分形天线的设计.doc

(完整版)分形天线的设计

分形天线的设计

学 院：信息学院
专 业：通信工程
姓 名：陈艺芳
学 号：20091060137
邮 箱：861839612＠qq。com
联系方式：15198755607
指导教师：申东娅

【摘要】
随着无线通信技术的发展和移动通信终端设备的普及，特别是近年来人们对小型化、多频带、集成化天线的迫切需求,使天线技术得到了充分的发展。但是，传统的天线在几何形状上基本上都是基于欧几里德几何的设计。虽然，随着天线技术的不断发展出现了微带天线，具有低剖面、重量轻、成本低，可与各种载体共形，适合印刷电路板技术批量生产、易于实现圆极化、双极化、双频段工作等优点,但其致命的缺点是窄带性，从而限制了它的广泛应用。因此，迫切需要运用新的理论和方法,探索现代天线的设计,解决传统的天线设计中出现的问题和矛盾.研究发现，将分形几何应用到天线工程中,可设计出尺寸和频带指标更好的分形天线。
作为分形几何和天线技术的交叉产物, 分形天线的减少天线尺寸的特有优势，在很多领域都大有用途并有广阔的发展前景, 目前对它的研究还十分有限。分形几何的两大特性应用到天线的设计中，解决了传统天线设计中的天线尺寸和多频带两大问题,同时，将分形运用到阵列天线的设计可以大大的改善和提高天线的性能。纵观分形天线的研究现状，分形天线的研究还处在初级阶段,还正待深入研究分形特性与天线特性以及天线性能之间的内在联系，促进天线小型化和多频带的发展。
本文从三个方面入手：1。分形理论；2。分形天线的特性分析；3。分形天线实例分析，简要讨论了分形天线的设计。通过HFSS这一工具对设计出的分形天线的特性进行了仿真及分析。

【关键词】:分形天线、HFSS、S参数、驻波比

目录
1.分形理论 1
1。1分形几何背景知识 1
1.2分形理论在天线技术中的应用 1
2。 分形天线的特性分析 2
3.运用HFSS进行分形天线的设计和仿真 3
3.1用HFSS设计天线的步骤 3
3。2仿真结果分析 13

15

1.分形理论
1.1分形几何背景知识
“分形"这一概念是由法国数学家B。Mandelbrot 于1975 年首次提出的, “分形（ Fractal） ”这个名词源于拉丁文的“破碎”。分形具有两大主要特征: 自相似性和空间填充性( 即分数维) 。
自相似,就是说适当的放大或缩小几何尺寸， 整个结构并不改变， 在各种尺度上都有相同程度的不规则性.分数维　是指用一个特征数( 不一定是整数） 来测定其不平度、复杂性或卷积度。自然界中的许多物体都能用分形来模拟， 如山脉、树分形技术是得益于数学上分形物体的一些特殊性质发展起来的。无论是自然界中的分形还是数学上的分形物体， 都能够通过简单的算法一步步迭代生成, 最终能够具有惊人的复杂结构.分形的特性之一就是“分数维”。这种特性使得分形能够在很小的体积内充分的利用空间， 也是它能够用于天线小型化设计的一个关键原因。
1。2分形理论在天线技术中的应用
所谓分形天线，是指几何属性上具有分形特征的天线。世界上第一个分形天线是由美国科学家 Dr．Nathan Cohen 于1988年完成的，而对分形天线进行系统的研究是从1995年8月 Cohen 发表他的第一篇有关分形天线方面的文章开始的。随后,国际上很多大学和科研机构开始对分形天线进行研究。分形天线是分形电动力学的众多应用之一。天线与阵列的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合，如我们熟悉的螺旋天线和对数周期天线等一类频率无关天线都是分形天线,它已经存在多年,但直到分形技术应用后,它的性能才得以充分的理解。
传统的微带天线要实现其双频和多频工作通常需要采用多个辐射单元的天线或电抗性负载贴片天线或多频介质谐振天线,这些都增加了天线的复杂性,同时,也增加了制作的难度和成本。现代无线通信要求用低剖面、小尺寸、多频带（宽频带）、可集成的天线,分形天线能更好的满足这种要求。分形是通过迭代产生的分数维自相似结构，其整体与局部、局部与局部之间都具有自相似性.因此，分形是一种与标度无关的几何，与宽带天线的频率无关性比较相似。将分形应用于天线的设计主要是用来实现天线小型化和天线的多频特性，分形天线解决了传统天线的两个局限性：（1） 通常天线的性能都依赖于天线的电尺寸。这就意味着对于固定的天线尺寸，主要天线参数（增益、输入阻抗、方向图和副瓣电平等）将随着工作频率的改变而改变.分形的自相似性使分形天线有多频和宽频特性。(2) 分形的空间填充性,使一些天线的尺寸得到减缩.
分形天线的研究和应用,在军事和民用方面都有着巨大的潜力，尤其在无线、卫星和移动通信系统中将会发挥巨大的作用，有着非常广阔的市场前景.国外在分形天线单元和分形天线阵列研究方面已取得实质性进展，但国内在这方面的研究还很少，分形天线是分形理论和天线技术的融合,表现出与传统天线相比的许多优势，是近几年天线领域的研究热点。

