CN104347933A - 立体分形天线及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了立体分形天线及其制造方法，立体分形天线是基于立体分形结构如立体Sierpinski四面体等数学推导出的三维模型，整个立体结构均由数学分形模型导出，而非仅在某个表面或某几个表面由分形图形拼接。由立体分形结构构成的天线，其电流路径较传统天线大大增加，缩小了天线的电尺寸，有利于天线的进一步宽带化与小型化，开创了一种新的天线形式。由二维平面转向三维空间，延展了天线带宽，优化了天线的性能，将传统分形天线的优势提升一个维度。在电尺寸不变的前提下，增加立体分形天线的分形阶数可以显著增加天线的带宽，降低天线的驻波比，大幅度提升天线的性能。
Description
技术领域
本发明属于微波技术与天线领域，具体涉及立体分形天线及其制造方法。
背景技术
分形理论由B.B.Mandelbrot在上个世纪70年代研究英国海岸线有多长提出的，分形图案是一种具有自相似性，不规则性的不断重复的复杂图形。自20世纪80年代以来人们将分形理论应用于天线的制造中，它是一种具有分形的形式的天线单元，通常通过在导体面上开小孔或者使导体弯曲来形成。和传统天线的设计比较，分形天线的优势在于可以以很小的尺寸拓宽天线带宽。在很多情况下，分形天线单元的使用能够使电路的设计简化，减少建造的消耗，增强部件的可靠性。因为它是自加载的，不需要任何的匹配单元来实现多频或者宽频工作。
无线电天线可被定义为一种附有导行波与自由空间波互相转换区域结构。天线是一种导行波与自由空间波之间的转换器或换能器。分形天线与传统天线相比较解决了两个问题：（1）天线实际上是窄带设备，它们的性能依赖于天线的电尺寸，这就意味着，对于固定的天线尺寸，天线的性能指标如：增益方向图，带宽等将随着工作频率的改变而改变，而分形的自相似性和复杂的结构使得分形天线具有分形的特征，从而具有宽频带特点。（2）把分形的迭代算法应用于天线，使缩减尺寸成为可能。传统的二维贴片分形天线随着迭代阶数的增加，在高频出也出现了新的谐振点。随着天线的分形层次的不断深入，原有的谐振点位置保持不变化，在高频端的地方增加加了新的谐振点各谐振频带具有相似的辐射特性，而且谐振点的个数与分形的结构次数相等。
现有的分形一般均为微带贴片天线这种二维平面天线，这种二维分形天线随着分形阶数的增加，原有的谐振点位置保持不变，但在高频端的地方增加了新的谐振点各谐振频带具有相似的辐射特性，而且谐振点的个数与分形的结构层次数相等属于周期规律分布。而将分形天线立体化将会使天线的结构极其复杂，传统的制造技术不足以制造处如此精细复杂的结构。
发明内容
本发明将立体光刻技术和分形理论应用于微波技术与天线领域，是新型制造技术和微波工程以及天线技术的集成创新设计，发明的目的旨在设计制作出立体分形天线，由此发明一种新的天线形式，将分形天线由二维平面转向三维立体，延展了分形天线的带宽，优化了天线的性能，将分形天线的优势提升一个维度。
本发明第一次将立体光刻技术应用在微波天线制造领域，工艺搭配也开创了制造的先河。本发明所采用的技术方案是：步骤一，利用电脑辅助CAD软件与电磁仿真软件分别设计出立体分形天线的三维模型及相关的参数指标，再将三维模型以STL格式输出到打印机中，利用打印机将三维模型转换为二维截面；步骤二，采用三维打印技术或常规加工技术逐层制造，再将每层模型连接到一起，制造出立体分形天线模型；步骤三，若步骤二中三维打印机采用树脂等非金属材料打印，将模型用真空金属化工艺将相应的金属镀在天线模型表面；若步骤二中三维打印机采用相应金属为原料，简易打磨工艺将模型打磨光滑即可。
所述步骤二中三维打印技术包括激光粉末烧结、高分子高温熔融、光敏树脂喷墨打印技术和光敏树脂快速成型技术；
步骤一中的分形体的建模严格遵照数学立体分形算法；
所述步骤一中的分形算法可采用Sierpinski三角形算法。
根据制造立体分形天线的方法制造的立体分形天线，天线整体结构是由基于分形算法的分形体构成的。
所述天线辐射体形状严格基于数学立体分形算法；
所述天线是基于Sierpinski三角形算法；
所述天线可采用同轴线底部馈电或者波导馈电。
本发明的有益技术效果是：设计制作出的立体分形天线开辟出一个新的天线方向，由二维平面转向三维空间，延展了天线带宽，优化了天线的性能，将分形天线的优势提升一个维度。可显著增加电流路径，在不增加物理尺寸的前提下增加天线的电尺寸，增加天线带宽，实现天线的小型化与宽带化。立体分形天线随着分形阶数的增加带宽的增加很明显从最初的0阶1.8G左右到3阶的2.7G，相应频点并没有太大变化，并且在随着分形阶数的增加，天线的驻波比逐步降低3阶时已经降到1.1左右，天线的阻抗匹配越来越好，辐射损失的能量也越来越少；该天线属于全向辐射，辐射增益良好；极大的延展了天线带宽，缩减了天线尺寸，减少了传输损耗。不仅如此，利用立体光刻这种先进工艺进行立体分形天线制造也是开创了一个新的方向。因此设计制造这种智能立体分形天线意义重大，开创了三维立体分形的先河，可应用在任何需要智能天线的无线系统中，包括雷达系统、通信系统等。立体分形天线，实现了延展天线带宽降低驻波比，减少辐射损耗等一系列目标，体分型天线有望全面取代单机子天线。
