分形理论应用于天线设计的研究

论文摘要

“分形”是法国数学家Mandelbrot于1975年提出的全新几何分支,它可以有效地用于描述自然界中广泛存在的一大类Euclid几何所难以定义的复杂对象。分形独有的空间填充能力和自相似属性用于天线的设计时,就得到了分形天线,可以实现天线的尺寸减缩性和多频特性。近年来分形理论在射频技术领域的应用取得了一些有价值的成果,展示了其良好的应用前景。这在军用和民用方面都有着非常广泛的应用前景。本文从分形理论的概念和性质出发,简单介绍了分形几何及分形天线的一些基本理论,如分形天线的背景、分形的基本概念、分形结构的生成方法等。在总结和讨论分形天线现有的研究成果基础上,将分形理论应用于两种天线的设计中,实现了分形天线独有的特性,提高了天线的性能。首先,提出了一种超宽带平面圆形单极子印刷天线的改进方案,通过在圆形贴片上蚀刻分形几何中的Sierpinski垫,使天线满足2.8-15.1GHZ的超宽带频带要求,并且实现了4.5-5.9GHz的频率缺口功能,大大提高了天线的抗干扰性。通过仿真表明天线的远场辐射方向图、驻波比VSWR均满足要求,并且分形特有的尺寸缩减性实现了超宽带天线的小型化。然后,设计一种基于分形理论的弯折线对称振子天线,利用基于有限积分法的电磁仿真软件CST MICROWAVE STUDIO分别对天线的谐振频率,谐振点输入阻抗,天线带宽,天线定向性等天线特性进行仿真,并对天线参数进行了最优配置。通过仿真得到的实验数据,在不改变天线外部长度的情况下,通过改变天线的弯折次数、弯折角度、弯折高度、弯折置向等方法可有效地降低天线的谐振频率,控制天线的输入参数,从而实现天线的电小化设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 分形天线的提出背景
• 1.2 分形天线的研究现状
• 1.3 论文安排
• 第2章 分形结构与生成算法
• 2.1 分形理论的概念
• 2.1.1 无法解释的数学难题
• 2.1.2 Mandelbrot及分形几何
• 2.2 分形的维数
• 2.3 分形的实现
• 2.3.1 分形的IFS实现
• 2.3.2 分形的L-系统实现
• 2.4 几种分形结构的生成
• 2.4.1 Koch分形结构
• 2.4.2 Sierpinski垫
• 2.4.3 Sierpinski毯
• 2.4.4 Minkowski分形
• 2.4.5 门格海绵
• 2.5 本章小结
• 第3章 分形天线综述
• 3.1 几种常见的分形天线单元的研究现状
• 3.1.1 Koch单极和偶极振子分形天线
• 3.1.2 Hilbert曲线
• 3.1.3 分形环天线
• 3.1.4 分形树天线
• 3.2 分形天线的理论分析方法
• 3.3 分形天线的应用举例
• 3.3.1 共形通讯柱天线
• 3.3.2 用于10米波段的2元阵列天线
• 3.3.3 应用于手机的分形天线
• 3.4 分形天线的研究新进展
• 3.4.1 分形天线和RF-MEMS的结合
• 3.4.2 分形天线和PBG/EBG的结合
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于分形理论的超宽带天线设计
• 4.1 超宽带天线
• 4.1.1 超宽带天线的定义
• 4.1.2 实现超宽带天线的技术手段
• 4.2 利用分形结构改进的圆盘形超宽带单极子天线结构设计
• 4.3 改进型天线部分尺寸的优化
• 4.3.1 圆形贴片半径R的改变对天线性能的影响
• 4.3.2 接地板高度L的改变对天线性能的影响
• 4.3.3 接地板宽度Wi的改变对天线性能的影响
• 4.3.4 馈源缝hi的改变对天线性能的影响
• 4.3.5 天线参数的最终确定
• 4.4 改进型天线的性能分析
• 4.4.1 天线的辐射方向图
• 4.4.2 天线的驻波比
• 4.5 分形结构对天线性能的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 弯折线对称振子天线的研究
• 5.1 天线结构分析
• 5.2 弯折线对称振子天线的谐振特性研究
• 5.2.1 弯折高度h对天线谐振特性的影响
• 5.2.2 弯折角度α对天线的谐振特性的影响
• 5.2.3 弯折次数n对天线的谐振特性的影响
• 5.2.4 弯折置向对天线的谐振特性的影响
• 5.3 弯折线偶极子天线的辐射特性研究
• 5.3.1 弯折高度h对天线的辐射特性的影响
• 5.3.2 弯折角度α对天线的辐射特性的影响
• 5.3.3 弯折次数n对天线的辐射特性的影响
• 5.3.4 弯折置向对天线的辐射特性的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