用于无线传输的分形折叠偶极子天线

摘要：无线传输系统是可视化网络服务平台的重要组成部分，直接决定了可视化网络服务平台的应用前景，而天线设计是决定无线传输系统性能的关键技术之一。本文针对无线传输系统对天线的要求，设计了一款π型分形折叠偶极子天线，用矩量法对所设计的天线进行仿真分析;用腐蚀工艺制版法制作天线样品，并对天线的性能进行测试。测试结果显示该天线能够同时实现小尺寸、低厚度、低回波损耗、大工作带宽和全向辐射这五个要求。

网络可视化技术是一种重要的信息可视化技术，它以图形的形式将网络数据直观地展示出来，利用人类视觉感知的高效性直观地解释网络组成与数据结构，帮助网络用户快速了解网络的内部结构，在网络数据分析及管理领域中得到了广泛的应用[1]。

随着电子产品的不断更新换代，越来越多的便携式电子产品成为人们的网络浏览工具，笔记本电脑、平板电脑、智能手机等具有无线上网功能的电子产品的热销，从一个侧面反映了无线上网正在成为和传统的有线上网同等重要的上网方式。无线传输系统与网络可视化技术相结合，可以扩大可视化网络服务平台的应用领域，让用户随时随地都可通过便携式电子产品享受可视化网络服务。

天线设计及制造技术是无线传输系统的核心关键技术之一，天线所形成的电磁场强度和有效作用范围决定了无线传输系统的工作距离和范围，因此天线技术的发展对无线传输系统的性能和应用前景具有决定性的影响[2]。

无线传输系统对天线的要求

近年来，随着无线传输系统的飞速发展，人们对无线传输系统的天线性能提出了更高的要求。无线传输系统需要作为一个模块，融入便携式电子产品中，这就需要其尺寸足够小，无线传输系统的天线也就要求具有小尺寸和低厚度。电子产品的移动性和便携性要求无线传输模块可以随时随地发送和接收信息，这就要求其天线具有全向或半球覆盖的方向性。在实际应用中，无线传输系统所处的环境具有不确定性，这就需要其天线在性能上有足够的冗余，有较低的回波损耗和较大的工作带宽，并有较强的环境适应性。目前，应用最广泛的无线局域网使用的ISM频段为2.4～2.4835GHz，无线传输系统的天线必须完整地覆盖ISM频段[3]。

综合考虑以上要求，一款实用的无线传输系统天线必须满足以下性能要求：能够置于便携式电子产品中，尺寸应小于30mm×30mm;厚度应小于2mm;天线的回波损耗(S11)值在整个工作频带内都在-10dB以下，回波损耗最小值应小于-20dB;天线的工作频带应完全覆盖ISM频段(2.4～2.4835GHz)，并有较大的带宽冗余，工作带宽应大于200MHz;天线应具有全向辐射特性。

分形天线简介

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[4]，认为分形几何学可以处理自然界中那些极小规则的构型，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[5]，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。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，天线的分形设计是电磁理论与分形几何学的融合。研究发现，与传统天线相比，分形天线具有小型化、宽频带、多频工作、高辐射电阻、自加载等一系列优点，能够很好地满足无线传输系统对天线的要求。

π型分形折叠偶极子天线结构设计

典型的偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，为了缩小天线的尺寸，以符合小型化的要求，我们采用π型分形折叠技术对偶极子天线臂进行了改进设计。

π型分形折线的构造过程如下：设初始单元为一条横向直线段，将其分为三段，左右两段的长度为，中间一段的长度为;分别在左右两段横向线段和中段横向线段间插入两段长度为的纵向线段，即构成一个横向比例系数，纵向比例系数的1 阶π型折线。经过1 阶π型分形折叠，初始单元的有效长度由增加到，长度放大倍数。

通过改变和的值，可以得到不同的1 阶π型分形折线，如图1(a)、(b)所示。对1 阶π型分形折线的所有直线段按照一定的和的值(为了避免出现线段交叉，需满足，)依次迭代生成了2阶π型分形折线，如图1(c)所示。这样迭代下去，可生成高阶的π型分形折线。