Φράκταλ σχέδιο κεραίας τηλεόρασης. Κεραίες φράκταλ DIY. Κεραίες HF και VHF
Στείλτε την καλή σας δουλειά στη βάση γνώσεων είναι απλή. Χρησιμοποιήστε την παρακάτω φόρμα
Φοιτητές, μεταπτυχιακοί φοιτητές, νέοι επιστήμονες που χρησιμοποιούν τη βάση γνώσεων στις σπουδές και την εργασία τους θα σας είναι πολύ ευγνώμονες.
Δημοσιεύτηκε στο http://www.allbest.ru/
Εισαγωγή
Η κεραία είναι μια ραδιοφωνική συσκευή που έχει σχεδιαστεί για μετάδοση ή λήψη Ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Η κεραία είναι ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία οποιουδήποτε συστήματος ραδιομηχανικής που σχετίζεται με την εκπομπή ή τη λήψη ραδιοκυμάτων. Τέτοια συστήματα περιλαμβάνουν: συστήματα ραδιοεπικοινωνίας, ραδιοφωνικές εκπομπές, τηλεόραση, ραδιοέλεγχο, ραδιοφωνικές επικοινωνίες, ραντάρ, ραδιοαστρονομία, ραδιοπλοήγηση κ.λπ.
Δομικά, η κεραία αποτελείται από καλώδια, μεταλλικές επιφάνειες, διηλεκτρικά και μαγνητοηλεκτρικά. Ο σκοπός της κεραίας απεικονίζεται από ένα απλοποιημένο διάγραμμα της ραδιοζεύξης. Οι ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις υψηλής συχνότητας, που διαμορφώνονται από το χρήσιμο σήμα και δημιουργούνται από τη γεννήτρια, μετατρέπονται από την κεραία εκπομπής σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα και ακτινοβολούνται στο διάστημα. Τυπικά, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα τροφοδοτούνται από τον πομπό στην κεραία όχι απευθείας, αλλά χρησιμοποιώντας μια γραμμή ισχύος (γραμμή μετάδοσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, τροφοδότης).
Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που συνδέονται με αυτό διαδίδονται κατά μήκος του τροφοδότη, τα οποία μετατρέπονται από την κεραία σε αποκλίνοντα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ελεύθερου χώρου.
Η κεραία λήψης λαμβάνει ελεύθερα ραδιοκύματα και τα μετατρέπει σε συζευγμένα κύματα, τα οποία τροφοδοτούνται μέσω ενός τροφοδότη στον δέκτη. Σύμφωνα με την αρχή της αντιστρεψιμότητας της κεραίας, οι ιδιότητες μιας κεραίας που λειτουργεί σε λειτουργία εκπομπής δεν αλλάζουν όταν αυτή η κεραία λειτουργεί σε λειτουργία λήψης.
Συσκευές παρόμοιες με τις κεραίες χρησιμοποιούνται επίσης για διέγερση ηλεκτρομαγνητικές δονήσεις V διάφοροι τύποικυματοδηγούς και ογκομετρικούς συντονιστές.
