随着无线电技术的迅猛发展,通信系统对天线设计的要求越来越严格,比如小型化、多频带、圆极化等。由于电磁理论的不断发展,实现天线小型化、多频段、圆极化以及宽带特性的方法有很多种,然而,在工程上我们往往需要天线同时具备上面的两种或多种特性,比如:小型化的圆极化天线、小型化的宽带天线以及小型化的宽带圆极化天线。现有的技术手段有时无法同时满足上述新型天线的各项指标要求。因此,我们需要采用新的理论和方法去研究新型天线的设计,解决以往传统的天线设计中存在的问题和矛盾。分形本身具有空间填充性和自相似结构,采用分形结构的天线就天然具备了很多传统天线所不具备的优点:分形天线结构的空间填充性可以使我们能够更有效的设计小型化天线,分形天线结构的自相似性使其具备多谐振点特性,从而使我们可以更好地开发多频天线。本文利用分形理论并结合现代通信系统的新需求,围绕国家自然科学基金项目“分形天线与分形维数的关系及其在天线小型化中的应用研究”,对分形球结构的电磁散射特性、小型化圆极化分形天线、双频分形RFID天线、分形宽带天线以及小型化宽带圆极化分形天线进行了深入研究。作者的研究成果和创新点主要分为以下五个部分:1.研究了分形球结构的电磁散射特性。建立了基于Cantor集的多层分形球模型,研究了不同方向的雷达散射截面RCS数值。通过改变多层球的分形维数,观察其RCS的变化规律。计算结果表明,具有自相似结构的分形多层球具有相似的散射特性,并且分形球的维数越大,其雷达散射截面RCS越大。此外,从散射图还可以明显看出,分形多层球的后向散射对分形维数更加敏感。2.深入研究了两款新型的小型化圆极化Koch分形天线。为了实现天线的小型化,将传统十字交叉振子采用Koch分形结构。与此同时,提出了可以通过调整Koch单元的分形维数来改变天线辐射振子的自阻抗,从而使两交叉振子的电流振幅相同、相位差900,从而实现圆极化。HFSS仿真以及天线加工实测结果表明,该新型的小型化圆极化天线具有良好的辐射特性,3dB轴比带宽约为5.98%,且两款天线的尺寸比传统天线分别减小了23.4%和33.5%,该小型化的圆极化天线已成功用在中国北斗一代车载卫星导航系统中。3.研发了新型双频分形RFID天线。首先设计了两款树状分形阵列超材料结构,结合等效电路模型调整树枝分支的长度和粗细,通过电磁软件HFSS仿真优化出所需的超材料结构。为了更好地研究提出的分形超材料特性,利用结构的S参数反衍计算得出该结构的磁导率和介电常数,计算结果表明该结构在所用频段的磁导率实部均为负值。然后将所设计的新型树状分形阵列超材料结构置于空气微带贴片天线的地板和贴片之间,利用此结构的MNG(mu-negative)特性,实现单馈点RFID天线的双频工作。经过实际测量,该天线谐振在842MHz和922MHz,且在两个工作频段的带宽分别为4.4%和3.1%,完全覆盖中国射频识别系统UHF的两个频段。4.研究了基于Koch分形的宽带印刷缝隙天线。提出了基于Koch分形的自相似性和空间填充性来展宽缝隙天线带宽的方法。仿真结果表明,将Koch分形结构用于缝隙印刷天线的边缘,通过选择合适的IO、IF及IA,印刷缝隙天线的带宽可以得到有效地提高。此外,根据仿真优化得出的参数,实际加工了八款缝隙天线,并比较了它们的电性能,最终优化出性能最好的宽带缝隙天线。实测结果显示,该优化的天线可以实现1.75倍频程(1.45-4.86GHz),具有稳定的方向图且天线的峰值增益为5.38dBi,非常适用于宽带无线通信系统。5.研究了小型化分形对数周期宽带(2-6GHz)圆极化天线。区别于传统的移相器圆极化天线,该天线采用第二部分提到的通过优化分形振子维数设计小型化圆极化天线的理念,同时结合对数周期天线的宽带特性,无需繁琐的移相器和复杂的匹配网络即可实现小型化的宽带圆极化天线。参照仿真数据实际加工出天线样品,实际测试结果表明该天线具有良好的宽带圆极化特性(轴比带宽为100%),且天线低频段增益约为4dBi,高频段增益约为6dBi,完全满足航天某院弹载天线的指标要求。