2. 分形天线的特性分析
由于分形几何两个独特的特征：自相似性（self—similarity）(或自仿射性self—affinity)和空间填充性(space-filling)，结合天线的特征，使得分形几何在天线工程领域中的应用有了突破性的发展。使天线在尺寸大小和频带宽窄以及多频带等方面的性能与传统天线相比有了极大的改善。
宽频带天线的重要特征是其性能与频率无关,如我们熟悉的螺旋天线和对数周期天线等一类非频变天线（即频率无关天线）都是分形天线。当频率变化时能保持其阻抗和方向图特性不变，即以频率为尺度时，其电性能不变。分形几何是一种与标度无关的几何,具有相似的结构,这意味着分形天线形状在不同的尺度变化下保持相似性，从而具有相似的电特性，形成多频带天线,从这一点上分析，研究分形几何与天线的关系有其必要性.
经典的欧几里德几何研究的对象是规则而光滑的几何形状，而分形结构是由迭代产生的复杂形状，使一些天线的尺寸缩减成为可能.当然，分形严格来说,它是通过无限次的迭代而产生的复杂的几何图形，在天线的应用中我们一般只进行有限次的迭代，这并不影响天线的性能。与传统的天线相比，它更有效的占据空间,也就是分形天线的空间填充性，使得它在很小的空间内能有效的耦合从馈电传输线到自由空间的能量。通过分形环和分形双极子天线与线性环和双极子天线的比较得出：分形天线的空间填充性使得天线的尺寸缩小。实验也证明了这点：Koch曲线分形单极子天线、Koch雪花、Minkowski分形环天线，它们的谐振频率都随着迭代次数的增加而降低。
分形天线的自相似性能减小分形天线元的整体宽度,同时和欧几里德几何天线元保持同样的性能，因为各个天线元具有同样的谐振频率和相同的辐射方向图。分形元能够改善运用欧氏几何天线元的线性天线阵列的设计，运用分形元来改善和提高天线阵列的性能。运用的方法就是减小天线元之间的相互耦合。因为线性阵列中天线元之间的相互耦合导致整个天线的辐射方向图性能下降。相互耦合还能改变天线元的激发电流。因此，如果在阵列天线的设计过程中忽略天线元之间的内部耦合作用,那么天线的辐射方向图就会受到影响，通常表现为副瓣电平的提高甚至导致零信号的填充.
3。运用HFSS进行分形天线的设计和仿真
3.1用HFSS设计天线的步骤
根据分形原理，如图3。0所示，设计分形天线

图 3.0
用HFSS设计该分形天线的步骤：
1。绘制单一图形(如图3.1）

图3。1
2.将该图形复制并拼接天线(如图3。2）

图3。2
3。将空白位置用矩形填充（如图3。3）

图3.3
4。将几个图形组合成一个整体（如图3。4）

图3。4
5.绘制基底板（如图3。5）
图3.5
6。将分形天线移至基底板上表面（如图3.6）
图3。6
7.绘制微带线(如图3.7）

图3.7
8.绘制激励源（如图3.8)

图3。8
9.绘制接地板（如图3.9）
图3.9
10.绘制天线所处的空气环境（如图3。10）

图3.10
11.设置环境的边界条件（如图3.11）

图3。11
12。选中接地板设置其边界条件（如图3.12）
图3.12
13。右键选中激励源，设置激励源（如图3。13）

图3。13
14.改变基底板的类型（如图3.14）

图3。14
15。画图设置（如图3。15）

图3.15
16.设置中心频率（如图3。16）

图3。16
3.2仿真结果分析
S参数
图3。17

驻波比

图3。18
从结果图中可以看出，S参数图中与所设计的中心频率24G有较大偏离，这可能也设计的介质板尺寸不合适或微带线不够细长的原因有关。
从实验可以看到，分形天线确实可以在天线小型化方面和增加频带宽窄的性能方面有所提高，随着迭代次数的增加，天线的高度逐渐减小而趋向于某一有限值，而长度却无限增长。所以这种设计有利于天线的小型化，当然随着迭代次数的增加，也就相应的增加了天线设计的复杂度，因此,曲线的迭代次数不宜过大.
随着迭代次数的增加,天线的辐射阻抗增加,谐振频率减小,并趋于某一极限值，同时品质因数Q值减小，也趋于某一有限值。

【参考文献】
［1］ 王丽萍，许 峰，傅德民,龚书喜. Minkowski分形天线分析。 西安电子科技大学学报（自然科学版）。 V (29）:
[2］ 屠振,王理，王彪. 分形天线的特性分析及其在MIMO天线中的应用. 电子工程师。 V（30)11:
[3] 孙华明，周正. UWB信号射频特性分析及分形天线的应用. Radio Engineering. 2004， V(34)9:
[4］ 许峰。 若干分形天线分析研究. 西安电子科技大学硕士学位论文. 2002： 1-2