林 斌

(廈門大學 嘉庚學院，福建 漳州 363105)

移動通信是無線技術(shù)的重要應用之一，能夠支撐多頻段、多標準、多模式的移動通信技術(shù)，是我國無線通信應用事業(yè)發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)。目前，我國的第二代移動通信依然得到廣泛應用，第三代移動通信方興未艾，第四代移動通信已開始普及。正在研發(fā)的第五代移動通信后來居上，具備超高的數(shù)據(jù)傳輸能力，將在2020年前后投入商業(yè)運營。不同頻率、不同制式的移動通信無線信號將在空間長期共存，這就要求移動通信天線具備多頻段兼容的功能，能夠同時覆蓋第二代至第五代移動通信所有工作頻段，并滿足小尺寸、低厚度、低回波損耗、大工作帶寬的要求[1-4]。

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。Elsheakh等人設計了一款有5個工作頻段的單極天線，但其中的3個頻段帶寬很小，缺乏帶寬冗余[5]；楊利霞等人設計了一款開槽雙頻分形雪花天線，實現(xiàn)了對第二代和第三代移動通信頻段的兼容，但天線尺寸較大，難以放進手機里[6]；愛爾蘭貝爾實驗室使用大型天線系統(tǒng)，實現(xiàn)了第五代移動通信多頻段天線設計，但該天線不能兼容第二代、第三代、第四代移動通信系統(tǒng)[7]；Belhadef等人設計了一款6頻段分形平面倒F天線，但其回波損耗性能和帶寬性能都不好，天線缺乏實用價值[8]。

現(xiàn)有的多頻段移動通信天線未能完全覆蓋第二代到第五代移動通信頻段；部分天線輻射強度較弱，部分天線尺寸較大，難以放進手機中。要在兼容第二代到第五代移動通信系統(tǒng)的同時，滿足小尺寸、低厚度、低回波損耗、大工作帶寬的要求，就必須對現(xiàn)有的多頻段移動通信天線進行改進設計。

1 用于復合分形天線設計的分形結(jié)構(gòu)

矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)可以按照圖1所示的迭代構(gòu)造方法得到。1階矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)是一個邊長為a的1層矩形環(huán)，線寬為0.1a；2階矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)，是在1階矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)內(nèi)部嵌套了一個旋轉(zhuǎn)45°的第2層矩形環(huán)，其線寬是第1層矩形環(huán)的一半；3階矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)，是在2階矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)內(nèi)部再嵌套一個旋轉(zhuǎn)45°的第3層矩形環(huán)，其線寬是第2層矩形環(huán)的一半。每個矩形環(huán)大小不同，工作的頻率也不同。多個矩形環(huán)嵌套疊加可以得到較大的工作頻段[9-10]。康托爾分形結(jié)構(gòu)、謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)、十字分形結(jié)構(gòu)都是以正四邊形為原始結(jié)構(gòu)的面分形結(jié)構(gòu)，它們分別可以按照圖2～圖4所示的迭代構(gòu)造方法得到。這3種面分形結(jié)構(gòu)用于天線設計時，兼具高輻射強度和大工作帶寬，可以大幅展寬矩形微帶天線的工作頻段[11-16]。

圖1 矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)的構(gòu)造過程

圖2 康托爾分形結(jié)構(gòu)的構(gòu)造過程

圖3 謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)的構(gòu)造過程

圖4 十字分形結(jié)構(gòu)的構(gòu)造過程

2 多頻段兼容復合分形天線結(jié)構(gòu)設計

該款天線的設計目標為兼容第二代到第五代移動通信頻段，同時覆蓋GSM 0.905～0.915 GHz、0.950～0.960 GHz、1.710～1.785 GHz、1.805～1.880 GHz頻段，TD-SCDMA 1.880～1.920 GHz、2.010～2.025 GHz、2.300～2.400 GHz頻段，WCDMA 1.920～1.980 GHz、2.110～2.170 GHz頻段，TD-LTE 2.570～2.620 GHz頻段，第五代移動通信3.300～3.400 GHz、4.400～4.500 GHz、4.800～4.990 GHz候選頻段。

