0 引言

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在21世紀(jì)不斷高速發(fā)展，越來(lái)越 多的無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用系統(tǒng)完成了技術(shù)開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)完善， 已投入商業(yè)化的實(shí)際運(yùn)營(yíng)。完成多個(gè)無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用系統(tǒng) 的整合，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)合一、多頻段兼容和終端設(shè)備多功能 化，是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展中迫在眉睫需要解決的問(wèn)題。 移動(dòng)通信系統(tǒng)、射頻識(shí)別系統(tǒng)、超寬帶通信系統(tǒng)、移動(dòng) 數(shù)字電視系統(tǒng)都是工作于微波頻段的無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用系 統(tǒng)，工作頻段接近，對(duì)終端設(shè)備的要求相似，有較大的 整合潛力，有望整合成為微波頻段多網(wǎng)合一系統(tǒng)。

我國(guó)目前處于多代移動(dòng)通信共同發(fā)展的時(shí)期，正 在使用的2G頻段為（905～915）MHz、（950～960）MHz、 （1 710～1785）MHz、（1 805～1 880）MHz；3G頻段為 （1 880～1 980）MHz、（2 010～2 025）MHz、（2 110～ 2 170）MHz、（2 300～2 400）MHz；4G頻段為（2 570～ 2 620）MHz；5G頻段為（3 300～3 400）MHz、（4 400～ 4 500）MHz、（4 800～4 990）MHz ［1-3］。RFID系統(tǒng)頻段為（902～928）MHz、（2 400～2 483.5）MHz、 （5 725～5 875）MHz ［4-5］。UWB系統(tǒng)頻段為（3 100～ 10 600）MHz ［6-8］。DTV系統(tǒng)頻段為（11 700～12 200）MHz ［9-12］。 微波頻段多網(wǎng)合一系統(tǒng)要求天線(xiàn)有良好的兼容能力，能 夠完全覆蓋上述頻段，尺寸較小、輻射強(qiáng)度較高、性能 冗余充足。

1 方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)由正四邊形按照?qǐng)D1所示的方 法迭代得到。初始的正四邊形分為16個(gè)大小相等的小正 四邊形，刪去4個(gè)邊角處的小正四邊形，得到1階方形角 缺陷分形。對(duì)1階方形角缺陷分形的每個(gè)小正四邊形分 別做上述迭代，可得到2階方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)。這樣 依次迭代下去，可以得到高階方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)。在 天線(xiàn)設(shè)計(jì)中使用方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)，可以讓天線(xiàn)輻射 貼片內(nèi)部有均勻分布的射頻電流，保證天線(xiàn)有良好的超 寬頻帶工作能力。

2 生長(zhǎng)環(huán)陣列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

生長(zhǎng)環(huán)陣列結(jié)構(gòu)是一種具有自相似性的、迭代生成 的多環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，其迭代過(guò)程如圖2所示。生長(zhǎng)環(huán)陣列 結(jié)構(gòu)是由40個(gè)陣元天線(xiàn)組成的、外圈邊長(zhǎng)為11、內(nèi)圈邊 長(zhǎng)為9的正方形環(huán)陣列。在初始結(jié)構(gòu)的四個(gè)邊角生長(zhǎng)出4 個(gè)外圈邊長(zhǎng)為5、內(nèi)圈邊長(zhǎng)為3的小正方形環(huán)陣列，可以 得到1階生長(zhǎng)環(huán)陣列結(jié)構(gòu)。在1階生長(zhǎng)環(huán)陣列結(jié)構(gòu)的每個(gè) 小正方形環(huán)陣列的邊角生長(zhǎng)出3個(gè)外圈邊長(zhǎng)為3、內(nèi)圈邊 長(zhǎng)為1的微型正方形環(huán)陣列，可以得到2階生長(zhǎng)環(huán)陣列結(jié) 構(gòu)。使用生長(zhǎng)環(huán)陣列結(jié)構(gòu)組成天線(xiàn)陣列，可以利用輻射 疊加原理有效提高天線(xiàn)的輻射強(qiáng)度，并利用生長(zhǎng)環(huán)陣列 結(jié)構(gòu)的自相似性使陣列天線(xiàn)具有和陣元天線(xiàn)相似的超寬 頻帶工作能力。

