关键字 |
| 分形天线，科赫曲线，谢尔平斯基垫片，多波段天线 |
介绍 |
| 今天的无线通信、卫星通信和先进的军事系统都要求天线具有更高的性能、更高的增益、更宽的带宽、多波段支持、低成本和传统的更小的设计尺寸。为了满足所有这些要求，研究人员正在寻找更先进的天线设计。分形天线就是这样一个先进的天线设计领域。分形天线的概念来源于自然界中存在的分形[1][4]。分形天线是利用分形几何设计的，它显示出自相似性、空间填充和结构复杂性等特性。B.B.Mandelbrot描述了一类复杂形状，它们在几何结构[1]中具有固有的自相似性或自亲性。分形几何学发展背后的原始思想很大程度上来自于对自然界中存在的模式的深入研究。图案存在于自然界中，具有自相似性和空间填充性。分形设计的这些特性被用于分形天线设计，以实现宽带/多带性能。分形理论方法已被应用于偶极子天线、环路天线、贴片天线等各种类型天线的尺寸压缩技术，从而推动了分形天线的发展。 Fractal geometry allows combining antennas of different frequencies avoiding interference, allowing us to design tri-band and tetra-band antennas with a very small size and the same gain factor as a traditional antenna. |
| 本文利用三角形Koch曲线和Sierpinski衬垫分形几何设计了分形天线。本文研究了分形天线的两种设计方法。采用4NEC2软件进行仿真。仿真结果表明，三角KOCH曲线设计在迭代两次时表现出多频带特性，而Serpinski衬垫设计则没有。此外，已应用于天线结构的科赫分形技术减少了元件的长度，使其适用于小型无线设备。 |
天线的概念 |
| Stutz man和Thiele[8]给出的IEEE对天线的定义是，它是发射和接收天线中用来发射和接收电磁波的部分。将信息、情报或信息从一个地方传递到另一个地方的过程被称为通信。当利用电磁波或无线电波进行通信时，称为无线电通信[9]。 |
| 任何通信系统的基本要求是: |
| 情报:传递信息或情报的手段 |
| 意思是把信息从一个地方传送到另一个地方 |
| 接收消息的方法。 |
| 也就是说，如图1所示， |
| 发射机, |
| 中、 |
| 接收器。 |
A.天线参数 |
| 天线的性能可以用以下参数来描述。这些参数指定了天线[3][9]的物理和电气特性。 |
| 共振频率:“谐振频率”和“电谐振”与天线的电长度有关。电长度通常是导线的物理长度除以它的速度因子(波在导线中传播的速度与真空中光速的比率)。通常，天线是针对特定频率进行调谐的，并且对通常以该谐振频率为中心的一段频率有效。 |
| 获得:增益作为一个参数，给出了在最大辐射方向上向各向同性源传输的功率的度量。 |
| 方向性:最大定向增益称为天线的方向性，用d表示。它是最大辐射强度与其平均辐射强度的比值。 |
| 辐射模式:天线的辐射图是天线发射的场的相对场强的几何图。 |
| 驻波比(VSWR):电压驻波比(VSWR)定义为驻波图中最大电压与最小电压的比值。 |
| 带宽:天线的带宽是天线有效的频率范围，通常以谐振频率为中心。 |
| 反射系数:反射系数定义了反射波相对于入射波的振幅或强度。 |
b .应用程序 |
| 天线用于以下系统: |
| 广播电视广播， |
| 点对点无线电通信， |
| 无线局域网 |
| 雷达和太空探索。 |
| 在空中或外太空 |
| 在水下，甚至在某些频率下穿过土壤和岩石进行短距离飞行。 |
分形天线 |
| 分形天线仍处于发展的早期阶段。1988年，内森·科恩博士制造了第一个分形天线，后来获得专利并发表。我们知道天线的尺寸和工作波长是相关的，当天线的尺寸远远小于工作波长或小于工作波长的四分之一(λ/4)时，它会变得非常低效。目前，许多便携式通信系统使用简单的单极子和匹配电路。但是，如果单极子相对于波长过短，则辐射电阻降低，储存的无功能量增加，辐射效率降低。因此，匹配电路会变得相当复杂。当匹配时，它们会导致质量因子“Q”的高值，即非常窄的带宽。因此，需要一种新的天线设计方法。多年来已经开发了各种各样的方法，可以用来实现这些设计目标中的一个或多个。最近，设计天线的可能性，可以利用分形的性质来实现这些目标，至少部分，已经引起了很多关注。 |