1. Κύρια χαρακτηριστικά των κεραιών
1.1 Σύντομες πληροφορίες για τις κύριες παραμέτρους των κεραιών
Κατά την επιλογή κεραιών, συγκρίνονται τα κύρια χαρακτηριστικά τους: εύρος συχνοτήτων λειτουργίας (εύρος ζώνης), απολαβή, μοτίβο ακτινοβολίας, αντίσταση εισόδου, πόλωση. Ποσοτικά, το κέρδος κεραίας Ga δείχνει πόσες φορές είναι η ισχύς του σήματος που λαμβάνει μια δεδομένη κεραία περισσότερη δύναμησήμα που λαμβάνεται από την απλούστερη κεραία - έναν δονητή μισού κύματος (ισότροπος πομπός) τοποθετημένος στο ίδιο σημείο του χώρου. Το κέρδος εκφράζεται σε ντεσιμπέλ dB ή dB. Πρέπει να γίνει διάκριση μεταξύ του κέρδους που ορίζεται παραπάνω, που συμβολίζεται με dB ή dBd (σε σχέση με έναν δονητή δίπολου ή μισού κύματος), και του κέρδους σε σχέση με ένα ισότροπο θερμαντικό σώμα, που υποδηλώνεται dBi ή dB ISO. Σε κάθε περίπτωση, είναι απαραίτητο να συγκρίνουμε παρόμοιες τιμές. Είναι επιθυμητό να υπάρχει μια κεραία με υψηλό κέρδος, αλλά η αύξηση της απολαβής συνήθως απαιτεί αύξηση της πολυπλοκότητας του σχεδιασμού και των διαστάσεων της. Δεν υπάρχουν απλές μικρού μεγέθους κεραίες με υψηλό κέρδος. Το σχέδιο ακτινοβολίας (RP) μιας κεραίας δείχνει πώς η κεραία λαμβάνει σήματα από διαφορετικές κατευθύνσεις. Σε αυτή την περίπτωση, είναι απαραίτητο να λάβετε υπόψη το μοτίβο της κεραίας τόσο σε οριζόντια όσο και σε κάθετα επίπεδα. Οι πανκατευθυντικές κεραίες σε οποιοδήποτε επίπεδο έχουν ένα σχέδιο σε σχήμα κύκλου, δηλαδή, η κεραία μπορεί να λάβει σήματα από όλες τις πλευρές εξίσου, για παράδειγμα, το σχέδιο ακτινοβολίας μιας κατακόρυφης ράβδου σε ένα οριζόντιο επίπεδο. Μια κατευθυντική κεραία χαρακτηρίζεται από την παρουσία ενός ή περισσότερων λοβών σχεδίων, ο μεγαλύτερος από τους οποίους ονομάζεται κύριος. Συνήθως, εκτός από τον κύριο λοβό, υπάρχουν οπίσθιοι και πλευρικοί λοβοί, το επίπεδο των οποίων είναι σημαντικά χαμηλότερο από τον κύριο λοβό, πράγμα που ωστόσο επιδεινώνει την απόδοση της κεραίας, γι 'αυτό προσπαθούν να μειώσουν το επίπεδό τους όσο το δυνατόν περισσότερο. .
Η σύνθετη αντίσταση εισόδου της κεραίας θεωρείται ότι είναι ο λόγος των στιγμιαίων τιμών τάσης προς το ρεύμα σήματος στα σημεία τροφοδοσίας της κεραίας. Εάν η τάση και το ρεύμα του σήματος είναι σε φάση, τότε ο λόγος είναι μια πραγματική τιμή και η αντίσταση εισόδου είναι καθαρά ενεργή. Όταν οι φάσεις μετατοπίζονται, εκτός από το ενεργό στοιχείο, εμφανίζεται ένα αντιδραστικό εξάρτημα - επαγωγικό ή χωρητικό, ανάλογα με το αν η φάση του ρεύματος υστερεί σε σχέση με την τάση ή την προωθεί. Η σύνθετη αντίσταση εισόδου εξαρτάται από τη συχνότητα του λαμβανόμενου σήματος. Εκτός από τα αναφερόμενα κύρια χαρακτηριστικά, οι κεραίες έχουν μια σειρά από άλλες σημαντικές παραμέτρους, όπως SWR (Standing Wave Ratio), επίπεδο διασταυρούμενης πόλωσης, εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας, φορτία ανέμου κ.λπ.
1.2 Ταξινόμηση κεραιών
Οι κεραίες μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με διάφορα κριτήρια: σύμφωνα με την αρχή της ευρυζωνικής σύνδεσης, ανάλογα με τη φύση των στοιχείων ακτινοβολίας (κεραίες με γραμμικά ρεύματα ή κεραίες δονητών, κεραίες που εκπέμπουν μέσω ενός ανοίγματος - κεραίες με διάφραγμα, κεραίες επιφάνειας). από τον τύπο του συστήματος ραδιομηχανικής στο οποίο χρησιμοποιείται η κεραία (κεραίες για ραδιοεπικοινωνίες, για ραδιοφωνικές εκπομπές, τηλεόραση κ.λπ.). Θα τηρήσουμε την ταξινόμηση της σειράς. Αν και οι κεραίες με τα ίδια (τύπου) στοιχεία ακτινοβολίας χρησιμοποιούνται πολύ συχνά σε διαφορετικές περιοχές κυμάτων, ο σχεδιασμός τους είναι διαφορετικός. Οι παράμετροι αυτών των κεραιών και οι απαιτήσεις για αυτές διαφέρουν επίσης σημαντικά.