3 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線(xiàn)基板為εr=6的矩形低損耗FR4基板，它的尺寸 是36.8 mm×36.8 mm×1 mm。天線(xiàn)基板正面貼覆著方 形角缺陷分形生長(zhǎng)環(huán)陣列輻射貼片。天線(xiàn)基板背面貼覆 著由金屬全導(dǎo)電接地結(jié)構(gòu)組成的天線(xiàn)接地板。

方形角缺陷分形生長(zhǎng)環(huán)陣列輻射貼片的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其使用生長(zhǎng)環(huán)陣列結(jié)構(gòu)作為基本陣列排布結(jié)構(gòu)， 在生長(zhǎng)環(huán)陣列結(jié)構(gòu)的每個(gè)大小為1.6 mm×1.6 mm的陣 元天線(xiàn)區(qū)域中心，放置方形角缺陷分形天線(xiàn)。

方形角缺陷分形天線(xiàn)是在尺寸為1.6 mm×1.6 mm的矩形區(qū)域進(jìn)行方形角缺陷分形迭代而得到。方形角缺 陷分形天線(xiàn)使用了2階的方形角缺陷分形結(jié)構(gòu)。每個(gè)方 形角缺陷分形天線(xiàn)的底部邊沿中心處設(shè)有天線(xiàn)饋電點(diǎn)。

生長(zhǎng)環(huán)陣列結(jié)構(gòu)是2階生長(zhǎng)環(huán)陣列結(jié)構(gòu)，它可以看 作是在一個(gè)由23行23列共529個(gè)方形區(qū)域組成的矩形區(qū) 域中，按照?qǐng)D2（c）所示規(guī)律在其中184個(gè)方形區(qū)域放置陣 元天線(xiàn)組成。

4 天線(xiàn)輻射性能測(cè)試結(jié)果

我們制作了天線(xiàn)樣品，并搭建了天線(xiàn)性能測(cè)試系統(tǒng) 實(shí)際測(cè)試了天線(xiàn)的回波損耗性能和方向圖性能，測(cè)試結(jié) 果如圖4和圖5所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，該款天線(xiàn)具有出色的全向 工作能力，天線(xiàn)的工作頻帶范圍為（551～17 193） MHz，工作帶寬為（16 642）MHz，倍頻帶寬為 31.20，回波損耗最小值為-47.32 dB。

