分形多频多模偶极子天线的设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种分形多频多模偶极子天线的设计方法，其包括以下步骤：构造一条塞尔宾斯基分形曲线；选择四次迭代来研究塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线；进行全波电磁仿真；发现1.5·λ轴向高增益和共面全向水平极化这两种全新的偶极子天线辐射模式；用两种新模式分别构造高增益轴向端射阵或高增益低剖面全向边射阵；再对塞尔宾斯基偶极子天线末端进行适度截断；获得了1.5·λ高增益Y轴向边射这一新的谐振模式；平面组阵获得了1.5·λ共面高增益两单元端射阵；构成更高增益的端射边射混合阵。本发明在以较小尺寸实现常规偶极子天线半波辐射模式的同时，获得了具有高增益边射和共面全向辐射特性的一倍半波长这一新工作模式。
【专利说明】分形多频多模偶极子天线的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种天线的设计方法，特别是涉及一种分形多频多模偶极子天线的设 计方法。
【背景技术】
[0002] 偶极子天线是天线家族中最原始、最简单，同时也是应用最广的天线类型之一。迄 今为止，几乎所有的偶极子、单极子天线都是从最初的赫兹振子演变而来。一个中心馈电 的线偶极子天线有很多种工作模式，这些模式依赖于其两臂长度L相应于工作波长f的电 尺度，比如短振子（L〈〈 λ )、半波振子（L ~ 0. 5 · λ )、全波振子（L=l · λ )、一倍半波长振子 (L=1.5· λ)等。在这些模式中，只有半波振子同时具有易匹配的阻抗（Zin=Rin=73. 1Ω)和 良好方向性(全向方向图)，并因此得到了广泛应用。下面，我们将概述细线偶极子天线各电 长度的电流分布、输入阻抗和方向特性。
[0003] 细线偶极子的全波长尺度虽有比半波长更高增益的全向方向图。但是，由于馈点 刚好是电流波的零点，故输入阻抗极高，从而无法匹配而获得实际应用。一倍半波长的输 入阻抗约为118 Ω，但E-面方向图却分裂成六瓣，因而并无实际应用价值。短波振子的输 入阻抗通常很低，方向图也是全向的，加上适当匹配电路也可以应用，但辐射效率很低。综 上分析知，半波振子是线偶极子天线中众多模式中唯一可实际应用的工作模式。目前所有 发明的偶极子、单极子天线，包括平面的、空间的，欧氏形状、直折线分形的、单元的以及复 杂阵列天线，如八木天线、对数周期天线无一不是半波振子或其变型。无法同时实现全向 辐射和高增益定向辐射是偶极子天线的固有缺陷。下面，我们尝试用塞尔宾斯基分形曲线 (Sierpinski Curve)构造具有新颖福射模式的单/偶极子天线，如法向模、轴向模和共面全 向模，以进一步扩展偶极子天线的应用领域。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种分形多频多模偶极子天线的设计方法，其 在比常规偶极子尺寸缩减而实现半波辐射的同时，获得了具有高增益轴向和共面全向辐射 特性的一倍半波长这一前所未有的工作模式，使得多频、多模单/偶极子天线和小型化、高 增益偶极子阵列天线的设计从此变为现实。
[0005] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种分形多频多模偶极子天 线的设计方法，其特征在于，所述分形多频多模偶极子天线的设计方法包括以下步骤：步骤 一，在Χ0Υ平面构造一条弯折角为Θ、线宽为I、水平长度为Q、高度为氏的塞尔宾斯基分 形曲线，i为迭代次数Ii ;步骤二，选择四次迭代14来研究塞尔宾斯基分形多频多模偶极子 天线；步骤三，分别对完整型四次迭代1 4塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线和缺陷型四 次迭代14塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线进行全波电磁仿真；步骤四，发现1. 5 · λ共 面全向模这一常规偶极子天线所不具有的新谐振模式，其在天线平面具有全向水平极化方 向图；步骤五，1.5· λ轴向模也是偶极子天线未曾发现的新谐振模式，可用于构造高增益 轴向端射阵或高增益低剖面全向边射阵；步骤六，在两臂末端被截断后，再对塞尔宾斯基偶 极子天线末端进行适度截断，即深度截断；步骤七，深度截断使三次迭代塞尔宾斯基偶极子 天线获得了 1. 5 · λ高增益Y轴向边射又一新的谐振模式；步骤八，将两个深度截断三次迭 代塞尔宾斯基偶极子天线沿Υ轴方向组阵，获得了 1. 5 · λ共面高增益两单元端射阵；步骤 九，为获得更高增益，将以上的Υ轴方向两单元端射阵再沿Ζ轴方向组成Ν单元阵，构成端 射边射混合阵。
[0006] 优选地，所述分形多频多模偶极子天线的制作材料是宽度为Wi的印制导线或直径 SDi的金属导线。
