基于分形结构的多频微带天线设计_毕业论文.doc

基于分形结构的多频微带天线设计 1分形天线结构 多频天线主要有多频振子天线[2]、多频 缝隙天线[3]和多频微带天线[4]，这些多频天线辐射结构之间相互独立，没有特定变化规律，而分形几何结构独有空间填充性和自相似性的特点，在多频微带天线的设计中可实现天线多频化、小型化的目的[4]。目前采用分形结构来实现多频工作的有Sierpinski三角形分形[5]、寄生分形[6]、方形分形[7]、树状分形[8]结构等，它们通过改变分形次数而不引入有耗加载量，具有的规律性结构使得小型化天线设计得到了简化 天线是无线电系统中的重要部件之一，其主要功能是辐射和接收电磁波[1]，通信系统中的雷达、导航、广播、电视等都是通过电磁波来传递信息的。随着现代通信技术的快速发展,小型化、多功能成为人们对各种手持设备的不断追求，这就需要一个终端设备能够同时在多个频段工作。2G通话频段（GSM1800）、世界公开使用的无线频段（ISM2.4GHz）和用于无线通信的城域网频段（WiMAX）是小型多功能手持设备工作的重要频段，因此设计出能覆盖上述频段的天线具有实际意义............................... 本文拟采用Sierpinski分形结构，利用加载谐振和匹配枝节的办法，设计一款应用于GSM1800（1710MHz~1850MHz）、ISM（2.4GHz）和WiMAX (3.3GHz~3.6GHz)的全向辐射微带天线。 1 设计原理 Sierpinski分形有Sierpinski三角和Sierpinski毯两种，其中Sierpinski三角的形式多样，应用较为广泛[9]。Sierpinski三角形天线进行分形之前,其初始元会在低频处产生一个谐振点,随着天线分形结构迭代次数的不断增加,天线的生成元不断减小,而天线将保持原有的谐振点不变并在高频处增加新的谐振点,谐振点的个数与分形的迭代次数相等,并且在各谐振频点天线都具有相似的辐射性能。Sierpinski三角形分形单元如图1所示。 图1 Sierpinski三角形分形单元 Sierpinski三角形分形结构具有多频特性，且各个谐振频点成比例。比例系数可通过改变垫片的形状来调节，但不能无限次分形，其存在的截断效应将导致第一谐振点与其它谐振点不满足谐振频率[9] （1） 比例关系。其中，为空气中的光速，为迭代前三角形的高度，为天线的缩放因子。 若通过加载枝节的方法进行调节，则可以解决仅采用Sierpinski三角形分形结构时频点位置难以调节和不能无限次分形实现多频化的问题。加载的微带枝节长度和宽度的表示式分别为[10] (2) (3) 其中，为相对介电常数，为有效介电常数，其计算式为[10] （4） 为等效长度 ，由式（5）计算[10] （5） 2 天线设计 2.1天线模型设计 该天线基于Sierpinski分形结构，采用两次三角形分形分别产生1.7GHz和3.5GHz两个谐振点，加入短谐振枝节产生2.4GHz的谐振点，加入长匹配枝节调节低频1.7GHz谐振点后移至1.8GHz处，克服了低频谐振点因加入短谐振枝节以及耦合的影响出现前移的问题，背面采用2.3mm宽的反射参考地结构，保证天线各处辐射大小相等，实现全向辐射。设计天线模型如图2所示。 (a) 正面 (b) 背面 图2 天线模型 2.2 模型参数设计 采用聚四氟乙烯材料为介质基板，介电常数（）为3.5，基板尺寸为53.6mm* 46.7mm*1mm。由式（1）可以计算求得Sierpinski三角形分形辐射贴片的尺寸如下。 初始Sierpinski分形单元高度：= 46.7mm 初始Sierpinski分形单元宽度：Want= 53.6mm 第两次分形后分形单元的长度：L1= 17.1mm，L2=16.1mm, L3=25.7mm，L4=12mm 第两次分形后分形单元的宽度：W1= 28.6mm，W2=12.5mm 由微带贴片理论公式（2）、（3）计算加入短谐振枝节的尺寸如下。 短谐振枝节长度：L5=24.9mm 短谐振枝节宽度：W4=1mm 通过1/4波长阻抗转换，加入长匹配枝节的长度为：L6=34.6mm。 由于受介质均匀性、软件本身存在的仿真误差等影响，实际优化长度与理想计算长度会稍有偏差，最终设计天线以实际优化长度为主。 3 仿真优化与结果分析 利用三维电磁仿真软件（Ansoft HFSS15.0）对天线结构、参数和辐射方向性进行仿真分析，仿真结果分别如图3、图4图5和图6所示。 图3为只有