多频段、高带宽和增益 | 分形天线发明人和房东斗智斗勇的研发经历

天线和射频设备是决定整个通讯系统性能的关键元件。由于传统的天线已经无法满足未来的挑战,这就意味着必须相应地发展天线技术以适应无线系统发展的要求。目前“分形 ”正成为满足未来产品要求的一种有效方法。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。

为什么移动电话可以做这么多事情:分形天线的发明

文:Robert Colburn,IEEE 历史中心

移动电话通过在许多不同的频率上进行发射和接收来执行多项任务。例如,当用户第一次拨号时,有一个载波频率,手机和基站相互通信以建立通话,确定手机在哪个基站范围内,并选择使用哪个或哪些频率电话。一些移动电话系统使用频移键控,这意味着数字信号的零点在一个频率上发送,零点在另一个频率上发送。蓝牙、Wi-Fi 和其他应用程序使用更多频率。

在 1980 年代后期之前,移动电话必须为每个频率设计不同的天线。移动电话需要伸出许多不同的天线,每个天线的尺寸都根据波长而定。取而代之的是,今天的手机之所以采用时尚设计,部分原因在于其形状由分形决定的天线。

1982 年,数学家 Benoit Mandelbrot 出版了他有影响的著作《自然的分形几何》。分形的一些最早应用是在计算机图形学中。Mandelbrot 在 1987 年 6 月在匈牙利巴拉顿举行的第 99 届国际天文学联合会学术讨论会上发表了一篇关于假想行星景观的论文。IEEE 成员和波士顿射电天文学家 Nathan Cohen 教授也在会上发表了论文大学。Cohen 是一名业余无线电爱好者,Mandelbrot 的谈话引起了他的兴趣。他想知道根据分形几何形状的天线是如何工作的。

科恩发现分形几何形状的天线工作得很好。然而,他当时的房东有一项严格的政策,不得在建筑物上安装天线。Cohen 正在使用 2 米 FM,这意味着传统天线需要大约一米长,因此非常明显。科恩发现他的分形天线可以做得更小,他用铝箔、胶水和建筑纸使用宝塔图案制作了一个分形微带天线,并将其贴在他公寓的栏杆上。它大约六英寸见方。

用于自动驾驶汽车/道路的增强型 RCS 道路反射器的放大示例

太阳能电池上具有分形天线超材料的卫星三明治

多扇区 MIMO 阵列的宽带分形元素

织物上的导电油墨,用于服装上的宽带天线

分形天线作为超材料(显示内部)用于更小的替代八木宇田天线

2.4 GHz metablade™ 天线和它取代的 Yagi-Uda

照片提供 Fractal Antenna Systems, Inc.

尽管它的尺寸很小,看起来更像是一个桌巾而不是天线(以及在 27 楼),但房东知道它的存在并在 Cohen 工作、教数学课时将其砍掉。几天后,科恩在地下的雪地上发现了它悲伤的遗骸。鉴于天线的后代现在在世界各地的数亿台设备中发挥作用,切断原型肯定是自西哥特人拆除罗马渡槽以来最不恰当的技术障碍行为之一。除了用于移动电话和计算机之外,分形天线在 RFID 以及车载雷达和防撞系统中也有重要应用。它们减少了信号的散射并增强了高速公路标签的雷达反射。作为衡量分形天线重要性的一种衡量标准,IEEE 已经发表了 2100 多篇关于它们的论文。

分形天线不仅可以缩小天线尺寸,还可以控制多频段性能,实现宽带使用,并实际上增加小尺寸的实际增益。增益属性源于能够在高度紧凑的区域中产生多个电流最大值,例如在分形周长上。建设性干扰可能发生在远小于 1/4 波的范围内,”科恩解释说。

科恩创立的公司 Fractal Antenna Systems 于 1995 年 8 月为分形天线申请了美国专利 6,452,553。该技术的最早采用者是政府客户。“今天,”科恩指出,“你将面临获得 X 射线、在公共建筑中使用收音机或电话、或乘坐没有分形天线的商用喷气机飞行的挑战。分形是保持世界联系的重要组成部分。”

除了是一种非常广泛使用的技术之外,分形天线在视觉上也非常复杂和美观。因为它们足够小,可以隐藏在它们使工作的技术中,所以我们大多数人都没有意识到它们。作者希望这篇文章提高了他们的知名度。

source: ieeeusa.org

网友点评:

保罗康纳威:

长期以来,我一直认为分形天线的概念也可以应用于 HF 频率范围。在业余无线电界,有一些众所周知的方法可以在谐波相关的频率上使用一根天线。我希望看到一种分形天线的设计(或进行此类设计的工具),用于通常由长线、偶极子提供的广泛 HF 频率。已使用对数周期天线,但通常较大和/或固定。相反,我将渔网想象成一个支撑,它提供了一个大约 3/4 英寸的正方形网格。编织在那个支撑物上的人可以穿出柔性线来制作任何分形图案。这种带有金属丝的网可以折叠或卷成圆柱体进行运输。

我想知道这种分形天线的最终尺寸是多少才能覆盖给定的频率范围,例如 80m、60m、40m、30m、20m、17m 和 15m 频段(3.5 MHz 至 21.5 MHz)中的业余无线电频率。

如果这个天线的一般方向垂直于平面,那么它可以悬挂在 1 或 2 个垂直支架上,形成一个波束天线。否则,如果设置为与地面平行且距离最小,则对于近垂直入射天波 (NVIS) 操作将有好处。

我怀疑军方会对这样的设备感兴趣。许多业余无线电爱好者也希望拥有一个易于携带的全频段天线。

小叔来啦:

分形天线不仅可以在个人手持无线设备(如蜂窝电话)和其他无线移动设备(如无线局域网中的laptops、车载天线系统)中得到应用,还可以用于卫星通信系统、相控阵雷达系统中,前景十分广阔。你发现了身边的分形天线么,欢迎分享

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