分形天线研究

1、天线原理与设计课程论文姓 名：陈卓学 号：201514110204专 业：电子信息科学与技术题 目：分形小型化天线研究成绩： 指导教师：2018 年_6月分形小型化天线研究摘要近代电磁学经历了三百多年的发展过程， 直到 1864 年麦克斯韦 方程组 的提 出，预 示了 电磁 波的 存在 ，后被 赫兹 的著 名实 验所 证 实， 二十世纪由于马可尼试验越洋通信的成功而开创了无线电技术的新 纪元。天 线作为实现无线电应用的关键设备，顺 应着通信、广播、雷 达 、制导 等无 线电 应用系统 在不 同 阶段 的需 要而 不断 发展 ，形式 多样、 性能各异，组成了庞大的天线家族。现 阶段 ，无 线通

2、信作 为信 息社 会的 主 要技 术手段 正 日显 重要。信 道容量的扩充、传 输速率的提高、运行体制的兼容、服务方式的灵活 等 ，促 使 其 工 作 频 段 一 再 上 拓 ，设 备 结 构 日 趋 小 型 ，台 站 设 施 从 点 对 点 、一 点 对 多 点 发 展 到 移 动 和 全 球 漫 游 。无 线 通 信 在 本 世 纪 九 十 年 代 的蓬勃发展，使 以往始见于广播、导航、雷达、射电天文等“广义通 信”领 域中的天线专用技术，如今汇集于“狭义通信”系统，发挥其 特殊的作用，使行业界限逐渐模糊。八木天线又称引向天线，是通信工程中常 用的天线 ，于 20 世纪 20 年代，由 日

3、本东北大学的八木秀次和宇田太郎两人发 明的。八木 天线是 一种常用的线天线形式，典型的八木天线是由一个有源激励振 子和一排平行的无源振子组成，有 源振子可以有多种形 式，如半波振 子 、折 合 振 子 、扇 形 振 子 、圆 锥 振 子 等 等 ，采 用 半 波 振 子 馈 电 的 八 木 天线还可以制成印刷结构，该 天线具有结构简单、增益大小可调整等 优 点 ；缺 点 是 由 于 采 用 半 波 振 子 馈 电 ，尺 寸 较 大 ，带 宽 较 小 。本 文 将 通过对 比 Koch 分 型 八木 天线 与普 通天 线的 反 射损耗 以及 带地 板 天线 与不带地板天线之间的参数来研究分型天线

4、。关键字：八木天线； Koch 分型；引言八木天线可以视为线天线阵列的一种形式，对于线天线的尺寸缩 减问题，可以通过采用分形结构实现。在前面研究的基础上，可供选 择的结构为Koch分形结构。当前对于分形阵列的研究主要有三种形 式：阵单元为理想点源，阵间距采用分形结构，进行方向图的综 合研究，由于没有考虑阵元之间的互耦，所以这种模型只具有理论上 的意义，在实际应用中会有很大的误差；阵单元为分形单元，阵间距为普通的欧几里德空间排列，即 没有成比例的相似关系，本文中将要讨论的分形八木天线即为此种结 构；阵单元为分形单元，阵间距也为成比例的分形距离排列。 为实现八木天线的小型化，本章采用将普通八木天线

5、的组成单元做分 形处理，分形结构采用Koch分形结构，并结合其它的小型化方法设 计小型八木天线。Koch分形小型化八木天线Koch分形八木天线是将普通的八木天线的单元做分形处理后得 到，而普通八木天线由若干个振子排列而成，如图1-1所示。其中一 个是有源振子，一个反射器，其余作为引向器。在反射器方向上，天 线发射或接收能量减弱，而在引向器方向上，天线发射或接收能量增 强。IIP爲Dai图1-1四元八木天线结构图（天线1）图1-2四元分形八木天线结构图四元八木天线（天线1）和Koch分形八木天线（天线2）的结果，如图1-2 所示，有源振子是半波振子，天线参数为：阵兀间距分别为 D01 =283m

6、m D2=179mm D23=279mm；振子长度分别为 Lo=49Omm L1 =472mm L2=442mm L3 =424mm;振子直径为4.5mm，馈电间距2mm将Koch分形单元应用到该普通八木天线中，分形八木天线单元横 向长度和普通八木天线长度相同，间距也和普通八木天线相同。经CSTMICROWAVE STUDW?得到普通八木天线和分形八木天线反射损耗 如图1-3所示。可以看出，分形八木天线的谐振频率比普通八木天线的谐振频率 低，中心谐振频率从298MHZ降为255MHz下降14%这个模型中，精细结构的 长度为157.3mm远大于振子的直径（两者之比为35），其精细结构尺寸为22.

