分形天线及其多频段特性研究

论文摘要

随着无线通信技术的快速发展,人们对天线不断提出新的要求比如小型化和多频段。为此可以将分形的概念应用于天线设计来满足这一要求,分形具有空间自填充能力和自相似属性,当把分形的概念用于天线设计时就得到了分形天线。分形天线具有小型化和多频特征,因此特别适合于当前宽带、超宽带通信领域。当前,对分形单元天线的研究主要集中在对其基本分形性质的了解。实际应用的分形天线都是确定性的预分形天线,有确定的迭代算法,都是通过有限次迭代生成而不是数学上的无穷迭代的概念,因此必须考虑其有限截取效应。有限截取效应对分形天线的性能有着重大的影响,因此为了有效开发分形天线的特点并得到预期的性能往往需要对基本的分形结构做相应的调整。传统的Sierpinski垫片单极子天线因具有多频段工作特性而广为人知,然而其第二个谐振频率与第一个谐振频率之比约为3.5,并不等于其几何缩放因子。本文首先提出并分析了普通的加载式Sierpinski垫片单极子天线,结果发现两频率的比值已下降至2,接近其几何相似性因子,同时天线的高端谐振频率也大大下降,这在天线高端谐振频率需要应用时是非常有价值的。文章还分析了一些重要参数对天线性能的影响,研究发现增大天线的张角可以进一步降低天线的谐振频率。接着文章提出并着重分析了混合分形天线,它由Koch元加载Sierpinski垫片而形成,由于发挥了两种分形的优势,混合分形天线能进一步降低天线的谐振频率而且不影响天线的多频特性。最后还分析了基于Koch加载式Sierpinski垫片的MEMS可重构分形天线,结果表明将MEMS技术和分形技术相结合能增加天线的工作频段而保持相似的辐射特征。传统的Sierpinski垫片单极子天线一般只有一个缩放因子而不能改变,它使得天线相临谐振频率比值始终受制于该缩放因子而不利于实际的应用。为此本文提出并分析了多缩放因子的Parany垫片天线,Parany垫片天线是Sierpinski垫片天线的扰动形式,结构简单,而且它只需在天线底部通过微带线馈电而不采用任何匹配网络就能实现和Sierpinski垫片天线相似的多频特性。人们可以很方便地根据自己所需要的具有不同比值的工作频段来灵活配置天线的缩放因子并使其满足要求,为此本文分别设计了一个Parany垫片天线和二阶Koch加载Parany垫片天线来同时满足GSM、3G和WiMAX的通信需求。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究概况
• 1.3 研究方法和内容
• 第二章 分形理论
• 2.1 分形的定义
• 2.2 分形的分类
• 2.3 分形几何与欧氏几何的比较
• 2.4 分形维数
• 2.5 分形理论的应用
• 第三章 分形天线
• 3.1 分形天线的发展背景和概貌
• 3.2 分形天线的小型化应用
• 3.2.1 Koch分形天线
• 3.2.2 Koch环天线和Minkowski环天线
• 3.2.3 Hilbert分形天线
• 3.3 分形天线的多频段应用
• 3.3.1 分形树天线
• 3.3.2 Sierpinski分形天线
• 3.4 分形天线的其它应用及研究
• 3.4.1 强方向性的分形边界天线
• 3.4.2 圆极化分形天线
• 3.4.3 FRC分形天线
• 3.4.4 Sierpinski分形体天线
• 3.4.5 可重构共面波导馈电Koch开槽天线
• 3.5 分形天线的最新研究进展
• 3.6 小结
• 第四章 有限元法
• 4.1 电磁问题求解常见的数值算法和仿真软件
• 4.1.1 电磁场数值算法概述
• 4.1.2 常见微波射频EDA软件综述及应用评析
• 4.2 有限元法
• 4.2.1 区域离散
• 4.2.2 插值函数的选择
• 4.2.3 方程组的建立
• 4.2.4 方程组的求解
• 第五章 新型Sierpinski垫片天线的研究
• 5.1 普通加载式Sierpinski垫片单极子天线的研究
• 5.1.1 天线张角为60°的情况
• 5.1.2 天线张角为90°的情况
• 5.2 Koch分形加载式Sierpinski垫片天线的研究
• 5.2.1 Koch分形加载Sierpinski垫片单极子天线结构
• 5.2.2 Koch分形加载Sierpinski垫片偶极子天线结构
• 5.3 采用感性连接元的传统Sierpinski垫片天线
• 5.4 MEMS可重构分形天线
• 5.4.1 非集成的MEMS可重构单极子天线研究
• 5.4.2 高阻硅上的集成MEMS可重构单极子天线研究
• 5.4.3 石英片上的集成MEMS可重构单极子天线研究
• 5.4.4 可重构偶极子天线研究
• 第六章 多缩放因子Parany垫片天线的研究
• 6.1 Parany垫片天线研究概况
• 6.2 双缩放因子Parany垫片天线研究
• 6.3 双缩放因子Parany垫片天线的截取形式研究
• 6.4 多缩放因子Parany垫片天线及其应用
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