用于無(wú)線(xiàn)傳輸的分形折疊偶極子天線(xiàn)

　　摘要：無(wú)線(xiàn)傳輸系統是可視化網(wǎng)絡(luò )服務(wù)平臺的重要組成部分，直接決定了可視化網(wǎng)絡(luò )服務(wù)平臺的應用前景，而天線(xiàn)設計是決定無(wú)線(xiàn)傳輸系統性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文針對無(wú)線(xiàn)傳輸系統對天線(xiàn)的要求，設計了一款π型分形折疊偶極子天線(xiàn)，用矩量法對所設計的天線(xiàn)進(jìn)行仿真分析;用腐蝕工藝制版法制作天線(xiàn)樣品，并對天線(xiàn)的性能進(jìn)行測試。測試結果顯示該天線(xiàn)能夠同時(shí)實(shí)現小尺寸、低厚度、低回波損耗、大工作帶寬和全向輻射這五個(gè)要求。

　　網(wǎng)絡(luò )可視化技術(shù)是一種重要的信息可視化技術(shù)，它以圖形的形式將網(wǎng)絡(luò )數據直觀(guān)地展示出來(lái)，利用人類(lèi)視覺(jué)感知的高效性直觀(guān)地解釋網(wǎng)絡(luò )組成與數據結構，幫助網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)快速了解網(wǎng)絡(luò )的內部結構，在網(wǎng)絡(luò )數據分析及管理領(lǐng)域中得到了廣泛的應用[1]。

　　隨著(zhù)電子產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，越來(lái)越多的便攜式電子產(chǎn)品成為人們的網(wǎng)絡(luò )瀏覽工具，筆記本電腦、平板電腦、智能手機等具有無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)功能的電子產(chǎn)品的熱銷(xiāo)，從一個(gè)側面反映了無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)正在成為和傳統的有線(xiàn)上網(wǎng)同等重要的上網(wǎng)方式。無(wú)線(xiàn)傳輸系統與網(wǎng)絡(luò )可視化技術(shù)相結合，可以擴大可視化網(wǎng)絡(luò )服務(wù)平臺的應用領(lǐng)域，讓用戶(hù)隨時(shí)隨地都可通過(guò)便攜式電子產(chǎn)品享受可視化網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。

　　天線(xiàn)設計及制造技術(shù)是無(wú)線(xiàn)傳輸系統的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，天線(xiàn)所形成的電磁場(chǎng)強度和有效作用范圍決定了無(wú)線(xiàn)傳輸系統的工作距離和范圍，因此天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展對無(wú)線(xiàn)傳輸系統的性能和應用前景具有決定性的影響[2]。

　　無(wú)線(xiàn)傳輸系統對天線(xiàn)的要求

　　近年來(lái)，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳輸系統的飛速發(fā)展，人們對無(wú)線(xiàn)傳輸系統的天線(xiàn)性能提出了更高的要求。無(wú)線(xiàn)傳輸系統需要作為一個(gè)模塊，融入便攜式電子產(chǎn)品中，這就需要其尺寸足夠小，無(wú)線(xiàn)傳輸系統的天線(xiàn)也就要求具有小尺寸和低厚度。電子產(chǎn)品的移動(dòng)性和便攜性要求無(wú)線(xiàn)傳輸模塊可以隨時(shí)隨地發(fā)送和接收信息，這就要求其天線(xiàn)具有全向或半球覆蓋的方向性。在實(shí)際應用中，無(wú)線(xiàn)傳輸系統所處的環(huán)境具有不確定性，這就需要其天線(xiàn)在性能上有足夠的冗余，有較低的回波損耗和較大的工作帶寬，并有較強的環(huán)境適應性。目前，應用最廣泛的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)使用的ISM頻段為2.4～2.4835GHz，無(wú)線(xiàn)傳輸系統的天線(xiàn)必須完整地覆蓋ISM頻段[3]。

　　綜合考慮以上要求，一款實(shí)用的無(wú)線(xiàn)傳輸系統天線(xiàn)必須滿(mǎn)足以下性能要求：能夠置于便攜式電子產(chǎn)品中，尺寸應小于30mm×30mm;厚度應小于2mm;天線(xiàn)的回波損耗(S11)值在整個(gè)工作頻帶內都在-10dB以下，回波損耗最小值應小于-20dB;天線(xiàn)的工作頻帶應完全覆蓋ISM頻段(2.4～2.4835GHz)，并有較大的帶寬冗余，工作帶寬應大于200MHz;天線(xiàn)應具有全向輻射特性。

　　分形天線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　上世紀七十年代，法國數學(xué)家B.B.Mandelbrot在總結了自然界中非規則幾何圖形后，第一次提出了分形這個(gè)概念[4]，認為分形幾何學(xué)可以處理自然界中那些極小規則的構型，指出分形幾何將成為研究許多物理現象的有力工具。到了20世紀80年代，關(guān)于波與分形結構相互作用的研究促進(jìn)了分形電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展[5]，而分形天線(xiàn)正是分形電動(dòng)力學(xué)的眾多應用之一。它能夠使得我們有效地設計小型化天線(xiàn)或把多個(gè)無(wú)線(xiàn)電通信元件集成到一塊設備上。分形幾何是通過(guò)迭代產(chǎn)生的具有自相似特性的幾何結構，它的整體與局部之間以及局部與局部之間都具有自相似性，天線(xiàn)的分形設計是電磁理論與分形幾何學(xué)的融合。研究發(fā)現，與傳統天線(xiàn)相比，分形天線(xiàn)具有小型化、寬頻帶、多頻工作、高輻射電阻、自加載等一系列優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳輸系統對天線(xiàn)的要求。

　　π型分形折疊偶極子天線(xiàn)結構設計

　　典型的偶極子天線(xiàn)由兩段同樣粗細和等長(cháng)的直導線(xiàn)排成一條直線(xiàn)構成，信號從中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋入，為了縮小天線(xiàn)的尺寸，以符合小型化的要求，我們采用π型分形折疊技術(shù)對偶極子天線(xiàn)臂進(jìn)行了改進(jìn)設計。

　　π型分形折線(xiàn)的構造過(guò)程如下：設初始單元為一條橫向直線(xiàn)段，將其分為三段，左右兩段的長(cháng)度為，中間一段的長(cháng)度為;分別在左右兩段橫向線(xiàn)段和中段橫向線(xiàn)段間插入兩段長(cháng)度為的縱向線(xiàn)段，即構成一個(gè)橫向比例系數，縱向比例系數的1 階π型折線(xiàn)。經(jīng)過(guò)1 階π型分形折疊，初始單元的有效長(cháng)度由增加到，長(cháng)度放大倍數。

　　通過(guò)改變和的值，可以得到不同的1 階π型分形折線(xiàn)，如圖1(a)、(b)所示。對1 階π型分形折線(xiàn)的所有直線(xiàn)段按照一定的和的值(為了避免出現線(xiàn)段交叉，需滿(mǎn)足，)依次迭代生成了2階π型分形折線(xiàn)，如圖1(c)所示。這樣迭代下去，可生成高階的π型分形折線(xiàn)。