تقنيات الأسلاك لتصنيع الهوائيات كسورية. كيفية صنع هوائي للتلفزيون بيديك من سلك أو كابل ألومنيوم: تصميم بسيط لاستقبال إشارة تلفزيونية. تم إنشاء فراكتل مينكوفسكي بشكل مشابه لمنحنى كوخ وله نفس الخصائص

أول شيء أود أن أكتب عنه هو مقدمة بسيطة عن تاريخ ونظرية واستخدام الهوائيات الفركتلية. تم اكتشاف هوائيات كسورية مؤخرًا. تم اختراعها لأول مرة من قبل ناثان كوهين في عام 1988، ثم نشر بحثه حول كيفية صنع هوائي تلفزيون من الأسلاك وحصل على براءة اختراع في عام 1995.

يتمتع الهوائي الكسري بعدة خصائص فريدة، كما هو مكتوب في ويكيبيديا:

"الهوائي الكسري هو هوائي يستخدم تصميمًا كسوريًا ذاتي التكرار لزيادة الطول أو زيادة المحيط (في المناطق الداخلية أو الهيكل الخارجي) لمادة يمكنها استقبال أو إرسال الإشارات الكهرومغناطيسية ضمن مساحة سطحية أو حجم إجمالي معين ".

ماذا يعني حقا هذا؟ حسنًا، عليك أن تعرف ما هو الفراكتل. أيضا من ويكيبيديا:

"عادةً ما يكون الفركتل شكلًا هندسيًا تقريبيًا أو مجزأً يمكن تقسيمه إلى أجزاء، كل جزء عبارة عن نسخة أصغر من الكل - وهي خاصية تسمى التشابه الذاتي."

وبالتالي، فإن الفراكتل هو شكل هندسي يكرر نفسه مرارًا وتكرارًا، بغض النظر عن حجم الأجزاء الفردية.

لقد وُجد أن الهوائيات الكسورية أكثر كفاءة بنسبة 20% تقريبًا من الهوائيات التقليدية. يمكن أن يكون هذا مفيدًا خاصة إذا كنت تريد أن يستقبل هوائي التلفزيون الخاص بك فيديو رقمي أو عالي الوضوح، أو زيادة النطاق الخلوي، أو نطاق Wi-Fi، أو استقبال راديو FM أو AM، وما إلى ذلك.

تحتوي معظم الهواتف المحمولة بالفعل على هوائيات كسورية. ربما لاحظت ذلك لأن الهواتف المحمولة لم تعد تحتوي على هوائيات من الخارج. وذلك لأن لديهم هوائيات كسورية بداخلها محفورة في لوحة الدائرة، مما يسمح لهم باستقبال إشارة أفضل والتقاط المزيد من الترددات مثل Bluetooth وCellular وWi-Fi من هوائي واحد.

ويكيبيديا:

"تختلف استجابة الهوائي الكسري بشكل ملحوظ عن تصميمات الهوائيات التقليدية من حيث أنه قادر على العمل بأداء جيد على ترددات مختلفة في وقت واحد. ويجب خفض تردد الهوائيات القياسية لتتمكن من استقبال هذا التردد فقط. لذلك، يعد الهوائي الكسري، على عكس الهوائي التقليدي، تصميمًا ممتازًا لتطبيقات النطاق العريض والمتعدد النطاق.

الحيلة هي تصميم الهوائي النمطي الكسري الخاص بك ليتردد صدى عند التردد المركزي المحدد الذي تريده. هذا يعني أن الهوائي سيبدو مختلفًا اعتمادًا على ما تريد تحقيقه. للقيام بذلك تحتاج إلى استخدام الرياضيات (أو الآلة الحاسبة على الإنترنت).

في المثال الخاص بي سأفعل هوائي بسيطولكن يمكنك جعل الأمر أكثر تعقيدًا. كلما كان الأمر أكثر تعقيدًا كلما كان ذلك أفضل. سأستخدم ملفًا من 18 سلكًا صلبًا لصنع الهوائي، ولكن يمكنك تخصيص لوحات الدوائر الخاصة بك لتناسب جمالك، وجعلها أصغر أو أكثر تعقيدًا مع دقة ورنين أكبر.

سأصنع هوائيًا للتلفزيون لاستقبال التلفزيون الرقمي أو التلفزيون دقة عالية. هذه الترددات أسهل في العمل ويتراوح طولها من حوالي 15 سم إلى 150 سم لنصف الطول الموجي. من أجل البساطة وانخفاض تكلفة الأجزاء، سأضعه على هوائي ثنائي القطب مشترك، وسوف يلتقط موجات في نطاق 136-174 ميجاهرتز (VHF).

لاستقبال موجات UHF (400-512 ميجاهرتز)، يمكنك إضافة مخرج أو عاكس، لكن هذا سيجعل الاستقبال أكثر اعتمادًا على اتجاه الهوائي. يعد VHF اتجاهيًا أيضًا، ولكن بدلاً من الإشارة مباشرة إلى محطة التلفزيون في تركيب UHF، ستحتاج إلى تركيب سماعات VHF بشكل عمودي على محطة التلفزيون. وهذا سوف يتطلب المزيد من الجهد. أريد أن أجعل التصميم بسيطًا قدر الإمكان، لأن هذا بالفعل شيء معقد للغاية.

المكونات الرئيسية:

• سطح التركيب، مثل الغلاف البلاستيكي (20 سم × 15 سم × 8 سم)
• 6 مسامير. لقد استخدمت مسامير الصفائح المعدنية
• محول بمقاومة من 300 أوم إلى 75 أوم.
• سلك تركيب 18 AWG (0.8 مم).
• كبل متحد المحور RG-6 مع أطراف إنهاء (وبغمد مطاطي إذا كان التثبيت في الخارج)
• الألومنيوم عند استخدام العاكس. كان هناك واحد في المرفق أعلاه.
• علامة جيدة
• زوجان من الكماشات الصغيرة
• لا يقل طول المسطرة عن 20 سم.
• ناقل لقياس الزاوية
• لقمتان للثقب، واحدة أصغر قليلًا من قطر البراغي
• قطع الأسلاك الصغيرة
• مفك البراغي أو مفك البراغي

ملحوظة: الجزء السفلي من هوائي سلك الألومنيوم موجود على الجانب الأيمن من الصورة حيث يبرز المحول.

الخطوة 1: إضافة عاكس

قم بتجميع السكن مع العاكس الموجود أسفل الغطاء البلاستيكي

الخطوة 2: حفر الثقوب وتركيب نقاط التثبيت

قم بحفر فتحات خروج صغيرة على الجانب الآخر من العاكس في هذه المواضع وقم بوضع برغي موصل.

الخطوة 3: قياس الأسلاك وقطعها وتقطيعها

قطع أربع قطع من الأسلاك بطول 20 سم ووضعها على الجسم.

الخطوة 4: قياس الأسلاك ووضع علامات عليها

باستخدام علامة، ضع علامة على كل 2.5 سم على السلك (ستكون هناك انحناءات عند هذه النقاط)

الخطوة 5: إنشاء الفركتلات

يجب تكرار هذه الخطوة لكل قطعة من الأسلاك. يجب أن تكون زاوية كل انحناء 60 درجة بالضبط، لأننا سنصنع مثلثات متساوية الأضلاع للفراكتل. لقد استخدمت زوجين من الزردية ومنقلة. كل انحناء مصنوع على علامة. قبل عمل الطيات، تصور اتجاه كل منها. يرجى استخدام الرسم البياني المرفق لهذا الغرض.

الخطوة 6: إنشاء ثنائيات القطب

قم بقطع قطعتين إضافيتين من الأسلاك لا يقل طولهما عن 6 بوصات، ثم لف هذه الأسلاك حول البراغي العلوية والسفلية على طول الجانب الطويل، ثم لفها حول البراغي المركزية. ثم قم بقص الطول الزائد.

الخطوة 7: تركيب ثنائيات القطب وتركيب المحولات

قم بتثبيت كل من الفركتلات على براغي الزاوية.

قم بتوصيل محول ذي مقاومة مناسبة إلى المسمارين المركزيين وشدهما.

اكتمل التجميع! تحقق منها واستمتع!

الخطوة 8: المزيد من التكرارات/التجارب

لقد قمت بإنشاء بعض العناصر الجديدة باستخدام قالب ورقي من برنامج جيمب. لقد استخدمت سلك هاتف صغيرًا صلبًا. لقد كانت صغيرة وقوية ومرنة بما يكفي للانحناء إلى الأشكال المعقدة المطلوبة للتردد المركزي (554 ميجا هرتز). هذا هو المتوسط الإشارات الرقمية UHF للقنوات التلفزيون الأرضيفي منطقتي.

الصورة المرفقة. قد يكون من الصعب رؤية الأسلاك النحاسية في الإضاءة المنخفضة مقابل الورق المقوى والشريط اللاصق في الأعلى، لكنك حصلت على الفكرة.

في هذا الحجم، تكون العناصر هشة للغاية، لذا يجب التعامل معها بعناية.

لقد أضفت أيضًا قالبًا بتنسيق png. لطباعة الحجم الذي تريده، ستحتاج إلى فتحه في محرر صور مثل GIMP. القالب ليس مثاليًا لأنني صنعته يدويًا باستخدام الماوس، لكنه مريح بدرجة كافية للأيدي البشرية.

تم تصنيع الهوائيات الكسورية السلكية التي تمت دراستها في هذه الأطروحة عن طريق ثني السلك وفقا لقالب ورقي مطبوع. نظرًا لأن السلك تم ثنيه يدويًا باستخدام الملقط، فإن دقة "ثني" الهوائي كانت حوالي 0.5 مم. لذلك، تم أخذ أبسط الأشكال الكسورية الهندسية للبحث: منحنى كوخ و"القفزة ثنائية القطب" لمينكوفسكي.

ومن المعروف أن الفركتلات تجعل من الممكن تقليل حجم الهوائيات، في حين تتم مقارنة أبعاد الهوائي الفركتلي بأبعاد ثنائي القطب الخطي نصف الموجي المتماثل. في مزيد من البحث في هذه الأطروحة، سيتم مقارنة الهوائيات الكسورية السلكية مع ثنائي القطب الخطي مع /4 أذرع يساوي 78 مم مع تردد رنين قدره 900 ميجاهرتز.

هوائيات كسورية سلكية تعتمد على منحنى كوخ

يوفر العمل صيغًا لحساب الهوائيات الفركتلية استنادًا إلى منحنى كوخ (الشكل 24).

أ) ن= 0 ب) ن= 1 ج) ن = 2

الشكل 24 - منحنى كوخ للتكرارات المختلفة n

البعد ديتم حساب فراكتل كوخ المعمم بواسطة الصيغة:

إذا عوضنا زاوية الانحناء القياسية لمنحنى كوخ = 60 في الصيغة (35)، فسنحصل على ذلك د = 1,262.

الاعتماد على تردد الرنين الأول لثنائي القطب كوخ F K من البعد الكسري د، أرقام التكرار نوتردد الرنين لثنائي القطب المستقيم Fيتم تحديد D بنفس ارتفاع خط Koch المكسور (عند النقاط القصوى) بواسطة الصيغة:

للشكل 24، ب في ن= 1 و د= 1.262 من الصيغة (36) نحصل على:

Fك = Fد 0.816، Fك = 900 ميجا هرتز 0.816 = 734 ميجا هرتز. (37)

بالنسبة للشكل 24، c مع n = 2 و D = 1.262، من الصيغة (36) نحصل على:

Fك = Fد 0.696، Fك = 900 ميجا هرتز 0.696 = 626 ميجا هرتز. (38)

تسمح لنا الصيغتان (37) و (38) بحل المشكلة العكسية - إذا أردنا أن تعمل الهوائيات الفركتلية على تردد F K = 900 ميجا هرتز، فيجب أن تعمل ثنائيات القطب المستقيمة على الترددات التالية:

لـ n = 1 f D = f K / 0.816 = 900 ميجا هرتز / 0.816 = 1102 ميجا هرتز، (39)

لـ n = 2 f D = f K / 0.696 = 900 ميجا هرتز / 0.696 = 1293 ميجا هرتز. (40)

باستخدام الرسم البياني في الشكل 22، نحدد أطوال /4-أذرع ثنائي القطب المستقيم. ستكون مساوية 63.5 ملم (لـ 1102 ميجاهرتز) و 55 ملم (لـ 1293 ميجاهرتز).

