分形天線的特性分析

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和移動(dòng)通信終端設(shè)備的普及,特別是近年來(lái)人們對(duì)小型化、多頻帶、集成化天線的迫切需求,使天線技術(shù)得到了充分的發(fā)展。但是,傳統(tǒng)的天線在幾何形狀上基本上都是基于歐幾里德幾何的設(shè)計(jì)。雖然,隨著天線技術(shù)的不斷發(fā)展出現(xiàn)了微帶天線,具有低剖面、重量輕、成本低,可與各種載體共形,適合印刷電路板技術(shù)批量生產(chǎn)、易于實(shí)現(xiàn)圓極化、雙極化、雙頻段工作等優(yōu)點(diǎn),但其致命的缺點(diǎn)是窄帶性,從而限制了它的廣泛應(yīng)用。因此,迫切需要運(yùn)用新的理論和方法,探索現(xiàn)代天線的設(shè)計(jì),解決傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題和矛盾。研究發(fā)現(xiàn),將分形幾何應(yīng)用到天線工程中,可設(shè)計(jì)出尺寸和頻帶指標(biāo)更好的分形天線。

由于分形幾何兩個(gè)獨(dú)特的特征:自相似性(self-similarity)(或自仿射性self-affinity)和空間填充性(space-filling),結(jié)合天線的特征,使得分形幾何在天線工程領(lǐng)域中的應(yīng)用有了突破性的發(fā)展。使天線在尺寸大小和頻帶寬窄以及多頻帶等方面的性能與傳統(tǒng)天線相比有了極大的改善。

寬頻帶天線的重要特征是其性能與頻率無(wú)關(guān),如我們熟悉的螺旋天線和對(duì)數(shù)周期天線等一類非頻變天線(即頻率無(wú)關(guān)天線)都是分形天線。當(dāng)頻率變化時(shí)能保持其阻抗和方向圖特性不變,即以頻率為尺度時(shí),其電性能不變。分形幾何是一種與標(biāo)度無(wú)關(guān)的幾何,具有相似的結(jié)構(gòu),這意味著分形天線形狀在不同的尺度變化下保持相似性,從而具有相似的電特性,形成多頻帶天線,從這一點(diǎn)上分析,研究分形幾何與天線的關(guān)系有其必要性。

文獻(xiàn)[1]中設(shè)計(jì)的Sierpinski地毯分形微帶天線如圖7,仿真和計(jì)算結(jié)果都表明,Sierpinski地毯分形微帶天線具有多頻帶性,且最寬的頻帶達(dá)到中心頻率的47.1%。文獻(xiàn)[2]Sierpinski墊片分形天線也具有多頻帶性,這也證明了分形天線的多頻帶特性。實(shí)際上,不僅Sierpinski分形天線及其變形[3]分形天線表現(xiàn)出多頻帶性,而且分形樹(shù)天線、隨機(jī)分形天線也具備同樣的特性。例如,利用等效RLC電路模擬法研究Dendrite類型的印刷分形天線[4]發(fā)現(xiàn),Dendrite類型的隨機(jī)分形天線在0.4-15GHz頻率范圍內(nèi)也具備較好的寬帶性能。

我們知道,經(jīng)典的歐幾里德幾何研究的對(duì)象是規(guī)則而光滑的幾何形狀,而分形結(jié)構(gòu)是由迭代產(chǎn)生的復(fù)雜形狀,使一些天線的尺寸縮減成為可能。當(dāng)然,分形嚴(yán)格來(lái)說(shuō),它是通過(guò)無(wú)限次的迭代而產(chǎn)生的復(fù)雜的幾何圖形,在天線的應(yīng)用中我們一般只進(jìn)行有限次的迭代,這并不影響天線的性能。與傳統(tǒng)的天線相比,它更有效的占據(jù)空間,也就是分形天線的空間填充性,使得它在很小的空間內(nèi)能有效的耦合從饋電傳輸線到自由空間的能量。通過(guò)分形環(huán)和分形雙極子天線與線性環(huán)和雙極子天線的比較得出:分形天線的空間填充性使得天線的尺寸縮小。實(shí)驗(yàn)也證明了這點(diǎn):Koch曲線分形單極子天線如圖1、Koch雪花如圖3、Minkowski分形環(huán)天線如圖5,它們的諧振頻率都隨著迭代次數(shù)的增加而降低[5]。這里,將著重討論Koch曲線的分形天線的尺寸縮減性能。文獻(xiàn)[6][7]重點(diǎn)討論了Koch曲線的單極天線特性,它的分維數(shù)為㏑4/㏑3,當(dāng)保持天線的高度不變時(shí),見(jiàn)圖1(a)所示,隨著迭代次數(shù)的增加,曲線的長(zhǎng)度將按4/3的倍數(shù)增加,天線的輻射阻抗增加,諧振頻率減小,并趨于某一極限值,同時(shí)品質(zhì)因數(shù)Q值減小,也趨于某一有限值。當(dāng)利用兩個(gè)Koch 曲線作為天線的兩個(gè)振子時(shí),即形成了Koch 雙極子曲線。如圖1(b)所示,Koch雙極曲線的長(zhǎng)度也隨著迭代次數(shù)的增加而增加,輻射阻抗相應(yīng)的增加,諧振頻率逐漸減小,并趨于某一極限值。當(dāng)保持雙極曲線的諧振頻率不變時(shí),Koch曲線的長(zhǎng)度在增加而高度在減小,見(jiàn)表1和圖7,從表中我們發(fā)現(xiàn),隨著迭代次數(shù)的增加,天線的高度逐漸減小而趨向于某一有限值,而長(zhǎng)度卻無(wú)限增長(zhǎng)。所以這種設(shè)計(jì)有利于天線的小型化,當(dāng)然隨著迭代次數(shù)的增加,也就相應(yīng)的增加了天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,因此,曲線的迭代次數(shù)不宜過(guò)大。

具有尺寸縮減性能的分形天線還有分形貼片天線[8]。Hilbert分形天線,它的生成過(guò)程如圖4所示,文獻(xiàn)[9]對(duì)Minkowski分形環(huán)天線進(jìn)行了深入的分析,表明Minkowski分形天線具有尺寸縮減性,同時(shí)隨著分形迭代次數(shù)的增加,天線的尺寸縮減效應(yīng)將趨于一極限值等。

皇捷通訊的gsm天線、wifi天線、uhf天線、vhf天線、電視天線、電子連接器生產(chǎn)線引進(jìn)日本、中國(guó)臺(tái)灣高端生產(chǎn)設(shè)備,保證產(chǎn)品具有穩(wěn)定、優(yōu)良的品質(zhì)。公司生產(chǎn)設(shè)備包括注塑成型設(shè)備、五金沖壓設(shè)備、自動(dòng)組裝設(shè)備、模具制造設(shè)備、RF剝線設(shè)備及品質(zhì)檢驗(yàn)設(shè)備等。我們擁有高端的技術(shù)研發(fā)和制造能力,可以根據(jù)客戶需求定制產(chǎn)品,并調(diào)整和提高生產(chǎn)效率。保證穩(wěn)定、精確的交貨期和快速的樣品確認(rèn)。

說(shuō)點(diǎn)什么

您將是第一位評(píng)論人!

提醒
avatar
wpDiscuz