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1 引言 近年來，無線通信技術(shù)以驚人的速度發(fā)展，無論用戶身在何處都能夠時刻處于連接狀態(tài)，這就是所說的"任何時間、任何地點的無線電通信"。而天線和射頻設(shè)備是決定整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵元件。由于傳統(tǒng)的天線已經(jīng)無法滿足未來的挑戰(zhàn)，這就意味著必須相應(yīng)地發(fā)展天線技術(shù)以適應(yīng)無線系統(tǒng)發(fā)展的要求。 目前分形正成為滿足未來產(chǎn)品要求的一種有效方法。他能夠使得我們有效地設(shè)計小型化天線或把多個無線電通信元件集成到一塊設(shè)備上。 在用于無線應(yīng)用中的下一代天線中，小型化是必須的。因為他必須集成多個設(shè)備(如蜂窩、無線局域網(wǎng)、地理定位、無線電廣播裝置)，并需要安置在多個地點＜如機場、辦公室、商場、地下場所)，同時很多設(shè)備也需用到小型化天線，如手機、筆記本電腦、個人數(shù)字助理、汽車、手表等。在這種情況下，用戶希望采用盡可能小的天線以便于方便使用無線設(shè)備。此外，在基站和設(shè)備的接人點處，小型化的夭線有助于 減少周圍環(huán)境對無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的影響。 2 分形幾何背景知識 "分形"這一概念是由法國數(shù)學家B.Mandelbrot于1975年首次提出的，"分形(Fractal)"這個名詞源于拉丁文的"破碎"。分形具有兩大主要特征：自相似性和空間填充性(即分數(shù)維)。 自相似 就是說適當?shù)姆糯蠡蚩s小幾何尺寸，整個結(jié)構(gòu)并不改變，在各種尺度上都有相同程度的不規(guī)則性。 分數(shù)維 是指用一個特征數(shù)(不一定是整數(shù))來測定其不平度、復雜性或卷積度。 自然界中的許多物體都能用分形來模擬，如山脈、樹木和云彩等如圖1所示。 分形技術(shù)是得益于數(shù)學上分形物體的一些特殊性質(zhì)發(fā)展起來的。無論是自然界中的分形還是數(shù)學上的分形物體，都能夠通過簡單的算法一步步迭代生成，最終能夠具有驚人的復雜結(jié)構(gòu)。分形的特性之一就是"分數(shù)維"。這種特性使得分形能夠在很小的體積內(nèi)充分的利用空間，也是他能夠用于天線小型化設(shè)計的一個關(guān)鍵原因。 2．1 分形曲線生成過程舉例 以Koch曲線的生成方法為例，把一條直線等分為三段，將中間的一段用具有一定夾角的兩條等長折線來代替，形成一個生成元，然后再把每個直線段用生成元進行替換，經(jīng)多次迭代后就形成了Koch曲線(如圖2所示)。由此可見，在保持高度基本不變時，曲線的長度卻能夠做到無限長。 2．2 分形幾何與歐氏幾何的區(qū)別 歐氏幾何的基本元素是點、線、薄片和體積，而分形幾何沒有這么具體、清晰的概念，如：分形中的一條線可能接近于一個薄片。在這種方式下，一條分形線能夠很好的填充一個薄片。這種空間填充特性使得曲線長度很長，又合適于緊湊的物理空間。這種性質(zhì)十分適用于天線的小型化設(shè)計。 3 幾種經(jīng)典的分形天線 3．1 Koch單極天線 分形用于天線小型化設(shè)計的第一個例子是Koch單極天線(如圖3所示)，得名于分形Koch曲線。當在天線的設(shè)計中應(yīng)用Koch曲線時，諧振頻率相對于傳統(tǒng)的線性單極天線以1．65的因數(shù)降低。所以Koch單極天線的高度比傳統(tǒng)的線性單極天線小40％"。 3．2 Hilbert分形天線 另一個已實際應(yīng)用于天線小型化設(shè)計的例子是Hilbert分形天線(如圖4所示)。