分形天線的研究進(jìn)展

1、沈陽理工大學(xué)課程論文題目分形天線的研究進(jìn)展學(xué)院：裝備工程學(xué)院專業(yè)：信息對(duì)抗技術(shù)姓名：學(xué)號(hào)：課程教師：王欣日期：2013年11月16日論述了分形天線的發(fā)展?fàn)顩r，介紹了分形天線的分析方法和最新的研究成 果。天線的分形設(shè)計(jì)是電磁理論與幾何學(xué)的融合。 分形天線可以實(shí)現(xiàn)多頻工作和 尺寸減縮，在軍用與民用方面都有著很大的發(fā)展?jié)摿ΑｊP(guān)鍵詞：分形天線；多頻天線；尺寸減縮1 .引言自從20世紀(jì)70年代中期法國數(shù)學(xué)家BenoitMandelbrot第一次描述了名為分形 的幾何圖形，它已吸引了眾多科學(xué)工作者的興趣。分形這一概念至今仍沒有被人 們普遍接受其統(tǒng)一的定義，研究許多不規(guī)則曲線會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們具有一很重要的性 質(zhì)

2、即自相似性(self-similarity)。通俗地說,就是局部的形態(tài)與整體形態(tài)的相似。 事實(shí)上，自然界中的許多事物都具有自相似的層次結(jié)構(gòu)，在理想情況下，甚至有無 窮多層次,適當(dāng)?shù)胤糯蠡蚩s小幾何尺寸，整個(gè)結(jié)構(gòu)并不改變，把這種在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、 功能和信息等方面具有自相似的研究對(duì)象統(tǒng)稱為分形。20世紀(jì)80年代,關(guān)于波與分形結(jié)構(gòu)相互作用的研究促進(jìn)了分形電動(dòng)力學(xué)的發(fā) 展，而分形天線是分形電動(dòng)力學(xué)眾多應(yīng)用領(lǐng)域之一。天線與陣列的分形設(shè)計(jì)是電 磁理論與分形幾何學(xué)的融合，最為熟知的對(duì)數(shù)周期天線就是一種分形天線，它已經(jīng) 存在40年了，但直到分形技術(shù)應(yīng)用后它的性能才得以充分理解。天線的分形設(shè)計(jì)用來探索天線的尺寸減縮

3、與多頻性能，因此分形天線解決了 傳統(tǒng)天線兩個(gè)主要局限性:(1)天線實(shí)際上是窄帶設(shè)備，它們的性能高度依賴于天 線的電尺寸。這就意味著，對(duì)于固定的天線尺寸，主要天線參數(shù)(增益，輸入阻抗，方 向圖，副瓣電平)將隨著工作頻率的改變而改變。分形的自相似性使的分形天線具 有分形的特征，從而具有多頻性能。(2)分形復(fù)雜的形狀使一些天線的尺寸減縮成 為可能。本文首先回顧分形天線相關(guān)概念的發(fā)展?fàn)顩r，然后綜述了分形天線的分析方 法，最后介紹幾種最新的國外研究成果。12. 分形天線的最新發(fā)展2.1用于寬頻通訊的微帶分形天線2傳統(tǒng)的微帶貼片要實(shí)現(xiàn)其雙頻和多頻工作需要采用多個(gè)輻射單元或使用電 抗性負(fù)載貼片天線。2000

4、年,分形的概念首次用于方形微帶貼片天線的結(jié)構(gòu)中， 獲得了多頻工作性能。天線以Sierpinski毯的形式來構(gòu)造，選用的標(biāo)度因子為1/3, 以保持分形結(jié)構(gòu)的完全的幾何對(duì)稱性。迭代次數(shù)n=3,使天線工作于三個(gè)不同的段 fl、3f1、9f1(f1為激勵(lì)單元即n= 1的諧振頻率)。天線采用同軸饋電,用于多頻 工作時(shí),能量從激勵(lì)單元耦合到寄生單元。測試結(jié)果表明，在每個(gè)頻段，回波耗優(yōu) 于-10dB,增益大于7dB。在三個(gè)頻段天線都表現(xiàn)出了很好的阻抗匹配性能。此方 法同樣可用于任意數(shù)目頻段的分析和三角形微帶貼片領(lǐng)域。這一類型的天線將用于無線通訊、衛(wèi)星通訊和移動(dòng)通訊等領(lǐng)域。2. 2強(qiáng)方向性的分形邊界微帶貼片天