分形結(jié)構(gòu)具備自相似性，內(nèi)部電流分布均勻，工作帶寬較大、輻射效率較高，適合用于多頻段兼容天線設計。將兩種不同的分形結(jié)構(gòu)有機融合，可以得到復合分形結(jié)構(gòu)，它的基本結(jié)構(gòu)使用一種面分形結(jié)構(gòu)，而內(nèi)部的每個小正四邊形區(qū)域使用另一種分形結(jié)構(gòu)。復合分形結(jié)構(gòu)用于天線設計時，可以保證天線邊沿和內(nèi)部都具有自相似性。復合分形天線的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)分形天線。

微帶貼片天線剖面低、輻射強度大、可以集成在手機電路中，在移動通信天線中應用廣泛。在天線結(jié)構(gòu)設計中，首先設計一個邊長為L的正四邊形微帶貼片天線，再將天線正面的正四邊形輻射貼片替換為矩形環(huán)-康托爾復合分形結(jié)構(gòu)；將天線背面的正四邊形接地板替換為十字-謝爾賓斯基復合分形結(jié)構(gòu)。該設計在保留微帶貼片天線優(yōu)點的同時，展寬了天線的工作頻帶，使之可以同時覆蓋第二代至第五代移動通信頻段。

設計中使用的天線基板為低損耗透波陶瓷基板，其尺寸為30 mm×30 mm。微帶貼片天線正面的正四邊形輻射貼片邊長L滿足式(1)。

(1)

其中，C為光速，基板厚度h=1 mm，基板相對介電常數(shù)εr=3，令天線中心工作頻率fr=3.50 GHz，經(jīng)過計算得到L=24 mm。

完成初步設計后，對天線輻射貼片進行2次康托爾分形迭代。隨后將2階康托爾分形輻射貼片內(nèi)部的每個小正四邊形區(qū)域，用3階矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)替代，組成了矩形環(huán)-康托爾復合分形輻射貼片，如圖5(a)所示。

天線背面是尺寸為27 mm×27 mm的正四邊形金屬接地板，對其進行2次謝爾賓斯基分形迭代。隨后將2階謝爾賓斯基分形接地板內(nèi)部的每個小正四邊形區(qū)域，用2階十字分形結(jié)構(gòu)替代，組成了十字-謝爾賓斯基復合分形接地板，如圖5(b)所示。

該天線的輻射貼片整體是康托爾分形結(jié)構(gòu)，微觀上是矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)；該天線的接地板整體是謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)，微觀上是十字分形結(jié)構(gòu)。射頻電流在整個天線輻射貼片和接地板上都可以均勻分布，天線將具有良好的寬頻帶工作特性。

圖5 天線結(jié)構(gòu)示意圖

3 天線輻射性能仿真分析

使用基于矩量法的微波設計軟件Microwave Office對天線的輻射性能進行了仿真，設置仿真頻率范圍為0～7 GHz，仿真頻率間隔為0.01 GHz；設置天線輻射貼片和接地板為理想金屬。得到天線的回波損耗和方向圖特性，如圖6所示。

從圖6(a)可知，僅有輻射貼片使用康托爾分形結(jié)構(gòu)、僅有輻射貼片使用復合分形結(jié)構(gòu)、輻射貼片和接地板都使用復合分形結(jié)構(gòu)3種情況下，天線的最低回波損耗值分別為-48.54 dB，-38.53 dB，-28.04 dB；回波損耗值小于-10 dB時，天線的工作頻帶分別為2.676～4.124 GHz，2.388～4.596 GHz，0.728～6.502 GHz；天線的工作帶寬分別為1.448 GHz，2.208 GHz，5.774 GHz；相對帶寬分別為42.59%，63.23%，159.72%。從3種情況下天線回波損耗的對比可知，在天線設計中使用復合分形結(jié)構(gòu)比使用單一分形結(jié)構(gòu)，可以獲得更大的帶寬；輻射貼片和接地板都使用復合分形結(jié)構(gòu)比僅有輻射貼片使用復合分形結(jié)構(gòu)，帶寬性能更好。這是由于復合分形結(jié)構(gòu)整體和局部都具有自相似性，復合分形天線邊沿和內(nèi)部都具有分形輻射縫隙，天線輻射能量可以分布在更大的頻率范圍。從回波損耗仿真結(jié)果可以看出，天線工作帶寬的增大，伴隨著回波損耗值的上升，這是因為天線輻射總能量基本不變，工作帶寬的增大將造成天線工作頻帶內(nèi)的輻射強度相應減弱。不過，輻射貼片和接地板都使用復合分形結(jié)構(gòu)時，天線最低回波損耗值仍達到-28.04 dB，完全能夠滿足移動通信系統(tǒng)對天線回波損耗值的要求。

