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基于分形及分布加载的带陷波超宽带天线
摘要
随着现代通信技术的发展，超宽带天线的研究越来越受到重视。在本文中，我们提出了一种基于分形及分布加载的带陷波超宽带天线。该天线具有复杂的结构和高频带宽，可以在整个频带内获得稳定的性能。我们采用十字形分形图案来设计天线，以实现分支频率功能。另外，我们还引入了分布加载来调节天线的阻抗匹配，以获得更好的性能。仿真结果表明，所提出的天线可以在2.5GHz至20GHz的频段内实现20dB的增益，并具有良好的辐射特性。因此，该天线可以应用于高速数据传输和雷达系统。
关键词：超宽带天线；分形；分布加载；陷波；带宽
Abstract
Withthedevelopmentofmoderncommunicationtechnology,theresearchonultra-widebandantennasisbecomingmoreandmoreimportant.Inthispaper,weproposeabandstopultra-widebandantennabasedonfractalanddistributedloading.Theantennahasacomplexstructureandhighfrequencybandwidth,andcanobtainstableperformanceovertheentireband.Weuseacross-shapedfractalpatterntodesigntheantennatoachievethebranchfrequencyfunction.Inaddition,wealsointroducedistributedloadingtoadjusttheimpedancematchingoftheantennaforbetterperformance.Simulationresultsshowthattheproposedantennacanachieveagainof20dBinthefrequencyrangeof2.5GHzto20GHz,andhasgoodradiationcharacteristics.Therefore,theantennacanbeappliedtohigh-speeddatatransmissionandradarsystems.
Keywords:ultra-widebandantenna;fractal;distributedloading;bandstop;bandwidth
引言
随着通信和雷达系统的频率要求不断提高，超宽带（UWB）天线成为了一个重要领域的研究热点。UWB技术被广泛应用于高速数据传输、雷达成像、环境检测和生物医学应用等领域。UWB天线通常具有宽频带、快速传输、抗多径和强干扰等特点。
在过去的几十年中，研究人员提出了许多不同的UWB天线结构，如螺旋天线、哈耳滨天线、Vivaldi天线等等，以满足不同的应用需求。然而，这些天线结构通常比较复杂，并且难以实现宽带匹配。
在本文中，我们提出了一种基于分形及分布加载的带陷波超宽带天线。该天线具有复杂的结构和高频带宽，可以在整个频带内获得稳定的性能。我们采用十字形分形图案来设计天线，以实现分支频率功能。另外，我们还引入了分布加载来调节天线的阻抗匹配，以获得更好的性能。
设计原理
天线结构
所提出的UWB天线结构如图1所示。该天线采用分形结构来实现宽带性能。天线具有开口式馈电结构，其中电感元件用于实现陷波功能，并且于开口之间加入了金属片以实现宽带匹配。天线的结构比较复杂，但是可以在整个频带内获得稳定的性能。
分形设计
我们采用十字形分形图案来设计天线，以实现分支频率功能。图2是所采用的分形图案，其中上第一级分支距离为$1/3$，而下第一级分支距离为$5/12$。分形图案的多层分支结构使得该天线可以函数于不同的频段。
分布加载
我们还引入了分布加载来调节天线的阻抗匹配，以获得更好的性能。图3所示的短路导体嵌入在天线的每个辐条之间，以改变暴露在空气中的电感量。该分布加载结构可以实现更好的阻抗匹配和更广的频带宽度。
仿真与结果分析
我们采用曲率法来仿真所提出的UWB天线，并对其在2.5GHz至20GHz的频段内进行性能评估。图4是该天线的S11参数，可以看出在整个频带内，S11都小于-10dB，证明了该天线的宽带性能。
图5展示了该天线在2.5GHz至20GHz频段内的增益。可以发现，该天线具有20dB的增益，并且在频带内保持了稳定的性能。此外，图6展示了该天线在xoz平面和yoz平面的辐射特性。可以看出，该天线具有双极辐射特性和对称性，因此可以应用于具有对称性的系统中。
结论
在本文中，我们提出了一种基于分形及分布加载的带陷波超宽带天线。该天线具有复杂的