5、線3現(xiàn)已提出一種新型的具有分形邊界的貼片天線。貼片形狀為3階Koch雪花,貼片刻蝕在介質(zhì)上，介質(zhì)與接地板之間為空氣間隙，貼片為同軸饋電。天線表現(xiàn) 出多諧振模式，通過觀察電流可以看出電流密度實(shí)際只在貼片邊界的四個(gè)區(qū)域，其電流分布與單個(gè)Koch2tt片在基模上電流分布相似。因此Koch3微帶貼片的性能 可以看作工作于基模的Koch2微帶貼片天線的2X2陣列。對(duì)其測量結(jié)果可參看文 獻(xiàn)?？梢钥闯鼍哂蟹中芜吔绲馁N片天線表現(xiàn)出局部模式，其性能為陣列的性能。 當(dāng)局部模式同相時(shí)，與基模工作的天線相比，可得到寬帶方向圖和較強(qiáng)的方向 性。2.3ComCyl 天線近二十年來，無線設(shè)計(jì)一直依靠短而粗的天線，現(xiàn)在已經(jīng)有

6、一種新型天線， 效率更高,而且可以用于多頻工作。這類天線叫共形通訊柱(conformalcommunications cylinders),即ComCy天線。它們是刻蝕在薄電路板上的復(fù)雜 的分形天線，然后將板子卷曲在中空的套筒中，小型共形電路板，低損耗介質(zhì)上 為分形天線環(huán)。ComCy 天線的優(yōu)勢在于它不象傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)那樣低效,這一類 天線雖然是電小尺寸，性能卻很好。共形印刷電路設(shè)計(jì)的分形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多頻加載性能,通過選擇設(shè)計(jì)方向圖與迭代次數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)真正的多頻性能。現(xiàn)在已經(jīng)有不 同型號(hào)的天線用于雙頻蜂窩通訊與個(gè)人通訊中。位于 Florida州Massachusetts 的分形天線系統(tǒng)公司在分形天線

7、的研究方面卓有成效。2000年 6月該公司的ComCy天線宣布完工，它可以有效地防止天線與用戶直接接觸。該公司已經(jīng)申請 此天線的專利，它可以用來代替蜂窩電話與其他手持通訊設(shè)備中的傳統(tǒng)的短而粗 的設(shè)計(jì)方式。ComCy天線獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使天線的實(shí)際尺寸很小，且卷曲在套筒的一 側(cè)遠(yuǎn)離使用者的頭部。傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)使天線在人腦的14m附近。此天線使套 筒的一側(cè)空著，這樣即使使用者將天線壓在頭上，由于特別的隔離，對(duì)人腦也沒有 直接接觸,空著的一側(cè)可以填充一些便宜的吸收樹脂以進(jìn)一步減小對(duì)人腦的RF畐射。與同類天線相比，此天線性能更好，且更便宜。目前該公司正在研究用于藍(lán) 牙(2.4GHz)無線局域網(wǎng)(WLAN的超

8、低輪廓的ComCy天線。3. 理論分析方法分形天線的分析方法有多種，應(yīng)用最廣泛的為矩量法。另外，由于計(jì)算機(jī)性能 的提高,FDTD在天線計(jì)算方面也得到了較多的應(yīng)用。 對(duì)于一些結(jié)構(gòu)比較簡單的分 形天線可以使用比較成熟的商業(yè)軟件包，如An soft和NEC等電磁場問題計(jì)算軟件。洛杉磯加州大學(xué)(UCLA)的以Samii為首的研究人員對(duì)分形天線單元作了比較 深入的研究，他們提出一種用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基于電流的迭代混合方法。該方法利 用混合電場積分方程(EFIE)和磁場積分方程(MFIE)公式,HEM(hybridEFIEMFIE)。 HEM可以用于任何形狀三維金屬結(jié)構(gòu)的建模，包括線形、開和閉合表面。使用物

9、理光學(xué)(PO)近似的基于電流的混合方法是HEM公式的一個(gè)近似。其數(shù)值解過程 包括矩量法(EFIE)與迭代Neumanr級(jí)數(shù)方法(MFIE )。這就可以充分利用PO近 似，并提供了通用的系統(tǒng)的方法來糾正由P0近似導(dǎo)致的誤差。該方法可用于以線 面作為基本單元的物體的輻射問題?，F(xiàn)在加州大學(xué)已經(jīng)基于此方法研制出程序，并已成功地用于分形天線的計(jì)算4。分形形狀的電磁分析通常需要大量內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間，在設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)需要 對(duì)整體趨勢進(jìn)行快速估計(jì)時(shí),就需要一簡單模型。最近C.Puente用計(jì)算分形天 線的迭代模型分析Sierpinski墊片天線。該模型是一簡單、快速的數(shù)值模型，可用 于預(yù)測具有Sierpinsk