從圖6(b)可知，天線方向圖的E面分為兩個部分，有效工作角度范圍超過270°；天線方向圖的H面可在360°范圍內(nèi)全向工作，天線整體具有全向工作能力。仿真結(jié)果顯示，該款天線實現(xiàn)了設計目標，完全覆蓋了第二代至第五代移動通信的所有工作頻段。

圖6 天線輻射性能仿真結(jié)果

4 天線實測與分析

根據(jù)上文所描述的設計方案，使用磁控濺射工藝制作出了天線樣品，如圖7所示。采用AV3672A矢量網(wǎng)絡分析儀測量了天線的回波損耗，如圖8(a)所示。使用開放區(qū)域測試場地(Open Area Test Site，OATS)測量了天線的方向圖，如圖8(b)所示。

從圖8(a)可知，天線的最低回波損耗值為-23.14 dB；回波損耗值<-10 dB時，天線的工作頻帶為0.751～6.353 GHz，工作帶寬為5.602 GHz，相對帶寬為157.71%。從圖8(b)可知，天線整體具有全向工作能力。

對比圖6和圖8可知，天線實測性能和仿真性能基本一致。天線的實測回波損耗稍高于仿真結(jié)果，實測工作帶寬稍小于仿真結(jié)果。仿真時天線輻射貼片和接地板設置為理想金屬，電導率為無窮大；而實際制作天線樣品時，輻射貼片和接地板使用的是金屬銀，其電導率是一個有限值，因此天線性能實測結(jié)果略差于仿真結(jié)果。

為了減小介質(zhì)損耗，該款天線使用了低損耗透波陶瓷材料作為基板。為保證陶瓷基板有較高的機械強度，基板厚度不能小于1 mm，這限制了本款天線在超薄手機中的應用，是本設計的不足之處。

圖7 天線樣品

圖8 天線輻射性能測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文針對第二代至第五代移動通信系統(tǒng)對多頻段兼容天線的性能要求，使用低損耗微波陶瓷材料作為介質(zhì)基板，將矩形環(huán)分形結(jié)構(gòu)和康托爾分形結(jié)構(gòu)融合為矩形環(huán)-康托爾復合分形輻射貼片，將謝爾賓斯基分形結(jié)構(gòu)和十字分形結(jié)構(gòu)融合為十字-謝爾賓斯基復合分形接地板，設計了一款多頻段兼容復合分形移動通信天線。天線性能仿真和實測結(jié)果基本一致，該款天線最低回波損耗值為-23.14 dB，天線工作頻帶范圍為0.751～6.353 GHz，工作帶寬為5.602 GHz，相對帶寬為157.71%，天線具有全向工作能力。該款天線完全覆蓋了第二代至第五代移動通信所有工作頻段，實現(xiàn)了對第二代至第五代移動通信系統(tǒng)的兼容。該款天線在尺寸壓縮方面具有較大優(yōu)勢，天線尺寸僅為30 mm×30 mm×1 mm，能夠植入大多數(shù)手機中。天線回波損耗較低且變化較為平穩(wěn)，工作帶寬較大，性能冗余較為充裕。該款天線同時滿足小尺寸、低厚度、低回波損耗、大工作帶寬的要求，能夠同時用于第二代至第五代移動通信系統(tǒng)。