وهكذا، تم تصنيع 4 هوائيات كسورية بناءً على منحنى كوخ: اثنان بأبعاد 4 أذرع تبلغ 78 مم، واثنتان بأبعاد أصغر. توضح الأشكال 25-28 صور شاشة RK2-47، والتي يمكن من خلالها تحديد ترددات الرنين تجريبيًا.

ويلخص الجدول 2 البيانات المحسوبة والتجريبية، والتي يتضح منها التكرارات النظرية F T تختلف عن تلك التجريبية F E لا يزيد عن 4-9٪ وهذه نتيجة جيدة جدًا.

الشكل 25 - شاشة RK2-47 عند قياس هوائي بمنحنى Koch للتكرار n = 1 مع /4 أذرع تساوي 78 مم. تردد الرنين 767 ميجا هرتز

الشكل 26 - الشاشة RK2-47 عند قياس هوائي بمنحنى Koch للتكرار n = 1 مع /4 أذرع تساوي 63,5 مم. تردد الرنين 945 ميجا هرتز

الشكل 27 - شاشة RK2-47 عند قياس هوائي بمنحنى Koch للتكرار n = 2 مع /4 أذرع تساوي 78 مم. تردد الرنين 658 ميجا هرتز

الشكل 28 - شاشة RK2-47 عند قياس هوائي بمنحنى Koch للتكرار n = 2 مع /4 أذرع تساوي 55 مم. تردد الرنين 980 ميجا هرتز

الجدول 2 - مقارنة بين ترددات الرنين المحسوبة (النظرية) والتجريبية للهوائيات الكسورية بناءً على منحنى كوخ

هوائيات سلكية كسورية تعتمد على "القفز ثنائي القطب". نمط الاتجاه

تم وصف الخطوط الكسورية من نوع "القفز ثنائي القطب" في العمل، ومع ذلك، لم يتم تقديم صيغ لحساب تردد الرنين اعتمادًا على حجم الهوائي في العمل. ولذلك تقرر تحديد ترددات الرنين تجريبيا. بالنسبة للخطوط الكسورية البسيطة للتكرار الأول (الشكل 29، ب)، تم تصنيع 4 هوائيات - بطول /4 أذرع يساوي 78 مم، بنصف الطول وطولين متوسطين. بالنسبة للخطوط الكسورية التي يصعب تصنيعها في التكرار الثاني (الشكل 29، ج)، تم تصنيع هوائيين بطول 4 أذرع 78 و39 ملم.

ويبين الشكل 30 جميع الهوائيات الفركتلية المصنعة. يوضح الشكل 31 مظهر الإعداد التجريبي مع الهوائي الكسوري "ثنائي القطب" للتكرار الثاني. توضح الأشكال 32-37 التحديد التجريبي لترددات الرنين.

أ) ن= 0 ب) ن= 1 ج) ن = 2

الشكل 29 - منحنى مينكوفسكي "القفز ثنائي القطب" للتكرارات المختلفة n

الشكل 30 - مظهرجميع الهوائيات السلكية الفراكتلية المصنعة (قطر السلك 1 و 0.7 ملم)

الشكل 31 - الإعداد التجريبي: VSWR بانورامي ومقياس التوهين RK2-47 مع هوائي فركتالي من نوع "القفز ثنائي القطب"، التكرار الثاني

الشكل 32 - شاشة RK2-47 عند قياس هوائي "قفز ثنائي القطب" ذو تكرار n = 1 مع /4 أذرع تساوي 78 مم.

تردد الرنين 553 ميجا هرتز

الشكل 33 - شاشة RK2-47 عند قياس هوائي "قفز ثنائي القطب" ذو تكرار n = 1 مع /4 أذرع تساوي 58,5 مم.

تردد الرنين 722 ميجا هرتز

الشكل 34 - الشاشة RK2-47 عند قياس هوائي "قفز ثنائي القطب" ذو تكرار n = 1 مع /4 أذرع تساوي 48 مم. تردد الرنين 1012 ميجا هرتز

الشكل 35 - الشاشة RK2-47 عند قياس هوائي "قفز ثنائي القطب" ذو تكرار n = 1 مع /4 أذرع تساوي 39 مم. تردد الرنين 1200 ميجا هرتز

الشكل 36 - شاشة RK2-47 عند قياس هوائي "قفز ثنائي القطب" ذو تكرار n = 2 مع /4 أذرع تساوي 78 مم.

تردد الرنين الأول هو 445 ميجا هرتز والثاني 1143 ميجا هرتز

الشكل 37 - شاشة RK2-47 عند قياس هوائي "قفز ثنائي القطب" ذو تكرار n = 2 مع /4 أذرع تساوي 39 مم.

تردد الرنين 954 ميجا هرتز

كما أظهرت الدراسات التجريبية، إذا أخذنا ثنائي القطب الخطي نصف الموجي المتماثل والهوائي الكسري بنفس الطول (الشكل 38)، فإن الهوائيات الكسورية من نوع "القفز ثنائي القطب" ستعمل بتردد أقل (بنسبة 50 و61 %)، والهوائيات الكسورية على شكل منحنى كوخ تعمل بترددات أقل بنسبة 73 و85% من تلك الخاصة بثنائي القطب الخطي. لذلك، في الواقع، يمكن تصنيع الهوائيات الفركتلية بأحجام أصغر. يوضح الشكل 39 أبعاد الهوائيات الكسورية لنفس ترددات الرنين (900-1000 ميجا هرتز) مقارنة بذراع ثنائي القطب التقليدي نصف الموجة.

الشكل 38 - الهوائيات "التقليدية" والكسورية بنفس الطول

الشكل 39 - أحجام الهوائي لنفس ترددات الرنين

5. قياس أنماط إشعاع الهوائيات الفركتلية

يتم عادة قياس أنماط إشعاع الهوائي في غرف "مانعة للصدى"، تمتص جدرانها الإشعاع الساقط عليها. في هذه الأطروحة، تم إجراء القياسات في المختبر العادي لكلية الفيزياء والتكنولوجيا، وأدخلت الإشارة المنعكسة من الصناديق المعدنية للأدوات والحوامل الحديدية بعض الأخطاء في القياسات.

تم استخدام المولد الخاص بجهاز VSWR البانورامي ومقياس التوهين RK2-47 كمصدر لإشارة الميكروويف. تم استخدام مقياس المستوى كمستقبل للإشعاع من الهوائي الكسري. حقل كهرومغناطيسي ATT-2592، مما يسمح بإجراء قياسات في نطاق التردد من 50 ميجا هرتز إلى 3.5 جيجا هرتز.

أظهرت القياسات الأولية أن نمط الإشعاع لثنائي القطب الخطي المتماثل نصف الموجي يشوه بشكل كبير الإشعاع من خارج الكابل المحوري، والذي كان متصلاً مباشرة (بدون أجهزة مطابقة) ثنائي القطب. إحدى الطرق لقمع إشعاع خط النقل هي استخدام أحادي القطب بدلاً من ثنائي القطب مع أربعة "أثقال موازنة" متعامدة بشكل متبادل /4 تلعب دور "الأرض" (الشكل 40).

الشكل 40 - /4 هوائي أحادي القطب وكسوري مع "أثقال موازنة"

توضح الأشكال 41 - 45 مخططات الإشعاع المقاسة تجريبياً للهوائيات قيد الدراسة باستخدام "أثقال موازنة" (لا يتغير تردد الرنين للإشعاع عمليا عند الانتقال من ثنائي القطب إلى أحادي القطب). تم إجراء قياسات لكثافة تدفق قدرة إشعاع الميكروويف بالميكرووات لكل متر مربع في المستويين الأفقي والرأسي على فترات 10. وتم إجراء القياسات في المنطقة "البعيدة" للهوائي على مسافة 2.

كان أول هوائي تمت دراسته هو هوائي مستقيم الشكل ذو 4 هزازات. ومن مخطط إشعاع هذا الهوائي يتضح (الشكل 41) أنه يختلف عن النموذج النظري. هذا بسبب أخطاء القياس.

يمكن أن تكون أخطاء القياس لجميع الهوائيات قيد الدراسة كما يلي:

انعكاس الإشعاع من الأجسام المعدنية داخل المختبر؛

عدم وجود عمودي متبادل صارم بين الهوائي والأثقال الموازنة؛

عدم القمع الكامل للإشعاع من الغلاف الخارجي للكابل المحوري؛

قراءة غير دقيقة للقيم الزاوية؛

"استهداف" غير دقيق لمقياس ATT-2592 على الهوائي ؛

التدخل من الهواتف المحمولة.

بالنسبة لأولئك الذين لا يعرفون ما هو وأين يتم استخدامه، أستطيع أن أقول أن مشاهدة أفلام الفيديو حول فركتلات. وتستخدم هذه الهوائيات في كل مكان في الوقت الحاضر، على سبيل المثال، في كل هاتف محمول.

لذلك، في نهاية عام 2013، جاء والد زوجي وحماتي لزيارتنا، ثم طلبت منا حماتي، عشية عطلة رأس السنة الجديدة، هوائيًا لها تلفزيون صغير. يشاهد والد زوجي التلفاز من خلال طبق الأقمار الصناعية وعادة ما يفعل شيئًا خاصًا به، لكن حماتي أرادت مشاهدة برامج رأس السنة بهدوء دون إزعاج والد زوجي.

حسنًا، لقد أعطيناها هوائيًا حلقيًا (330 × 330 مم مربع)، والذي كانت زوجتي تشاهد التلفاز من خلاله أحيانًا.

ثم اقترب موعد افتتاح دورة الألعاب الأولمبية الشتوية في سوتشي وقالت زوجتي: اصنع هوائيًا.

لا توجد مشكلة بالنسبة لي في صنع هوائي آخر، طالما أن له غرضًا ومعنى. لقد وعد بفعل ذلك. والآن حان الوقت... لكنني اعتقدت أنه كان مملا إلى حد ما نحت هوائي حلقة آخر، بعد كل شيء، القرن الحادي والعشرون في الفناء ثم تذكرت أن الهوائيات الأكثر تقدمية في بناء الهوائيات هي هوائيات EH ، هوائيات هرتز وهوائيات كسورية. بعد أن اكتشفت ما هو أكثر ملاءمة لعملي، استقرت على هوائي كسورية. لحسن الحظ، لقد شاهدت جميع أنواع الأفلام حول الفركتلات وسحبت جميع أنواع الصور من الإنترنت منذ وقت طويل. لذلك أردت أن أترجم الفكرة إلى واقع مادي.

الصور شيء، والتنفيذ المحدد لجهاز معين شيء آخر. لم أزعج نفسي لفترة طويلة وقررت بناء هوائي يعتمد على كسورية مستطيلة.

لقد أخرجت سلكًا نحاسيًا يبلغ قطره حوالي 1 مم، وأخذت كماشة وبدأت في صنع الأشياء... كان المشروع الأول واسع النطاق باستخدام العديد من الفركتلات. من باب العادة، فعلت ذلك لفترة طويلة، في أمسيات الشتاء الباردة، أخيرًا فعلت ذلك، وألصقت السطح الكسري بالكامل على اللوح الليفي باستخدام البولي إيثيلين السائل، ولحام الكابل مباشرة، بطول حوالي متر واحد، وبدأت في المحاولة.. . أُووبس! وقد استقبل هذا الهوائي القنوات التلفزيونية بشكل أكثر وضوحًا من هوائي الإطار... لقد سررت بهذه النتيجة، مما يعني أنه لم يكن عبثًا أنني كافحت وفركت مسامير القدم أثناء ثني السلك في شكل كسورية.

مر حوالي أسبوع وخطر في بالي أن حجم الهوائي الجديد هو تقريبًا نفس هوائي الإطار، ولا توجد فائدة خاصة، إلا إذا أخذت في الاعتبار تحسنًا طفيفًا في الاستقبال. ولذا قررت تركيب هوائي فركتالي جديد، باستخدام عدد أقل من الفركتلات، وبالتالي أصغر حجمًا.

هوائي كسورية. الخيار الأول

في يوم السبت الموافق 2014/08/02، قمت بإخراج قطعة صغيرة من الأسلاك النحاسية التي كانت متبقية من الهوائي الفراكتل الأول وبسرعة كبيرة، حوالي نصف ساعة، قمت بتركيب هوائي جديد...

