一种基于科赫分形单元和缺陷接地结构的超宽带天线设计

本文介绍了一款CSRRs缺陷接地单元的超宽带分形天线。通过加载缺陷接地结构和科赫分形单元使得天线的带宽范围在3.03~16 GHz，在不增加额外体积的情况下，拥有高达136%的相对带宽。该设计方法也为不改变额外体积的情况下，使天线带宽化，提供了一种研究方向。

通信技术不断走向一个又一个的辉煌的今天，对天线的性能要求逐渐变得越来越高，小型化，集成化，低成本，宽带化等性能指标都是当下的热门话题。超宽带天线由于具有独一无二的带宽性能，越来越成为人们研究的重点。同时，超宽带技术作在不断的探索过程中有着非常广泛的用途，特别是在短距离的通信中。

印刷天线[1] [2] [3]因为重量较轻， 成本较低， 频段宽， 辐射性能较好， 并且容易进行集成化的特点， 因此在超宽带天线上应用具有一定的优势，因此也使得人们将各种技术应用于印刷天线上为了拓展天线的带宽。传统的超宽带天线一般都采用比较复杂的几何结构，比如采用指数函数模型的Vivaldi 天线，其成本较高。由于分形几何的不断发展，人们逐渐开始将其用在天线上。分形几何的自相似性能够十分有效的拓展天线的带宽并产生多频的特性，而空间填充性则能够有效的缩小尺寸以便天线的小型化。文献[4]中作者将Peano 分形和Sierpindki 分形相结合, 应用在天线的辐射贴片， 从而使天线获得了超宽带性能并达到了小型化的效果。文献[5]中作者通过在地面上刻蚀分形结构，产生多频段的效果，并通过调整分形的尺寸来对频段进行调整。

缺陷接地结构(DGS)首次被发现是被用在了平面电路和低通滤波器中。在滤波器中DGS 主要是通过在接地板上刻蚀一些图案，对接地板上的表面电流分布产生影响，从而改变传输线的相关特性，并产生了慢波特性以及带阻效应[6]。与此同时，DGS 也会对滤波器中的某些频率或者频段进行抑制。为了让天线的辐射性能更好，DGS 也开始逐渐应用在了微带天线中[7]。在天线中，当DGS 刻蚀在接地板上，介质基板的有效介电常数发生了一定的改变，应用于天线中时改变了微带馈电线上的电感和电容，从而使天线中的高次模被抑制，从而提高了天线的带宽。在微带天线中，由于微带天线中的接地板的面积一般比较大， 对天线的辐射造成一定的损失和干扰， 因此可以通过加载DGS 来实现天线的小型化[8] [9] [10]。

常见的缺陷接地结构如T 字形、哑铃型等。本文基于科赫分形与互补开口谐振环(CSRRs)缺陷接地结构设计了一款超宽带天线。

2. 天线结构设计 为了能够更好的让天线集成化，因此采用共面波导馈电的方式，将辐射贴片和接地板放在同一个平面上，本文中提出的天线如图1 所示。由于正六边形的形状近似一个圆，可以拥有更好的辐射性能，同时，正六边形也方便在边上加载分形单元，因此天线的辐射贴片的形状采用正六边形。天线的整体尺寸为35 * 30 mm2，采用介电常数为4.4，损耗正切角为0.02 的FR4 介质基板，厚度为1.6 mm。天线的馈电部分通过50 Ω 的SMA 连接头进行馈电。在正六边形的每条边上加载科赫分形单元，由于天线在三次迭代后性能参数变化不大，因此加载分形单元的迭代次数为两次，让天线的带宽得到了一定增加，在不增加天线的面积下。在接地板的两边刻蚀了两个对称的互补开口谐振环缺陷的接地结构，让天线的阻抗匹