花結(jié)構(gòu)作為原始結(jié)構(gòu)進行迭代。π型四邊形雪花結(jié)構(gòu)的四條邊沿都為π型折線，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，在壓縮天線尺寸的同時也具有較為穩(wěn)定的輻射。

    π型四邊形雪花結(jié)構(gòu)按照上文所述的分裂生長式分形迭代方法進行了2次迭代，得到2階π型四邊形雪花分裂生長式分形結(jié)構(gòu)，其迭代過程如圖3所示。這種改進算法得到的天線結(jié)構(gòu)也將具有穩(wěn)定的電磁信號傳輸能力。

    在設(shè)計中，使用FR4介質(zhì)板作為天線介質(zhì)基板，其厚度為h=2.5 mm，相對介電常數(shù)為ε_r=4.4，天線尺寸為152 mm×38 mm。天線背面為全金屬接地板，天線正面為2階π型四邊形雪花分裂生長式分形結(jié)構(gòu)，其初始元邊沿為圖2所示的π型折線，其中d=2 mm。

3 天線輻射性能仿真分析

    設(shè)計中使用的高階分形結(jié)構(gòu)包含較多精細的直角結(jié)構(gòu)，為了保證對這些小型直角結(jié)構(gòu)的輻射有較高的仿真精度，使用矩量法對所設(shè)計的天線的輻射性能進行仿真分析，得到天線的回波損耗性能和方向圖性能如圖4所示。合理的控制新算法各級等效輻射邊長，可以獲取若干個需要的工作頻點。

    該款天線能夠?qū)崿F(xiàn)三頻段工作，其諧振頻率分別為0.9 GHz、1.88 GHz以及2.46 GHz，天線工作頻帶范圍分別為0.869～0.935 GHz、1.847～1.949 GHz以及2.387～2.541 GHz，天線工作帶寬分別為0.066 GHz、0.102 GHz以及0.154 GHz，回波損耗最小值分別為-15.3 dB、-15.02 dB以及-28.8 dB，該款天線能夠同時覆蓋移動通信的900 MHz頻段、1.9 GHz頻段和RFID的2.45 GHz頻段，在3個頻段都有較低的回波損耗和較大的工作帶寬，具有高穩(wěn)定輻射特性。天線在3個工作頻段的H面和E面方向圖都能夠有效覆蓋超過280°的角度范圍，天線在3個頻段都具有全向輻射特性。

    在天線實際制作時，所用的介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)ε_r和厚度h可能有所偏差；有必要討論介質(zhì)基板的參數(shù)變化對天線性能的影響。通過改變介質(zhì)基板的ε_r值和h值，進行了一系列的仿真計算，結(jié)果如圖5所示。

    從圖5可知，隨著ε_r值的增大，天線低頻段和中頻段的回波損耗最小值逐漸增大，高頻段的回波損耗最小值先減小后增大；天線3個工作頻段的工作帶寬都逐漸減小。隨著h值的增大，天線低頻段和中頻段的回波損耗最小值逐漸減小，高頻段的回波損耗最小值先減小后增大；天線3個工作頻段的工作帶寬都逐漸增大。

    介質(zhì)基板的參數(shù)變化對天線性能的影響，與天線的品質(zhì)因素的改變有關(guān)。微帶天線的品質(zhì)因素為：

    ε_r值增大，天線品質(zhì)因素增大，天線輻射的能量減小，造成天線回波損耗最小值增大，工作帶寬減小。h值增大，天線品質(zhì)因素減小，天線輻射的能量增大，造成天線回波損耗最小值減小，工作帶寬增大。ε_r值和h值的變化還會影響天線匹配，圖5所示的ε_r值和h值變化區(qū)間內(nèi)，天線在低頻段和中頻段處于匹配，性能變化符合上述變化規(guī)律。當ε_r值從2增加到4.4的過程中，天線在高頻段匹配逐漸改善，因此回波損耗最小值逐漸減小；ε_r值大于4.4時，天線在高頻段處于匹配狀態(tài)，因此性能變化符合上述變化規(guī)律。當h值小于等于2.4 mm時，天線在高頻段處于匹配狀態(tài)，因此性能變化符合上述變化規(guī)律；h值大于2.4 mm時，天線的在高頻段的匹配會被破壞，因此回波損耗最小值逐漸增大。

    為了保證天線在3個工作頻段都有較好的輻射和較大工作帶寬，ε_r值應(yīng)保持在4～5之間，h值應(yīng)保持在2 mm～3 mm之間。

4 天線樣品的制作與測試

    使用光刻工藝制作了天線樣品，保證設(shè)計中使用的高階分形結(jié)構(gòu)在樣品中有較高的制作精度，如圖6所示。采用射頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量了天線的回波損耗，搭建了開放區(qū)域測量系統(tǒng)測量了天線方向性能，結(jié)果如圖7所示。天線性能實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。實測結(jié)果顯示，天線的3個諧振頻率分別為0.90 GHz、1.90 GHz和2.43 GHz，回波損耗最小值分別為-21.42 dB、-21.33 dB和-21.36 dB；天線在3個工作頻段的工作帶寬分別為0.213 GHz、0.215 GHz和0.246 GHz。天線在3個頻段都具有高穩(wěn)定輻射特性和全向輻射特性，天線實測方向圖的平坦度較好。

5 結(jié)論

    本文創(chuàng)造性地對傳統(tǒng)分形迭代過程進行改進，設(shè)計了全新的具有高穩(wěn)定輻射特性的分裂生長式分形結(jié)構(gòu)，并針對移動通信系統(tǒng)和RFID系統(tǒng)對天線的性能要求，設(shè)計了一款2階π型四邊形雪花分裂生長式分形微帶天線。對天線性能進行了仿真分析，詳細討論了介質(zhì)基板參數(shù)變化對天線性能的影響。同時，制作了天線樣品，并進行性能實際測試。仿真和實測結(jié)果都表明，本款天線具有3個工作頻段，能夠同時覆蓋移動通信的900 MHz頻段、1.9 GHz頻段和RFID的2.45 GHz頻段，天線在3個頻段都具有高穩(wěn)定輻射特性和全向輻射特性。使用本款天線的手機將同時具備RFID讀寫器或中遠距離移動支付的功能，該天線具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者信息：

林  斌1，游佰強2

（1.廈門大學嘉庚學院 信息科學與技術(shù)學院，福建 漳州363105；2.廈門大學 信息科學與技術(shù)學院，福建 廈門361005）