هوائي كسورية. الخيار الثاني

ثم قمت بلحام الكابل من الأول واتضح أنه جهاز كامل. هوائي كسورية. الخيار الثاني بالكابل

لقد بدأت في التحقق من الأداء... واو، اللعنة! نعم، يعمل هذا الجهاز بشكل أفضل ويستقبل ما يصل إلى 10 قنوات ملونة، وهو ما لم يكن من الممكن تحقيقه سابقًا باستخدام هوائي حلقي. المكسب كبير! إذا انتبهت أيضًا إلى حقيقة أن ظروف الاستقبال الخاصة بي غير مهمة تمامًا: الطابق الثاني، منزلنا محجوب تمامًا عن مركز التلفزيون بواسطة المباني الشاهقة، ولا توجد رؤية مباشرة، فإن المكسب مثير للإعجاب سواء في الاستقبال أو في الحجم.

توجد على الإنترنت هوائيات كسورية مصنوعة من خلال النقش على رقائق الألياف الزجاجية. أعتقد أنه لا يوجد فرق فيما يجب فعله، ولا ينبغي مراعاة الأبعاد بدقة لهوائي التلفزيون، في حدود العمل على الركبة.

الدنيا لا تخلو من الطيبين :-)
فاليري UR3CAH: "مساء الخير يا إيجور. أعتقد أن هذا المقال (أي قسم "الهوائيات النمطية النمطية: الأقل هو الأكثر") يتوافق مع موضوع موقعك وسيكون موضع اهتمامك :) 73!"
نعم، بالطبع إنه مثير للاهتمام. لقد تطرقنا بالفعل إلى هذا الموضوع إلى حد ما عند مناقشة هندسة السداسيات. وهناك أيضًا كانت هناك معضلة تتعلق بـ "تعبئة" الطول الكهربائي في أبعاد هندسية :-). شكرًا جزيلاً لك يا فاليري على إرسال المادة.
الهوائيات الكسورية: الأقل هو الأكثر
على مدى نصف القرن الماضي، بدأت الحياة تتغير بسرعة. معظمنا يقبل الإنجازات التقنيات الحديثةأمرا مفروغا منه. تعتاد على كل ما يجعل الحياة أكثر راحة بسرعة كبيرة. نادرًا ما يطرح أحد الأسئلة "من أين أتى هذا؟" وكيف يعمل؟" يقوم الميكروويف بتسخين وجبة الإفطار - رائع، الهاتف الذكي يمنحك الفرصة للتحدث مع شخص آخر - رائع. وهذا يبدو وكأنه احتمال واضح بالنسبة لنا.
لكن الحياة كان من الممكن أن تكون مختلفة تمامًا لو لم يبحث الإنسان عن تفسير للأحداث التي تجري. خذ هذا المثال، هاتف خليوي. هل تتذكر الهوائيات القابلة للسحب في النماذج الأولى؟ لقد تدخلوا وزادوا حجم الجهاز وفي النهاية تعطلوا في كثير من الأحيان. نعتقد أنها غرقت في غياهب النسيان إلى الأبد، وجزء من السبب في ذلك هو... الفركتلات.
الأنماط الكسورية تبهر بأنماطها. إنها بالتأكيد تشبه صور الأجسام الكونية - السدم ومجموعات المجرات وما إلى ذلك. ولذلك فمن الطبيعي تمامًا أنه عندما عبر ماندلبرو عن نظريته حول الفركتلات، أثار بحثه اهتمامًا متزايدًا بين أولئك الذين درسوا علم الفلك. أحد هؤلاء الهواة يدعى ناثان كوهين، بعد حضوره محاضرة ألقاها بينوا ماندلبروت في بودابست، خطرت له الفكرة تطبيق عمليالمعرفة المكتسبة. صحيح أنه فعل ذلك بشكل حدسي، ولعبت الصدفة دورًا مهمًا في اكتشافه. بصفته أحد هواة الراديو، سعى ناثان إلى إنشاء هوائي بأعلى حساسية ممكنة.
الطريقة الوحيدةلتحسين معلمات الهوائي، الذي كان معروفا في ذلك الوقت، كان يتمثل في زيادة أبعاده الهندسية. ومع ذلك، فإن مالك العقار في وسط مدينة بوسطن الذي استأجره ناثان كان ضد بشكل قاطع تركيب أجهزة كبيرة على السطح. ثم بدأ ناثان في تجربة أشكال مختلفة للهوائيات، محاولًا الحصول على أقصى نتيجة بأقل حجم. مستوحى من فكرة الأشكال الكسورية، قام كوهين، كما يقولون، بشكل عشوائي بصنع واحدة من أشهر الفركتلات من الأسلاك - "ندفة ثلج كوخ". جاء عالم الرياضيات السويدي هيلج فون كوخ بهذا المنحنى في عام 1904. ويتم الحصول عليها عن طريق تقسيم القطعة إلى ثلاثة أجزاء واستبدال القطعة الوسطى بمثلث متساوي الأضلاع دون أن يتطابق ضلعه مع هذه القطعة. من الصعب بعض الشيء فهم التعريف، ولكن في الشكل كل شيء واضح وبسيط.
هناك أيضًا اختلافات أخرى لمنحنى كوخ، لكن الشكل التقريبي للمنحنى يظل مشابهًا.

عندما قام ناثان بتوصيل الهوائي بجهاز استقبال الراديو، كان متفاجئًا جدًا - زادت الحساسية بشكل كبير. بعد سلسلة من التجارب، أدرك الأستاذ المستقبلي في جامعة بوسطن أن الهوائي المصنوع وفقًا لنمط كسورية يتمتع بكفاءة عالية ويغطي نطاق تردد أوسع بكثير مقارنة بالحلول الكلاسيكية. بالإضافة إلى ذلك، فإن شكل الهوائي على شكل منحنى كسورية يجعل من الممكن تقليل الأبعاد الهندسية بشكل كبير. حتى أن ناثان كوهين توصل إلى نظرية تثبت أن الخلق هوائي النطاق العريضيكفي أن نعطيه شكل منحنى فركتلي مشابه ذاتيًا.

حصل المؤلف على براءة اختراع لاكتشافه وأسس شركة لتطوير وتصميم الهوائيات الكسورية، Fractal Antenna Systems، معتقدًا بحق أنه في المستقبل، بفضل اكتشافه، ستتمكن الهواتف المحمولة من التخلص من الهوائيات الضخمة وتصبح أكثر إحكاما. من حيث المبدأ، هذا ما حدث. صحيح أن ناثان يخوض حتى يومنا هذا معركة قانونية مع الشركات الكبيرة، الذي يستخدم اكتشافه بشكل غير قانوني لإنتاج أجهزة اتصالات مدمجة. بعض الشركات المصنعة الشهيرة أجهزة محمولةوقد توصلت شركات مثل موتورولا بالفعل إلى اتفاق سلام مع مخترع الهوائي الكسري. المصدر الأصلي

إرسال عملك الجيد في قاعدة المعرفة أمر بسيط. استخدم النموذج أدناه

سيكون الطلاب وطلاب الدراسات العليا والعلماء الشباب الذين يستخدمون قاعدة المعرفة في دراساتهم وعملهم ممتنين جدًا لك.

تم النشر على http://www.allbest.ru/

مقدمة

الهوائي هو جهاز راديو مصمم للإرسال أو الاستقبال موجات كهرومغناطيسية. يعد الهوائي أحد أهم العناصر في أي نظام هندسي راديوي مرتبط ببث أو استقبال موجات الراديو. وتشمل هذه الأنظمة: أنظمة الاتصالات الراديوية، والبث الراديوي، والتلفزيون، والتحكم الراديوي، واتصالات التتابع الراديوي، والرادار، وعلم الفلك الراديوي، والملاحة الراديوية، وما إلى ذلك.

من الناحية الهيكلية، يتكون الهوائي من أسلاك، وأسطح معدنية، وعوازل كهربائية، وعوازل كهربائية مغناطيسية. يتم توضيح الغرض من الهوائي من خلال رسم تخطيطي مبسط للوصلة الراديوية. يتم تحويل التذبذبات الكهرومغناطيسية عالية التردد، المعدلة بواسطة الإشارة المفيدة والتي أنشأها المولد، بواسطة هوائي الإرسال إلى موجات كهرومغناطيسية وتشع في الفضاء. عادة، يتم توفير الموجات الكهرومغناطيسية من جهاز الإرسال إلى الهوائي ليس مباشرة، ولكن باستخدام خط الطاقة (خط نقل الموجات الكهرومغناطيسية، المغذية).

في هذه الحالة، تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية المرتبطة بها على طول وحدة التغذية، والتي يتم تحويلها بواسطة الهوائي إلى موجات كهرومغناطيسية متباينة من المساحة الحرة.

يلتقط هوائي الاستقبال موجات الراديو الحرة ويحولها إلى موجات مزدوجة، والتي يتم تغذيتها من خلال وحدة التغذية إلى جهاز الاستقبال. وفقًا لمبدأ انعكاس الهوائي، لا تتغير خصائص الهوائي الذي يعمل في وضع الإرسال عندما يعمل هذا الهوائي في وضع الاستقبال.

تستخدم أيضًا أجهزة مشابهة للهوائيات للإثارة الاهتزازات الكهرومغناطيسيةالخامس أنواع مختلفةأدلة الموجات والرنانات الحجمية.

1. الخصائص الرئيسية للهوائيات

1.1 معلومات موجزة عن المعلمات الرئيسية للهوائيات

عند اختيار الهوائيات، تتم مقارنة خصائصها الرئيسية: نطاق تردد التشغيل (عرض النطاق الترددي)، والكسب، ونمط الإشعاع، ومقاومة الإدخال، والاستقطاب. من الناحية الكمية، يُظهر كسب الهوائي Ga عدد مرات قوة الإشارة التي يستقبلها هوائي معين مزيد من الطاقةالإشارة التي يستقبلها أبسط هوائي - هزاز نصف موجة (باعث متناحٍ) يوضع في نفس النقطة في الفضاء. يتم التعبير عن الكسب بالديسيبل ديسيبل أو ديسيبل. يجب التمييز بين الكسب المحدد أعلاه، والذي يُشار إليه بالديسيبل أو dBd (نسبة إلى هزاز ثنائي القطب أو نصف موجة)، والكسب بالنسبة إلى مشعاع متناحٍ، يُشار إليه بـ dBi أو dB ISO. وعلى أية حال، فمن الضروري مقارنة قيم مماثلة. ومن المرغوب فيه أن يكون لديك هوائي ذو كسب مرتفع، ولكن زيادة الكسب تتطلب عادة زيادة تعقيد تصميمه وأبعاده. لا توجد هوائيات بسيطة صغيرة الحجم ذات مكاسب عالية. يوضح مخطط الإشعاع (RP) للهوائي كيفية استقبال الهوائي للإشارات منه اتجاهات مختلفة. وفي هذه الحالة، من الضروري النظر في مخطط الهوائي في المستويين الأفقي والرأسي. الهوائيات شاملة الاتجاهات في أي مستوى لها نمط على شكل دائرة، أي أن الهوائي يمكنه استقبال الإشارات من جميع الجوانب بالتساوي، على سبيل المثال، نمط الإشعاع لقضيب رأسي في مستوى أفقي. يتميز الهوائي الاتجاهي بوجود واحد أو عدة فصوص نمطية، أكبرها يسمى الفصوص الرئيسية. عادة، بالإضافة إلى الفص الرئيسي، هناك فصوص خلفية وجانبية، مستواها أقل بكثير من الفص الرئيسي، مما يؤدي مع ذلك إلى تفاقم أداء الهوائي، ولهذا السبب يسعون جاهدين لتقليل مستواهم قدر الإمكان .

تعتبر مقاومة دخل الهوائي هي نسبة قيم الجهد اللحظي إلى تيار الإشارة عند نقاط تغذية الهوائي. إذا كان الجهد والتيار للإشارة في الطور، فإن النسبة تكون قيمة حقيقية وتكون مقاومة الإدخال نشطة تمامًا. عندما تتحول المراحل، بالإضافة إلى المكون النشط، يظهر مكون تفاعلي - حثي أو سعوي، اعتمادًا على ما إذا كانت مرحلة التيار متخلفة عن الجهد أو تقدمه. تعتمد مقاومة الإدخال على تردد الإشارة المستقبلة. بالإضافة إلى الخصائص الرئيسية المذكورة، تحتوي الهوائيات على عدد من المعلمات المهمة الأخرى، مثل SWR (نسبة الموجة الدائمة)، ومستوى الاستقطاب المتقاطع، ونطاق درجة حرارة التشغيل، وأحمال الرياح، وما إلى ذلك.

