本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，涉及到通信領(lǐng)域中的信息發(fā)射與接收效率，以及天線設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化問題。

背景技術(shù)：

無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，使得通信的引用越來越廣泛，同時(shí)很多工作在不同頻段的通信系統(tǒng)使用不同的收發(fā)天線，那么對(duì)天線的小型化要求越來越高。通過對(duì)分形天線的研究發(fā)現(xiàn)，分形天線具有尺寸小、容易加工、成本低廉等特點(diǎn)，并且能夠適應(yīng)無線通信的需求。利用天線分形結(jié)構(gòu)的空間填充性設(shè)計(jì)天線可以使得天線的尺寸減縮成為可能。因此，分形天線在無線通信、衛(wèi)星、移動(dòng)通信方面都有著巨大的發(fā)展?jié)摿头浅V闊的市場(chǎng)前景。

為了解決天線小型化的問題，可以利用分形結(jié)構(gòu)的局部相似性和空間填充性來實(shí)現(xiàn)天線的小型化。目前已經(jīng)提出了很多分形天線，主要有koch分形體天線、koch分形貼片天線、sierpinski天線，還有將koch分形天線和sierpinski分形相結(jié)合的天線等。微型化的加號(hào)形狀的分形天線與十字交叉型的分形天線，分別將天線的大小減小到正常尺寸的81.77%和89.8%。koch分形貼片天線在工作使產(chǎn)生的磁場(chǎng)可能不是很均勻，如果在惡劣條件下使用，一定情況下會(huì)對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。此外還有矩形與二叉樹結(jié)構(gòu)結(jié)合設(shè)計(jì)出的矩形分形樹天線，圓形貼片天線和高增益的星星分形結(jié)構(gòu)的天線。這些天線各有優(yōu)點(diǎn)，但是有些阻抗匹配不是很好，輸入反射系數(shù)在工作頻率處的值比較大。有研究表明天線在工作時(shí)，天線的電流方向如果一致可以產(chǎn)生更加均勻的磁場(chǎng)。因此，本發(fā)明在設(shè)計(jì)三叉樹弧形分形天線不僅能保證天線的微型化，同時(shí)也可以加強(qiáng)天線的輻射性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明利用分形結(jié)構(gòu)的空間填充性與局部相似的特點(diǎn)，結(jié)合三叉樹與弧形結(jié)構(gòu)提出了一種無線射頻識(shí)別弧形分形偶極子貼片天線設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)在保證天線在工作頻率下能夠滿足天線特性參數(shù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了減小天線尺寸的問題，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的阻抗匹配，使天線的工作效率達(dá)到更高要求。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明所述的基于三叉樹弧形分形結(jié)構(gòu)的偶極子貼片天線是由正反兩面構(gòu)成，正面包括由三叉樹一階弧形結(jié)構(gòu)（1）、二階弧形結(jié)構(gòu)（2）、天線直線結(jié)構(gòu)（3）組成的天線振子一（4），天線的反面是與天線振子一（4）結(jié)構(gòu)完全軸對(duì)稱的天線振子二（5）。

本發(fā)明天線還包括天線正面的天線振子一的阻抗匹配（6）、微帶傳輸輸入線（8）、巴倫饋電結(jié)構(gòu)一（9）和巴倫饋電結(jié)構(gòu)二（11）；天線反面的天線振子二的阻抗匹配（7）和微帶傳輸輸出線（10）。

本發(fā)明所述的三叉樹一階弧形結(jié)構(gòu)是由一個(gè)一端與天線直線結(jié)構(gòu)（3）連接，且兩個(gè)弧形端點(diǎn)與天線直線結(jié)構(gòu)（3）同在一直線上的弧形朝下的半圓弧形結(jié)構(gòu)，以及以該半圓弧形與天線直線結(jié)構(gòu)（3）的連接端點(diǎn)（a）分別順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度形成的兩個(gè)半圓弧形結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

