分形天线技术的应用

分形天线技术的应用分形天线的经典设计以及研究进展姓名：李子剑班级：通信四班学号：20102450216分形天线技术的应用分形天线的经典设计以及研究进展、分形天线简介近年来，人们对各种电子设备，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，技术确有其自身无法超越的局限性，如尺寸问题，窄带性,等等。而在用于无线应用中的下一代天线中，小型化却是必须的。因为他必须集成多个设备（如蜂窝、无线局域网、地理定位、无线电广播装置），并需要安置在多个地点，同时很多设备也需用到小型化天线，如手机、笔记本电脑、个人数字助理、汽车、手表等。这些问题的解决思路可以从一个现代理论“分形”着手。"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。心分形叶片心分形叶片Cb）分形树目前，分形正成为满足未来产品要求的一种有效方法。它能够使得我们有效地设计小型化天线或把多个无线电通信元件集成到一块设备上。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。二、几种经典的分形天线1、Koch单极天线分形用于天线小型化设计的第一个例子是Koch单极天线（如图所示），得名于分形Koch曲线。当在天线的设计中应用Koch曲线时，谐振频率相对于传统的线性单极天线以1.65的因数降低。所以Koch单极天线的高度比传统的线性单极天线小40%"。图3Koch单扱大缄2、Hilbert分形天线另一个已实际应用于天线小型化设计的例子是Hilbert分形天线（如图所示）。由于是由多节线段组成的，Hilben曲线是一种比传统的曲线能够覆盖更多的空

间的分形曲线，其生成过程如图5所示。事实上，他几乎可以看作一系列的点来填满整个的正方形表面(本身仍保持是条曲线)。利用这种特性，许多天线的尺寸都可以大大减小。图4Hilbert分形人线Order4Ord«r-2CD图5Ililhert图4Hilbert分形人线Order4Ord«r-2CD图5Ililhert分形天线務成过程(Jrdcr-3目前，这种分形天线多用于VHF和UHF。3、分形环天线欧氏几何中的环天线有一定的局限性：谐振环要求巨大的空间，小环的输入阻抗很低等。而分形环天线与之相比有如下优势：天线小型化。在占用空间相同的情况下分形环能够使天线环的周长为无限长:在频率较低时，天线可以在很小的空间内利用分形曲线实现。使得天线的辐射阻抗增加。分形环天线具有更强的方向性。目前的分形环天线主要有Koch分形环、Minkowski分形环等，如图所示。Minkowski分形耳Minkowski分形耳图gKorh分形环和Minkowski分形环4、分形天线阵列分形几何应用于天线阵列的设计主要有两种方式，分形单元可用于均匀分布阵列中，也可以将阵列间距用分形形式来布局。分形阵列与传统的阵列设计相比有如下特点：多频、宽频特性。可用迭代算法快速计算方向图。可系统的稀疏阵列。可有效地设计大的平面阵列。可实现低副瓣设计策略。目前两种典型的分形阵列天线是Cabtor集阵列和Weierstrass线性阵列。三、分形天线的最新发展1、用于宽频通讯的微带分形天线传统的微带贴片要实现其双频和多频工作需要采用多个辐射单元或使用电抗性负载贴片天线。当2000年分形的概念首次用于方形微带贴片天线的结构中，获得了多频工作性能。天线以Sierpinski毯的形式来构造，选用的标度因子为1/3,以保持分形结构的完全的几何对称性。迭代次数n=3,使天线工作于三个不同的段f1、3f1、9f1(f1为激励单元即n=1的谐振频率)。天线采用同轴馈电，用于多频工作时，能量从激励单元耦合到寄生单元。测试结果表明，在每个频段，回波耗优于-10dB，增益大于7dB。在三个频段天线都表现出了很好的阻抗匹配性能。此方法同样可用于任意数目频段的分析和三角形微带贴片领域。这一类型的天线将用于无线通讯、卫星通讯和移动通讯等领域。RT60MS5.3Srerpr^ki微帶分解天线侧现图RT60MS5.3Srerpr^ki微帶分解天线侧现图图5.1SMrpEdd微带分醪夭钱顶视图图3"几种Si^rpir^kf蛰齐线2、强方向性的分形边界微带贴片天线现已提出一种新型的具有分形边界的贴片天线。贴片形状为3阶Koch雪花，贴片刻蚀在介质上，介质与接地板之间为空气间隙，贴片为同轴馈电。天线表现出多谐振模式，通过观察电流可以看出电流密度实际只在贴片边界的四个区域，其电流分布与单个Koch2贴片在基模上电流分布相似。因此Koch3微带贴片的性能可以看作工作于基模的Koch2微带贴片天线的2X2阵列。对其测量结果可参看文献。可以看出具有分形边界的贴片天线表现出局部模式，其性能为阵列的性能。当局部模式同相时，与基模工作的天线相比，可得到宽带方向图和较强的方向性。3、ComCyl天线近二十年来，无线设计一直依靠短而粗的天线，现在已经有一种新型天线,效率更高，而且可以用于多频工作。这类天线叫共形通讯柱(conformalcommunicationscylinders)，即ComCyl天线。它们是刻蚀在薄电路板上的复杂的分形天线，然后将板子卷曲在中空的套筒中，小型共形电路板，低损耗介质上为分形天线环。ComCy1天线的优势在于它不象传统天线设计那样低效。这一类天线虽然是电小尺寸，性能却很好。共形印刷电路设计的分形结构产生多频加载性能，通过选择设计方向图与迭代次数，可以实现真正的多频性能。现在已经有不同型号的天线用于双频蜂窝通讯与个人通讯中。位于Florida州Massachusetts的分形天线系统公司在分形天线的研究方面卓有成效。2000年6月该公司的ComCyl天线宣布完工，它可以有效地防止天线与用户直接接触。该公司已经申请此天线的专利，它可以用来代替蜂窝电话与其他手持通讯设备中的传统的短而粗的设计方式。ComCy1天线独特的结构使天线的实际尺寸很小，且卷曲在套筒的一侧远离使用者的头部。传统的天线设计使天线在人脑的1〜4mm附近。此天线使套筒的一侧空着，这样即使使用者将天线压在头上，由于特别的隔离，对人脑也没有直接接触，空着的一侧可以填充一些便宜的吸收树脂以进一步减小对人脑的RF辐射。与同类天线相比，此天线性能更好，且更便宜。目前该公司正在研究用于蓝牙(2.4GHz)无线局域网(WLAN)的超低轮廓的ComCyl天线。ComCyl天线四、总结分形是具有分数维的通过迭代产生的具有自相似性的结构，通过本文的研究可以知道，分形的这种特性，使得它可以缩小尺寸，实现天线的小型化，而同样，给分形天线加槽，不仅能够实现小型化，并且由于槽的作用使得电流方向发生改变，一部分电流相互抵消，另外，和传统的天线相比，分形天线除了在减小尺寸方面具有独特优势外还有其他优点。如：分形天线可以增加工作频带（应用自相似性）；具有"自加载"的性质，不需要额外的调谐线圈、电容等元器件或匹配电路来使其在宽带工作情况下达到阻抗匹配；采用分形天线还可以简化电路设计、降低系统造价。从而实现了对传统天线的超越。分形天线的研究和