1.2 تصنيف الهوائي

يمكن تصنيف الهوائيات وفقًا لمعايير مختلفة: وفقًا لمبدأ النطاق العريض، وفقًا لطبيعة العناصر المشعة (الهوائيات ذات التيارات الخطية، أو الهوائيات الهزازة، والهوائيات التي تنبعث من خلال فتحة - هوائيات الفتحة، والهوائيات السطحية)؛ حسب نوع نظام الهندسة الراديوية الذي يستخدم فيه الهوائي (هوائيات الاتصالات الراديوية والبث الإذاعي والتلفزيوني وما إلى ذلك). سوف نلتزم بتصنيف النطاق. على الرغم من أن الهوائيات التي لها نفس العناصر المشعة (النوع) تستخدم في كثير من الأحيان في نطاقات موجية مختلفة، إلا أن تصميمها مختلف؛ تختلف أيضًا معلمات هذه الهوائيات ومتطلباتها بشكل كبير.

يتم أخذ هوائيات نطاقات الموجات التالية في الاعتبار (ترد أسماء النطاقات وفقًا لتوصيات "لوائح الراديو" ؛ تتم الإشارة إلى الأسماء المستخدمة على نطاق واسع في الأدبيات المتعلقة بأجهزة تغذية الهوائي بين قوسين): مقياس ميريمتر (فائق) -طويلة) موجات ()؛ كيلومتر (طويل) موجات ()؛ موجات الهكتومتر (المتوسط) ()؛ موجات ديكيمتر (قصيرة) ()؛ موجات مترية(); موجات ديسيمتر ()؛ موجات السنتيمتر () ؛ موجات ملليمتر (). يتم أحيانًا دمج النطاقات الأربعة الأخيرة تحت الاسم الشائع "الموجات القصيرة جدًا" (VHF).

1.2.1 نطاقات الهوائي

في السنوات الأخيرة، ظهر عدد كبير من أنظمة الاتصالات الجديدة لأغراض مختلفة ذات خصائص مختلفة في سوق الاتصالات الراديوية والبث. من وجهة نظر المستخدمين، عند اختيار نظام اتصال راديوي أو نظام بث، يتم الاهتمام أولاً بجودة الاتصال (البث)، وكذلك سهولة استخدام هذا النظام (محطة المستخدم)، والتي يتم تحديدها من خلال الأبعاد والوزن وسهولة التشغيل وقائمة الوظائف الإضافية. يتم تحديد جميع هذه المعلمات بشكل كبير من خلال نوع وتصميم أجهزة الهوائي وعناصر مسار تغذية الهوائي للنظام قيد النظر، والذي بدونه لا يمكن تصور الاتصال اللاسلكي. وفي المقابل، فإن العامل الحاسم في تصميم وكفاءة الهوائيات هو نطاق تردد تشغيلها.

وفقًا للتصنيف المقبول لنطاقات التردد، يتم تمييز عدة فئات (مجموعات) كبيرة من الهوائيات، والتي تختلف بشكل أساسي عن بعضها البعض: هوائيات نطاقات الموجات الطويلة جدًا (VLF) والموجات الطويلة (LW)؛ هوائيات متوسطة الموجة (MF)؛ هوائيات الموجات القصيرة (HF) ؛ هوائيات الموجات القصيرة جدًا (VHF)؛ هوائيات الميكروويف.

الأكثر شعبية في السنوات الأخيرة من وجهة نظر تقديم خدمات الاتصالات الشخصية والبث الإذاعي والتلفزيوني هي أنظمة الراديو HF و VHF والميكروويف ، والتي سيتم مناقشة أجهزة الهوائي الخاصة بها أدناه. تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من الاستحالة الظاهرة لاختراع شيء جديد في مجال الهوائيات، إلا أنه في السنوات الأخيرة، واستنادًا إلى تقنيات ومبادئ جديدة، تم إجراء تحسينات كبيرة على الهوائيات الكلاسيكية وتم تطوير هوائيات جديدة تختلف جوهريًا عن سابقاتها الموجودة في التصميم والحجم والخصائص الأساسية وما إلى ذلك، مما أدى إلى زيادة كبيرة في عدد أنواع أجهزة الهوائي المستخدمة في أنظمة الراديو الحديثة.

في أي نظام اتصالات راديوي، قد يكون هناك أجهزة هوائي مصممة للإرسال فقط، أو للإرسال والاستقبال، أو للاستقبال فقط.

بالنسبة لكل نطاق من نطاقات التردد، من الضروري أيضًا التمييز بين أنظمة هوائيات الأجهزة الراديوية ذات الحركة الاتجاهية وغير الاتجاهية (شاملة الاتجاهات)، والتي بدورها تتحدد حسب غرض الجهاز (الاتصالات، البث، إلخ.) المهام التي يحلها الجهاز (الإخطار، الاتصالات، البث، الخ.) د. بشكل عام، لزيادة اتجاهية الهوائيات (لتضييق مخطط الإشعاع)، يمكن استخدام صفائف الهوائي، التي تتكون من مشعات أولية (هوائيات)، والتي، في ظل ظروف معينة من مراحلها، يمكن أن توفر التغييرات اللازمة في اتجاه الإشعاع. حزمة الهوائي في الفضاء (توفر التحكم في موضع مخطط إشعاع الهوائي). ومن الممكن أيضًا ضمن كل نطاق التمييز بين أجهزة الهوائي التي تعمل فقط عند تردد معين (تردد واحد أو نطاق ضيق)، والهوائيات التي تعمل في نطاق واسع إلى حد ما من الترددات (نطاق عريض أو نطاق عريض).

1.3 الإشعاع الصادر عن صفائف الهوائي

للحصول على اتجاهية عالية للإشعاع، وهو أمر مطلوب غالبًا في الممارسة العملية، يمكنك استخدام نظام من الهوائيات ضعيفة الاتجاه، مثل الهزازات والشقوق والأطراف المفتوحة لأدلة الموجات وغيرها، الموجودة بطريقة معينة في الفضاء ومثارة بالتيارات بالقدر المطلوب. السعة ونسبة الطور. في هذه الحالة، يتم تحديد الاتجاه العام، خاصة مع وجود عدد كبير من الباعثات، بشكل أساسي من خلال الأبعاد الكلية للنظام بأكمله، وبدرجة أقل بكثير، من خلال خصائص الاتجاه الفردية للبواعث الفردية.

وتشمل هذه الأنظمة صفائف الهوائي (AR). عادةً ما يكون AR عبارة عن نظام من العناصر المشعة المتماثلة والموجهة بشكل مماثل في الفضاء وتقع وفقًا لقانون معين. اعتمادا على ترتيب العناصر، يتم تمييز الشبكات الخطية والسطحية والحجمية، من بينها الأكثر شيوعا هي ARs المستقيمة والمسطحة. في بعض الأحيان تقع العناصر المشعة على طول قوس دائري أو على الأسطح المنحنية التي تتطابق مع شكل الجسم الذي يقع عليه AR (AR المطابق).

أبسطها هو المصفوفة الخطية، حيث تقع العناصر المشعة على طول خط مستقيم، يسمى محور المصفوفة، على مسافات متساوية من بعضها البعض (مصفوفة متساوية البعد). المسافة d بين مراكز الطور للبواعث تسمى خطوة الشبكة. غالبًا ما يكون الواقع المعزز الخطي، بالإضافة إلى أهميته المستقلة، أساسًا لتحليل أنواع أخرى من الواقع المعزز.

2 . تحليل هياكل الهوائي الواعدة

2.1 هوائيات HF وVHF

الشكل 1 - هوائي المحطة الأساسية

في التردد العالي و نطاقات VHFيوجد حاليًا عدد كبير من أنظمة الراديو لأغراض مختلفة قيد التشغيل: الاتصالات (مرحل الراديو، الخلوي، الكابلات، الأقمار الصناعية، إلخ)، البث الإذاعي، البث التلفزيوني. وفقا للتصميم والخصائص، يمكن تقسيم جميع أجهزة الهوائي لهذه الأنظمة إلى مجموعتين رئيسيتين - هوائيات الأجهزة الثابتة وهوائيات الأجهزة المحمولة. تشمل الهوائيات الثابتة هوائيات محطات الاتصالات الأساسية، وهوائيات الاستقبال التلفزيوني، وهوائيات خطوط اتصالات مرحل الراديو، وتشمل الهوائيات المتنقلة هوائيات محطات مستخدم الاتصالات الشخصية، هوائيات السيارةهوائيات لمحطات الراديو (المحمولة) القابلة للارتداء.

تكون هوائيات المحطة الأساسية في الغالب شاملة الاتجاهات في المستوى الأفقي، لأنها توفر الاتصال بشكل أساسي مع الأجسام المتحركة. الهوائيات السوطية ذات الاستقطاب العمودي الأكثر استخدامًا هي النوع "المستوى الأرضي" ("GP") نظرًا لبساطة تصميمها وكفاءتها الكافية. مثل هذا الهوائي عبارة عن قضيب رأسي بطول L، يتم اختياره وفقًا لطول موجة التشغيل l، مع ثلاثة أثقال موازنة أو أكثر، يتم تثبيتها عادةً على سارية (الشكل 1).

طول المسامير L هو l/4 وl/2 و5/8l، وتتراوح أثقال الموازنة من 0.25l إلى 0.1l. تعتمد مقاومة دخل الهوائي على الزاوية بين الثقل الموازن والصاري: كلما كانت هذه الزاوية أصغر (كلما زاد ضغط الثقل الموازن على الساري)، زادت المقاومة. على وجه الخصوص، بالنسبة للهوائي ذي L = l/4، يتم تحقيق مقاومة دخل قدرها 50 أوم بزاوية 30°...45°. ويبلغ الحد الأقصى لمخطط إشعاع هذا الهوائي في المستوى العمودي عند زاوية قدرها 30° مع الأفق. كسب الهوائي يساوي كسب ثنائي القطب نصف الموجة العمودي. ومع ذلك، في هذا التصميم، لا يوجد اتصال بين الدبوس والصاري، الأمر الذي يتطلب استخدام إضافيكابل قصير الدائرة طول الكابل لتر/4 لحماية الهوائي من العواصف الرعدية والكهرباء الساكنة.

لا يحتاج الهوائي الذي يبلغ طوله L = l/2 إلى أثقال موازنة، حيث يلعب الصاري دوره، ويتم ضغط نمطه في المستوى العمودي بشكل أكبر نحو الأفق، مما يزيد من مداه. في هذه الحالة، يتم استخدام محول عالي التردد لخفض مقاومة الإدخال، ويتم توصيل قاعدة الدبوس بالصاري المؤرض من خلال محول مطابق، والذي يحل تلقائيًا مشكلة الحماية من الصواعق والكهرباء الساكنة. ويبلغ كسب الهوائي مقارنة بثنائي القطب نصف الموجة حوالي 4 ديسيبل.

إن أكثر هوائيات "GP" فعالية للاتصالات بعيدة المدى هو الهوائي ذو L = 5/8l. وهو أطول قليلاً من الهوائي نصف الموجي، ويتم توصيل كابل التغذية بالمحاثة المطابقة الموجودة في قاعدة الهزاز. توجد أثقال الموازنة (3 على الأقل) في مستوى أفقي. كسب هذا الهوائي هو 5-6 ديسيبل، ويقع الحد الأقصى DP بزاوية 15 درجة إلى الأفقي، ويتم تأريض الدبوس نفسه على الصاري من خلال ملف مطابق. هذه الهوائيات أضيق من هوائيات نصف الموجة، وبالتالي تتطلب ضبطًا أكثر دقة.

الشكل 2 - هوائي هزاز نصف موجة

الشكل 3 - الهوائي المعينى لهزاز نصف الموجة

يتم تركيب معظم الهوائيات الأساسية على أسطح المنازل، مما قد يؤثر بشكل كبير على أدائها، لذا يجب مراعاة ما يلي:

يُنصح بوضع قاعدة الهوائي على مسافة لا تقل عن 3 أمتار من سطح السقف؛

يجب ألا تكون هناك أجسام أو هياكل معدنية بالقرب من الهوائي ( هوائيات التلفزيون، الأسلاك، وما إلى ذلك)؛

يُنصح بتركيب الهوائيات على أعلى مستوى ممكن؛

يجب ألا يتداخل تشغيل الهوائي مع المحطات الأساسية الأخرى.

يلعب استقطاب الإشارة المستقبلة (المنبعثة) دورًا مهمًا في إنشاء اتصال راديوي مستقر؛ منذ مع انتشار لمسافات طويلة موجة سطحيةيواجه توهينًا أقل بكثير مع الاستقطاب الأفقي، ثم بالنسبة للاتصالات الراديوية لمسافات طويلة، وكذلك للإرسال التلفزيوني، يتم استخدام الهوائيات ذات الاستقطاب الأفقي (توجد الهزازات أفقيًا).