[0007] 优选地，所述步骤二将两条四次迭代塞尔宾斯基分形曲线沿X轴方向彼此并排紧 挨放置，中间间隙处设置馈电点，由此构成了平衡馈电完整型塞尔宾斯基偶极子天线。
[0008] 优选地，所述完整型四次迭代塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线的谐振模式分 别有〇.5· λ法向全向模、1.5· λ X轴向模、2.5· λ χ/γ双轴向模和3.5· λ X轴向模四种 谐振模式；缺陷型四次迭代塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线则有〇. 5 · λ法向全向模、 1.5· λ共面全向模、2.5· λΧ轴向模和3. 5· λ法向全向模四种谐振模式。
[0009] 本发明的积极进步效果在于：本发明在比常规偶极子尺寸缩减而实现半波 (0.5 · λ )辐射的同时，获得了具有高增益轴向和共面全向辐射特性的一倍半波长 (1. 5 · λ )这一前所未有的新奇工作模式，使得多频、多模单/偶极子天线和小型化、高增益 偶极子阵列天线的设计从此变为现实。同时，本发明具有结构简单、设计容易、加工方便等 优点，使得偶极子天线这一天线领域中最原始、最简单、应用最广泛的天线类型的功用效能 和应用范围得到进一步增强和扩展。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图。
[0011] 图2为各次迭代塞尔宾斯基分形曲线（Sierpinski Curve)的示意图。图2 (a)表 示初始体或零次迭代，图2 (b)表示一次迭代，图2 (c)表示二次迭代，图2 (d)表示三次 迭代，图2 (e)表示四次迭代，图2 (f)表示五次迭代。
[0012] 图3 (a)为完整型（intact)四次迭代塞尔宾斯基分形曲线偶极子天线的示意图。
[0013] 图3 (b)为缺陷型（defected)四次迭代塞尔宾斯基分形曲线偶极子天线的示意 图。
[0014] 图4为四次迭代塞尔宾斯基偶极子天线的输入阻抗Zin的示意图。其中，横轴（X 轴）是频率，单位为GHz，纵轴（Y轴）是输入阻抗，单位为Ω ;实线表不实部，虚线表不虚部； 粗线-缺陷型，细线-完整型。
[0015] 图5 (a)为四次迭代完整型塞尔宾斯基偶极子天线第一谐频的3D方向图（法 向全向模)。
[0016] 图5 (b)为四次迭代完整型塞尔宾斯基偶极子天线第一谐频的2D方向图(法向 全向模)。其中，周向轴是仰角Theta和方位角Phi，单位为度（° )，径向轴是增益G，单位为 dBi ;实线表示Phi分量，虚线表示Theta分量；光滑线表示Phi=90°平面（YOZ，H-面)， 标记线表示Theta=90°平面（Χ0Υ，E-面）。
[0017] 图6 (a)为四次迭代完整型塞尔宾斯基偶极子天线第二谐频f2的3D方向图（X轴 向模)。
[0018] 图6 (b)为四次迭代完整型塞尔宾斯基偶极子天线第二谐频f2的2D方向图（X轴 向模)。其中，周向轴是仰角Theta和方位角Phi，单位为度（° )，径向轴是增益G，单位为 dBi ;实线表示Phi分量，虚线表示Theta分量；光滑线表示Phi=0°平面（ΧΟΖ,Η-面)，标 记线表不Theta=90°平面（Υ0Ζ，Ε_面）。
[0019] 图7 (a)四次迭代完整型塞尔宾斯基偶极子天线第三谐频f3的3D方向图（Χ/Υ双 轴向模)。
[0020] 图7 (b)为四次迭代完整型塞尔宾斯基偶极子天线第三谐频f3的2D方向图（X/Y 双轴向模)。其中，周向轴是仰角Theta和方位角Phi，单位为度（° )，径向轴是增益G，单位 为dBi ;实线表示Phi分量，虚线表示Theta分量；光滑线表示Phi=0°平面（Χ0Ζ，Ε-面)， 标记线表示Phi=90°平面（ΥΟΖ,Ε-面）。
[0021] 图8 (a)为四次迭代完整型塞尔宾斯基偶极子天线第四谐频f4的3D方向图（X轴 向模)。
[0022] 图8 (b)为四次迭代完整型塞尔宾斯基偶极子天线第四谐频f4的2D方向图（X轴 向模)。其中，周向轴是仰角Theta和方位角Phi，单位为度（° )，径向轴是增益G，单位为 dBi ;实线表示Phi分量，虚线表示Theta分量；光滑线表示Phi=0°平面（ΧΟΖ,Η-面)，标 记线表不Theta=90°平面（Χ0Υ，Ε_面）。
[0023] 图9四次迭代完整型塞尔宾斯基偶极子天线第一谐频的电流分布图（0. 5 · λ ) 的示意图。
[0024] 图10为四次迭代完整型塞尔宾斯基偶极子天线第二谐频&的电流分布图 (1. 5 · λ )的示意图。
[0025] 图11为四次迭代完整型塞尔宾斯基偶极子天线第二谐频&的电流分布图 (2. 5 · λ )的示意图。
[0026] 图12为四次迭代完整型塞尔宾斯基偶极子天线第三谐频&的电流分布图 (3. 5 · λ )的示意图。
[0027] 图13 (a)为四次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子天线第一谐频的3D方向图(法 向全向模)。
