天线原理与设计10分形
天线设计的原理与实现方式
天线设计的原理与实现方式天线是电磁波收发的关键部件，是无线通信中不可或缺的重要元件，不同的天线设计可以实现不同的工作频率、增益、方向性、天线匹配等性能。
本文将介绍天线设计的原理和实现方式，帮助读者更好地理解天线的工作原理和参数设计。
一、天线设计的基本原理天线是将电磁波转换为电信号或反之的电器（电磁设备），它是无线通信系统中的关键部件之一。
天线设计基本原理包括天线性能指标和天线结构设计两部分。
1、天线性能指标天线的性能指标主要包括工作频率、增益、方向性、天线匹配等。
不同的天线类型和应用场景需要不同的性能指标来实现特定的功能。
（1）工作频率工作频率是指天线在工作中所应用的频率范围，通常为频段或中心频率等。
天线的设计要根据应用环境和所需要的信号频率来确定。
（2）增益增益是指天线辐射的功率与理想点源天线辐射的功率的比值，通常以dB为单位。
天线的增益与其结构形式、工作频率、方向性等有关。
（3）方向性方向性是天线传输能量的方向特性，是指天线辐射模式的立体角分布。
天线的方向性与其结构形式、工作频率、增益等有关。
（4）天线匹配天线匹配是指天线系统整体与其驱动器之间阻抗匹配的关系，使得天线系统的传输和接收线路具有最佳阻抗匹配状态，以提高天线的输出功率和信噪比。
2、天线结构设计天线结构设计是指天线的实现方式，包括天线结构形式、阻抗匹配方式、辐射元件、天线材料等方面。
（1）天线结构形式天线结构形式可以分为线性天线、环形天线、阵列天线、反射天线、补偿天线、微带天线、偏振天线等多种形式，每种天线形式都有其特点，应根据具体要求来选择天线结构形式。
（2）阻抗匹配方式阻抗匹配方式主要有天线冷端阻抗、贴片阻抗、隔离光缆、转换器和偶合电路等多种方法。
（3）辐射元件天线的辐射元件包括天线辐射体、驱动器和辅助元件等。
辐射体和驱动器是天线最基本的组成部分，辅助元件包括反射盘、支撑杆、防射线等。
（4）天线材料天线材料主要包括导体、绝缘材料、衬底材料等。
分形结构散射和几类新型分形天线的设计与研究
分形结构散射和几类新型分形天线的设计与研究分形结构散射和几类新型分形天线的设计与研究摘要：随着现代通信系统和雷达技术的发展，天线技术在无线通信和雷达领域中扮演着至关重要的角色。
传统的天线设计难以满足多频段、宽带、小尺寸以及多功能等要求。
分形结构散射和分形天线因其独特的几何形状和分形特性而备受关注。
本文系统地介绍了分形结构散射的原理和几种常见的分形天线的设计与研究。
1. 引言分形结构散射是指以分形几何形状的结构作为入射信号的反射面，通过反射、散射等过程来实现信号的处理和传递。
分形结构散射通过几何形状复杂的结构提供了更多的自由度来实现信号的改变和多功能性设计。
2. 分形结构散射的原理分形结构散射的原理基于分形几何的特性。
分形几何表现出自相似性、分形维度等特点，可以提供更大的表面积来实现更好的散射效果。
常见的分形结构散射包括Sierpinski缕线、分形棉花、科赫曲线等。
这些几何结构具有复杂的形状和细节，能够在不同频段上实现信号的散射。
3. 新型分形天线设计与研究3.1 Fractal Patch天线Fractal Patch天线是应用分形几何形状的片状天线。
Fractal Patch天线通过增加几何结构的细节和边缘的折叠来提高天线的频带宽度和增益。
使用分形几何形状可以实现更小的天线尺寸和更好的电磁特性，同时方便与其他电路集成。
3.2 分形天线阵列分形天线阵列是应用分形结构散射的阵列天线系统。
传统的阵列天线由正交排列的单元天线组成，而分形天线阵列采用分形结构作为单元天线，从而实现更大的阵列增益和更好的方向性。
分形天线阵列可以利用分形结构的自相似性和多尺度性质来优化波束形成和辐射特性，改善天线性能。
3.3 分形天线在通信领域的应用分形天线在通信领域具有广泛的应用前景。
其小尺寸和宽带特性使其成为移动通信设备中理想的天线选择。
同时，分形天线的几何特性也可以实现多频段操作和天线方向性的自由调节，满足多功能通信的需求。
天线原理与设计
天线原理与设计天线是无线通信系统中的重要组成部分，它的设计和原理对于无线通信系统的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。
本文将对天线的原理和设计进行详细的介绍，希望能够帮助读者更好地理解和应用天线技术。
首先，天线的原理是基于电磁波的辐射和接收。
在无线通信系统中，发射天线将射频信号转换成电磁波进行传输，而接收天线则将接收到的电磁波转换成射频信号进行解调。
因此，天线的设计需要考虑到频段、增益、方向性、极化等因素，以实现最佳的通信性能。
其次，天线的设计需要根据具体的应用场景和需求来进行。
不同的应用场景需要不同类型的天线，比如室内分布式系统需要采用室内覆盖天线，而室外覆盖系统则需要采用室外定向天线。
此外，天线的设计还需要考虑到信号的覆盖范围、干扰抑制、多径效应等因素，以确保通信系统的稳定性和可靠性。
