分形天線研究

1、天線原理與設(shè)計課程論文姓 名：陳卓學(xué) 號：201514110204專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)題 目：分形小型化天線研究成績： 指導(dǎo)教師：2018 年_6月分形小型化天線研究摘要近代電磁學(xué)經(jīng)歷了三百多年的發(fā)展過程， 直到 1864 年麥克斯韋 方程組 的提 出，預(yù) 示了 電磁 波的 存在 ，后被 赫茲 的著 名實 驗所 證 實， 二十世紀由于馬可尼試驗越洋通信的成功而開創(chuàng)了無線電技術(shù)的新 紀元。天 線作為實現(xiàn)無線電應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備，順 應(yīng)著通信、廣播、雷 達 、制導(dǎo) 等無 線電 應(yīng)用系統(tǒng) 在不 同 階段 的需 要而 不斷 發(fā)展 ，形式 多樣、 性能各異，組成了龐大的天線家族。現(xiàn) 階段 ，無 線通

2、信作 為信 息社 會的 主 要技 術(shù)手段 正 日顯 重要。信 道容量的擴充、傳 輸速率的提高、運行體制的兼容、服務(wù)方式的靈活 等 ，促 使 其 工 作 頻 段 一 再 上 拓 ，設(shè) 備 結(jié) 構(gòu) 日 趨 小 型 ，臺 站 設(shè) 施 從 點 對 點 、一 點 對 多 點 發(fā) 展 到 移 動 和 全 球 漫 游 。無 線 通 信 在 本 世 紀 九 十 年 代 的蓬勃發(fā)展，使 以往始見于廣播、導(dǎo)航、雷達、射電天文等“廣義通 信”領(lǐng) 域中的天線專用技術(shù)，如今匯集于“狹義通信”系統(tǒng)，發(fā)揮其 特殊的作用，使行業(yè)界限逐漸模糊。八木天線又稱引向天線，是通信工程中常 用的天線 ，于 20 世紀 20 年代，由 日

3、本東北大學(xué)的八木秀次和宇田太郎兩人發(fā) 明的。八木 天線是 一種常用的線天線形式，典型的八木天線是由一個有源激勵振 子和一排平行的無源振子組成，有 源振子可以有多種形 式，如半波振 子 、折 合 振 子 、扇 形 振 子 、圓 錐 振 子 等 等 ，采 用 半 波 振 子 饋 電 的 八 木 天線還可以制成印刷結(jié)構(gòu)，該 天線具有結(jié)構(gòu)簡單、增益大小可調(diào)整等 優(yōu) 點 ；缺 點 是 由 于 采 用 半 波 振 子 饋 電 ，尺 寸 較 大 ，帶 寬 較 小 。本 文 將 通過對 比 Koch 分 型 八木 天線 與普 通天 線的 反 射損耗 以及 帶地 板 天線 與不帶地板天線之間的參數(shù)來研究分型天線

4、。關(guān)鍵字：八木天線； Koch 分型；引言八木天線可以視為線天線陣列的一種形式，對于線天線的尺寸縮 減問題，可以通過采用分形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。在前面研究的基礎(chǔ)上，可供選 擇的結(jié)構(gòu)為Koch分形結(jié)構(gòu)。當前對于分形陣列的研究主要有三種形 式：陣單元為理想點源，陣間距采用分形結(jié)構(gòu)，進行方向圖的綜 合研究，由于沒有考慮陣元之間的互耦，所以這種模型只具有理論上 的意義，在實際應(yīng)用中會有很大的誤差；陣單元為分形單元，陣間距為普通的歐幾里德空間排列，即 沒有成比例的相似關(guān)系，本文中將要討論的分形八木天線即為此種結(jié) 構(gòu)；陣單元為分形單元，陣間距也為成比例的分形距離排列。 為實現(xiàn)八木天線的小型化，本章采用將普通八木天線

5、的組成單元做分 形處理，分形結(jié)構(gòu)采用Koch分形結(jié)構(gòu)，并結(jié)合其它的小型化方法設(shè) 計小型八木天線。Koch分形小型化八木天線Koch分形八木天線是將普通的八木天線的單元做分形處理后得 到，而普通八木天線由若干個振子排列而成，如圖1-1所示。其中一 個是有源振子，一個反射器，其余作為引向器。在反射器方向上，天 線發(fā)射或接收能量減弱，而在引向器方向上，天線發(fā)射或接收能量增 強。IIP爲Dai圖1-1四元八木天線結(jié)構(gòu)圖（天線1）圖1-2四元分形八木天線結(jié)構(gòu)圖四元八木天線（天線1）和Koch分形八木天線（天線2）的結(jié)果，如圖1-2 所示，有源振子是半波振子，天線參數(shù)為：陣兀間距分別為 D01 =283m

6、m D2=179mm D23=279mm；振子長度分別為 Lo=49Omm L1 =472mm L2=442mm L3 =424mm;振子直徑為4.5mm，饋電間距2mm將Koch分形單元應(yīng)用到該普通八木天線中，分形八木天線單元橫 向長度和普通八木天線長度相同，間距也和普通八木天線相同。經(jīng)CSTMICROWAVE STUDW?得到普通八木天線和分形八木天線反射損耗 如圖1-3所示?？梢钥闯?，分形八木天線的諧振頻率比普通八木天線的諧振頻率 低，中心諧振頻率從298MHZ降為255MHz下降14%這個模型中，精細結(jié)構(gòu)的 長度為157.3mm遠大于振子的直徑（兩者之比為35），其精細結(jié)構(gòu)尺寸為22.