| [1]中提到的这些天线是自然启发的天线。自然界中存在的分形设计表现出自相似性和空间填充性。分形的这两个特性被应用到分形天线设计中。有不同的分形天线几何类型定义。这些几何是欧几里得几何的自然延伸。分形设计是通过应用有限次的迭代过程[7][10]来获得的。自然界中存在多种分形几何。这些几何图形的特性被纳入天线的设计中。 |
分形几何的性质 |
| 空间填充属性:空间填充属性基于空间填充曲线。 |
| 自相似:一个自相似的对象与它自身的一部分完全或近似相似。 |
B.分形几何类型 |
| 分形几何学涉及到一种递归生成方法，可以产生具有无限复杂精细结构的轮廓。这些几何图形是现代的发现，尽管分形在自然界中一直存在。这些是基于形状是自相似的。这些通常是基于一个不断重复的构建过程。 |
| 分形定义有两种几何类型(如图2所示): |
| 随机:随机分形是非常熟悉的，许多看起来像随机行走(布朗运动);树突;或者闪电。 |
| 确定性(混乱):他们采用“主题”或“生成器”，并将其应用于连续的尺寸尺度。 |
| 本文讨论了两种分形天线几何结构。这些都是: |
a .三角形科赫曲线几何 |
| 这些天线是根据科赫曲线设计的。1998年，冯·科赫单极子成为第一个被报道的分形小天线，它在带宽、共振频率和抗辐射[4][10]方面改进了一些经典天线的特性。科赫曲线是无限次应用这种构造得到的极限曲线。von Koch分形以4到3倍的倍数增长，分形相似维数约为1.26 (log4 / log3)。 |
| 用覆盖原有中间三分之一段的三角形弯曲导线代替中间三分之一段直线，得到如图3所示的三角形科赫曲线。结果结构的长度增加4/3[5][10]。 |
C.谢尔平斯基衬垫几何 |
| Sierpinski垫圈设计是以波兰数学家Sierpinski命名的。他在1916年描述了这种分形设计的特性。该设计是用倒三角减去主三角形的中心部分得到的。减法之后，结构上保留了三个相等的三角形，每个三角形的大小都是原来三角形的一半。对剩下的三角形重复相同的减法程序无数次，得到理想的分形谢尔宾斯基垫片。图4显示了Sierpinski垫圈设计的不同迭代阶段。 |
优势 |
| 体积小 |
| 更好的输入阻抗 |
| 宽带/多波段支持(一个天线可以代替多个天线) |
| 大频率范围内的一致性性能。 |
| 增加了电感和电容，无需元件。 |
缺点 |
| 制造和设计并不复杂。 |
| 在某些情况下增益较低。 |
| 数值的限制。 |
| 在第一次迭代之后，性能开始下降。 |
应用程序 |
| 在建筑通信:分形天线提供了通用宽带天线技术，是理想的在建筑通信应用。工作频率超过150MHz至6GHz，分形天线以紧凑的外形提供出色的全向覆盖。 |
| 无线网络:分形天线系统提供优秀的先进天线技术，使新兴的无线协议，如ZigBee, WiMAX和MIMO，发挥其最大潜力。 |
| 通用战术通信:未来的通信系统将使用认知无线电，需要巨大的带宽和一个天线。 |
| 移动设备:从pda到移动电话再到移动计算，今天的无线设备需要紧凑、高性能的多波段天线。与此同时，包装的限制要求每个组件，尤其是天线，本质上是多功能的。 |
| 远程信息处理:今天的汽车可以有几十个天线，提供从紧急通知和导航服务到卫星广播和电视的一切服务。多天线带来了性能和外形因素的挑战，以及美学设计问题。 |
| RFID(射频识别):分形天线系统为众多RFID应用提供了一个紧凑、低成本的解决方案。由于分形天线体积小且用途广泛，因此非常适合用于更紧凑的RFID设备。 |
结果与讨论 |
A.科克曲线分形几何: |
| 分形偶极子天线采用三角形科克曲线分形几何设计。天线设计在XZ平面，设计频率为400MHz和800MHz。设计的分形几何如图5所示。 |
| 在工作频率400MHz时设计的天线在两个频率上共振，从而在第二次迭代后表现出多波段行为。 |
| 在工作频率800MHz设计的天线在两个频率上共振，从而在第二次迭代后表现出多波段行为。 |
B. Sierpinski垫圈分形几何 |
| 分形天线采用谢尔宾斯基垫片分形几何设计。天线设计在XZ平面，设计频率为400MHz和800MHz。设计的分形几何如图6所示。 |
