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小型化分形天线的设计与分析

林澍  
【摘要】: 通信系统的飞速发展对天线设计提出了越来越高的要求。通信设备的体积不断减小,需要小型化天线;而通信频带不断向多频段、高频段发展又推动了多频天线和宽带天线的发展。宽带天线可以覆盖很宽的频率范围,使得通信系统不必使用多个天线,可以提高电磁兼容的性能;但是在某些时候又希望有选择地接收所需要频率的信号,防止出现干扰,需要使用多频天线。所以,天线的小型化、多频天线和宽带天线就成为了目前天线研究的重要问题。 天线小型化以及实现天线的多频功能和宽带功能的方法很多,但这些方法有时过于专门化,往往只满足了某一方面的指标而破坏了其它指标,不能满足现代通信系统所需要的综合指标要求。为解决这一问题,本文对采用了分形技术的小型化天线、多频天线和小型化宽带天线的设计进行了深入的研究: 第一,分形天线的基本理论。天线作为一种无源器件,电气性能主要是由自身的结构决定的,分形天线具有许多特殊的性质,最主要的是空间填充性和自相似性。通过仿真研究了分形结构的对称振子天线、环天线和微带贴片天线,分析了分形结构的空间填充性与分形天线的小型化特性之间的关系,给出了描述小型化特性的公式;对Koch分形的精细结构进行了仿真,论述了在精细结构上的表面电流传播规律,从而解释了高次分形天线的小型化效果不明显的现象;通过仿真Sierpinski三角分形天线的反射损耗和表面电流分布,分析了分形嵌套结构的自相似性与分形天线多频特性的关系,论述了多频特性的频比与相似结构的相似比有关;通过仿真对数周期天线,分析了分形结构的自相似性和超宽带特性的关系。这些研究工作为设计小型化分形天线、分形多频天线以及分形超宽带天线提供了理论基础、设计思路和技术手段。 第二,小型化分形天线研究。分形天线改善天线性能的方法和效果本身具有较强的独立性,一般不会对其他指标产生较大的影响,既可以单独使用,也可以与其它方法结合使用。将分形与加地板综合起来,提出了一种小型化八木天线的设计方法,设计了一种带地板的小型化八木天线,仿真结果表明,与传统八木天线相比,该天线尺寸缩减了61%;将分形与展宽频带的方法综合起来,提出了一种具有较宽频带的小型化微带分形天线设计方法,设计了一种双层贴片结构的分形微带天线,仿真结果表明,该天线在具有11%的阻抗带宽基础上,尺寸缩减了17%。 第三,多频分形天线研究。嵌套的分形结构具有良好的多频特性,基于这一思路提出了一种多频分形天线的设计方法,采用不同形状和尺寸的多个金属片组成嵌套结构的多频天线,通频带的个数由嵌套单元的个数确定,通频带数值由嵌套单元的形状和尺寸确定。设计了工作于0.9GHz、1.8GHz和2.4GHz的三种形式的分形三频天线,分别为圆环嵌套分形天线、半圆环嵌套分形天线和三角形嵌套分形天线,仿真与实验结果表明,所设计的天线频率的可控性良好,在三个频点处具有类似的辐射特性,可以满足多频天线的要求。 第四,小型化宽带分形天线研究。对数周期天线本身是一种分形阵列结构,阵单元和阵间距都是分形结构。对阵单元再进行一次分形,提出了一种小型化对数周期天线的设计方法,设计了树状分形对数周期天线,仿真结果表明,该天线在极化方向上尺寸缩减了38%。还设计了一种三角形组合分形对称振子天线,仿真和实验结果表明,该天线具有19:1的倍频带宽,且具有较小的尺寸,仅相当于普通对称振子尺寸的51%。 本文为解决天线设计中的小型化、多频和宽带问题,通过对分形天线进行研究,提出了几种天线设计的思路和方法,并制作了相应的实物,可以为解决上述问题提供参考与借鉴。


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