Λαμβάνονται υπόψη οι κεραίες των ακόλουθων σειρών κυμάτων (τα ονόματα των σειρών δίδονται σύμφωνα με τις συστάσεις των «Ραδιοφωνικών Κανονισμών»· ονόματα που χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιβλιογραφία για συσκευές τροφοδοσίας κεραίας υποδεικνύονται σε αγκύλες): μυριόμετρο (ultra -μακριά) κύματα (); χιλιομετρικά (μακριά) κύματα (); εκατομετρα (μέση) κύματα (); δεκαμετρικά (μικρά) κύματα (); meterwaves(); δεκατόμετρα κύματα (); cmwaves(); κύματα χιλιοστού (). Οι τελευταίες τέσσερις ζώνες συνδυάζονται μερικές φορές με την κοινή ονομασία «υπερκοντά κύματα» (VHF).
1.2.1 Ζώνες κεραίας
Τα τελευταία χρόνια, ένας μεγάλος αριθμός νέων συστημάτων επικοινωνίας για διάφορους σκοπούς με διαφορετικά χαρακτηριστικά έχουν εμφανιστεί στην αγορά ραδιοφωνικών επικοινωνιών και εκπομπών. Από την πλευρά των χρηστών, όταν επιλέγουν ένα σύστημα ραδιοεπικοινωνίας ή σύστημα μετάδοσης, δίνεται πρώτα προσοχή στην ποιότητα της επικοινωνίας (εκπομπή), καθώς και στην ευκολία χρήσης αυτού του συστήματος (τερματικό χρήστη), η οποία καθορίζεται από διαστάσεις, βάρος, ευκολία λειτουργίας και λίστα πρόσθετων λειτουργιών. Όλες αυτές οι παράμετροι καθορίζονται σημαντικά από τον τύπο και το σχεδιασμό των συσκευών κεραίας και των στοιχείων της διαδρομής κεραίας-τροφοδότη του υπό εξέταση συστήματος, χωρίς τα οποία είναι αδιανόητη η ραδιοεπικοινωνία. Με τη σειρά του, ο καθοριστικός παράγοντας στο σχεδιασμό και την απόδοση των κεραιών είναι το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας τους.
Σύμφωνα με την αποδεκτή ταξινόμηση των περιοχών συχνοτήτων, διακρίνονται πολλές μεγάλες κατηγορίες (ομάδες) κεραιών, οι οποίες διαφέρουν θεμελιωδώς μεταξύ τους: κεραίες της περιοχής υπερμακρών κυμάτων (VLF) και μεγάλων κυμάτων (LW). κεραίες μεσαίου κύματος (MF). κεραίες βραχέων κυμάτων (HF). κεραίες υπερμικρών κυμάτων (VHF). κεραίες μικροκυμάτων.
Τα πιο δημοφιλή τα τελευταία χρόνια από την άποψη της παροχής προσωπικών υπηρεσιών επικοινωνίας, ραδιοφωνικών και τηλεοπτικών εκπομπών είναι τα συστήματα ραδιοφώνου HF, VHF και μικροκυμάτων, οι συσκευές κεραίας των οποίων θα συζητηθούν παρακάτω. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι, παρά τη φαινομενική αδυναμία να εφευρεθεί κάτι νέο στον κλάδο των κεραιών, τα τελευταία χρόνια, με βάση νέες τεχνολογίες και αρχές, έχουν γίνει σημαντικές βελτιώσεις στις κλασικές κεραίες και έχουν αναπτυχθεί νέες κεραίες που είναι θεμελιωδώς διαφορετικές από προηγούμενες υπάρχουσες σε σχεδιασμό, διαστάσεις, βασικά χαρακτηριστικά κ.λπ. κ.λπ., γεγονός που οδήγησε σε σημαντική αύξηση του αριθμού των τύπων συσκευών κεραίας που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα ραδιοσυστήματα.
Σε οποιοδήποτε σύστημα ραδιοεπικοινωνίας, ενδέχεται να υπάρχουν συσκευές κεραίας σχεδιασμένες μόνο για μετάδοση, για μετάδοση και λήψη ή μόνο για λήψη.