本發(fā)明所述的三叉樹二階弧形結(jié)構(gòu)是由一個(gè)一端與一階弧形結(jié)構(gòu)的半圓弧形結(jié)構(gòu)的外側(cè)端連接，且兩個(gè)弧形端點(diǎn)與天線直線結(jié)構(gòu)（3）同在一直線上的弧形朝上的半圓弧形結(jié)構(gòu)，以及以該半圓弧形與一階弧形結(jié)構(gòu)的連接端點(diǎn)（b）分別順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度形成的兩個(gè)半圓弧形結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中，二階弧形結(jié)構(gòu)的半圓弧形的半徑為一階弧形結(jié)構(gòu)半圓弧形的半徑的三分之一（1/3）。

本發(fā)明天線正面，天線振子一阻抗匹配（6）一端與天線直線結(jié)構(gòu)（3）連接，另一端與微帶傳輸輸入線（8）連接，巴倫饋電結(jié)構(gòu)一（9）和巴倫饋電結(jié)構(gòu)二（11）位于微帶傳輸輸入線（8）左右對(duì)稱兩端；天線反面，天線振子二阻抗匹配（7）一端與天線振子二的天線直線結(jié)構(gòu)連接，另一端與微帶傳輸輸入線（8）連接。

本發(fā)明的天線臂整體結(jié)構(gòu)是中心軸對(duì)稱（c軸），而天線振子一阻抗匹配（6）與天線振子二阻抗匹配（7）、微帶傳輸輸入線（8）與微帶傳輸輸出線（10）正反面對(duì)稱，巴倫饋電結(jié)構(gòu)一（9）和巴倫饋電結(jié)構(gòu)二（11）位于微帶傳輸輸入線（8）左右對(duì)稱兩端，巴倫饋電結(jié)構(gòu)一（9）和巴倫饋電結(jié)構(gòu)二（11）采取巴倫饋電結(jié)構(gòu)是為了在天線饋電中消除饋線諧振引起的相位誤差。

為了達(dá)到更好的阻抗匹配效果，本發(fā)明采用平行線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。將天線振子一的阻抗匹配（6）和天線振子二的阻抗匹配（7）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為矩形，將這個(gè)矩形結(jié)構(gòu)作為一個(gè)阻抗轉(zhuǎn)換器，通過調(diào)節(jié)矩形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬的大小來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用微帶巴倫饋電方式，結(jié)合三叉樹與弧形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出二階分形偶極子貼片天線，采用分形結(jié)構(gòu)的自相似性和空間填充性，使得在滿足天線增益、方向圖、輸入阻抗等技術(shù)指標(biāo)的前提下尺寸更加小，滿足天線小型化的要求。利用hfss軟件進(jìn)行仿真，對(duì)每個(gè)模型變量進(jìn)行了掃描優(yōu)化已到達(dá)最優(yōu)，并加工出天線實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果與數(shù)值仿真相近，具有實(shí)用價(jià)值。該分形天線中每個(gè)弧形電流的方向基本一致，并且輻射面積相對(duì)比較大，輻射性能比較好，在無線射頻識(shí)別領(lǐng)域中，不僅閱讀標(biāo)簽的距離遠(yuǎn)，而且不會(huì)對(duì)標(biāo)簽的閱讀產(chǎn)生遺漏。該天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，在rfid領(lǐng)域?qū)⒂懈訌V闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明設(shè)計(jì)的三叉樹弧形分形天線結(jié)構(gòu)示意圖。其中實(shí)線表示天線正面，虛線表示天線反面。

圖2為本發(fā)明設(shè)計(jì)的三叉樹弧形分形天線尺寸示意圖。其中，aw為天線寬度，al為天線的直線長(zhǎng)度，sub_length為介質(zhì)的長(zhǎng)度，sub_width為介質(zhì)的寬度，radius1為一階弧形結(jié)構(gòu)半圓弧形的半徑，radius2為二階弧形結(jié)構(gòu)的半圓弧形的半徑，tri_width為巴倫饋電結(jié)構(gòu)的三角形寬度，tri_length為巴倫饋電結(jié)構(gòu)的三角形長(zhǎng)度，gap為微帶傳輸輸出線寬度，length為微帶傳輸輸出線長(zhǎng)度，sub_length為介質(zhì)的長(zhǎng)度，sub_width為介質(zhì)的寬度，z_w為矩形結(jié)構(gòu)的天線振子阻抗匹配的寬度，z_l為矩形結(jié)構(gòu)的天線振子阻抗匹配的長(zhǎng)度。

