分形結(jié)構(gòu)散射和幾類新型分形天線的設(shè)計與研究.pdf

1、隨著無線電技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信系統(tǒng)對天線設(shè)計的要求越來越嚴格，比如小型化、多頻帶、圓極化等。由于電磁理論的不斷發(fā)展，實現(xiàn)天線小型化、多頻段、圓極化以及寬帶特性的方法有很多種，然而，在工程上我們往往需要天線同時具備上面的兩種或多種特性，比如：小型化的圓極化天線、小型化的寬帶天線以及小型化的寬帶圓極化天線。現(xiàn)有的技術(shù)手段有時無法同時滿足上述新型天線的各項指標要求。因此，我們需要采用新的理論和方法去研究新型天線的設(shè)計，解決以往傳統(tǒng)的天線設(shè)計中

2、存在的問題和矛盾。分形本身具有空間填充性和自相似結(jié)構(gòu)，采用分形結(jié)構(gòu)的天線就天然具備了很多傳統(tǒng)天線所不具備的優(yōu)點:分形天線結(jié)構(gòu)的空間填充性可以使我們能夠更有效的設(shè)計小型化天線，分形天線結(jié)構(gòu)的自相似性使其具備多諧振點特性，從而使我們可以更好地開發(fā)多頻天線。
　　本文利用分形理論并結(jié)合現(xiàn)代通信系統(tǒng)的新需求，圍繞國家自然科學基金項目“分形天線與分形維數(shù)的關(guān)系及其在天線小型化中的應(yīng)用研究”，對分形球結(jié)構(gòu)的電磁散射特性、小型化圓極化分形天線、

3、雙頻分形RFID天線、分形寬帶天線以及小型化寬帶圓極化分形天線進行了深入研究。作者的研究成果和創(chuàng)新點主要分為以下五個部分：
　　1.研究了分形球結(jié)構(gòu)的電磁散射特性。建立了基于Cantor集的多層分形球模型，研究了不同方向的雷達散射截面RCS數(shù)值。通過改變多層球的分形維數(shù)，觀察其RCS的變化規(guī)律。計算結(jié)果表明，具有自相似結(jié)構(gòu)的分形多層球具有相似的散射特性，并且分形球的維數(shù)越大，其雷達散射截面RCS越大。此外，從散射圖還可以明顯看出，

4、分形多層球的后向散射對分形維數(shù)更加敏感。
　　2.深入研究了兩款新型的小型化圓極化Koch分形天線。為了實現(xiàn)天線的小型化，將傳統(tǒng)十字交叉振子采用Koch分形結(jié)構(gòu)。與此同時，提出了可以通過調(diào)整Koch單元的分形維數(shù)來改變天線輻射振子的自阻抗，從而使兩交叉振子的電流振幅相同、相位差900，從而實現(xiàn)圓極化。HFSS仿真以及天線加工實測結(jié)果表明，該新型的小型化圓極化天線具有良好的輻射特性，3dB軸比帶寬約為5.98％，且兩款天線的尺寸比傳

5、統(tǒng)天線分別減小了23.4％和33.5％,該小型化的圓極化天線已成功用在中國北斗一代車載衛(wèi)星導航系統(tǒng)中。
　　3.研發(fā)了新型雙頻分形RFID天線。首先設(shè)計了兩款樹狀分形陣列超材料結(jié)構(gòu)，結(jié)合等效電路模型調(diào)整樹枝分支的長度和粗細，通過電磁軟件HFSS仿真優(yōu)化出所需的超材料結(jié)構(gòu)。為了更好地研究提出的分形超材料特性，利用結(jié)構(gòu)的S參數(shù)反衍計算得出該結(jié)構(gòu)的磁導率和介電常數(shù)，計算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在所用頻段的磁導率實部均為負值。然后將所設(shè)計的新型樹狀

6、分形陣列超材料結(jié)構(gòu)置于空氣微帶貼片天線的地板和貼片之間，利用此結(jié)構(gòu)的MNG(mu-negative)特性，實現(xiàn)單饋點RFID天線的雙頻工作。經(jīng)過實際測量，該天線諧振在842MHz和922MHz，且在兩個工作頻段的帶寬分別為4.4％和3.1％，完全覆蓋中國射頻識別系統(tǒng)UHF的兩個頻段。
　　4.研究了基于Koch分形的寬帶印刷縫隙天線。提出了基于Koch分形的自相似性和空間填充性來展寬縫隙天線帶寬的方法。仿真結(jié)果表明，將Koch分形

7、結(jié)構(gòu)用于縫隙印刷天線的邊緣，通過選擇合適的IO、IF及IA,印刷縫隙天線的帶寬可以得到有效地提高。此外，根據(jù)仿真優(yōu)化得出的參數(shù)，實際加工了八款縫隙天線，并比較了它們的電性能，最終優(yōu)化出性能最好的寬帶縫隙天線。實測結(jié)果顯示，該優(yōu)化的天線可以實現(xiàn)1.75倍頻程（1.45-4.86GHz），具有穩(wěn)定的方向圖且天線的峰值增益為5.38dBi，非常適用于寬帶無線通信系統(tǒng)。
　　5.研究了小型化分形對數(shù)周期寬帶（2-6GHz）圓極化天線。區(qū)別