在天线设计中，还需要考虑到天线的匹配和阻抗匹配问题。
天线的输入阻抗与信号源或接收机的输出阻抗需要匹配，以确保最大的信号传输效率。
因此，天线设计中需要考虑到天线的阻抗特性和匹配网络的设计，以实现最佳的匹配效果。
此外，天线的材料和结构也对其性能产生重要影响。
天线的材料选择和结构设计需要考虑到频段、环境适应性、制造成本等因素，以实现最佳的性能和成本效益。
综上所述，天线的原理和设计涉及到电磁波辐射和接收、应用场景和需求、匹配和阻抗匹配、材料和结构等多个方面。
在实际应用中，需要综合考虑这些因素，进行合理的天线设计，以实现最佳的通信性能和覆盖范围。
希望本文能够对天线的原理和设计有所帮助，也希望读者能够在实际应用中充分理解和应用天线技术，为无线通信系统的性能和覆盖范围提供有效的支持。
天线原理与设计
天线原理与设计天线是无线通信系统中的重要组成部分，它的设计和原理对于无线通信的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。
本文将介绍天线的基本原理和设计方法，帮助读者更好地理解和应用天线技术。
首先，天线的基本原理是什么呢？天线是将电磁波转换为电信号或者将电信号转换为电磁波的装置。
在接收模式下，天线接收到的电磁波会转换成电信号，而在发送模式下，电信号会被天线转换成电磁波进行传输。
因此，天线的设计需要考虑到频率范围、辐射效率、方向性等因素，以确保其在特定的应用场景下能够实现高效的信号传输。
其次，天线的设计方法有哪些呢？天线的设计需要根据具体的应用需求来确定。
一般来说，天线的设计包括结构设计、材料选择、匹配网络设计等方面。
在结构设计方面，需要考虑天线的形状、尺寸、辐射器的布局等因素，以确保天线能够实现所需的辐射特性。
在材料选择方面，需要选择合适的材料来制作天线，以确保天线具有足够的机械强度和耐候性。
在匹配网络设计方面，需要设计合适的匹配网络来确保天线与传输线的匹配，以提高天线的辐射效率。
最后，天线的设计需要注意哪些问题呢？在天线设计过程中，需要注意考虑以下几个问题。
首先，需要考虑天线的频率范围，以确保天线能够在所需的频段内正常工作。
其次，需要考虑天线的辐射效率，以确保天线能够实现高效的信号传输。
此外，还需要考虑天线的方向性，以确保天线能够实现所需的辐射方向。
最后，还需要考虑天线的机械强度和耐候性，以确保天线能够在各种环境条件下正常工作。
综上所述，天线是无线通信系统中的重要组成部分，其设计和原理对于无线通信的性能和覆盖范围起着至关重要的作用。
天线的设计需要考虑频率范围、辐射效率、方向性等因素，以确保其能够在特定的应用场景下实现高效的信号传输。
希望本文能够帮助读者更好地理解和应用天线技术。
天线原理与设计
H 面
H面 E面
表0-1 上图所示的八木天线和角锥喇叭天线的E面和H面 及其方向图函数表示
■ 七元八木天线的H面方向图
返回
(a) 极坐标幅度方向图
(b) 直角坐标幅度方向图
(a) 极坐标分贝方向图
(b) 直角坐标分贝方向图
图中是以八木天线的H面归一化方向图函数
FH(φ)＝F(θ,φ)|θ=90 计算并绘制的。
五十年代末人造卫星上天、洲际导弹出现后，人类进入了宇宙空 间时代，航空航天技术的发展对天线的研究又提出了许多新的课题， 这时要求解决天线的高增益、圆极化、宽频带、快速扫描和精密跟踪 等问题。
六十和七十年代是天线发展的鼎盛时期。这个时期在天线理论方法方面以及各 项技术的应用方面都在突飞猛进的发展。
(1)在天线理论方法方面
的函数图形。大多情况下，天线方向图是在远场 区确定的，所以又叫做远场方向图。
天线辐射特性包括辐射场强、辐射功率、相位 和极化。因此，天线方向图又分为：
■场强方向图 ■功率方向图 ■相位方向图 ■极化方向图
●天线方向图形式
二维方向图
三维方向图
极坐标方向图 直角坐标方向图 球坐标方向图 直角坐标方向图
(2)在天线技术应用方面
卫星通信技术发展推动了卫星天线和大型地面站天线 的发展，出现了大型平面阵、卡塞格仑天线及各种反射面 天线馈源。
雷达制导、搜索、跟踪、预警技术的应用推动了单脉 冲雷达天线、相控阵天线，多波束天线的发展。
半导体技术的发展使无线电技术向毫米波、亚毫米波 甚至更高频率发展，对天线提出了小型化、集成化、宽带 化等一系列要求，出现了有源天线、微带天线和印刷天线、 印制板开槽天线、表面波天线、共形阵列天线等。
到了80年代，由于电子计算机和超大规模集 成电路的发展，高功率固态发射机和各波段移相 器等日趋成熟及成本的大幅降低，以及数字波束 形成技术、自适应理论和技术、低副瓣技术以及 智能化理论和技术的不断发展，使得80年代成为 国际上相控阵雷达大发展的年代。先进国家研制 了多种不同用途的战略、战术相控阵雷达。我国 也不例外，到1993年，我国的相控阵雷达不仅在 军用国防及航空航天中得到广泛使用，而且已经 从军用扩展到了民用。
天线基本原理及常用天线介绍
25