本发明第一次将立体光刻技术应用在微波天线制造领域，工艺搭配也开创了制造的先河。制造方法简单，节约成本，生产效率高。
附图说明
图1本发明的实物图侧视；
图2本发明俯视图；
图3本发明的0阶分形S11测试结果图；
图4本发明的1阶分形S11测试结果图；
图5本发明的2阶分形S11测试结果图；
图6本发明的3阶分形S11测试结果图；
图7本发明实施例1的远场E面方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进步阐述。
实施例1
利用电脑辅助CAD软件与电磁仿真软件分别设计出立体分形天线，其高度为25mm的三维模型及再将三维模型以STL格式输出到打印机中，利用打印机将三维模型转换为二维截面，然后再采用三维打印技术（包括但不局限于激光粉末烧结、高分子高温熔融、光敏树脂喷墨打印技术、光敏树脂快速成型技术），打印材料采用树脂，再将每层模型连接到一起，最后就制造出立体分形天线模型，接下来则需将模型用真空金属化工艺将相应的金属镀在天线模型表面。
天线馈电方式可以采用同轴线馈电也可以采用波导馈电，因需求而定，本次实验采用的是同轴线馈电方式。将同轴线与立体分形体的一个顶点相连进行馈电。
图3到图6中显示了0-3阶分形S11的测试结果，根据测试的结果，设计制作的立体分形天线随着分形阶数的增加带宽的增加很明显从最初的0阶1.8G左右到3阶的2.7G，相应频点并没有太大变化。并且在随着分形阶数的增加，天线的驻波比逐步降低3阶时已经降到1.1左右，说明天线的阻抗匹配越来越好，辐射损失的能量也越来越少。
3阶方向图图7上可以看出该天线属于全向辐射，辐射增益良好，其中频率=7；主瓣大小=18.2dBV/m；主瓣方向=50.0deg；3dB波瓣宽度=58.0deg；旁瓣电平=-14.0dB。
由以上测试结果，设计制作的立体分形天线。实现了延展天线带宽降低驻波比，减少辐射损耗等一系列目标。可以看出立体分型天线有望全面取代单机子天线。
实施例2
利用电脑辅助CAD软件与电磁仿真软件分别设计出立体分形天线，其高度为20mm的三维模型及相关的参数指标，再将三维模型以STL格式输出到打印机中，利用打印机将三维模型转换为二维截面，然后再采用三维打印技术（包括但不局限于激光粉末烧结、高分子高温熔融、光敏树脂喷墨打印技术、光敏树脂快速成型技术），打印材料采用金属，再将每层模型连接到一起，最后就制造出立体分形天线模型，采用简易打磨工艺将模型打磨光滑即可。
本发明将新型材料应用于微波技术与天线领域，而且采用的先进加工制作过程相对容易实现且成本较低，是跨学科的具有许多创新点的发明。
设计制作的立体分形天线相比于传统天线和二维微带分形天线具有极大的优势。极大的延展了天线带宽，缩减了天线尺寸，减少了传输损耗。不仅如此，利用立体光刻这种先进工艺进行立体分形天线制造也是开创了一个新的方向。因此设计制造这种智能立体分形天线意义重大，开创了三维立体分形的先河，可应用在任何需要智能天线的无线系统中，包括雷达系统、通信系统等。
Claims (6)
1.一种制造立体分形天线的方法，包括以下步骤：
步骤一，利用电脑辅助CAD软件与电磁仿真软件，基于分形算法，分别设计出立体分形天线的三维模型，再将三维模型以STL格式输出到打印机中，利用打印机将三维模型转换为二维截面；
步骤二，采用三维打印技术或常规加工技术逐层制造，再将每层模型连接到一起，制造出立体分形天线模型；
步骤三，若步骤二中三维打印机采用树脂等非金属材料打印，将模型用真空金属化工艺将相应的金属镀在天线模型表面；若步骤二中三维打印机采用相应金属为原料，后将模型打磨光滑即可。
2.根据权利要求1述的制造立体分形天线的方法，其特征在于步骤二中三维打印技术包括激光粉末烧结、高分子高温熔融、光敏树脂喷墨打印技术和光敏树脂快速成型技术。
3.根据权利要求1所述的制造立体分形天线的方法，其特征在于步骤一中的分形体的建模严格遵照数学立体分形算法。
4.一种根据权利要求1或2所述的制造立体分形天线的方法制造的立体分形天线，其特征在于天线整体结构是由基于分形算法的分形体构成的。
5.根据权利要求4所述的立体分形天线，其特征在于天线辐射体形状严格基于数学立体分形算法。
6.根据权利要求5所述的立体分形天线，其特征在于采用同轴线底部馈电或者波导馈电。
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