أبسط الهوائيات الاتجاهية هو الهزاز نصف الموجي. بالنسبة للهزاز المتماثل نصف الموجي، يكون الطول الإجمالي لذراعيه المتطابقتين يساوي تقريبًا لترًا/2 (0.95 لتر/2)، ويكون نمط الإشعاع على شكل رقم ثمانية في المستوى الأفقي ودائرة في المستوى الرأسي طائرة. يتم أخذ الكسب، كما هو مذكور أعلاه، كوحدة قياس.

إذا كانت الزاوية بين هزازات هذا الهوائي تساوي ب<180є, то получают антенну типа V, у которой ДН складывается из ДН составных её частей, причём угол раскрыва зависит от длины вибратора (рисунок 2). Так, например, при L =л получаем б=100є, а при L = 2л, б =70є, а усиление равно 3,5 дБ и 4,5 дБ, входное сопротивление - 100 и 120 Ом соответственно.

عندما يتم توصيل هوائيين من النوع V بطريقة يتم فيها جمع أنماطهما، يتم الحصول على هوائي معيني، تكون فيه الاتجاهية أكثر وضوحًا (الشكل 3).

عند الاتصال بأعلى الماسة، مقابل نقاط الطاقة، يتم تحقيق مقاومة الحمل Rn، التي تبدد الطاقة تساوي نصف قدرة المرسل، ويتم تحقيق قمع الفص الخلفي للنمط بمقدار 15...20 ديسيبل. يتزامن اتجاه الفص الرئيسي في المستوى الأفقي مع القطر أ. في المستوى الرأسي، يتم توجيه الفص الرئيسي أفقيًا.

أحد أفضل الهوائيات الاتجاهية البسيطة نسبيًا هو الهوائي الحلقي "المربع المزدوج"، الذي يبلغ كسبه 8...9 ديسيبل، ولا يقل قمع الفص الخلفي للنمط عن 20 ديسيبل، ويكون الاستقطاب عموديًا.

الشكل 4 - هوائي قناة الموجة

الأكثر انتشارًا، خاصة في نطاق VHF، هي هوائيات من نوع "قناة الموجة" (في الأدب الأجنبي - هوائيات Uda-Yagi)، لأنها مدمجة تمامًا وتوفر قيم Ga كبيرة بأبعاد صغيرة نسبيًا. الهوائيات من هذا النوع عبارة عن مجموعة من العناصر: نشط - هزاز وسلبي - عاكس والعديد من المخرجين مثبتين على ذراع مشترك واحد (الشكل 4). تتطلب مثل هذه الهوائيات، خاصة تلك التي تحتوي على عدد كبير من العناصر، ضبطًا دقيقًا أثناء التصنيع. بالنسبة للهوائي ثلاثي العناصر (الهزاز والعاكس ومخرج واحد)، يمكن تحقيق الخصائص الأساسية دون تكوين إضافي.

يكمن تعقيد الهوائيات من هذا النوع أيضًا في حقيقة أن معاوقة دخل الهوائي تعتمد على عدد العناصر المنفعلة وتعتمد بشكل كبير على تكوين الهوائي، ولهذا السبب لا تشير الأدبيات غالبًا إلى القيمة الدقيقة للهوائيات مقاومة الإدخال لهذه الهوائيات. على وجه الخصوص، عند استخدام هزاز حلقة Pistolkors، الذي يحتوي على مقاومة دخل تبلغ حوالي 300 أوم، كهزاز، مع زيادة عدد العناصر السلبية، تنخفض مقاومة دخل الهوائي وتصل إلى قيم 30-50 أوم، مما يؤدي إلى عدم التطابق مع وحدة التغذية ويتطلب مطابقة إضافية. مع زيادة عدد العناصر المنفعلة، يضيق مخطط الهوائي ويزداد الكسب، على سبيل المثال، بالنسبة للهوائيات ثلاثية العناصر وخمسة عناصر، تكون الكسب 5...6 ديسيبل و8...9 ديسيبل مع عرض الحزمة الرئيسية للنمط 70 درجة و 50 درجة على التوالي.

المزيد من النطاق العريض مقارنة بالهوائيات من نوع "قناة الموجة" والتي لا تتطلب ضبطًا هي هوائيات الموجات المتنقلة (AWA)، حيث تكون جميع الهزازات، الموجودة على نفس المسافة من بعضها البعض، نشطة ومتصلة بخط التجميع (الشكل 5). تتم إضافة طاقة الإشارة التي يتلقونها في خط التجميع تقريبًا في الطور وتدخل إلى وحدة التغذية. يتم تحديد كسب هذه الهوائيات من خلال طول خط التجميع، ويتناسب مع نسبة هذا الطول إلى الطول الموجي للإشارة المستقبلة، ويعتمد على الخصائص الاتجاهية للهزازات. على وجه الخصوص، بالنسبة لـ ABC المزودة بستة هزازات بأطوال مختلفة تتوافق مع نطاق التردد المطلوب وتقع بزاوية 60 درجة لخط التجميع، يتراوح الكسب من 4 ديسيبل إلى 9 ديسيبل ضمن نطاق التشغيل، ومستوى الإشعاع الخلفي أقل بمقدار 14 ديسيبل.

الشكل 5 - هوائي الموجة المتنقلة

الشكل 6 - هوائي ذو بنية دورية لوغاريتمية أو هوائي دوري سجل

تختلف الخصائص الاتجاهية للهوائيات التي تم النظر فيها اعتمادًا على الطول الموجي للإشارة المستقبلة. أحد أكثر أنواع الهوائيات شيوعًا ذات الشكل الثابت للنمط في نطاق ترددي واسع هي الهوائيات ذات الدورية اللوغاريتمية للهيكل أو الهوائيات الدورية اللوغاريتمية (LPA). لديهم نطاق واسع: الحد الأقصى للطول الموجي للإشارة المستقبلة يتجاوز الحد الأدنى بأكثر من 10 مرات. في الوقت نفسه، يتم ضمان التوافق الجيد للهوائي مع وحدة التغذية طوال نطاق التشغيل بأكمله، ويظل الكسب دون تغيير عمليًا. عادة ما يتكون خط التجميع لـ LPA من موصلين يقع أحدهما فوق الآخر، ويتم ربط أذرع الهزاز بهما أفقيًا، واحدًا تلو الآخر (الشكل 6، المنظر العلوي).

تبين أن هزازات LPA محفورة في مثلث متساوي الساقين بزاوية عند الرأس b وقاعدة تساوي أكبر هزاز. يتم تحديد النطاق الترددي التشغيلي للهوائي من خلال أبعاد الهزازات الأطول والأقصر. بالنسبة لبنية الهوائي اللوغاريتمي، يجب تحقيق علاقة معينة بين أطوال الهزازات المتجاورة، وكذلك بين المسافات بينها وبين قمة الهيكل. وتسمى هذه العلاقة بفترة الهيكل f:

ب2؟ ب1=ب3؟ ب2=أ2؟ أ1=أ3؟ أ2=...=و

وبالتالي، يتم تقليل حجم الهزازات والمسافة بينها وبين قمة المثلث بشكل كبير. يتم تحديد خصائص الهوائي بقيم f و b. وكلما كانت الزاوية b أصغر وأكبر b (تكون b دائماً أقل من 1)، كلما زاد كسب الهوائي وانخفض مستوى الفصوص الخلفية والجانبية لمخطط الإشعاع. ومع ذلك، في الوقت نفسه، يزداد عدد الهزازات، وتزداد أبعاد ووزن الهوائي. يتم اختيار القيم المثلى للزاوية b ضمن 3є…60є، و φ - 0.7…0.9.

اعتمادًا على الطول الموجي للإشارة المستقبلة، يتم إثارة العديد من الهزازات في هيكل الهوائي، وتكون أحجامها أقرب إلى نصف الطول الموجي للإشارة، وبالتالي فإن LPA يشبه من حيث المبدأ عدة هوائيات "قناة موجية" متصلة ببعضها البعض، كل منها منها تحتوي على هزاز وعاكس ومخرج. عند طول موجي معين للإشارة، يتم إثارة ثلاثي واحد فقط من الهزازات، ويتم تفكيك الباقي بحيث لا يؤثر على تشغيل الهوائي. ولذلك، فإن كسب LPA أقل من كسب هوائي "قناة الموجة" مع نفس العدد من العناصر، ولكن عرض النطاق الترددي LPA أوسع بكثير. وبالتالي، بالنسبة لـ LPA الذي يتكون من عشرة هزازات وقيم b = 45є، f = 0.84، يكون الكسب المحسوب هو 6 ديسيبل، وهو ما لا يتغير عمليًا عبر النطاق الكامل لترددات التشغيل.

بالنسبة لخطوط اتصالات مرحل الراديو، من المهم جدًا أن يكون لديك نمط إشعاع ضيق حتى لا تتداخل مع المعدات الإلكترونية الراديوية الأخرى ولضمان اتصالات عالية الجودة. لتضييق النمط، يتم استخدام صفائف الهوائي (AR) على نطاق واسع، مما يؤدي إلى تضييق النمط في مستويات مختلفة وتوفير قيم مختلفة لعرض الفص الرئيسي. من الواضح تمامًا أن الأبعاد الهندسية لصفيف الهوائي وخصائص مخطط الإشعاع تعتمد بشكل كبير على مدى ترددات التشغيل - فكلما ارتفع التردد، كلما كانت الصفيف أكثر إحكاما وضيق مخطط الإشعاع، وبالتالي ، كلما زاد المكسب. بالنسبة لنفس الترددات، مع زيادة أحجام AR (عدد الباعثات الأولية)، فإن النمط سوف يضيق.

بالنسبة لنطاق الموجات المترية (VHF)، غالبًا ما تستخدم المصفوفات التي تتكون من هوائيات هزازة (هزازات حلقية)، يمكن أن يصل عددها إلى عدة عشرات، ويزداد الكسب إلى 15 ديسيبل وأعلى، ويمكن تضييق عرض النموذج في أي مستوى إلى 10 درجات على سبيل المثال، بالنسبة لـ 16 هزازًا حلقيًا موضوعًا رأسيًا في نطاق التردد 395...535 ميجا هرتز، يضيق النمط في المستوى الرأسي إلى 10 درجات.

النوع الرئيسي من الهوائيات المستخدمة في مطاريف المستخدم هو الهوائيات السوطية المستقطبة رأسياً، والتي لها نمط دائري في المستوى الأفقي. إن كفاءة هذه الهوائيات منخفضة للغاية بسبب انخفاض قيم الكسب، وكذلك بسبب تأثير الأجسام المحيطة على مخطط الإشعاع، فضلاً عن عدم وجود التأريض المناسب والقيود على الأبعاد الهندسية للهوائيات. يتطلب الأخير مطابقة عالية الجودة للهوائي مع دوائر الإدخال لجهاز الراديو. خيارات مطابقة التصميم النموذجية هي الحث الموزع على طول والحث عند قاعدة الهوائي. ولزيادة نطاق الاتصال اللاسلكي، يتم استخدام هوائيات ممتدة خاصة يبلغ طولها عدة أمتار، مما يحقق زيادة كبيرة في مستوى الإشارة المستقبلة.

يوجد حاليًا أنواع عديدة من هوائيات السيارات، تختلف في المظهر والتصميم والسعر. تخضع هذه الهوائيات لمتطلبات صارمة للمعايير الميكانيكية والكهربائية والتشغيلية والجمالية. يتم تحقيق أفضل النتائج من حيث نطاق الاتصال من خلال هوائي كامل الحجم بطول لتر/4، ومع ذلك، فإن الأبعاد الهندسية الكبيرة ليست مناسبة دائمًا، لذلك يتم استخدام طرق مختلفة لتقصير الهوائيات دون تدهور خصائصها بشكل كبير. ليزود الاتصالات الخلويةفي السيارات، يمكن استخدام الهوائيات الرنانة ذات الشرائح الدقيقة (أحادية وثنائية وثلاثية النطاق)، والتي لا تتطلب تركيب أجزاء خارجية، لأنها متصلة بالجزء الداخلي من زجاج السيارة. توفر هذه الهوائيات استقبال ونقل الإشارات المستقطبة رأسياً في نطاق التردد 450...1900 ميجاهرتز، ولها كسب يصل إلى 2 ديسيبل.