| 工作频率为400MHz的天线在第二次迭代后没有表现出多频带行为。 |
| 在800MHz工作频率下设计的天线在第二次迭代后没有表现出多频带行为。 |
| 第1模块的结果表明，迭代2的Koch分形天线工作在600MHz和2200MHz两个谐振频率。在第二种情况下，科赫分形天线工作在1000MHz和3000MHz的谐振频率。在这些频率下，设计的天线的驻波比< 2，反射系数< - 10dB(为实际天线[3][6]定义的参数)。我们可以从仿真结果中看到，第一种设计，即三角科赫曲线，与第二种设计相比，在频率(i) 400MHz (ii) 800MHz的测试参数方面，都显示出良好的结果。此外，还观察到三角形科赫曲线几何表现出多波段行为。结果如下表所示。 |
结论 |
| 采用4NEC2软件进行仿真。仿真结果表明，三角KOCH曲线设计在迭代两次时表现为多频带共振，而Serpinski垫片设计则表现为单频共振。此外，应用于天线结构的科赫分形技术减少了元件的长度。在这项工作中，针对400mhz和800mhz的两个不同频率研究了两种不同的分形设计。所做工作的结果表明，这些设计适用于无线应用(更具体地说，适用于GSM和UMTS服务)，因为这些应用的设备需要小的多波段天线。三角形科赫曲线天线几何结构表现出多频带特性，可作为多频带天线，而席尔平斯基垫片设计迭代后在单频共振。 |
| 所设计的三角科克曲线天线体积小，可用于小型无线通信设备。应用于天线结构的科赫分形技术减少了元件的长度。 |
| 用于迭代2的三角科克曲线天线在第一种情况下工作在600MHz和2200MHz的两个谐振频率。迭代2的三角科克曲线天线在第二种情况下工作在1000MHz和3000MHz两个谐振频率。这些频率适用于GSM、UMTS和蓝牙应用[MBa10] [Kal07]。因此，这种特殊的天线设计可用于制造支持GSM、UMTS和蓝牙服务的天线。 |
| 此外，可以看到在Sierpinski设计中，增益参数的值呈下降趋势。因此，今后这些设计可以进一步改进，以提高增益参数的值。由于分形天线的设计仍处于早期发展阶段，因此还需要做大量的工作来提高天线的性能。本文利用KOCH曲线几何结构和Sierpinski衬垫几何结构，对分形天线进行了两次迭代设计。Sierpinski设计可以迭代更多以获得更好的多波段性能。 |
确认 |
| 我衷心感谢合著者savinabansal博士和R. K. Bansal博士的指导和支持。我也要感谢所有在准备这篇论文时作为参考的研究人员。 |
表格一览 |
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数字一览 |
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参考文献 |
- 曼德布罗特，B.B.(1982)。自然的分形几何。W.H.弗里曼公司
- 内森·科恩(2002)“分形天线和分形谐振器”美国专利。
- 天线类型及其基本由Er。SajjadHussainKanju 2009。
- 菲利普费尔伯“分形天线，一个文献研究”。2000年12月12日。
- C. Puente, J. Romeu和a . Cardama，“科赫单极子:一个小的分形天线”。IEEE反式。天线与传播，第48卷，第1173-1781页，2001。
- C. A.巴拉尼斯，天线理论:分析与设计，纽约，威利，1997。
- 刘志刚，刘志刚，“移动通信中多波段三角分形天线的研究与应用”，通信工程学报，2011年第2卷，第1期，第6 - 9页。
- Stutz man, W.L.和Thiele, g.a.，天线理论与设计，John Wiley & Sons, Inc, 1998。
- fawaz济南Jibrael，“基于三角和二次分形Koch曲线的多波段交叉偶极子天线”，国际工程学报(IJE)，第4卷，第3期。
- Douglas H. Werner'， Randy L. Haup，和Pingjuan L. Werner，“分形天线工程:分形天线阵列的理论和设计。IEEE天线与传播杂志，第41卷，ppNo。5、I999年10月。
- D. Kalra，“使用分形的天线小型化”，硕士论文，印度里德大学，2007。
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