7、5mm 远大于宽度（两者之比为11.25），所以压缩结果为12%比较一致。因此类似分 形单元天线，Koch分形八木天线阵列也具有降低工作频率的特性，这种降低是 由于阵单元的工作频率降低所导致的，阵单元分形后特性变化不大，从而使阵列的特性也没有太大的变化。阵元工作频率的降低意味着对于相同的频率来说，分形阵元和阵列将具有更小的尺寸， 能减少阵元之间的互耦，无论是对于阵列的小 型化或辐射特性改善都是十分有意义的。t） h 勺” I总丿、衣氐典26U280频率（MHiO300320图1-3普通八木天线和Koch分形八木天线反射损耗比较对应于各自的谐振频带内的方向图对比见图1-4、图1-5,可以看出其方

8、向图在后瓣区有一定差别，而主瓣区差别很小；增益分别为9.6dB和9.7dB，与文献中的计算值9.3dB和8.9dB较为一致。说明工作频率的降低对天线的辐射特性影 响不大。-20K0-900 9C电叫（de k图1-4天线1和2的H面方向图 图1-5天线1和2的E面方向图分形后的八木天线与分形之前具有相同的阵间距，这就为分形八 木天线的设计提供了一种方法，即首先设计出普通八木天线，获得阵 元和阵间距的参数，然后保持阵间距参数不变，将阵元进行分形处理， 就可以得到分形八木天线。这种方法可以充分利用现有的八木天线设 计资料，只需要对阵元尺寸进行等比例的放缩，就能得到所需要的天 线，也就是说，可以减少

9、所需要调整的参数，这种方法是十分快速有 效的。为进一步缩减尺寸，我们可以在某些特殊的应用场合使用带地板 的八木天线，由于镜像原理，一般可以使天线的高度降低一半，使天 线小型化。由于实际地板不可能无限大，所以在有限大的地板上设计 八木天线需要重新优化阵元和阵间距的值。据此设计的三元八木天线 （天线3）结构示意图如图1-06所示，整个天线由地板、反射器（高 度丑1）、折合振子（高度丑2）、引向器（高度丑3）组成，反射器和 折合振子之间距离为乃12，折合振子与引向器之间的距离为乃23, 工作频率设在1 GHz用5Q同轴线给折合振子馈电，经过仿真确 定普通八木天线的各个参数值为：H10=72mm H2

10、=63mm H3=60mm;D12=43.5mm、D23=40.5mm；地 板长度L=100mm 宽度为 W=80mm;振子直径为1.5mm。分形八木天线（天线4）各单元高度和间距均和对应的普通八木天 线高度相同，如图1-7所示。图1-6普通八木天线（带地板）图1-7Koch分形八木天线（带地板）它们的反射损耗曲线如图1-8所示，方向图的仿真结果如图1-9、 图1-10所示。为了比较，在表1-1中列出了天线1? 4的主要参数。密)三于玄图1-8两种八木天线的反射损耗比较图1-9天线3和4的H面方向图角度(deg)图1-10天线3和4的E面方向图表1-1主要参数天线编号第一个反射损耗最小处频率(MHz)极化方向最 大电尺寸相对 带宽最大辐射方 向仰角12980.495.0%022550.425.9%031003.50.245.8%304779.30.196.0%20结论通 过上 述实 验可 得出 的结 果是 ，分形八 木天线（ 天线 4） 的反 射 损 耗最低点对应的频率比普通的八木天线（天 线 3） 要低，两者之比为 0.78 ， 而理论值为 0.75 ， 因为二者的物理长度之比为 1.33 ，说明分 形效果较好。这 意味着，若两者工作频率相同，分 形八木天线的高度 将降低，由 于引入了地板，和 不带地板的八木天线相比，高度己经减 小 了 1/2 ，由 于 采 用 了