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一种矩形Minkowski分形微带天线设计

2017/4/5    来源:互联网    作者:卫冬冬      
关键字:微带天线  分形Minkowski  
本课题先介绍微带天线,再介绍分形理论的定义,分形维数的概念及其分形结构的函数迭代生成。最后以矩形微带天线开始设计,具体分析矩形微带线的辐射机理,分析分形微带天线的辐射机理根据Minkowski分形理论设计矩形分形微带天线。

1.引言

    对于现在传统上的天线,例如单极子天线,偶极子天线和螺旋天线都是是欧式几何结构的天线。他们虽然可以满足无线通信系统的要求,但是在天线的小型化和多频化的处理比较难,特别是在短波波段、超短波波段天线设计时,传统的欧式几何天线比较难设计。而且为了多频段天线时,欧式几何天线通过多分支寄生贴片单元来实现,但是这样的话天线就比较复杂。相对于传统的欧式几何的天线,分形天线比较好的解决天线的小型化和实现多频技术。

    对于用于宽频通讯的微带分形天线,谢宾斯基(Sierpinski)毯天线获得多频工作性能。缩放因子为1/3,与一个完全几何对称的分形结构,当迭代次数为3,在励磁装置的1倍频,3次三个不同频率的谐振频率的天线的工作频率,频率的9倍。从测试结果的表明,在每个频段,回波损耗优于-10dB,增益都大于7dB。而且在三个工作频率都表现较好的阻抗匹配性能。

    新的天线效率更高的共形通信柱(conform al communications cylinders:ComCyl)天线。这是一个薄的电路板更复杂的天线蚀刻,最后将板压在空心套筒。在美国佛罗里达州的分形天线系统完成公布2000 comcyl天线,可以防止用户接触天线有效。

2.微带天线与分形天线

    微带天线是由比较薄的金属贴片以远小于波长的间隔置于接地面上而形成的天线。微带贴片具有侧发光方向的最大辐射,这可以通过使用不同的斑块形状的激励来实现的,不同的斑块形状的端射辐射也可以实现。一般来说矩形贴片天线,其长度一般为三分之一的波长到二分之一波长之间。微带贴片与接地面之间有一层介质基片。

    分形,是作为数学术语,其主要研究分形特征的数学理论。分形理论是非线性科学的最重要的分支。相对于几何形态,很好的与微分方程和动力系统的相结合。分形几何是一门几何学,研究的对象也是欧式的一类比较复杂的结构的子集。分形天线是一种具有分形特征的天线,也是一种探索天线的小型化和多频化重要的研究方面。它从结构上解决了传统天线的性能高度依赖天线的电尺寸以及参数随工作频率改变而改变的两个主要局限性并具有一个复杂形状的特别的优势。

    分形天线单元在分形阵列应用中比较典型的是谢宾斯基(Sierpinski)垫片天线、康托(Cantor)集分布的阵列。而且还可以快速计算阵列方向图的迭代算法可以系统地稀疏也平面阵列实现大低旁瓣设计战略的有效设计。

3.辐射机理

    微带天线的辐射机理实际上是高频的电磁泄露,由于微波电路不是被导体完全封闭,那么电路中就不连续的地方产生了电磁辐射。例如,开放式微带电路,由于突变的结构尺寸和弯曲产生的电磁泄漏不连续。相对频率的变化时电磁辐射的量也大有不同,当低频时,微带天线的电尺寸较小,因此电磁泄露量比较小,随着频率的变高,电尺寸随之变大,泄露量也随之变大。

    若经过了特殊的设计时,即就是放大尺寸变成贴片状,而且使其工作在谐振频率状态。其贴片状模块的辐射就明显增强,更加辐射效率大大提高,因而成为有效的天线。经典的型的贴片尺寸:其长度为L、宽度为W和基片的厚度为t,同时用同轴馈电在贴片的左缘的中点。通常纵向的长度为L=λ/2,辐射主要在由宽度方向两端的边缘场产生。

4.矩形微带天线

    4.1 矩形微带天线的性能指标

    微带天线最初用于导弹和火箭上的导航或引信,由于微带天线的优点比较多,更加适合现代化的通信设备的集体大规模的批量生产、调试、以及简化整体的生成制造。但是微带天线的最大的缺点是带宽比较窄(谐振式微带天线的带宽特别窄),为了扩展微带天线的频带也是重要的的研究课题。对于矩形微带贴片天线来说,其介电常数ε,,宽度和长度的比W/L,介质板的厚度h,以及介质的正切损耗为tanδ,且微带天线采用的是同轴线背馈。其天线的带宽受其几何尺寸的影响如表1所示。

表1 影响微带天线的带宽的因素

影响微带天线的带宽的因素

    对于不同的天线的性能以及不同天线的使用的功能,天线的带宽的定义不同的。一般在工程上带宽的定义,一种为绝对带宽,就是天线的工作频率的最高频与最低频率的差也就是fmax-fmin,另一种带宽是相对带宽,其定义为绝对带宽与其工作中心频率的比值(fmax-fmin)/fo,一般用于宽频天线的重要的参数。

    4.2 矩形微带天线在HFSS中仿真

    1.微带天线的在HFSS中建模的概述

    为了方便优化矩形微带天线的模型在hfss中定义着的变量如表2所示:

表2 HFSS定义的变量

HFSS定义的变量

    在HFSS中建立的模型如图1所示。中心点在原点上,方形贴片天线的边长沿着x轴与y轴的方向。为了方便介质板的大小是辐射片的2倍,参考地面和辐射贴片是理想导体。对于500hm的同轴线来说建立外圈为1.5mm,里圈为0.6mm。求解类型:

    模式驱动求解器。边界条件:理想导体底板和辐射贴片、辐射边界条件的空气框。激励条件:集总端口激励。求解设置:2.9GHz的求解频率,快速扫频,扫频范围为1-10GHz。

HFSS建立的模型

图1 HFSS建立的模型

微带的天线的回波损耗

图2 微带的天线的回波损耗

    模型的仿真结果:矩形微带天线的回波损耗如图2所示,其工作中心频率为2. 81GHz、4.19GHz和5.16GHz,与理论计算时f11比较接近,但是f12和f22的理论误差比较大。

微带天线的E面的方向图

图3 微带天线的E面的方向图

微带天线的三维增益的方向图

图4 微带天线的三维增益的方向图

    矩阵微带天线的E面的方向图如图3和矩阵微带天线的三维增益的方向图如图4所示,其工作频率为f11时,其方向图类似于偶极子天线。由于微带天线的辐射机理来看,方形微带天线天线工作在f11的工作频率时,在微带天线的四周都产生辐射。

    在四个角上面由四边的电场的叠加,部分电场相互抵消,从而在四个拐角辐射强度比较弱,从而在微带天线的三维增益图中在四边的中心产生了增益的高峰。

责任编辑:程玥
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