該款天線(xiàn)完全覆 蓋了移動(dòng)通信、射頻識(shí)別、超寬帶、移動(dòng)數(shù)字電視等多 個(gè)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的工作頻帶。 該款天線(xiàn)具有突出的性能優(yōu)勢(shì)：該款天線(xiàn)具有穩(wěn)定 的超寬頻帶輻射工作能力，在（835～16 108）MHz頻 段內(nèi)的回波損耗值都低于-45 dB，且回波損耗值波動(dòng)很 小，天線(xiàn)具有超高穩(wěn)定輻射能力和較大性能冗余；該款 天線(xiàn)用一個(gè)寬達(dá)16 642 MHz的單一工作頻帶，實(shí)現(xiàn)了對(duì)2G至5G移動(dòng)通信、射頻識(shí)別、超寬帶通信和移動(dòng)數(shù)字電 視的兼容，且回波損耗最小值低達(dá)-47.32 dB，兼具優(yōu)異 的超寬頻帶工作能力和較高的輻射強(qiáng)度；該款天線(xiàn)在有 184個(gè)陣元天線(xiàn)的情況下，尺寸僅為36.8 mm×36.8 mm× 1 mm，在天線(xiàn)小型化設(shè)計(jì)方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)多網(wǎng)合一無(wú)線(xiàn)通信終端設(shè)備對(duì)微波多頻段 兼容天線(xiàn)的性能要求，設(shè)計(jì)了一款生長(zhǎng)環(huán)陣列超寬頻帶 天線(xiàn)，使用方形角缺陷分形天線(xiàn)作為陣元天線(xiàn)，具有自 相似性的分形結(jié)構(gòu)保證了陣元天線(xiàn)內(nèi)部有均勻分布的射 頻電流，確保陣元天線(xiàn)有優(yōu)異的超寬頻帶工作能力；使 用生長(zhǎng)環(huán)陣列結(jié)構(gòu)將184個(gè)陣元天線(xiàn)組成天線(xiàn)陣列，利 用輻射疊加原理和陣列結(jié)構(gòu)本身的自相似性使天線(xiàn)陣列 同時(shí)具有高輻射強(qiáng)度、大性能冗余和超寬工作頻帶。天線(xiàn)回波損耗性能和方向圖性能實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該款 天線(xiàn)尺寸小、輻射強(qiáng)度高、性能冗余大、輻射工作穩(wěn)定 性強(qiáng)，具有超強(qiáng)兼容性和超寬頻帶工作能力，能夠有效 兼容移動(dòng)通信系統(tǒng)、射頻識(shí)別系統(tǒng)、超寬帶通信系統(tǒng)和 移動(dòng)數(shù)字電視系統(tǒng)，在微波頻段多網(wǎng)合一系統(tǒng)中可以得 到大規(guī)模應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

［1］ Hussain R， Alreshaid A T， Podilchak S K， et al. A Compact 4G MIMO Antenna Integrated with a 5G Array for Current and Future Mobile Handsets ［J］。 IET Microwaves Antennas & Propagation， 2017， 11（2）： 271-279.

［2］ Kenny C， Odendaal J W， Joubert J. Wideband Antenna for 4G MIMO Applications ［J］。 Microwave and Optical Technology Letters， 2017， 59（3）： 601-604.

［3］ Guan L， Rulikowski P， Kearney R. Flexible Practical Multi-band Large Scale Antenna System Architecture for 5G Wireless Networks ［J］。 Electronics Letters， 2016， 52（11）： 970-972.

［4］ Amendola S， Palombi A， Marrocco G. Inkjet Printing of Epidermal RFID Antennas by Self-Sintering Conductive Ink ［J］。 IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2018， 66（3）： 1561-1569.

［5］ Marouf F Z， Kerarti D Z. Study and Design of Wristband RFID Antenna for Healthcare Applications ［J］。 Microwave and Optical Technology Letters， 2018， 60（2）： 359-364.

［6］ Zhang Q， Ma R， Wei S， et al. Design of a Multimode UWB Antenna Using Characteristic Mode Analysis ［J］。 IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2018， 66（7）： 3712-3717.

［7］ Dastranj A. Optimization of a Printed UWB Antenna： Application of the Invasive Weed Optimization Algorithm in Antenna Design ［J］。 IEEE Antennas and Propagation Magazine， 2017， 59（1）： 48-57.

［8］ Pratap L B， Kundu D， Mohan A. Planar Microstripfed Broadband Circularly Polarized Antenna for UWB Applications ［J］。 Microwave and Optical Technology Letters， 2016， 58（5）： 1088-1093.

［9］ Yeo J， Lee J I. CPW-fed Wideband Loop Antenna for Indoor Digital TV Applications ［J］。 Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering， 2017， 21（8）： 1492-1497.

［10］ Osklang P， Phongcharoenpanich C. Broadband Planar Dipole Array Antenna with Double C-shaped Slit Elements for Digital TV Broadcasting Transmission ［J］。 International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering， 2016， 26（5）： 466-478.

［11］ Carey J. Audience Measurement of Digital TV ［J］。 International Journal of Digital Television， 2016， 7（1）： 119132.

［12］ Silva V J， Ferreira V F D， Viana N S. Architecture for Integrating Healthcare Services to the Brazilian Digital TV System ［J］。 IEEE Latin America Transactions， 2015， 13（1）： 241249.