用于第四代移动通信的复合分形天线设计-厦门大学学报自然科学版.DOC

doi: 10.6043/j.issn.0438-0479.201608008 用于第四代移动通信的复合分形天线设计 林 斌厦门大学嘉庚学院福建 漳州 363105回波损耗最小值-28.26 dB，绝对工作带宽0.438 GHz，相对工作带宽%，天线具有全向辐射特性。该款天线能够完全覆盖第四代移动通信的TD 关键词：第四代移动通信；康托尔分形结构；希尔伯特分形结构；复合分形天线 中图分类号：TN 828.6 文献标识码：A TD-LTE标准第四代移动通信标准为移动高带宽应用而设计拥有广阔的应用前景[1-3]。天线的性能对移动通信终端的性能有着决定性影响，一款性能优异的天线能够大大提高移动通信设备的通信质量[4-5]。TD-LTE标准对天线的要求是：尺寸足够小，能够放进移动终端里；辐射性能好，工作带宽大，目前中国的三大电信运营商已投入使用的第四代移动通信的TD-LTE标准通信频段为2.5552.575 GHz（中国联通）、2.5752.635 GHz（中国移动）、2.6352.655 GHz（中国电信），一款移动通信天线要兼容这三个通信频段，就必须完全覆盖2.5552.655 GHz频段。第四代移动通信的第四代移动通信2.555~2.655 GHz频段2.555~2.655 GHz频段第四代移动通信要实现天线的宽频带和小型化设计，使用具有自相似性和尺寸压缩效果的分形结构是一种很好的选择。近年来，国内外学者利用分形结构设计了一批性能优异的移动通信天线。杨利霞等人使用科赫分形雪花结构，设计了一款开槽双频天线，同时覆盖了第二代和第三代移动通信频段，但天线尺寸偏大，达到70mm×30 mm [6]；樊磊等人使用树分形迭代生长结构，设计了一款工作频带较宽、能够同时覆盖GSM 900和DCS 1800频段的分形微带天线，但天线的尺寸达到95mm×45 mm，无法放进小型移动通信终端，且天线实测回波损耗较高[7]；Eskandari等人设计了一款可以覆盖移动通信LTE频段的分形偶极子天线，其同时具备回波损耗小、工作带宽大的优异性能，但其115mm×62 mm的较大尺寸，使其无法实际应用于小型手机[8]；Kaboli等人将多种线分形结构相结合，设计了一款工作于900 MHz频段的分形偶极子天线，成功实现了天线的小型化，但天线的实测工作带宽仅有0.037 GHz，未能实现宽频带工作[9]。 使用现有的分形结构设计移动通信天线，可以实现小型化、高辐射强度、宽频带工作这三个设计目标中的一个，但是难以同时实现三个设计目标。第四代移动通信对天线宽频带工作的要求比第二代、第三代移动通信更高，而目前必威体育精装版的手机预留给天线的尺寸却比以往更小。在尺寸受限的条件下，要实现分形天线的宽频带工作，就需要对现有的分形结构进行改进。现有的分形结构迭代时依靠边沿曲线的不断折叠或对内部结构进行有规律的“挖洞”，其自相似结构只存在于边沿曲线或“挖洞”处，而分形天线内部大部分地方仍然是整块的金属辐射片，射频电流能够较为均匀分布的地方局限于边沿曲线或“挖洞”处附近。如果将两种不同的分形结构有机的融合为复合分形结构，在天线的基本结构中使用一种面式分形结构，而在天线内部的每个小正方形金属区域使用另一种分形结构，这样天线的边沿曲线和内表面分形结构间金属辐射区都将具有自相似结构，天线的宽频带工作特性和方向特性都有望得到提高。 1 康托尔分形和希尔伯特分形简介 康托尔分形结构的迭代过程如图1所示。康托尔分形结构相对高的增益及可用带宽很适合用于矩形微带天线的改进设计，使用康托尔分形结构可以有效地改善矩形微带天线的带宽性能[10-13]。可以明显看到图1(b)内部表面系列分形缝隙会产生附加的辐射场。(a) 1阶 (b) 2阶 康托尔Fig. 1 The iteration process of Cantor fractal structure 希尔伯特分形结构的迭代过程如图2所示。希尔伯特分形具有很高的线压缩率，有望高效提升分形边缘的长度，对天线小型化设计具有独特的优势。具有一定线宽的希尔伯特分形结构具有很强的空间填充能力，很适合用于对天线内部进行分形化改造[14-17]。 (a) 0阶 (b) 1阶 (c) 2阶 (d) 3阶 Fig. 2 The iteration process of Hilbert fractal structure 将康托尔分形结构康托尔分形结构首先设计一个边长为的正方形微带贴片天线，再使用康托尔分形结构原型天线的并维持较高的最后将天线内部每个小正方形金属区域用希尔伯特分形结构替代，近一步，充分利用两种结构的优势，完成复合分形天线结构设计专利号：200810071149.3 [18]。 (1) 为了