由于是由多節(jié)線段組成的，Hilben曲線是一種比傳統(tǒng)的曲線能夠覆蓋更多的空間的分形曲線，其生成過程如圖5所示。事實上，他幾乎可以看作一系列的點來填滿整個的正方形表面(本身仍保持是條曲線)。利用這種特性，許多天線的尺寸都可以大大減小。 目前，這種分形天線多用于VHF和UHF。 3．3 分形環(huán)天線 歐氏幾何中的環(huán)天線有一定的局限性：諧振環(huán)要求巨大的空間，小環(huán)的輸入阻抗很低等。而分形環(huán)天線與之相比有如下優(yōu)勢： (1)天線小型化。在占用空間相同的情況下分形環(huán)能夠使天線環(huán)的周長為無限長:在頻率較低時，天線可以在很小的空間內(nèi)利用分形曲線實現(xiàn)。 (2)使得天線的輻射阻抗增加。 (3)分形環(huán)天線具有更強的方向性。 目前的分形環(huán)天線主要有Koch分形環(huán)、Minkowski分形環(huán)等，如圖6所示。 3.4 分形天線陣列 分形幾何應(yīng)用于天線陣列的設(shè)計主要有兩種方式，分形單元可用于均勻分布陣列中，也可以將陣列間距用分形形式來布局。分形陣列與傳統(tǒng)的陣列設(shè)計相比有如下特點： (1)多頻、寬頻特性。 (2)可用迭代算法快速計算方向圖。 (3)可系統(tǒng)的稀疏陣列。 (4)可有效地設(shè)計大的平面陣列。 (5)可實現(xiàn)低副瓣設(shè)計策略。 目前兩種典型的分形陣列天線是Cabtor集陣列和Weierstrass線性陣列。 4 分形天線的應(yīng)用舉例 對于歐氏幾何天線，要增大定相陣列的掃描角度，就要減小陣列單元之間的中心距離。然而單元中心距離減小了，邊與邊的間距也減小了，從而相互的耦合干擾卻多了；同時，為減小陣列天線所占空間，除了減小單元距離，還要減小單元寬度，即使單元小型化。但是使歐氏幾何天線小型化會單純地減小其輸入阻抗，使之難以匹配。如果運用同阻抗的分形天線，單元寬度可以減小很多，小型化的問題會迎刃而解。 用具體的例子來比較一下標準正方形環(huán)形單元與分形環(huán)單元（如圖7所示），他們的輸入阻抗相同，遠場區(qū)圖近似，響應(yīng)頻率相同。分形單元線陣的單元邊距明顯大于正方形單元線陣，有效減小了互耦合。 和傳統(tǒng)的天線相比，分形天線除了在減小尺寸方面具有獨特優(yōu)勢外，還有其他優(yōu)點。如：分形天線可以增加工作頻帶(應(yīng)用自相似性)；具有"自加載"的性質(zhì)，不需要額外的調(diào)諧線圈、電容等元器件或匹配電路來使其在寬帶工作情況下達到阻抗匹配；采用分形天線還可以簡化電路設(shè)計、降低系統(tǒng)造價。 目前，基于分形幾何設(shè)計出的天線已經(jīng)在UHF(862-928 MHz)頻帶的無線通信設(shè)備中和GSM+DCS(900MHz，1800MHz)雙頻移動天線系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。 更進一步的研究主要集中在GSM(900MHz)，PCS(1900MHz)、藍牙無線通信系統(tǒng)(2.4GHz)等方面。他不僅可以在個人手持無線設(shè)備(如蜂窩電話)和其他無線移動設(shè)備(如無線局域網(wǎng)中的laptops、車載天線系統(tǒng))中得到應(yīng)用，還可以用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)、相控陣雷達系統(tǒng)中，前景十分廣闊。 5 結(jié) 語 作為分形幾何和天線技術(shù)的交叉產(chǎn)物，分形天線的減少天線尺寸的特有優(yōu)勢，在很多領(lǐng)域都大有用途并有廣闊的發(fā)展前景，目前對他的研究還十分有限。如何將分形天線技術(shù)融人到現(xiàn)有的無線通信市場的實際應(yīng)用中去，是很值得大家深入探討的。 |