[0028] 图13 (b)为四次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子天线第一谐频的2D方向图(法 向全向模)。其中，周向轴是仰角Theta和方位角Phi，单位为度（° )，径向轴是增益G，单位 为dBi ;实线表示Phi分量，虚线表示Theta分量；光滑线表示Phi=90°平面（Υ0Ζ，Η-面)， 标记线表示Theta=90°平面（Χ0Υ，E-面）。
[0029] 图14 (a)为四次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子天线第二谐频f2的3D方向图(共 面全向模)。
[0030] 图14 (b)为四次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子天线第二谐频f2的2D方向图(共 面全向模)。其中，周向轴是仰角Theta和方位角Phi，单位为度（° )，径向轴是增益G，单 位为dBi ;实线表示Phi分量，虚线表示Theta分量；光滑线表示Theta=90°平面（Χ0Υ， E-面）,标记线表示Phi=90°平面（ΥΟΖ,Η-面）。
[0031] 图15 (a)为四次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子天线第三谐频f3的3D方向图（X 轴向模)。
[0032] 图15 (b)为四次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子天线第三谐频f3的2D方向图（X 轴向模)。其中，周向轴是仰角Theta和方位角Phi，单位为度（° )，径向轴是增益G，单位为 dBi;实线表示Phi分量，虚线表示Theta分量；光滑线表示Phi=0°平面（ΧΟΖ,Η-面)，标 记线表不Theta=90°平面（Χ0Υ，Ε_面）。
[0033] 图16 (a)为四次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子天线第四谐频&的30方向图(法 向全向模)。
[0034] 图16 (b)为四次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子天线第四谐频&的20方向图(法 向全向模）的示意图。其中，周向轴是仰角Theta和方位角Phi，单位为度（° )，径向轴是 增益G，单位为dBi ;实线表示Phi分量，虚线表示Theta分量；光滑线表示Phi=90°平面 (YOZ，H-面），标记线表示Theta=90。平面（XOY，E-面）。
[0035] 图17为四次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子天线第一谐频&的电流分布图 (0· 5 · λ )的示意图。
[0036] 图18为四次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子天线第二谐频&的电流分布图 (1. 5 · λ )的示意图。
[0037] 图19为四次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子天线第二谐频&的电流分布图 (2. 5 · λ )的示意图。
[0038] 图20为四次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子天线第三谐频&的电流分布图 (3. 5 · λ )的示意图。
[0039] 图21为全向高增益共轴边射偶极子阵列天线(法向全向模）的示意图。
[0040] 图22为Ν单元三次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子全向高增益边射阵列天线(共面 全向模）的示意图。
[0041] 图23为Ν单元四次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子全向高增益边射阵列天线(共面 全向模）的示意图。
[0042] 图24为Ν单元三次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子全向高增益边射阵列天线2D 方向图。其中，周向轴是仰角Theta和方位角Phi，单位为度（° )，径向轴是增益G，单位为 dBi ;实线表示Phi分量，虚线表示Theta分量；光滑线表示Theta=90°平面（Χ0Υ，Ε-面)， 标记线表示Phi=90°平面（ΥΟΖ,Η-面）。
[0043] 图25 (a)和图25 (b)分别为Ν单元三次迭代缺陷型塞尔宾斯基偶极子全向高增 益边射阵列天线的两种排列方式(平齐排列和交错排列）的示意图。