10、i墊片分形形狀的天線的輸入?yún)?shù)。該模型基于產(chǎn)生分形結(jié)構(gòu) 的迭代原理，是一反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸出作為下一步新系統(tǒng)的輸入。為了預(yù)測分形 網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，該模型僅需要知道初始結(jié)構(gòu)的散射矩陣和聯(lián)系分形結(jié)構(gòu)某一 過程的S矩陣與下一步的S矩陣的組成關(guān)系。由模型可以看出Sierpi nski分形 天線的多頻性能是其分形結(jié)構(gòu)的結(jié)果。該模型很好地預(yù)測了天線的性能。4. 論文總結(jié)分形天線在很多領(lǐng)域都大有用途。隨著無線通訊領(lǐng)域的日益發(fā)展，集成天線 的需求日益增加。分形天線可有效地填充有限的空間，其空間節(jié)省能力是比歐氏 幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)越性之所在。這類應(yīng)用包括個(gè)人手持無線設(shè)備如蜂窩電話。另一值得研究的方面為諧振環(huán)狀天線的較小

11、的包圍面積，這可減縮天線的雷 達(dá)散射截RCS,在軍用方面天線的RCS為關(guān)鍵參數(shù),因此對(duì)分形天線的研究更有 意義。在相控陣中的應(yīng)用是分形天線應(yīng)用的另一方面。在設(shè)計(jì)過程中，使用分形可對(duì)環(huán)狀單元和偶極單元的尺寸進(jìn)行減縮，因而減小天線間的互耦，改進(jìn)掃描性 能。另一個(gè)值得研究的領(lǐng)域是分析分形的數(shù)學(xué)原理，以聯(lián)系它們作為天線的性能 的改進(jìn)與它們的獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。5. 課程總結(jié)我談?wù)剬?duì)這門課程的理解與認(rèn)識(shí)，通過學(xué)習(xí)這門課程，讓我對(duì)微波技術(shù)與天 線有了新的認(rèn)識(shí)，原來以為天線傳輸信號(hào)就是從這邊傳到那邊，而現(xiàn)在知道了天 線有那么多種類以及它們的特點(diǎn)和用途， 并且傳輸過程特別復(fù)雜。我也認(rèn)識(shí)到了 許多微波的知

12、識(shí)，平時(shí)只是從表面接觸到微波爐什么的， 而這門課介紹了廣義上 的微波，也讓我對(duì)微波有了更深一步的了解。 對(duì)于現(xiàn)在的通信時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)成為我 們生活中必不可少的，因此，我們對(duì)于信號(hào)的強(qiáng)弱和傳輸快慢的要求也非常高。 研究這門課程使我們對(duì)于現(xiàn)代光纖技術(shù)也有了一定的了解，光纖之所以這么受歡迎也是因?yàn)樗鼭M足了現(xiàn)在社會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求。我也深刻認(rèn)識(shí)到世界科技的偉大， 從發(fā)明電話到電視是一個(gè)漫長的過程， 我想這也是人類偉大的智慧所在。 隨著科 技的發(fā)展，人們對(duì)于通信的期望越來越高，從飛鴿傳書到郵寄信件，再到現(xiàn)在的 電腦郵件以及視頻通話，這樣飛躍的發(fā)展讓我們感慨科技之偉大。在這門課的學(xué) 習(xí)中，我也努力學(xué)習(xí)科學(xué)家們刻苦

13、認(rèn)真研究的成果， 雖然課程比較難，也沒有課 程考試，課后也沒有認(rèn)真的去看課本，但是我們也通過課程考查報(bào)告對(duì)這門課有 了很多的認(rèn)識(shí)。對(duì)于課程，我們總結(jié)出微波的幾大特性：似光性，穿透性，寬頻帶特性，熱 效應(yīng)特性，散射特性，抗低頻干擾特性，視距傳播特性，分布參數(shù)的不確定性， 電磁兼容與電磁環(huán)境污染。最后的問題，我們的生活空間越來越大的無線信號(hào)充 斥的，必然會(huì)有害身體健康，新類型的污染必然出現(xiàn)。最后，就是對(duì)于工科而言，必須注意嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)性和連貫性的注 意，包括微波天線等課程，避免內(nèi)容分散各自獨(dú)立，才能有所得。參考文獻(xiàn)1 H. Abarba nel. An alysis of Observed Data M . NewYork: Spri nger-Verlag NewYork In c, 1996.2 R. V. HaraPrasad, etal. . Microstrip fractal patcha ntenna for multi-ba ndcom muni cat ion J . Electr oni csLett. , 20003 C. Borja, etal. . High directivity fract albo u