电压驻波比（VSWR）对网络的影响：
VSWR 反射功率比 辐射功率减少 减少百分比
3.0
25%
2.15dB
40%
2.0
11%
0.86dB
18%
1.8
8%
0.67dB
14%
1.5
4%
0.36dB
8.0%
1.4
2.8%
0.21dB
4.7%
1.3
1.7%
0.13dB
2.9%
1.2
0.8%
0.07dB
三个及三个以上工作频段（不同制式）的宽频
天线。正如前边所介绍的：
806~869 824～896 870～960
806～960MHz 一副天线
1710～1880 1850～1990 1920～2170
1710~2170MHz 一副天线
31
806~960MHz的超宽频天线
现在的一副天线相当于原来的三副天线， 并且具备电调功能，既提高了产品性能，又在很大程度上降低了天线的生产3成2 本
峰值
- 3dB点
Peak - 3dB
15° (eg)
Peak
10dB 波束宽度
- 10dB点
120° (eg)
峰值 - 10dB点 Peak - 10dB
32° (eg)
Peak
Peak - 3dB
俯仰面即垂直面方向图
Peak - 10dB 16
方向图旁瓣显示
上旁瓣抑制 下旁瓣抑制
17
8、方向图在移动组网中的应用
1.1%
26
多径传播与反射
27
用分集接收改善信号电平
28
二、几种常用天线的介绍
天线设计原理
天线设计原理
天线是无线通信系统中至关重要的组成部分，它的设计原理直接影响着通信系统的性能和稳定性。
本文将介绍天线设计的基本原理，包括天线的基本结构、工作原理和设计要点。
首先，天线的基本结构包括辐射器和馈电系统。
辐射器是天线的主体部分，它负责将电磁波转换为空间电磁波，并与外界空间进行能量交换。
馈电系统则是将无线电频率的能量传送到辐射器上，使其产生电磁波。
辐射器的形状和尺寸、馈电系统的设计方式都直接影响着天线的性能。
其次，天线的工作原理是基于电磁场的辐射和接收。
当天线被接收到电磁波时，其中的电磁场激发辐射器产生感应电流，从而产生感应电磁场。
这个过程是天线接收信号的基本原理。
而当天线被激发电流时，辐射器产生电磁场，从而将电磁波辐射到外界空间，这个过程是天线辐射信号的基本原理。
最后，天线的设计要点包括频率选择、辐射模式和阻抗匹配。
频率选择是指天线要适应的工作频段，不同的频段对天线的设计有不同的要求。
辐射模式是指天线在空间中的辐射特性，包括辐射方
向、辐射功率分布等。
阻抗匹配是指天线的输入阻抗要与馈电系统的输出阻抗匹配，以确保能量传输的有效性。
综上所述，天线的设计原理涉及到天线的结构、工作原理和设计要点。
了解这些原理对于设计和优化天线至关重要，只有深入理解天线的工作原理，才能设计出性能优良的天线产品，满足不同应用场景的需求。
希望本文能够帮助读者更好地理解天线设计的基本原理，并在实际应用中发挥更大的作用。
基于分形的高精度导航天线的研究
基于分形的高精度导航天线的研究导航技术在现代社会中扮演着至关重要的角色，而高精度导航天线的研究对于实现精准定位具有重要意义。
在这方面，基于分形的天线设计成为了一种热门的研究领域。
本文将介绍基于分形的高精度导航天线的研究。
分形是一种几何形状，具有自相似性和无限细节的特点。
分形天线利用这种特性，在有限的空间内实现更大的频带宽度和更高的增益。
其设计原理是通过在天线结构中嵌入分形元素，使得天线具有复杂的几何形状，从而实现更好的电磁性能。
首先，分形天线的设计需要考虑频带宽度。
传统的导航天线往往只能工作在狭窄的频带范围内，而分形天线通过引入分形元素，可以实现更宽的频带宽度。
这是因为分形结构的自相似性使得天线能够在不同频段上产生类似的辐射模式，从而拓宽了天线的工作频带。
其次，分形天线的设计还需要考虑增益。
高增益是导航天线的重要性能指标之一，可以提高信号接收的灵敏度和传输的距离。
而分形天线由于其复杂的几何形状，能够产生更多的辐射元素，从而增加了天线的增益。
此外，分形天线还具有辐射效率高和抗干扰能力强的特点。
分形结构的细节丰富性使得天线能够更好地适应复杂的电磁环境，减少信号的衰减和干扰，提高导航系统的可靠性和精度。
最后，基于分形的高精度导航天线的研究还面临一些挑战。
例如，分形天线的设计和制造需要考虑到尺寸和形状的复杂性，增加了工程上的难度。
同时，分形天线的性能也受到天线材料和制造工艺的限制。
综上所述，基于分形的高精度导航天线的研究具有重要意义。
通过利用分形结构的自相似性和细节丰富性，分形天线能够实现更宽的频带宽度、更高的增益以及更好的抗干扰能力，为导航系统的精准定位提供了更好的解决方案。
然而，分形天线的研究仍然面临一些挑战，需要进一步探索和改进。
相信随着科学技术的发展，基于分形的导航天线将在未来得到更广泛的应用和发展。
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是人类思维最奇特的产物。二十多年前，
Mandelbrot提出fractal这一观念，阐明