7、5mm 遠大于寬度（兩者之比為11.25），所以壓縮結(jié)果為12%比較一致。因此類似分 形單元天線，Koch分形八木天線陣列也具有降低工作頻率的特性，這種降低是 由于陣單元的工作頻率降低所導(dǎo)致的，陣單元分形后特性變化不大，從而使陣列的特性也沒有太大的變化。陣元工作頻率的降低意味著對于相同的頻率來說，分形陣元和陣列將具有更小的尺寸， 能減少陣元之間的互耦，無論是對于陣列的小 型化或輻射特性改善都是十分有意義的。t） h 勺” I總丿、衣氐典26U280頻率（MHiO300320圖1-3普通八木天線和Koch分形八木天線反射損耗比較對應(yīng)于各自的諧振頻帶內(nèi)的方向圖對比見圖1-4、圖1-5,可以看出其方

8、向圖在后瓣區(qū)有一定差別，而主瓣區(qū)差別很??；增益分別為9.6dB和9.7dB，與文獻中的計算值9.3dB和8.9dB較為一致。說明工作頻率的降低對天線的輻射特性影 響不大。-20K0-900 9C電叫（de k圖1-4天線1和2的H面方向圖 圖1-5天線1和2的E面方向圖分形后的八木天線與分形之前具有相同的陣間距，這就為分形八 木天線的設(shè)計提供了一種方法，即首先設(shè)計出普通八木天線，獲得陣 元和陣間距的參數(shù)，然后保持陣間距參數(shù)不變，將陣元進行分形處理， 就可以得到分形八木天線。這種方法可以充分利用現(xiàn)有的八木天線設(shè) 計資料，只需要對陣元尺寸進行等比例的放縮，就能得到所需要的天 線，也就是說，可以減少

9、所需要調(diào)整的參數(shù)，這種方法是十分快速有 效的。為進一步縮減尺寸，我們可以在某些特殊的應(yīng)用場合使用帶地板 的八木天線，由于鏡像原理，一般可以使天線的高度降低一半，使天 線小型化。由于實際地板不可能無限大，所以在有限大的地板上設(shè)計 八木天線需要重新優(yōu)化陣元和陣間距的值。據(jù)此設(shè)計的三元八木天線 （天線3）結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-06所示，整個天線由地板、反射器（高 度丑1）、折合振子（高度丑2）、引向器（高度丑3）組成，反射器和 折合振子之間距離為乃12，折合振子與引向器之間的距離為乃23, 工作頻率設(shè)在1 GHz用5Q同軸線給折合振子饋電，經(jīng)過仿真確 定普通八木天線的各個參數(shù)值為：H10=72mm H2

10、=63mm H3=60mm;D12=43.5mm、D23=40.5mm；地 板長度L=100mm 寬度為 W=80mm;振子直徑為1.5mm。分形八木天線（天線4）各單元高度和間距均和對應(yīng)的普通八木天 線高度相同，如圖1-7所示。圖1-6普通八木天線（帶地板）圖1-7Koch分形八木天線（帶地板）它們的反射損耗曲線如圖1-8所示，方向圖的仿真結(jié)果如圖1-9、 圖1-10所示。為了比較，在表1-1中列出了天線1? 4的主要參數(shù)。密)三于玄圖1-8兩種八木天線的反射損耗比較圖1-9天線3和4的H面方向圖角度(deg)圖1-10天線3和4的E面方向圖表1-1主要參數(shù)天線編號第一個反射損耗最小處頻率(MHz)極化方向最 大電尺寸相對 帶寬最大輻射方 向仰角12980.495.0%022550.425.9%031003.50.245.8%304779.30.196.0%20結(jié)論通 過上 述實 驗可 得出 的結(jié) 果是 ，分形八 木天線（ 天線 4） 的反 射 損 耗最低點對應(yīng)的頻率比普通的八木天線（天 線 3） 要低，兩者之比為 0.78 ， 而理論值為 0.75 ， 因為二者的物理長度之比為 1.33 ，說明分 形效果較好。這 意味著，若兩者工作頻率相同，分 形八木天線的高度 將降低，由 于引入了地板，和 不帶地板的八木天線相比，高度己經(jīng)減 小 了 1/2 ，由 于 采 用 了