Για κάθε ένα από τα εύρη συχνοτήτων, είναι επίσης απαραίτητο να γίνει διάκριση μεταξύ των συστημάτων κεραίας των ραδιοφωνικών συσκευών με κατευθυντική και μη κατευθυντική (πανκατευθυντική) δράση, η οποία με τη σειρά της καθορίζεται από το σκοπό της συσκευής (επικοινωνίες, εκπομπή κ.λπ.) , τις εργασίες που επιλύονται από τη συσκευή (ειδοποίηση, επικοινωνίες, εκπομπή κ.λπ.). δ.). Γενικά, για να αυξηθεί η κατευθυντικότητα των κεραιών (για να περιοριστεί το μοτίβο ακτινοβολίας), μπορούν να χρησιμοποιηθούν συστοιχίες κεραιών, αποτελούμενες από στοιχειώδη θερμαντικά σώματα (κεραίες), τα οποία, υπό ορισμένες συνθήκες της φάσης τους, μπορούν να παρέχουν τις απαραίτητες αλλαγές στην κατεύθυνση της δέσμη κεραίας στο διάστημα (παρέχετε έλεγχο της θέσης του σχεδίου ακτινοβολίας της κεραίας). Μέσα σε κάθε εύρος, είναι επίσης δυνατό να διακρίνουμε συσκευές κεραίας που λειτουργούν μόνο σε μια συγκεκριμένη συχνότητα (μονής συχνότητας ή στενής ζώνης) και κεραίες που λειτουργούν σε αρκετά μεγάλο εύρος συχνοτήτων (ευρείας ζώνης ή ευρείας ζώνης).
1.3 Ακτινοβολία από συστοιχίες κεραιών
Για να αποκτήσετε υψηλή κατευθυντικότητα της ακτινοβολίας, που συχνά απαιτείται στην πράξη, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα σύστημα κεραιών ασθενώς κατευθυνόμενων, όπως δονητές, σχισμές, ανοιχτά άκρα κυματοδηγών και άλλα, που βρίσκονται με συγκεκριμένο τρόπο στο χώρο και διεγείρονται από ρεύματα με τα απαιτούμενα πλάτος και λόγος φάσης. Σε αυτή την περίπτωση, η συνολική κατευθυντικότητα, ειδικά με μεγάλο αριθμό εκπομπών, καθορίζεται κυρίως από τις συνολικές διαστάσεις ολόκληρου του συστήματος και, σε πολύ μικρότερο βαθμό, από τις επιμέρους κατευθυντικές ιδιότητες μεμονωμένων εκπομπών.
Τέτοια συστήματα περιλαμβάνουν συστοιχίες κεραιών (AR). Τυπικά, το AR είναι ένα σύστημα πανομοιότυπων ακτινοβολούμενων στοιχείων, πανομοιότυπα προσανατολισμένα στο χώρο και τοποθετημένα σύμφωνα με έναν συγκεκριμένο νόμο. Ανάλογα με τη διάταξη των στοιχείων, διακρίνονται γραμμικά, επιφανειακά και ογκομετρικά πλέγματα, μεταξύ των οποίων τα πιο συνηθισμένα είναι τα ευθύγραμμα και τα επίπεδα AR. Μερικές φορές τα στοιχεία ακτινοβολίας βρίσκονται κατά μήκος ενός κυκλικού τόξου ή σε καμπύλες επιφάνειες που συμπίπτουν με το σχήμα του αντικειμένου στο οποίο βρίσκεται το AR (συμμορφικό AR).
Ο απλούστερος είναι ένας γραμμικός πίνακας, στον οποίο τα στοιχεία ακτινοβολίας βρίσκονται κατά μήκος μιας ευθείας γραμμής, που ονομάζεται άξονας διάταξης, σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους (ισαπέχουσα διάταξη). Η απόσταση d μεταξύ των κέντρων φάσης των εκπομπών ονομάζεται βήμα σχάρας. Το γραμμικό AR, εκτός από την ανεξάρτητη σημασία του, είναι συχνά η βάση για την ανάλυση άλλων τύπων AR.