它是自然界最普遍形体的时候，人们是
将信将疑。
2013-5-14 UESTC 20
分形天线-Fractal Antenna
令人意想不到的是，分形居然可以直接应用到无 线电收发天线的上，现在许多学者已经证明， 有效的宽带天线，其形状必须具自相似性。这 类天线具有非常优良的宽带效应，所占空间最 为紧凑。 事实上，Motorola公司的手机已经用上 Sierpinski Gasket内藏天线，它不但效率高 25%，而且形状规整。
2013-5-14
UESTC
40
Compare
2013-5-14
UESTC
41
磁偶极子天线
• 磁偶极子天线或者称为小环天线，可以用对偶原理从 电偶极子的解得到。 • 磁偶极矩等于环电流乘以环面积SI（ S<λ2 /100）， • 其辐射电阻反比于波长的四次方Rr=31200(S/λ2)2，当环 半径为0.1λ/π，线半径为 0.001 λ ，则Rr=0.316Ώ。 • 输入电抗为ωμb（ln(8b/a)-1.75) 在尺寸相当情况下，磁偶极子天线辐射电阻比电偶极子 的辐射电阻更小，更难以与馈线匹配。
一个30cm（频率20MHz，波长15m，天线为0.02波长） 的V-锥天线，辐射电阻为1.2Ω ，现在天线长为 1.26m，辐射电阻大于21 Ω ，直接用50 Ω 馈电， 其驻波小于2.35
2013-5-14 UESTC 28
Koch单级子输入阻抗
2013-5-14
UESTC
29
2013-5-14
从分子生物学到生理学、生物形态学， 从材料科学到地球科学、地理科学， 从经济学到语言学、 社会学， 从数学（自然科学）到艺术（人文科学）等等，
已经渗透到工程和科学的各个领域。
分形电动力学（分形天线工程)
2013-5-14 UESTC 6
分形集
2013-5-14
UESTC
7
分形集
2013-5-14
52
Fractal microቤተ መጻሕፍቲ ባይዱtrip antenna
Return loss S11 of fractal volume microstrip antenna comprising Sierpinski carpet gaskets D, E and F printed on substrate with relative permitivity2.2( see inside sketch)
2013-5-14
UESTC
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Small Koch loop
2013-5-14
Compare with UESTC same radius the
43
Raise the input resistance
2013-5-14 UESTC 44
Minkowski island
The iterative-generation procedure for a Minkowski island fractal. Each straight segment of the geometry is replaced with the generator. The initiator, the square, is shown, along with the first three generating iterations, or pre-fractals. 2013-5-14 UESTC 45
– 混沌(chaos)、 – 分形(fractal) – 孤子(soliton)
• 是非线性科学中最重要的三个概念。
2013-5-14
UESTC
3
分形几何学
• 分形几何学
– 是B.B.Mandelbrot为解决电话电路噪声而创
立的非欧几里德几何学, 1973年在法兰西学
院讲课时，首次提出了分维和分形几何的设
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30
Small antenna kh<1
2013-5-14
UESTC
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Quality factor
Normalized frequency
2013-5-14
UESTC
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Tree dipole
Quasi-2D fractal
2013-5-14 UESTC
Quasi-3D fractal
Sierpinski三角形
self-similarity
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自相似性：
局部和整体相似。
Sierpinski gasket
2013-5-14 UESTC 12
Fractal art
2013-5-14