[0044] 图26为三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子天线的示意图。
[0045] 图27为三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子天线的输入阻抗Zin的示意 图。其中，横轴（X轴）是频率，单位为GHZ，纵轴（Y轴）是输入阻抗，单位为Ω ;实线表示实 部，虚线表示虚部。
[0046] 图28为三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子天线的反射系数| Sn |的示 意图。其中，横轴（X轴）是频率，单位为GHz，纵轴（Y轴）是反射系数幅度|Sn|，单位为dB。
[0047] 图29 (a)为三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子天线谐频f。的3D方 向图（X轴向模)。
[0048] 图29 (b)为三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子天线谐频f。的2D方向 图（X轴向模)。其中，周向轴是仰角Theta和方位角Phi，单位为度（° )，径向轴是增益G，单 位为dBi ;黑线表示Theta=90° (XOY平面，E-面），灰线表示Phi=90° (YOZ平面，Η-面）； 光滑线表示共极化分量，标记线表示交叉极化分量。
[0049] 图30为三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子天线谐频f。的电流分布图 (1. 5 · λ )的示意图。
[0050] 图31为两单元三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子端射阵列天线的示 意图。
[0051] 图32 (a)为两单元三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子端射阵列天线 不同间距d时的E-面（Y0Z)2D方向图。其中，周向轴是仰角Theta，单位为度（° )，径向轴 是增益G，单位为dBi ;外围线-d=40mm,中围线-d=50mm,内围线-d=60mm。
[0052] 图32 (b)为两单元三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子端射阵列天线 不同间距d时的H-面（X0Y)2D方向图。其中，周向轴是方位角Phi,单位为度（° )，径向轴 是增益G，单位为dBi ;外围线-d=40mm,中围线-d=50mm,内围线-d=60mm。
[0053] 图33为N单元三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子端射边射混合阵列 天线的示意图。
[0054] 图34 (a)为两单元三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子端射边射混合 阵列天线在谐频f。的3D方向图。
[0055] 图34 (b)为两单元三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子端射边射混合 阵列天线在谐频f。的2D方向图。其中，周向轴是仰角Theta和方位角Phi,单位为度（° )， 径向轴是增益G，单位为dBi ;黑线表示Theta=90° (Χ0Υ平面，E-面)，灰线表示Phi=90° (Υ0Ζ平面，Η-面）；光滑线表示共极化分量，标记线表示交叉极化分量。
[0056] 图35 (a)为三单元三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子端射边射混合 阵列天线在谐频f。的3D方向图。
[0057] 图35(b)为三单元三次迭代深度缺陷型塞尔宾斯基轴向模偶极子端射边射混合阵 列天线在谐频f。的2D方向图。其中，周向轴是仰角Theta和方位角Phi，单位为度（° )，径 向轴是增益G，单位为dBi;黑线表示Theta=90° (Χ0Υ平面，E-面)，灰线表示Phi=90° (Υ0Ζ 平面，Η-面）；光滑线表示共极化分量，标记线表示交叉极化分量。
[0058] 附图和附表用来对本发明的进一步阐述和理解，并且构成说明书的一部分，与本 发明的实例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
【具体实施方式】
[0059] 下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
[0060] 下面将基于三次和四次迭代Sierpinski Curve具体设计塞尔宾斯基分形多频多 模偶极子天线（SCFMD)，并给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是，这里 所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。