2 . Ανάλυση πολλά υποσχόμενων δομών κεραιών
2.1 Κεραίες HF και VHF
Εικόνα 1 - Κεραία σταθμού βάσης
Ένας μεγάλος αριθμός ραδιοφωνικών συστημάτων για διάφορους σκοπούς λειτουργεί επί του παρόντος στις ζώνες HF και VHF: επικοινωνίες (ραδιοφωνικό ρελέ, κυψελοειδές, ραδιοφωνικό δίκτυο, δορυφορική κ.λπ.), ραδιοφωνική μετάδοση, τηλεοπτική μετάδοση. Σύμφωνα με το σχεδιασμό και τα χαρακτηριστικά, όλες οι συσκευές κεραιών αυτών των συστημάτων μπορούν να χωριστούν σε δύο κύριες ομάδες - κεραίες σταθερών συσκευών και κεραίες κινητών συσκευών. Οι σταθερές κεραίες περιλαμβάνουν κεραίες σταθμών επικοινωνίας βάσης, κεραίες λήψης τηλεόρασης, κεραίες γραμμών επικοινωνίας ραδιοφωνικών αναμετάδοσης και οι κεραίες κινητής περιλαμβάνουν κεραίες τερματικών χρηστών προσωπικής επικοινωνίας, κεραίες αυτοκινήτου, κεραίες για φορητούς (φορητούς) ραδιοφωνικούς σταθμούς.
Οι κεραίες σταθμών βάσης είναι ως επί το πλείστον πανκατευθυντικές στο οριζόντιο επίπεδο, καθώς παρέχουν επικοινωνία κυρίως με κινούμενα αντικείμενα. Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες κεραίες κατακόρυφης πόλωσης είναι του τύπου "Ground Plane" ("GP") λόγω της απλότητας του σχεδιασμού τους και της επαρκούς απόδοσης τους. Μια τέτοια κεραία είναι μια κατακόρυφη ράβδος μήκους L, που επιλέγεται σύμφωνα με το μήκος κύματος λειτουργίας l, με τρία ή περισσότερα αντίβαρα, συνήθως εγκατεστημένα σε έναν ιστό (Εικόνα 1).
Το μήκος των ακίδων L είναι l/4, l/2 και 5/8l και τα αντίβαρα κυμαίνονται από 0,25l έως 0,1l. Η σύνθετη αντίσταση εισόδου της κεραίας εξαρτάται από τη γωνία μεταξύ του αντίβαρου και του ιστού: όσο μικρότερη είναι αυτή η γωνία (όσο περισσότερο πιέζονται τα αντίβαρα στον ιστό), τόσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση. Συγκεκριμένα, για κεραία με L = l/4, επιτυγχάνεται σύνθετη αντίσταση εισόδου 50 Ohms υπό γωνία 30°...45°. Το σχέδιο ακτινοβολίας μιας τέτοιας κεραίας στο κατακόρυφο επίπεδο έχει μέγιστη γωνία 30° ως προς τον ορίζοντα. Το κέρδος της κεραίας είναι ίσο με το κέρδος ενός κατακόρυφου διπόλου μισού κύματος. Σε αυτό το σχέδιο, ωστόσο, δεν υπάρχει σύνδεση μεταξύ του πείρου και του ιστού, κάτι που απαιτεί πρόσθετη χρήσηβραχυκυκλωμένο καλώδιο μήκους l/4 για προστασία της κεραίας από καταιγίδες και στατικό ηλεκτρισμό.
Μια κεραία με μήκος L = l/2 δεν χρειάζεται αντίβαρα, τον ρόλο των οποίων παίζει ένας ιστός και το σχέδιο της στο κατακόρυφο επίπεδο πιέζεται περισσότερο στον ορίζοντα, γεγονός που αυξάνει την εμβέλειά της. Σε αυτήν την περίπτωση, ένας μετασχηματιστής υψηλής συχνότητας χρησιμοποιείται για τη μείωση της σύνθετης αντίστασης εισόδου και η βάση του πείρου συνδέεται με τον γειωμένο ιστό μέσω ενός αντίστοιχου μετασχηματιστή, ο οποίος λύνει αυτόματα το πρόβλημα της αντικεραυνικής προστασίας και του στατικού ηλεκτρισμού. Το κέρδος της κεραίας σε σύγκριση με ένα δίπολο μισού κύματος είναι περίπου 4 dB.