圖3為本發(fā)明設(shè)計(jì)的三叉樹弧形分形天線正面示意圖。

圖4為本發(fā)明設(shè)計(jì)的三叉樹弧形分形天線反面示意圖。

其中，1為三叉樹一階弧形結(jié)構(gòu)，2為二階弧形結(jié)構(gòu)、3為天線直線結(jié)構(gòu)，4為天線振子一，5為天線振子二，6為天線振子一的阻抗匹配，7為天線振子二的阻抗匹配結(jié)構(gòu)，8為微帶傳輸輸入線，9為巴倫饋電結(jié)構(gòu)一，11為巴倫饋電結(jié)構(gòu)二，10為微帶傳輸輸出線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明將通過以下實(shí)施例作進(jìn)一步說明。

1、本發(fā)明天線參數(shù)的設(shè)置是按照以下數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的（圖2）。

①天線寬度antenna_width(aw)為0.6mm，天線的直線長(zhǎng)度antenna_length(al)為8.2mm；

②天線的一階弧形結(jié)構(gòu)半圓弧形的半徑radius1為3mm，每個(gè)一階弧形與相鄰弧形的夾角為90度，天線的二階弧形結(jié)構(gòu)半圓弧形的半徑radius2為1mm，每個(gè)二階弧形與相鄰的弧形夾角為90度；

③天線的巴倫饋電結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)小的三角形和微帶組合而成，每個(gè)小三角形寬度tri_width為4mm，三角形長(zhǎng)度tri_length為4.5mm，天線的微帶傳輸輸入/出線寬度gap為1.56mm，微帶傳輸輸入/出線長(zhǎng)度length為4mm；

④天線采用介質(zhì)材料為介電常數(shù)，介質(zhì)損耗角正切的環(huán)氧玻璃布板，介質(zhì)的長(zhǎng)度sub_length為35mm，介質(zhì)的寬度sub_width為22mm，介質(zhì)高度sub_height為0.8mm。

⑤本發(fā)明采用平行雙線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，每個(gè)矩形結(jié)構(gòu)的天線振子阻抗匹配的寬度z_w為4mm，矩形結(jié)構(gòu)的天線振子阻抗匹配的長(zhǎng)度z_l為6.5mm。

2、本發(fā)明將天線部分設(shè)置為理想電導(dǎo)體邊界條件。此外還制作一個(gè)大小為112.5*92.5*62.6mm³的空氣盒子，設(shè)置為輻射邊界條件，將邊界看作延伸到空間無窮遠(yuǎn)處，來模擬天線分析問題。

3、本發(fā)明采用驅(qū)動(dòng)模式下的波端口激勵(lì)方式，設(shè)置新的工作模式與積分線，將歸一化的阻抗設(shè)置為50ω。

4、本發(fā)明求解設(shè)置為中心頻率為2.45ghz，求解最大迭代步數(shù)為20，求解結(jié)束為網(wǎng)格劃分最大目標(biāo)為0.02，添加掃頻設(shè)置為快速掃頻方試，從2ghz到3ghz，步長(zhǎng)為0.01ghz。

5、設(shè)置完成后，對(duì)天線進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查與運(yùn)行仿真。仿真結(jié)束對(duì)天線的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，如果不滿足要求對(duì)天線的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到天線的設(shè)計(jì)需求。

本發(fā)明結(jié)合三叉樹分形天線與弧形分形天線結(jié)構(gòu)，提出一種新型的三叉樹弧形分形天線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與二叉樹天線、二叉樹弧形分形天線相比，在微型化方面有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅能滿足天線工作需求的各個(gè)性能參數(shù)，而且制作方便，可以降低天線成本，在研究rfid技術(shù)方面具有較好的應(yīng)用前景。