1、 开题报告 基于分形结构的 RFID 标签天线的设计与分析 专业： 电子信息工程 一、 综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1.分形结构天线国内外研究现状 “分形”的概念是由名为 Mandelbrot 的一个法国数学家于 1973 年在自然界中分形几何一书中首次提出的 1，“分形”这个名词即拉丁文的破碎 (fractal)。分形几何就是研究无限复杂而具有特定意义下的自相似图形和结构的几何学，自相似就是局部的形态与整体形态的相似，分形具有两大特征 :自相似性和空间填充性 (分数维 )。分数维将维数从整数拓展为分数，从而 突破了一般拓扑集维数为整数的界限。 Mandelbrot 提出分
2、形最初是为了描述自然界中传统 Eucild 几何学所不能描述的复杂无规则的自然现象，随后分形理论的应用扩展到了科学研究和工程中的各个领域。 1990 年D.L.Jaggard 提出了分形电动力学的概念 2，它将分形几何与电磁理论相结合，可以用来解决一系列电磁辐射、传播、散射等问题，而分形天线正是分形电动力学的众多应用之一。 所谓分形天线，是指几何属性上具有分形特征的天线。它是分形电动力学的众多应用之一。天线与阵列的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合，如我 们熟悉的螺旋天线和对数周期天线等一类频率无关天线都是分形天线，它已经存在多年，但直到分形技术应用后，它的性能才得以充分的理解。世界上第一个
3、分形天线是由美国科学家 Natha Cohen3， 4于 1988 年完成的，而对分形天线进行系统的研究是从 1995 年 8 月发表他的第一篇有关分形天线方面的文章开始的。随后，国际上很多大学和科研机构开始对分形天线进行研究。对分形天线的发展曾经起过积极推动作用的有宾夕法尼亚大学的 DwightJaggard5和宾夕法尼亚州立大学的 Douglas Werner6， 7，他们很 早就分析了分形天线及阵列的特性。 从应用上来看，早在 1999 年，摩托罗拉公司就推出了 sierpinski 毯式结构的微带天线，用于手机。国外的分形天线公司也有不少，比较著名的有两个。西班牙的 FRACTUS C
4、omPany (Optimized Antennas for Wireless Deviees)由 Carles PuenteBaliardal8， 10建立于 1998 年，专门从事各种分形天线的研究与生产，是第一家拥有分形天线专利的公司，到目前为止共拥有 37 项专利。产品涉及手机天线、基站天线、蓝牙天线、 无线局域网、 RFID 及军品等。另外，美国的 Fraetal Antenna system Inc.也是一家专门从事分形天线开发生产的公司，它于 1995 年由 Nathan Cohen 建立，它的产品范围从数据、无线通信到远程信息处理和 RFID，并且被美国的军队广泛采用。此外，美
5、国的Massachusetts 分形天线系统公司研制出了 Comcyl(共形通讯柱 )天线，能用于双频蜂窝通讯。可以看出，分形天线在国外的应用相当广泛，而且已经取得了巨大的商业价值，但是在国内的应用还处于萌芽状态。也有学者在做一些应用方面的探索，但 一直没有商用的产品出现。 当前，分形天线的研究己不仅仅是对分形结构的单一的研究，而是发展成为分形技术与众多新技术相结合的形式。 J.SPetko 等人就对分形的随机生成算法和遗传算法的结合进行了诸多研究 11， 12。结果表明，虽然随机分形的结构有可能非常复杂，但是其初始元和用于迭代的生成因子却有可能比较单一，这就使得应用遗传算法这种自适应的全局优
6、化算法成为了可能，并且非常的有效。电磁带隙结构 (EBG)的出现使得人们可以对某个频带内的电磁波进行屏蔽，而将这种周期性的结构适当的引入分形天线的设计可以有效的解决分形 微带天线的表面波问题以及增强天线的辐射特性，文献 13便利用 EBG 结构形成的高阻表面对这方面的应用做了一些探讨。 微机电系统是一门多学科相互交叉和渗透而形成的一门新型学科，它以微电子技术为基础，目前在很多方面都得到了广泛的应用。而将分形天线的设计与可以工作在 RF 频段的微机电系统相结合，可以对天线的一些相关参数进行选择，从而实现对天线的工作频带，辐射方向等特性的灵活的控制，这种天线一般称之为可重构分形天线。文献 14便详
7、细的介绍了这种可重构分形天线的设计、制作和测试过程。 2.课题研究背景依据及意义 近 年来，随着无线通信技术的飞速发展，人们对通信设备宽带化、小型化提出了更高的要求。天线作为辐射和接收电磁波的单元，自然是通信系统中必不可少的重要组成部分，与电子设备的发展趋势相适应，天线面临着小型化、宽带化的严峻挑战。 天线的小型化技术一直是天线设计中的一个重点。由于天线尺寸减小后，其辐射电阻也随之减小，其输入阻抗的虚部增大，使得天线很难与传输线匹配。通常为改善天线的输入阻抗特性，一般需要对天线进行加载。传统的天线都是建立在欧几里德空间之上的，占据了一定的空间，不利于天线的设计。而且大部分都是外露天线，由一些
8、固定元件构成，隐蔽性不好，集成度不高。显然已经无法满足未来的挑战，这就意味着必须相应地发展天线技术以适应无线系统发展的要求。 而目前分形正成为满足未来产品要求的一种有效方法。上世纪七十年代，法国数学家B.B.Mandelbrot 在总结了自然界中非规则几何图形后，第一次提出了分形这个概念 15，认为分形几何学可以处理自然界中那些极不规则的构型，指出分形几何将成为研究许多物理现象的有力工具。到了 20 世纪 80 年代，关于波与分形结构相互作用的研究促进了分形电动力学的发展 16，而分形天线正是分形电动力学的众多应 用之一。它能够使得我们有效地设计小型化天线或把多个无线电通信元件集成到一块设备上
9、。分形几何是通过迭代产生的具有自相似特性的几何结构，它的整体与局部之间以及局部与局部之间都具有自相似性，因此分形是一种与标度无关的几何，这与宽带天线的频率无关性比较相似。天线与阵列的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合，最为熟知的对数周期天线就是一种分形天线，它已经存在 40 多年了，但直到分形技术应用后它的特性才得以充分的理解。 研究发现将分形几何用于天线设计当中，分形天线与传统天线相比具备如下特点： (1)小型化； (2)多频工作； (3)增加天线工作频带； (4)辐射电阻增加； (5)自加载； (6)分形环天线比圆环天线具有更强的方向性。其中 (3)、 (4)仅适用于某些情况。总之，分形