Η πιο αποτελεσματική από τις κεραίες «GP» για επικοινωνία μεγάλων αποστάσεων είναι η κεραία με L = 5/8l. Είναι ελαφρώς μακρύτερο από την κεραία μισού κύματος και το καλώδιο τροφοδοσίας συνδέεται με την αντίστοιχη αυτεπαγωγή που βρίσκεται στη βάση του δονητή. Τα αντίβαρα (τουλάχιστον 3) βρίσκονται σε οριζόντιο επίπεδο. Το κέρδος μιας τέτοιας κεραίας είναι 5-6 dB, το μέγιστο DP βρίσκεται σε γωνία 15° ως προς την οριζόντια και ο ίδιος ο πείρος γειώνεται στον ιστό μέσω ενός αντίστοιχου πηνίου. Αυτές οι κεραίες είναι στενότερες από τις κεραίες μισού κύματος και επομένως απαιτούν πιο προσεκτικό συντονισμό.
Εικόνα 2 - Κεραία δονητή μισού κύματος
Εικόνα 3 - Ρομβική κεραία ενός δονητή μισού κύματος
Οι περισσότερες κεραίες βάσης εγκαθίστανται σε στέγες, κάτι που μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοσή τους, επομένως πρέπει να ληφθούν υπόψη τα ακόλουθα:
Συνιστάται να τοποθετήσετε τη βάση της κεραίας όχι χαμηλότερα από 3 μέτρα από το επίπεδο της οροφής.
Δεν πρέπει να υπάρχουν μεταλλικά αντικείμενα ή κατασκευές κοντά στην κεραία (κεραίες τηλεόρασης, καλώδια κ.λπ.).
Συνιστάται η εγκατάσταση κεραιών όσο το δυνατόν ψηλότερα.
Η λειτουργία της κεραίας δεν πρέπει να παρεμβαίνει σε άλλους σταθμούς βάσης.
Σημαντικό ρόλο στη δημιουργία σταθερής ραδιοεπικοινωνίας παίζει η πόλωση του λαμβανόμενου (εκπεμπόμενου) σήματος. αφού με τη διάδοση σε μεγάλες αποστάσεις επιφανειακό κύμααντιμετωπίζει σημαντικά μικρότερη εξασθένηση με οριζόντια πόλωση, στη συνέχεια για ραδιοεπικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων, καθώς και για τηλεοπτική μετάδοση, χρησιμοποιούνται κεραίες με οριζόντια πόλωση (οι δονητές βρίσκονται οριζόντια).
Η απλούστερη από τις κατευθυντικές κεραίες είναι ο δονητής μισού κύματος. Για έναν συμμετρικό δονητή μισού κύματος, το συνολικό μήκος των δύο πανομοιότυπων βραχιόνων του είναι περίπου ίσο με l/2 (0,95 l/2), το σχέδιο ακτινοβολίας έχει σχήμα σχήματος οκτώ στο οριζόντιο επίπεδο και κύκλου στο κατακόρυφο επίπεδο. Το κέρδος, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, λαμβάνεται ως μονάδα μέτρησης.
Αν η γωνία μεταξύ των δονητών μιας τέτοιας κεραίας είναι ίση με β<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.
Όταν δύο κεραίες τύπου V συνδέονται με τέτοιο τρόπο ώστε τα μοτίβα τους να αθροίζονται, προκύπτει μια ρομβική κεραία, στην οποία η κατευθυντικότητα είναι πολύ πιο έντονη (Εικόνα 3).
Κατά τη σύνδεση στην κορυφή του διαμαντιού, απέναντι από τα σημεία ισχύος, επιτυγχάνεται μια αντίσταση φορτίου Rn, ισχύς διασκορπισμού ίση με τη μισή ισχύ του πομπού, καταστολή του πίσω λοβού του σχεδίου κατά 15...20 dB. Η κατεύθυνση του κύριου λοβού στο οριζόντιο επίπεδο συμπίπτει με τη διαγώνιο α. Στο κατακόρυφο επίπεδο, ο κύριος λοβός είναι προσανατολισμένος οριζόντια.