UESTC
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Fractal landscape
2013-5-14
2013-5-14 UESTC 51
Miniature the loop antenna
First and second Minkowski square loop in side in square loop. All three loop antennas are resonant at the same frequency. 2013-5-14 UESTC
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Fractal stacked monopole
2013-5-14
UESTC
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Improve antenna match
a b
c
2013-5-14
UESTC
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Raise antenna gain
a
b
c
2013-5-14
UESTC
39
Current distribution on the monopoles
UESTC
14
Fractal plant
2013-5-14
UESTC
15
分形与分维
• 在欧氏空间中，人们习惯整数的维数。 分形理论把维数视为分数，分维是物理
学家在研究混沌吸引子等理论时引入的
概念，它突破了一般拓扑集维数为整数 的界限。
2013-5-14 UESTC 16
分形与分维
• 一根直线，如果用0维的点来度量它，其结果为无穷大， 因为直线中包含无穷多个点；如果用一块平面来度量
分形的特征
• 分形理论有很强的解释能力，能说明许 多大自然形态的发生和自组织过程;
– 分形自相似原理 – 分形迭代生成原理
• 推动人们更好地认识世界。
2013-5-14 UESTC 19
分形天线-Fractal Antenna
当Koch Curve和Sierpinski Gasket这些高
度“病态”的几何形体出现时，被认为
而用平面去度量，其结果是0，只有找一个与 Koch曲线维数同量级的尺子去度量它才会得到 有限的维数，而这个维数显然大于1、小于2， 那么只能是小数（即分数）了，所以存在分维。
Koch曲线的维数是1.2618……。
• 分形曲线的维数是1<D<2，分形表面的维数是
2<D<3。
2013-5-14 UESTC 18
2013-5-14
UESTC
49
Compare fractal dipole and meander dipole
2013-5-14
UESTC
50
Current
The resonant frequency f the D1 meander line dipole was calculated to be 154.9MHz, which is approximately 42% lower than that of the Hilbert curve fractal dipole.
天线原理与设计
分形天线工程
阮成礼 电子科技大学
2013-5-14 UESTC 1
天线设计的总体目标
• 结构简洁紧凑
• 外形轮廓小巧
• 与系统结构共形
• 超宽带或者多频带
• 高增益，低副瓣，低尾瓣等
分形天线工程是解决方案之一!
2013-5-14 UESTC 2
分形几何学
• 非线性科学(nonlinear science)
Minkowski loops
2013-5-14
UESTC
46
Radiation resistance
2013-5-14
UESTC
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Fractal loop antenna and bent-wire antenna
Bent-wire antennas
2013-5-14
UESTC
48
Compare the characters
想。分形几何学是一门以非规则几何形态为
研究对象的几何学。
2013-5-14
UESTC
4
自然观
• 分形理论已经对方法论和自然观产生强 烈影响，从分形的观点看世界，
– 这个世界是以分形的方式存在， – 以分形的方式演化。
2013-5-14 UESTC 5
交叉性学科
分形理论是一门交叉性学科，
从振动力学到流体力学、天文学和计算机图形学，
2013-5-14 UESTC 21
分形手机天线
2013-5-14
UESTC
22
Wireless internet
2013-5-14 UESTC 23
分形天线
• 现在报道的分形天线有：
– 分形电偶极子天线
– 分形磁偶极子天线
– 分形微带天线
– 分形阵列天线
– 频率选择表面