2.1.1 الخصائص العامة لهوائيات الموجات الدقيقة

وفي نطاق الموجات الدقيقة في السنوات الأخيرة، حدثت أيضًا زيادة في عدد أنظمة الاتصالات والبث، سواء كانت موجودة سابقًا أو تم تطويرها حديثًا. بالنسبة للأنظمة الأرضية - فهي أنظمة اتصالات الترحيل الراديوي، والبث الإذاعي والتلفزيوني، وأنظمة التلفزيون الخلوي، وما إلى ذلك، بالنسبة لأنظمة الأقمار الصناعية - البث التلفزيوني المباشر، والهاتف، والفاكس، واتصالات الترحيل، ومؤتمرات الفيديو، والوصول إلى الإنترنت، وما إلى ذلك. تتوافق نطاقات التردد المستخدمة لهذه الأنواع من الاتصالات والإذاعة مع أقسام طيف الترددات المخصصة لهذه الأغراض، وأهمها: 3.4...4.2 جيجا هرتز؛ 5.6...6.5 جيجا هرتز؛ 10.7…11.7 جيجا هرتز؛ 13.7…14.5 جيجا هرتز؛ 17.7…19.7 جيجا هرتز؛ 21.2…23.6 جيجا هرتز؛ 24.5…26.5 جيجا هرتز؛ 27.5…28.5 جيجا هرتز؛ 36…40 جيجا هرتز. في بعض الأحيان، يتضمن نطاق الموجات الصغرية في الأدبيات التقنية أنظمة تعمل بترددات أعلى من 1 جيجا هرتز، على الرغم من أن هذا النطاق يبدأ بشكل صارم من 3 جيجا هرتز.

بالنسبة لأنظمة الموجات الدقيقة الأرضية، تكون أجهزة الهوائي عبارة عن هوائيات مرآة صغيرة الحجم، وقرن، وعدسة قرنية، مثبتة على صواري ومحمية من التأثيرات الجوية الضارة. تتمتع الهوائيات الاتجاهية، اعتمادًا على الغرض منها وتصميمها ونطاق التردد، بمجموعة واسعة من الخصائص، وهي: في الكسب - من 12 إلى 50 ديسيبل، في عرض الحزمة (المستوى - 3 ديسيبل) - من 3.5 إلى 120 درجة. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم أنظمة التلفزيون الخلوي هوائيات ثنائية الاتجاه متعددة الاتجاهات (في المستوى الأفقي)، تتكون من مخروطين معدنيين تشير رؤوسهما نحو بعضها البعض، وعدسة عازلة مثبتة بين المخاريط، وجهاز إثارة. تتمتع هذه الهوائيات بكسب قدره 7...10 ديسيبل، وعرض الفص الرئيسي في المستوى الرأسي هو 8...15є، ومستوى الفصوص الجانبية ليس أسوأ من 14 ديسيبل تحت الصفر.

3. تحليل الطرق الممكنة لتجميع الهياكل النمطية النمطية للهوائي

3.1 هوائيات كسورية

الهوائيات الكسورية هي فئة جديدة نسبيًا من الهوائيات الصغيرة كهربائيًا (EMA)، والتي تختلف بشكل أساسي في هندستها عن الحلول المعروفة. في الواقع، كان التطور التقليدي للهوائيات يعتمد على الهندسة الإقليدية، التي تعمل مع الأجسام ذات البعد الصحيح (الخط، الدائرة، القطع الناقص، القطع المكافئ، وما إلى ذلك). يتمثل الاختلاف الرئيسي بين الأشكال الهندسية الكسورية في البعد الكسري، والذي يتجلى خارجيًا في التكرار العودي للأنماط الحتمية أو العشوائية الأصلية على نطاق متزايد أو متناقص. أصبحت التقنيات الكسورية منتشرة على نطاق واسع في تطوير أدوات تصفية الإشارات، وتوليف نماذج الكمبيوتر ثلاثية الأبعاد للمناظر الطبيعية، وضغط الصور. ومن الطبيعي أن "الموضة" الكسورية لم تتجاوز نظرية الهوائيات. علاوة على ذلك، كان النموذج الأولي للتقنيات الكسورية الحديثة في تكنولوجيا الهوائي هو التصميمات اللوغاريتمية الدورية والدوامة المقترحة في منتصف الستينيات من القرن الماضي. صحيح، بالمعنى الرياضي الدقيق، لم يكن لهذه الهياكل في وقت التطوير أي علاقة بالهندسة الكسورية، فهي في الواقع مجرد كسورية من النوع الأول. حاليًا، يحاول الباحثون، بشكل أساسي من خلال التجربة والخطأ، استخدام الفركتلات المعروفة في الهندسة في حلول الهوائيات. نتيجة لنمذجة المحاكاة والتجارب، وجد أن الهوائيات الكسورية تجعل من الممكن الحصول على نفس الكسب تقريبًا مثل الهوائيات التقليدية، ولكن بأبعاد أصغر، وهو أمر مهم لتطبيقات الهاتف المحمول. دعونا ننظر في النتائج التي تم الحصول عليها في مجال إنشاء هوائيات كسورية من مختلف الأنواع.

وقد جذبت نتائج دراسات خصائص تصميم الهوائي الجديد التي نشرها كوهين انتباه المتخصصين. بفضل جهود العديد من الباحثين، تحولت نظرية الهوائيات الفركتلية اليوم إلى جهاز مستقل ومتطور إلى حد ما لتوليف وتحليل EMA.

3.2 ملكياتهوائيات كسورية

يمكن استخدام SFCs كقوالب لصنع أحاديات القطب وأذرع ثنائية القطب، وتشكيل طوبولوجيا الهوائيات المطبوعة، أو أسطح اختيار التردد (FSS) أو الأغلفة العاكسة، وبناء محيط الهوائيات الحلقية وملامح فتحة البوق، بالإضافة إلى فتحات الطحن في الهوائيات ذات الفتحات.

البيانات التجريبية التي حصل عليها متخصصو Cushcraft لمنحنى Koch وأربعة تكرارات للموجة المربعة والهوائي الحلزوني تسمح لنا بمقارنة الخواص الكهربائية لهوائي Koch مع بواعث أخرى ذات بنية دورية. جميع الباعثات المقارنة لها خصائص متعددة التردد، والتي تتجلى في وجود الرنين الدوري في الرسوم البيانية للمقاومة. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات متعددة النطاقات، فإن فراكتل Koch هو الأكثر ملاءمة، حيث مع زيادة التردد، تنخفض قيم الذروة للمقاومات التفاعلية والنشطة، بينما تزداد بالنسبة للمقاومات المتعرجة والدوامة.

بشكل عام، تجدر الإشارة إلى أنه من الصعب نظريًا تصور آلية التفاعل بين هوائي الاستقبال الكسري والموجات الكهرومغناطيسية الساقطة عليه بسبب عدم وجود وصف تحليلي للعمليات الموجية في موصل ذي طوبولوجيا معقدة. في مثل هذه الحالة، من المستحسن تحديد المعلمات الرئيسية للهوائيات الكسورية عن طريق النمذجة الرياضية.

تم توضيح مثال لبناء أول منحنى كسورية متشابه ذاتيًا في عام 1890 من قبل عالم الرياضيات الإيطالي جوزيبي بيانو. في الحد، الخط الذي اقترحه يملأ المربع بالكامل، ويدور حول جميع نقاطه (الشكل 9). وفي وقت لاحق، تم العثور على أشياء أخرى مماثلة، والتي حصلت على الاسم العام "منحنيات البيانو" نسبة إلى مكتشف عائلتها. صحيح، بسبب الوصف التحليلي البحت للمنحنى الذي اقترحه بيانو، نشأ بعض الالتباس في تصنيف خطوط SFC. في الواقع، يجب إعطاء اسم "منحنيات بيانو" فقط للمنحنيات الأصلية، التي يتوافق بناؤها مع التحليلات التي نشرها بيانو (الشكل 10).

الشكل 9 - تكرارات منحنى بيانو: أ) السطر الأولي، ب) الأول، ج) الثاني، د) التكرار الثالث

الشكل 10 - تكرارات الخط المتعدد الذي اقترحه هيلبرت في عام 1891

غالبًا ما يتم تفسيره على أنه منحنى بيانو متكرر

لذلك، من أجل تحديد كائنات تكنولوجيا الهوائي قيد النظر، عند وصف شكل أو آخر من أشكال الهوائي الكسري، ينبغي للمرء، إن أمكن، ذكر أسماء المؤلفين الذين اقترحوا التعديل المقابل لـ SFC. وهذا أمر بالغ الأهمية لأنه، وفقا للتقديرات، فإن عدد الأصناف المعروفة من SFC يقترب من ثلاثمائة، وهذا الرقم ليس حدا.

تجدر الإشارة إلى أن منحنى بيانو (الشكل 9) في شكله الأصلي مناسب تمامًا لعمل شقوق في جدران الدليل الموجي، والهوائيات المطبوعة وغيرها من الهوائيات الكسورية ذات الفتحة، ولكنه غير مقبول لبناء هوائي سلكي، نظرًا لأنه يحتوي على لمس أقسام. لذلك اقترح المتخصصون في الفركتوس تعديله المسمى "Peanodec" (الشكل 11).

الشكل 11 - متغير تعديل منحنى بيانو ("Peanodec"): أ) الأول، ب) الثاني ج) التكرار الثالث

أحد التطبيقات الواعدة للهوائيات ذات طوبولوجيا Koch هو أنظمة اتصالات MIMO (أنظمة اتصالات تحتوي على العديد من المدخلات والمخرجات). ولتصغير مصفوفات هوائيات محطات المستخدم في مثل هذه الاتصالات، اقترح متخصصون من مختبر الكهرومغناطيسية بجامعة باتراس (اليونان) تشابهًا كسريًا مع هوائي L مقلوب (ILA). ويتلخص جوهر الفكرة في ثني هزاز Koch بمقدار 90 درجة عند نقطة تقسيمه إلى أجزاء بنسبة طول 2:1. بالنسبة للاتصالات المتنقلة بتردد حامل يبلغ ~2.4 هرتز، تبلغ أبعاد هذا الهوائي المطبوع 12.33×10.16 مم (~L/10ChL/12)، وعرض النطاق الترددي ~20% والكفاءة 93%.

الشكل 12 - مثال على صفيف هوائي مزدوج النطاق (2.45 و5.25 جيجا هرتز).

يكون مخطط إشعاع السمت منتظمًا تقريبًا، ويبلغ الكسب من حيث دخل وحدة التغذية حوالي 3,4 ديسيبل. صحيح، كما هو مذكور في المقال، فإن تشغيل هذه العناصر المطبوعة كجزء من الشبكة (الشكل 12) يكون مصحوبًا بانخفاض في كفاءتها مقارنة بعنصر واحد. وبالتالي، عند تردد 2.4 جيجا هرتز، تنخفض كفاءة أحادي القطب Koch المنحني بمقدار 90 درجة من 93 إلى 72٪، وعلى تردد 5.2 جيجا هرتز - من 90 إلى 80٪. الوضع أفضل إلى حد ما مع التأثير المتبادل لهوائيات النطاق العالي التردد: عند تردد 5.25 جيجا هرتز، تبلغ العزلة بين العناصر التي تشكل الزوج المركزي للهوائيات 10 ديسيبل. أما بالنسبة للتأثير المتبادل في زوج من العناصر المتجاورة ذات نطاقات مختلفة، اعتمادًا على تردد الإشارة، فإن العزل يتراوح من 11 ديسيبل (عند 2.45 جيجا هرتز) إلى 15 ديسيبل (عند تردد 5.25 جيجا هرتز). سبب تدهور أداء الهوائي هو التأثير المتبادل للعناصر المطبوعة.

وبالتالي، فإن القدرة على اختيار العديد من المعلمات المختلفة لنظام الهوائي بناءً على خط Koch المكسور تسمح للتصميم بتلبية المتطلبات المختلفة لقيمة المقاومة الداخلية وتوزيع ترددات الرنين. ومع ذلك، بما أن الترابط بين البعد التكراري وخصائص الهوائي لا يمكن الحصول عليه إلا من أجل هندسة معينة، فإن صحة الخصائص المدروسة للتكوينات التكرارية الأخرى تتطلب بحثًا إضافيًا.