Μία από τις καλύτερες σχετικά απλές κατευθυντικές κεραίες είναι μια κεραία βρόχου "διπλού τετραγώνου", το κέρδος της οποίας είναι 8...9 dB, η καταστολή του πίσω λοβού του σχεδίου δεν είναι μικρότερη από 20 dB, η πόλωση είναι κάθετη.
Εικόνα 4 - Κεραία καναλιού κυμάτων
Οι πιο διαδεδομένες, ειδικά στην περιοχή VHF, είναι οι κεραίες τύπου «κανάλι κυμάτων» (στην ξένη βιβλιογραφία - κεραίες Uda-Yagi), καθώς είναι αρκετά συμπαγείς και παρέχουν μεγάλες τιμές Ga με σχετικά μικρές διαστάσεις. Οι κεραίες αυτού του τύπου είναι ένα σύνολο στοιχείων: ενεργός - δονητής και παθητικός - ανακλαστήρας και αρκετοί σκηνοθέτες εγκατεστημένοι σε μια κοινή μπούμα (Εικόνα 4). Τέτοιες κεραίες, ειδικά αυτές με μεγάλο αριθμό στοιχείων, απαιτούν προσεκτικό συντονισμό κατά την κατασκευή. Για μια κεραία τριών στοιχείων (δονητής, ανακλαστήρας και ένας σκηνοθέτης), τα βασικά χαρακτηριστικά μπορούν να επιτευχθούν χωρίς πρόσθετη διαμόρφωση.
Η πολυπλοκότητα των κεραιών αυτού του τύπου έγκειται επίσης στο γεγονός ότι η σύνθετη αντίσταση εισόδου της κεραίας εξαρτάται από τον αριθμό των παθητικών στοιχείων και εξαρτάται σημαντικά από τη διαμόρφωση της κεραίας, γι' αυτό η βιβλιογραφία συχνά δεν υποδεικνύει την ακριβή τιμή της αντίσταση εισόδου τέτοιων κεραιών. Ειδικότερα, όταν χρησιμοποιείτε ως δονητή έναν δονητή βρόχου Pistolkors, ο οποίος έχει σύνθετη αντίσταση εισόδου περίπου 300 Ohms, με αύξηση του αριθμού των παθητικών στοιχείων, η σύνθετη αντίσταση εισόδου της κεραίας μειώνεται και φτάνει σε τιμές 30-50 Ohms, που οδηγεί σε αναντιστοιχία με τον τροφοδότη και απαιτεί επιπλέον ταίριασμα. Με την αύξηση του αριθμού των παθητικών στοιχείων, το μοτίβο της κεραίας στενεύει και το κέρδος αυξάνεται, για παράδειγμα, για κεραίες τριών και πέντε στοιχείων, τα κέρδη είναι 5...6 dB και 8...9 dB με το πλάτος της κύριας δέσμης του σχεδίου 70º και 50º, αντίστοιχα.
Περισσότερη ευρυζωνικότητα σε σύγκριση με τις κεραίες τύπου «κανάλι κύματος» και που δεν απαιτούν συντονισμό είναι οι κεραίες ταξιδιού κύματος (AWA), στις οποίες όλοι οι δονητές, που βρίσκονται στην ίδια απόσταση μεταξύ τους, είναι ενεργοί και συνδεδεμένοι στη γραμμή συλλογής (Εικόνα 5). Η ενέργεια του σήματος που λαμβάνουν αθροίζεται στη γραμμή συλλογής σχεδόν σε φάση και εισέρχεται στον τροφοδότη. Το κέρδος τέτοιων κεραιών καθορίζεται από το μήκος της γραμμής συλλογής, είναι ανάλογο με το λόγο αυτού του μήκους προς το μήκος κύματος του λαμβανόμενου σήματος και εξαρτάται από τις κατευθυντικές ιδιότητες των δονητών. Ειδικότερα, για ABC με έξι δονητές διαφορετικού μήκους που αντιστοιχούν στο απαιτούμενο εύρος συχνοτήτων και βρίσκονται υπό γωνία 60° ως προς τη γραμμή συλλογής, το κέρδος κυμαίνεται από 4 dB έως 9 dB εντός του εύρους λειτουργίας και το επίπεδο οπίσθιας ακτινοβολίας είναι 14 dB χαμηλότερη.
