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分形理論在天線技術(shù)中有什么樣的應(yīng)用

2020-08-21 | pdf | 0.35 MB | 次下載 | 1積分

資料介紹

  1 引言

  隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和移動通信終端設(shè)備的普及,特別是近年來人們對小型化、多頻帶、集成化天線的迫切需求,使天線技術(shù)得到了充分的發(fā)展。但是,傳統(tǒng)的天線在幾何形狀上基本上都是基于歐幾里德幾何的設(shè)計。雖然,隨著天線技術(shù)的不斷發(fā)展出現(xiàn)了微帶天線,具有低剖面、重量輕、成本低,可與各種載體共形,適合印刷電路板技術(shù)批量生產(chǎn)、易于實(shí)現(xiàn)圓極化、雙極化、雙頻段工作等優(yōu)點(diǎn),但其致命的缺點(diǎn)是窄帶性,從而限制了它的廣泛應(yīng)用。因此,迫切需要運(yùn)用新的理論和方法,探索現(xiàn)代天線的設(shè)計,解決傳統(tǒng)的天線設(shè)計中出現(xiàn)的問題和矛盾。研究發(fā)現(xiàn),將分形幾何應(yīng)用到天線工程中,可設(shè)計出尺寸和頻帶指標(biāo)更好的分形天線。

  2 分形天線

  “分形”這一概念是由法國數(shù)學(xué)家B.Mandelbrot 于1975年首次提出的,“分形(Fracta1)”這個名詞即拉丁文的“破碎”。分形幾何就是研究無限復(fù)雜而具有特定意義下的自相似圖形和結(jié)構(gòu)的幾何學(xué),自相似就是局部的形態(tài)與整體形態(tài)的相似,分形具有兩大特征:自相似性和空間填充性(即分?jǐn)?shù)維)。所謂分形天線,是指幾何屬性上具有分形特征的天線。世界上第一個分形天線是由美國科學(xué)家Dr.Nathan Cohen 于1988年完成的,而對分形天線進(jìn)行系統(tǒng)的研究是從1995年8月Cohen 發(fā)表他的第一篇有關(guān)分形天線方面的文章開始的。隨后,國際上很多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)開始對分形天線進(jìn)行研究。分形天線是分形電動力學(xué)的眾多應(yīng)用之一。天線與陣列的分形設(shè)計是電磁理論與分形幾何學(xué)的融合,如我們熟悉的螺旋天線和對數(shù)周期天線等一類頻率無關(guān)天線都是分形天線,它已經(jīng)存在多年,但直到分形技術(shù)應(yīng)用后,它的性能才得以充分的理解。傳統(tǒng)的微帶天線要實(shí)現(xiàn)其雙頻和多頻工作通常需要采用多個輻射單元的天線或電抗性負(fù)載貼片天線或多頻介質(zhì)諧振天線,這些都增加了天線的復(fù)雜性,同時,也增加了制作的難度和成本?,F(xiàn)代無線通信要求用低剖面、小尺寸、多頻帶(寬頻帶)、可集成的天線,分形天線能更好的滿足這種要求。分形是通過迭代產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)維自相似結(jié)構(gòu),其整體與局部、局部與局部之間都具有自相似性。因此,分形是一種與標(biāo)度無關(guān)的幾何,與寬帶天線的頻率無關(guān)性比較相似。將分形應(yīng)用于天線的設(shè)計主要是用來實(shí)現(xiàn)天線小型化和天線的多頻特性,分形天線解決了傳統(tǒng)天線的兩個局限性:(1) 通常天線的性能都依賴于天線的電尺寸。這就意味著對于固定的天線尺寸,主要天線參數(shù)(增益、輸入阻抗、方向圖和副瓣電平等)將隨著工作頻率的改變而改變。分形的自相似性使分形天線有多頻和寬頻特性。(2) 分形的空間填充性,使一些天線的尺寸得到減縮。分形天線的研究和應(yīng)用,在軍事和民用方面都有著巨大的潛力,尤其在無線、衛(wèi)星和移動通信系統(tǒng)中將會發(fā)揮巨大的作用,有著非常廣闊的市場前景。國外在分形天線單元和分形天線陣列研究方面已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,但國內(nèi)在這方面的研究還很少,分形天線是分形理論和天線技術(shù)的融合,表現(xiàn)出與傳統(tǒng)天線相比的許多優(yōu)勢,是近幾年天線領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

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