3.3 خصائص الهوائيات الفركتلية

يعد هوائي Koch الكسري الموضح في الشكل 13 أو 20 مجرد أحد الخيارات التي يمكن تنفيذها باستخدام مثلث عودي متساوي الأضلاع، أي. الزاوية وعند قاعدتها (زاوية المسافة البادئة أو "زاوية المسافة البادئة") هي 60 درجة. عادةً ما يُطلق على هذا الإصدار من فراكتل Koch اسم Standard. من الطبيعي أن نتساءل عما إذا كان من الممكن استخدام تعديلات الفركتل مع قيم أخرى لهذه الزاوية. اقترح فينوي اعتبار الزاوية عند قاعدة مثلث البدء كمعلمة تميز تصميم الهوائي. عن طريق تغيير هذه الزاوية، يمكنك الحصول على منحنيات متكررة مماثلة ذات أبعاد مختلفة (الشكل 13). تحتفظ المنحنيات بخاصية التشابه الذاتي، ولكن يمكن أن يكون طول الخط الناتج مختلفًا، مما يؤثر على خصائص الهوائي. كان فينوي أول من قام بدراسة الارتباط بين خصائص الهوائي وأبعاد كوتش كسورية D المعممة، والتي تم تحديدها في الحالة العامة من خلال الاعتماد

(1)

وقد تبين أنه مع زيادة الزاوية، يزداد البعد الكسري أيضًا، وعند u>90° يقترب من 2. وتجدر الإشارة إلى أن مفهوم البعد المستخدم في نظرية الهوائيات الكسورية يتناقض إلى حد ما مع المفاهيم المقبولة في الهندسة. ، حيث ينطبق هذا الإجراء فقط على الكائنات العودية اللانهائية.

الشكل 13 - إنشاء منحنى كوخ بزاوية أ) 30° و ب) 70° عند قاعدة المثلث في المولد الكسري

مع زيادة البعد، يزداد الطول الإجمالي للخط المتقطع بشكل غير خطي، والذي تحدده العلاقة:

(2)

حيث L0 هو طول ثنائي القطب الخطي، والمسافة بين طرفيه هي نفس مسافة خط Koch المكسور، وn هو رقم التكرار. يسمح الانتقال من u = 60° إلى u = 80° في التكرار السادس بزيادة الطول الإجمالي للكسرية بأكثر من أربع مرات. كما تتوقع، هناك علاقة مباشرة بين البعد العودي وخصائص الهوائي مثل تردد الرنين الأولي، والمقاومة الداخلية عند الرنين، وخصائص النطاقات المتعددة. بناءً على حسابات الكمبيوتر، حصل فينوي على اعتماد تردد الرنين الأول لثنائي القطب Koch fk على بُعد ما قبل الكسور D، ورقم التكرار n وتردد الرنين لثنائي القطب المستقيم fD من نفس ارتفاع خط Koch المكسور ( في أقصى النقاط):

(3)

الشكل 14 - تأثير تسرب الموجات الكهرومغناطيسية

في الحالة العامة، بالنسبة للمقاومة الداخلية لثنائي القطب كوخ عند تردد الرنين الأول، تكون العلاقة التقريبية التالية صحيحة:

(4)

حيث R0 هي المقاومة الداخلية لثنائي القطب الخطي (D=1)، والتي في الحالة قيد النظر تساوي 72 أوم. يمكن استخدام التعبيرين (3) و (4) لتحديد المعلمات الهندسية للهوائي بالقيم المطلوبة لتردد الرنين والمقاومة الداخلية. تعد خصائص النطاقات المتعددة لثنائي القطب Koch أيضًا حساسة جدًا لقيمة الزاوية u. مع الزيادة، تصبح القيم الاسمية لترددات الرنين أقرب، وبالتالي يزيد عددها في نطاق طيفي معين (الشكل 15). علاوة على ذلك، كلما زاد رقم التكرار، كلما كان هذا التقارب أقوى.

الشكل 15 - تأثير تضييق الفاصل الزمني بين ترددات الرنين

في جامعة بنسلفانيا، تمت دراسة جانب مهم آخر من ثنائي القطب كوخ - تأثير عدم تناسق مصدر الطاقة الخاص به على الدرجة التي تقترب بها المقاومة الداخلية للهوائي من 50 أوم. في ثنائيات القطب الخطية، غالبا ما تقع نقطة التغذية بشكل غير متماثل. ويمكن استخدام نفس النهج بالنسبة للهوائي الكسري على شكل منحنى كوخ، الذي تكون مقاومته الداخلية أقل من القيم القياسية. وبالتالي، في التكرار الثالث، تبلغ المقاومة الداخلية لثنائي القطب القياسي Koch (u = 60°)، دون مراعاة الخسائر عند توصيل وحدة التغذية في المركز، 28 أوم. وبتحريك وحدة التغذية إلى أحد طرفي الهوائي، يمكن الحصول على مقاومة قدرها 50 أوم.

تم تصنيع جميع تكوينات خط Koch المكسور التي تم النظر فيها حتى الآن بشكل متكرر. ومع ذلك، وفقا لفينا، إذا قمت بكسر هذه القاعدة، على وجه الخصوص عن طريق تحديد زوايا مختلفة و؟ مع كل تكرار جديد، يمكن تغيير خصائص الهوائي بمرونة أكبر. للحفاظ على التشابه، فمن المستحسن اختيار مخطط منتظم لتغيير الزاوية و. على سبيل المثال، قم بتغييره وفقًا للقانون الخطي иn = иn-1 - Di·in، حيث n هو رقم التكرار، Di؟ - زيادة الزاوية عند قاعدة المثلث . أحد أشكال مبدأ إنشاء خط متقطع هو التسلسل التالي للزوايا: u1 = 20° للتكرار الأول، u2 = 10° للتكرار الثاني، وما إلى ذلك. لن يكون تكوين الهزاز في هذه الحالة متكررًا بشكل صارم، ومع ذلك، فإن جميع أجزائه المركبة في تكرار واحد سيكون لها نفس الحجم والشكل. لذلك، يُنظر إلى هندسة مثل هذا الخط الهجين المتقطع على أنها متشابهة ذاتيًا. مع عدد قليل من التكرارات، إلى جانب الزيادة السالبة Di، يمكن استخدام التغيير التربيعي أو أي تغيير غير خطي آخر في الزاوية un.

يتيح لك النهج المدروس ضبط توزيع ترددات الرنين للهوائي وقيم مقاومته الداخلية. ومع ذلك، فإن إعادة ترتيب ترتيب قيم الزوايا المتغيرة في التكرارات لا يعطي نتيجة معادلة. بالنسبة لنفس الارتفاع للخط المتقطع، فإن مجموعات مختلفة من الزوايا المتطابقة، على سبيل المثال u1 = 20°، u2 = 60° وu1 = 60°، u2 = 20° (الشكل 16)، تعطي نفس الطول الموسع للفركتلات. ولكن، على عكس المتوقع، فإن المصادفة الكاملة للمعلمات لا تضمن هوية الترددات الرنانة وهوية خصائص النطاقات المتعددة للهوائيات. والسبب هو تغير في المقاومة الداخلية لأجزاء الخط المتقطع أي. يتم لعب الدور الرئيسي من خلال تكوين الموصل، وليس حجمه.

الشكل 16 - فركتلات كوخ المعممة للتكرار الثاني بزيادة سالبة Dq (a) وزيادة موجبة Dq (b) والتكرار الثالث بزيادة سالبة Dq = 40°، 30°، 20° (c)

4. أمثلة على الهوائيات الفركتلية

4.1 نظرة عامة على الهوائي

تعد موضوعات الهوائي واحدة من أكثر المواضيع الواعدة والأكثر أهمية في النظرية الحديثة لنقل المعلومات. وترتبط هذه الرغبة في تطوير هذا المجال من التطور العلمي على وجه التحديد بالمتطلبات المتزايدة باستمرار لسرعة وأساليب نقل المعلومات في العالم التكنولوجي الحديث. كل يوم، نتواصل مع بعضنا البعض، ننقل المعلومات بالنسبة لنا بهذه الطريقة الطبيعية - عبر الهواء. وبنفس الطريقة تمامًا، توصل العلماء إلى فكرة تعليم العديد من شبكات الكمبيوتر كيفية التواصل.

وكانت النتيجة ظهور تطورات جديدة في هذا المجال، واعتمادها في سوق أجهزة الكمبيوتر، ومن ثم اعتماد المعايير نقل لاسلكيمعلومة. اليوم، تمت الموافقة بالفعل على تقنيات النقل مثل BlueTooth وWiFi ومقبولة بشكل عام. لكن التطور لا يتوقف عند هذا الحد، ولا يمكن أن يتوقف، فتظهر متطلبات جديدة ورغبات جديدة للسوق.

إن سرعات النقل، التي كانت سريعة بشكل مذهل في وقت تطوير التقنيات، لم تعد اليوم تلبي متطلبات ورغبات مستخدمي هذه التطورات. بدأت العديد من مراكز التطوير الرائدة مشروع جديد WiMAX من أجل زيادة السرعة، بناءً على توسيع القناة بمعيار WiFi الموجود بالفعل. ما مكان موضوع الهوائي في كل هذا؟

يمكن حل مشكلة توسيع قناة الإرسال جزئيًا عن طريق إدخال ضغط أكبر من الضغط الموجود. سيؤدي استخدام الهوائيات الكسورية إلى حل هذه المشكلة بشكل أفضل وأكثر كفاءة. والسبب في ذلك هو أن الهوائيات الكسورية والأسطح والأحجام الانتقائية للترددات المستندة إليها لها خصائص كهروديناميكية فريدة، وهي: النطاق العريض، وتكرار عروض النطاق الترددي في نطاق التردد، وما إلى ذلك.

4.1.1 بناء شجرة كايلي

تعد شجرة كايلي أحد الأمثلة الكلاسيكية للمجموعات الكسورية. التكرار الصفري هو مجرد قطعة خط مستقيم بطول معين l. يتكون التكرار الأول وكل تكرار فردي لاحق من جزأين لهما نفس الطول تمامًا مثل التكرار السابق، ويقعان بشكل عمودي على مقطع التكرار السابق بحيث تكون نهايتيه متصلتين بمنتصف المقاطع.

التكرار الثاني وكل تكرار لاحق للفراكتل عبارة عن جزأين l/2 نصف طول التكرار السابق، ويقعان، كما كان من قبل، بشكل عمودي على التكرار السابق.

تظهر نتائج إنشاء شجرة كايلي في الشكل 17. يبلغ الارتفاع الإجمالي للهوائي 15/8 لترًا، والعرض 7/4 لترًا.

الشكل 17 - بناء شجرة كايلي

حسابات وتحليل هوائي "Cayley Tree" تم إجراء الحسابات النظرية للهوائي الكسري على شكل Cayley Tree من الرتبة السادسة. لحل هذه المشكلة العملية، تم استخدام أداة قوية إلى حد ما للحساب الدقيق للخصائص الكهروديناميكية للعناصر الموصلة - برنامج EDEM. الأدوات القوية والواجهة سهلة الاستخدام لهذا البرنامج تجعله لا غنى عنه لهذا المستوى من العمليات الحسابية.

وقد واجه المؤلفون مهمة تصميم هوائي، وتقدير القيم النظرية للترددات الرنانة لاستقبال الإشارة وإرسالها، وعرض المشكلة في واجهة لغة برنامج EDEM. يظهر الشكل 18 الهوائي الفراكتالي المصمم على أساس "شجرة كايلي".

بعد ذلك، تم إرسال موجة كهرومغناطيسية مستوية إلى الهوائي الكسري المصمم، وقام البرنامج بحساب انتشار المجال قبل وبعد الهوائي، وحساب الخصائص الكهروديناميكية للهوائي الكسري.

نتائج حسابات الهوائي الكسري "Cayley Tree" التي أجراها المؤلفون أتاحت لنا استخلاص الاستنتاجات التالية. لقد تبين أن سلسلة من ترددات الرنين تتكرر بحوالي ضعف التردد السابق. تم تحديد توزيعات التيار على سطح الهوائي. تمت دراسة مناطق النقل الكلي والانعكاس الكلي للمجال الكهرومغناطيسي.

الشكل 18 - شجرة كايلي من الدرجة السادسة

4 .1.2 هوائي الوسائط المتعددة

التصغير يتقدم عبر الكوكب بسرعة فائقة. إن ظهور أجهزة كمبيوتر بحجم حبة الفول هو قاب قوسين أو أدنى، ولكن في هذه الأثناء، تلفت شركة Fractus انتباهنا إلى هوائي أبعاده أصغر من حبة الأرز (الشكل 19).

