分形天線技術(shù)與設(shè)計(jì)研究.pdf

1、天線是無(wú)線通訊和雷達(dá)系統(tǒng)中最重要的部件之一，它的性能優(yōu)劣直接關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量或探測(cè)能力。隨著現(xiàn)代無(wú)線業(yè)務(wù)的不斷增加，無(wú)線系統(tǒng)日益變得緊湊化、多頻化、寬帶化、輕量化和廉價(jià)化，天線技術(shù)因此越來(lái)越成為制約系統(tǒng)性能的最大挑戰(zhàn)之一。小型化、多頻段、寬頻帶、高效率、高增益、可重構(gòu)和自適應(yīng)等已成為天線技術(shù)當(dāng)前及今后發(fā)展的主要方向。分形天線是現(xiàn)代天線技術(shù)的重大突破，它具有小型化、多諧振、多模式、自匹配、單元陣列效應(yīng)、外形美觀、適用于設(shè)計(jì)各類天線等

2、特點(diǎn)，是分形幾何與天線技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。分形天線是指主輻射體、地板或反射板的幾何形狀或材料屬性具有分形特征的一類天線。它是一門獨(dú)特的天線技術(shù)而不是某種具有特定結(jié)構(gòu)的天線種類，如微帶天線、螺旋天線、拋物面天線等，可用于各類天線的設(shè)計(jì)，比如線天線、面天線等，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。分形天線的高次諧頻往往具有新奇輻射特性，可用于性能獨(dú)特的新穎天線設(shè)計(jì)，如1.5·λ軸向模和共面全向模分形偶極子天線和小型化、多頻段軸向模分形螺旋天線等，又能

3、用于對(duì)各類常規(guī)天線性能進(jìn)行改進(jìn)，比如微帶分形天線能實(shí)現(xiàn)小型化、多頻段工作，分形環(huán)天線具有多頻、多模式和高增益特性，0.5·λ法向模分形偶極子天線具有更小尺寸，分形介質(zhì)諧振天線能實(shí)現(xiàn)高增益、多頻段或?qū)掝l段工作，分形（超）寬帶單極子天線具有高增益、高效率和帶內(nèi)方向圖一致性，分形共形天線具有小型化、新穎輻射模式和對(duì)共形表面曲率不敏感等特點(diǎn)，分形陣列天線具有小型化、高增益和低旁瓣等特點(diǎn)。
　　自1991年美國(guó)康奈爾大學(xué)（Cornell U

4、niversity）的Nathan Cohen博士正式提出“分形天線”這一概念以來(lái)，分形天線在全世界天線研究領(lǐng)域中掀起了一股熱潮并實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。近二十多年來(lái)，分形天線的種類不斷豐富，制作工藝愈發(fā)先進(jìn)，應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛。然而，分形天線的更多特性尚未被認(rèn)識(shí)，嚴(yán)格理論基礎(chǔ)尚未建立，設(shè)計(jì)方法還有待完善，寬帶化的挑戰(zhàn)尚需突破；諸多新穎特性，比如多輻射模式、高增益、高效率、單元陣列效應(yīng)和抗毀損性等尚未引起研究者們的注意；諧振頻率、小型化

5、、鄰頻比、輻射特性等與其幾何特征的關(guān)系尚無(wú)確切的數(shù)學(xué)關(guān)系式；分形體的構(gòu)造方法、最佳分形結(jié)構(gòu)和饋電方式的選擇還沒(méi)有成為分形天線研究的重要內(nèi)容；多頻段疊合而實(shí)現(xiàn)寬帶工作的嘗試尚需努力；分形用于設(shè)計(jì)高性能共形天線的主題尚未確立。除此之外，分形天線的研究至今僅限于單一分形體的研究，而由兩種或多種單分形體結(jié)合而成的多（復(fù)）分形天線是否具有單分形天線所沒(méi)有的新特性還沒(méi)有進(jìn)行深入探索；非直線彎折分形，如圓弧彎折分形天線領(lǐng)域尚無(wú)人涉足。到目前為止，分形

6、天線種類較少、性能單一，再加上諧振帶寬較窄的固有缺點(diǎn)，雖歷經(jīng)多年研究但仍未獲得廣泛的工程應(yīng)用。因此，有一些天線研究者說(shuō)“分形天線的漂亮的外形要比其性能更吸引人”。從某種意義上說(shuō)，這句話真實(shí)地反映出了分形天線發(fā)展至今尚不如人意的現(xiàn)實(shí)狀況。本文作者正是力圖改變這一局面，在克服分形天線固有缺陷、構(gòu)造新型分形幾何體和探索分形天線新奇特性等方面進(jìn)行了廣泛深入、系統(tǒng)全面的研究，獲得了諸多創(chuàng)新性成果，從而進(jìn)一步推動(dòng)了分形天線的工程實(shí)際應(yīng)用。
　

7、　本文對(duì)分形天線研究的貢獻(xiàn)包括理論突破和應(yīng)用擴(kuò)展兩方面。理論方面，首次詳盡、科學(xué)地揭示出分形天線的電性能與其幾何特征的密切關(guān)系，即小型化、鄰頻比、諧振阻抗等諧振特性與迭代次數(shù)、物理尺度比（幾何尺度比）、分形尺度比和分形維數(shù)四個(gè)重要幾何參數(shù)間的確切數(shù)學(xué)表達(dá)式。工程應(yīng)用方面，發(fā)明了 Guiseppe Peano小型化軸向模圓柱螺旋天線、Koch-like sided bow-tie多頻/寬帶偶極子天線、KSSG/SKLB/KLSHC多（復(fù)）

8、分形單/偶極子天線、CAKC/Guiseppe Peano分形多頻多模單/偶極子天線、CABFL分形多頻多模環(huán)天線、CABFH分形多頻多模螺旋天線、Pyriform shaped超寬帶偶極子、Sierpinski curve共面全向/軸向模偶極子等天線。這些分形天線基次諧頻實(shí)現(xiàn)了尺寸縮減，而高次諧頻則出現(xiàn)了類似基頻或新的有用輻射模式，比如CAKC五頻段、三模式單極子天線，基頻和第二諧頻是全向輻射模式，第三、第四諧頻則是軸向高增益輻射模式

9、，第五諧頻是偏軸向全向輻射模式；K2 CABFH五頻段、三模式、雙旋向圓極化分形螺旋天線，基頻、第二、第五諧頻是右旋圓極化（RHCP）軸向模，第三諧頻是左旋圓極化（LHCP）軸向模，第四諧頻是右旋圓極化（RHCP）偏軸向模。其中，第五諧頻軸向模具有顯著的單元陣列效應(yīng)，即軸向增益相當(dāng)于一個(gè)四單元圓柱螺旋陣列天線。
　　與其他關(guān)于分形天線的文獻(xiàn)僅專注于理論研究不同的是，本文的設(shè)計(jì)實(shí)例不僅很好地闡述了分形天線理論，而且具有良好的應(yīng)用價(jià)值