[0061] 本发明分形多频多模偶极子天线的设计方法包括以下步骤：
[0062] 步骤一，如图1和图2所示，在Χ0Υ平面构造一条弯折角为Θ、宽度为I、水平长 度为Q、高度为氏（i为迭代次数U的塞尔宾斯基分形曲线。分形多频多模偶极子天线的 制作材料可是宽度为I的印制导线或直径为Di的金属导线。
[0063] 步骤二，首先，选择四次迭代（14)来研究塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线。将 两条四次迭代α4)塞尔宾斯基分形曲线沿X轴方向彼此并排紧挨放置，中间间隙处设置馈 电点，由此构成了平衡馈电完整型（intact)塞尔宾斯基偶极子天线，如图3 (a)所示。然 后，我们将该偶极子的两臂末端进行等长部分截断，便得到缺陷型（defected)塞尔宾斯基 偶极子天线，如图3 (b)所示。
[0064] 步骤三，分别对完整型（intact)迭代塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线和缺陷 型（defected)四次迭代塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线进行全波电磁仿真，结果如图 4至图20所示。从这些图可知，完整型迭代塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线的谐振模 式分别有〇.5· λ法向全向模、1.5· λΧ轴向模、2.5· λΧ/Υ双轴向模和3.5· λΧ轴向模 四种谐振模式，缺陷型则有〇.5· λ法向全向模、1.5· λ共面全向模、2.5· λΧ轴向模和 3. 5 · λ法向全向模四种谐振模式。这说明，末端截断能使四次迭代塞尔宾斯基分形偶极子 产生新的谐振模式，S卩1.5· λ共面全向模和3.5· λ法向全向模。两偶极子的各次谐频 谐振特性，如表1所示。
[0065] 表1四次迭代塞尔宾斯基偶极子天线的仿真谐振特性表
[0066]
【权利要求】
1. 一种分形多频多模偶极子天线的设计方法，其特征在于，所述分形多频多模偶极子 天线的设计方法包括以下步骤： 步骤一，在XOY平面构造一条弯折角为Θ、线宽为Wi、水平长度为Li、高度为Hi的塞尔 宾斯基分形曲线，i为迭代次数Ii ; 步骤二，选择四次迭代14来研究塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线； 步骤三，分别对完整型四次迭代14塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线和缺陷型四次 迭代14塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线进行全波电磁仿真； 步骤四，发现1. 5 · λ共面全向模这一常规偶极子天线所不具有的新谐振模式，其在天 线平面具有全向水平极化方向图； 步骤五，1.5· λ轴向模也是偶极子天线未曾发现的新谐振模式，可用于构造高增益轴 向端射阵或高增益低剖面全向边射阵； 步骤六，在两臂末端被截断后，再对塞尔宾斯基偶极子天线末端进行适度截断，即深度 截断； 步骤七，深度截断使三次迭代塞尔宾斯基偶极子天线获得了 1.5· λ高增益Υ轴向边 射又一新的谐振模式； 步骤八，将两个深度截断三次迭代塞尔宾斯基偶极子天线沿Υ轴方向组阵，获得了 1. 5 · λ共面高增益两单元端射阵； 步骤九，为获得更高增益，将以上的Υ轴方向两单元端射阵再沿Ζ轴方向组成Ν单元 阵，构成端射边射混合阵。
2. 如权利要求1所述的分形多频多模偶极子天线的设计方法，其特征在于，所述分形 多频多模偶极子天线的制作材料是宽度为I的印制导线或直径为Di的金属导线。
3. 如权利要求1所述的分形多频多模偶极子天线的设计方法，其特征在于，所述步骤 二将两条四次迭代塞尔宾斯基分形曲线沿X轴方向彼此并排紧挨放置，中间间隙处设置馈 电点，由此构成了平衡馈电完整型塞尔宾斯基偶极子天线。
4. 如权利要求1所述的分形多频多模偶极子天线的设计方法，其特征在于，所述完整 型四次迭代塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线的谐振模式分别有〇.5· λ法向全向模、 1.5· λΧ轴向模、2.5· λΧ/Υ双轴向模和3.5· λΧ轴向模四种谐振模式；缺陷型四次迭 代塞尔宾斯基分形多频多模偶极子天线则有〇.5· λ法向全向模、1.5· λ共面全向模、 2. 5 · λ X轴向模和3. 5 · λ法向全向模四种谐振模式。
【文档编号】G06F17/50GK104063534SQ201410153248
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】李道铁, 毛军发 申请人:上海交通大学