الشكل 19 - الهوائي النمطي الكسري

المنتج الجديد المسمى Micro Reach Xtend يعمل بتردد 2.4 جيجا هرتز ويدعم التقنيات اللاسلكية Wi-Fi وBluetooth، بالإضافة إلى بعض المعايير الأخرى الأقل شهرة. ويعتمد الجهاز على تقنيات هوائي كسورية حاصلة على براءة اختراع، وتبلغ مساحته 3.7 × 2 ملم فقط. وفقا للمطورين، فإن الهوائي الصغير سيجعل من الممكن تقليل حجم منتجات الوسائط المتعددة التي سيجد استخدامها في المستقبل القريب، أو حشر المزيد من القدرات في جهاز واحد.

تنقل محطات التلفزيون إشارات في نطاق 50-900 ميجاهرتز، والتي يتم استقبالها بشكل موثوق على مسافة عدة كيلومترات من هوائي الإرسال. ومن المعروف أن الاهتزازات ذات الترددات العالية تمر عبر المباني والعقبات المختلفة بشكل أسوأ من تلك ذات التردد المنخفض والتي تنحني حولها ببساطة. ولذلك فإن تقنية الواي فاي المستخدمة في الأنظمة التقليدية اتصالات لاسلكيةوتعمل بترددات أعلى من 2.4 جيجا هرتز، وتوفر استقبال الإشارة فقط على مسافة لا تزيد عن 100 متر، وسيتم قريبًا إنهاء هذا الظلم تجاه تقنية Wi-Fi المتقدمة، بالطبع، دون الإضرار بمستهلكي التلفزيون. في المستقبل، ستعمل الأجهزة التي تم إنشاؤها على أساس تقنية Wi-Fi على الترددات بين القنوات التلفزيونية العاملة، وبالتالي زيادة نطاق الاستقبال الموثوق. من أجل عدم التدخل في تشغيل التلفزيون، سيقوم كل نظام من أنظمة Wi-Fi (جهاز الإرسال والاستقبال) بمسح الترددات القريبة باستمرار، مما يمنع الاصطدامات على الهواء. عند الانتقال إلى نطاق تردد أوسع، يصبح من الضروري أن يكون لديك هوائي يمكنه استقبال الإشارات من الترددات العالية والعالية بشكل متساوٍ. ترددات منخفضة. الهوائيات السوطية التقليدية لا تلبي هذه المتطلبات، لأن إنهم، وفقًا لطولهم، يقبلون بشكل انتقائي ترددات ذات طول موجي معين. الهوائي المناسب لاستقبال الإشارات في نطاق ترددي واسع هو ما يسمى بالهوائي الكسري، والذي له شكل كسورية - وهو هيكل يبدو كما هو بغض النظر عن التكبير الذي ننظر إليه. يتصرف الهوائي الكسري كهيكل يتكون من العديد من هوائيات الدبوس بأطوال مختلفة ملتوية معًا.

4.1.3 الهوائي "المكسور".

قرر المهندس الأمريكي ناثان كوهين قبل حوالي عشر سنوات تجميع محطة راديو للهواة في منزله، لكنه واجه صعوبة غير متوقعة. وتقع شقته في وسط بوسطن، وتمنع سلطات المدينة منعا باتا وضع هوائي خارج المبنى. تم العثور على حل بشكل غير متوقع، مما أدى إلى قلب الحياة اللاحقة لهواة الراديو رأسًا على عقب.

وبدلاً من صنع هوائي ذي شكل تقليدي، أخذ كوهين قطعة من رقائق الألومنيوم وقطعها على شكل جسم رياضي يُعرف باسم منحنى كوخ. هذا المنحنى، الذي اكتشفه عالم الرياضيات الألماني هيلجا فون كوخ في عام 1904، هو عبارة عن كسورية، وهو خط متقطع يشبه سلسلة من المثلثات المتناقصة بشكل لا نهائي والتي تنمو من بعضها البعض مثل سقف باغودا صينية متعددة المراحل. مثل جميع الفركتلات، يعتبر هذا المنحنى "متشابهًا ذاتيًا"، أي أنه في أي جزء أصغر يكون له نفس المظهر، ويكرر نفسه. يتم إنشاء هذه المنحنيات من خلال تكرار عملية بسيطة إلى ما لا نهاية. يتم تقسيم الخط إلى أجزاء متساوية، ويتم عمل ثني على كل قطعة على شكل مثلث (طريقة فون كوخ) أو مربع (طريقة هيرمان مينكوفسكي). بعد ذلك، على جميع جوانب الشكل الناتج، يتم ثني المربعات أو المثلثات المماثلة، ولكن بحجم أصغر. بمواصلة البناء إلى ما لا نهاية، يمكنك الحصول على منحنى "مكسور" عند كل نقطة (الشكل 20).

الشكل 20 - بناء منحنى كوخ ومينكوفسكي

بناء منحنى كوخ - أحد الأجسام الفركتلية الأولى. على خط مستقيم لا نهاية له، يتم تمييز الأجزاء ذات الطول l. يتم تقسيم كل قطعة إلى ثلاثة أجزاء متساوية، ويتم إنشاء مثلث متساوي الأضلاع مع ضلع l/3 في الجزء الأوسط. ثم تتكرر العملية: المثلثات ذات الأضلاع l/9 مبنية على القطع l/3، والمثلثات ذات الأضلاع l/27 مبنية عليها، وهكذا. هذا المنحنى له تشابه ذاتي، أو ثبات في المقياس: كل عنصر من عناصره في شكل مخفض يكرر المنحنى نفسه.

تم إنشاء فراكتل مينكوفسكي بشكل مشابه لمنحنى كوخ وله نفس الخصائص. عند بنائه، بدلا من نظام المثلثات، يتم بناء التعرجات على خط مستقيم - "موجات مستطيلة" ذات أحجام متناقصة بلا حدود.

عند بناء منحنى كوخ، اقتصر كوهين على خطوتين أو ثلاث خطوات فقط. ثم قام بعد ذلك بلصق الشكل على قطعة صغيرة من الورق، وربطه بجهاز الاستقبال، وتفاجأ عندما وجد أنه لا يعمل بشكل أسوأ من الهوائيات التقليدية. كما اتضح لاحقًا، أصبح اختراعه مؤسسًا لنوع جديد تمامًا من الهوائيات، والذي تم إنتاجه الآن بكميات كبيرة.

هذه الهوائيات مدمجة للغاية: الهوائي الكسري للهاتف المحمول المدمج في العلبة بحجم شريحة عادية (24 × 36 ملم). وبالإضافة إلى ذلك، فإنها تعمل على نطاق ترددي واسع. كل هذا تم اكتشافه تجريبيا. نظرية الهوائيات الكسورية غير موجودة بعد.

تتغير معلمات الهوائي الكسري الذي يتم إجراؤه من خلال سلسلة من الخطوات المتعاقبة باستخدام خوارزمية مينكوفسكي بطريقة مثيرة للاهتمام للغاية. إذا تم ثني الهوائي المستقيم على شكل "موجة مربعة" - متعرجة، فسوف يزداد كسبه. لا تتغير جميع التعرجات اللاحقة لكسب الهوائي، ولكن نطاق الترددات التي يستقبلها يتوسع، ويصبح الهوائي نفسه أكثر إحكاما. صحيح أن الخطوات الخمس أو الست الأولى فقط فعالة: من أجل ثني الموصل أكثر، سيتعين عليك تقليل قطره، وهذا سيزيد من مقاومة الهوائي ويؤدي إلى فقدان الكسب.

وبينما ينشغل البعض بالتفكير في مشاكل نظرية، يقوم البعض الآخر بتنفيذ الاختراع بشكل فعال. وفقا لناثان كوهين، وهو الآن أستاذ في جامعة بوسطن وكبير المفتشين الفنيين لأنظمة الهوائيات الفركتلية، "في غضون سنوات قليلة، ستصبح الهوائيات الفركتلية جزءا لا يتجزأ من الهواتف الخلوية واللاسلكية والعديد من أجهزة الاتصالات اللاسلكية الأخرى."

كسورية صفيف الهوائي

4.2 تطبيق الهوائيات كسورية

من بين العديد من تصميمات الهوائيات المستخدمة اليوم في الاتصالات، يعد نوع الهوائي المذكور في عنوان المقالة جديدًا نسبيًا ويختلف بشكل أساسي عن الحلول المعروفة. ظهرت المنشورات الأولى التي تتناول الديناميكا الكهربائية للهياكل الكسورية في الثمانينيات من القرن العشرين. إنها البداية الاستخدام العمليبدأ الاتجاه الكسري في تكنولوجيا الهوائيات منذ أكثر من 10 سنوات على يد المهندس الأمريكي ناثان كوهين، وهو الآن أستاذ في جامعة بواون وكبير المفتشين الفنيين لشركة Fractal Antenna Systems. أثناء إقامته في وسط مدينة بوسطن، من أجل الالتفاف على الحظر الذي فرضته حكومة المدينة على تركيب هوائيات خارجية، قرر إخفاء هوائي محطة راديو للهواة كشكل زخرفي مصنوع من رقائق الألومنيوم. كأساس، اتخذ منحنى كوخ المعروف في الهندسة (الشكل 20)، والذي اقترح وصفه في عام 1904 من قبل عالم الرياضيات السويدي نيلز فابيان هيلج فون كوخ (1870-1924).

وثائق مماثلة

مفهوم ومبدأ تشغيل هوائيات الإرسال وأنماط إشعاعها. حساب الأحجام وترددات الرنين للهوائيات كسورية. تصميم هوائي شرائحي مطبوع يعتمد على كسورية Koch و10 نماذج أولية للهوائيات السلكية.

أطروحة، أضيفت في 02/02/2015


تطوير الهوائيات كسورية. طرق البناء ومبادئ التشغيل للهوائي كسورية. بناء منحنى البيانو. تشكيل هوائي مستطيل كسورية مكسورة. مجموعة هوائي ثنائي النطاق. الأسطح الانتقائية للتردد الكسري.

أطروحة، أضيفت في 26/06/2015


رسم تخطيطي لوحدة الاستقبال للهوائيات الطورية النشطة. حساب التخفيض النسبي في الإثارة عند حافة الهوائي. إمكانات الطاقة لهوائيات الصفيف الطورية المستقبلة. دقة محاذاة الشعاع. اختيار وحساب الباعث.

تمت إضافة الدورة التدريبية في 11/08/2014


مقدمة عن أنشطة شركة Antenna-Service LLC: تركيب وتشغيل أنظمة الهوائيات الأرضية والفضائية، وتصميم شبكات الاتصالات. الخصائص العامةالخصائص الأساسية ومجالات تطبيق هوائيات الأقمار الصناعية.

أطروحة، أضيفت في 18/05/2014


أنواع وتصنيف الهوائيات لأنظمة الاتصالات الخلوية. تحديدهوائيات KP9-900. تكمن الخسارة الرئيسية لكفاءة الهوائي في موضع تشغيل الجهاز. طرق حساب الهوائيات لأنظمة الاتصالات الخلوية. خصائص مصمم هوائي MMANA.

تمت إضافة الدورة التدريبية في 17/10/2014


أنواع أجهزة الميكروويف في دوائر توزيع صفائف الهوائي. تصميم أجهزة الميكروويف على أساس طريقة التحلل. العمل مع برنامج "Model-S" لأنواع التوليف الآلية والبارامترية لأجهزة الميكروويف متعددة العناصر.

تمت إضافة الاختبار في 15/10/2011


المهام الرئيسية لنظرية الهوائي وخصائص هذا الجهاز. معادلات ماكسويل. مجال ثنائي القطب الكهربائي في مساحة غير محدودة. السمات المميزةهوائيات الهزاز والفتحة. طرق التحكم في سعة الشبكات.

البرنامج التعليمي، تمت إضافته في 27/04/2013


مجموعة خطية مع هوائي حلزوني أسطواني كمبرد. استخدام صفائف الهوائي لضمان تشغيل الهوائي عالي الجودة. تصميم مجموعة هوائيات المسح العمودي. حساب باعث واحد.

تمت إضافة الدورة التدريبية في 28/11/2010


طرق الخلق هوائيات فعالة. مجموعة الهوائي الخطية. هوائي موجة السفر الأمثل. معامل الاتجاه. مصفوفات الهوائي المسطحة. مقاومة الإدخال للعنصر المشع. ميزات وتطبيق شبكات غير متساوية البعد.

تمت إضافة الدورة التدريبية في 14/08/2015


استخدام الهوائيات لكل من الإشعاع واستقبال الموجات الكهرومغناطيسية. هناك مجموعة واسعة من الهوائيات المختلفة. تصميم مصفوفة خطية من الهوائيات العازلة القضيبية المجمعة من الهوائيات العازلة القضيبية.