10、技术在宽频带、小型化天线的研究，不仅具有较高的理论价值，同时也有着广阔的应用前景。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 众所周之，分形天线的优良特性表现在小型化以及多频带这两方面。因此目前大部分的研究工作都集中在这两方面的探索方面。比如寻找新型的具有多频特性的分形结构以及如何对现有的几种经典分形结构进行改进等。然而，对于如何使分形天线的设计满足现实中对于天线的多 样化的需求这方面进行的研究较少。尤其是对天线某方面特性具有普遍性指导意义的设计方法的研究很少。比如如何在保持分形天线固有优点的同时实现圆极化等。本文的重点就是致力于寻找分形天线在实际应用中的一些重要特性的设计方法，比如如何实现圆极
11、化等。从而为分形天线在实际应用中拓展更大的空间。 三、研究步骤、方法及措施： 1. 了解掌握天线的基础知识，以及天线各参数对天线性能的影响 2. 掌握分形结构天线的基本类型及其原理为设计做准备 3. 查找文献，了解分形天线的国内外研究动态 4. 学习 HFSS 软件，学会用 HFSS 分 析天线的性能 5. 设计一种分形结构天线，并对其进行仿真分析 6. 归纳总结，完成论文设计 四、参考文献 1 B.B.Mandelbrot， The Fraetal Geometry of NatureM. New York， W.H.Freeman， 1983:26-35 2 H.N.Kritikos an
12、d D.L. Jaggard(eds.)， On Fraetal Eleetrodynamies in Reeent Advanees In Electromagnetie TheoryM. New York， Springer-Verlag， 1990:183-224 3N.Cohen and R.G.Hohlfeld ， Fraetal LooPs and the Small LooP ApproximationJ. Commmrications Quarterly， 1996:77-81 4 N.Cohen， Fraetal and Shaped Dipoles， Communieati
13、ons QuarterlyJ， Spring， 1996:25-36 5 H.N.Kritikos and D.L.Jaggard(eds.). On Fraetal Eleetrodynamies in Recent Advanees In Electro magneticTheoryM. New York， Springer-Verlag， 1990:183-224 6 Werner， D.H., Ganguly， S. An overview of fractal antenna engineering researehJ. IEEE Antennas and Propagation M
14、agazine， 2003(45):38-57 7Werner， D.H., Werner， P.L., Ferraro， A.J. Frequeney independent features of self-similar fraetal antennasJ. Antennas and Propagation Society International Symposium， AP-S Digest， 1996(3):2050-2053 8 C.Puente， J.Romeu， R.Pous， J.Ramis， and A.H.ijazo. Small but Long Koch Fract
15、al MonopoleJ. IEEE Electronics Letter， 1998(34):9-10 9C.Puente. Fractal multiband antenna based on the sierpinski gasketJ. Electronies Letters， 1996(32):135-152 10C.T.P.Song， P.S.Hall and H.Ghafouri-Shiraz， et.al. Sierpinski monopole antenna with controlled band spaeing and input impedanceJ. Eleetro
16、n.Lett， 1999(35)， 1036-1037 11 J.S.Petko and D.H.Werner. The evolution of optimal linear polyfraetal arrays using genetic algorithmsJ. IEEE Trans.Antennas Propagation， 2005， 53(11):3604-3615 12 J.S.petko and D.H.Werner. An Autopolyp loidy Based Genetic Algorithm for Enhanced Evolution of Linear Poly
17、fraetal ArraysJ.IEEE Trans.Antennas Propagation， 2007，55(3):583-593 13 X.L.Bao, et al. A Novel GPS Patch Antenna on a Fraetal Hi-Impedance Surface SubstrateJ.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2006(5):323-326 14 E.A.Dimitrios， et al. Design， Fabrieation， and Measurements of an RF-MEMS-B
18、ased Self-Similar Reeonfigurable AntennaJ.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006， 54(2):422-432 15 B.B.Mandelbrot.The Fractal Geometry of NatureJ.New York.Freeman, 1982:20-113 16 D.L.Jaggard.On Fractal Electrodynamics Recent Advances in ElectromagneticM.New York.Spri nger-Verlag, 1990:183-224 五、研究工作进度 ： 2010.11.5 2010.12.30 查找文献，掌握分形结构天线的相关理论并学会使用 HFSS 软件对天线性能进行仿真分析。 2011.02.20 2011.03.25 设计一种分形结构天线，并仿真分析。 2011.03.26 2011.04.10 对设计仿真的天线进行整理修改使其完善，开始论文初稿。 2011.04.11 2011.05.20 完成论文定稿并进行答辩。