Εικόνα 5 - Κεραία ταξιδιού κύματος
Σχήμα 6 - Κεραία με δομή λογαριθμικής περιοδικότητας ή log περιοδική κεραία
Οι κατευθυντικές ιδιότητες των κεραιών που εξετάζονται ποικίλλουν ανάλογα με το μήκος κύματος του λαμβανόμενου σήματος. Ένας από τους πιο συνηθισμένους τύπους κεραιών με σταθερό σχήμα μοτίβου σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων είναι οι κεραίες με λογαριθμική περιοδικότητα της δομής ή οι λογαριθμικές-περιοδικές κεραίες (LPA). Έχουν μεγάλο εύρος: το μέγιστο μήκος κύματος του λαμβανόμενου σήματος υπερβαίνει το ελάχιστο κατά περισσότερες από 10 φορές. Ταυτόχρονα, εξασφαλίζεται καλή αντιστοίχιση της κεραίας με τον τροφοδότη σε όλο το εύρος λειτουργίας και το κέρδος παραμένει πρακτικά αμετάβλητο. Η γραμμή συλλογής του LPA σχηματίζεται συνήθως από δύο αγωγούς που βρίσκονται ο ένας πάνω από τον άλλο, στους οποίους οι βραχίονες των δονητών συνδέονται οριζόντια, ένας κάθε φορά (Εικόνα 6, κάτοψη).
Οι δονητές LPA αποδεικνύεται ότι είναι εγγεγραμμένοι σε ένα ισοσκελές τρίγωνο με γωνία στην κορυφή b και βάση ίση με τον μεγαλύτερο δονητή. Το εύρος ζώνης λειτουργίας της κεραίας καθορίζεται από τις διαστάσεις του μακρύτερου και του συντομότερου δονητή. Για μια λογαριθμική δομή κεραίας, πρέπει να ικανοποιείται μια ορισμένη σχέση μεταξύ των μηκών των παρακείμενων δονητών, καθώς και μεταξύ των αποστάσεων από αυτούς μέχρι την κορυφή της κατασκευής. Αυτή η σχέση ονομάζεται περίοδος δομής f:
Β2; Β1=Β3; B2=A2; A1=A3; Α2=...=στ
Έτσι, το μέγεθος των δονητών και η απόσταση από αυτούς από την κορυφή του τριγώνου μειώνονται εκθετικά. Τα χαρακτηριστικά της κεραίας καθορίζονται από τις τιμές των f και b. Όσο μικρότερη είναι η γωνία b και όσο μεγαλύτερο το b (το b είναι πάντα μικρότερο από 1), τόσο μεγαλύτερο είναι το κέρδος της κεραίας και τόσο χαμηλότερο είναι το επίπεδο των πίσω και πλευρικών λοβών του σχεδίου ακτινοβολίας. Ωστόσο, ταυτόχρονα, ο αριθμός των δονητών αυξάνεται και οι διαστάσεις και το βάρος της κεραίας αυξάνονται. Οι βέλτιστες τιμές για τη γωνία b επιλέγονται εντός 3є…60є και φ - 0,7…0,9.
Ανάλογα με το μήκος κύματος του λαμβανόμενου σήματος, διεγείρονται αρκετοί δονητές στη δομή της κεραίας, τα μεγέθη των οποίων είναι πλησιέστερα στο μισό μήκος κύματος του σήματος, επομένως το LPA είναι κατ' αρχήν παρόμοιο με πολλές κεραίες "καναλιού κύματος" που συνδέονται μεταξύ τους, καθεμία εκ των οποίων περιέχει έναν δονητή, έναν ανακλαστήρα και έναν σκηνοθέτη. Σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος του σήματος, μόνο ένα τρίο δονητών διεγείρεται και οι υπόλοιποι είναι τόσο αποσυντονισμένοι που δεν επηρεάζουν τη λειτουργία της κεραίας. Επομένως, το κέρδος του LPA αποδεικνύεται μικρότερο από το κέρδος μιας κεραίας "καναλιού κυμάτων" με τον ίδιο αριθμό στοιχείων, αλλά το εύρος ζώνης του LPA αποδεικνύεται πολύ μεγαλύτερο. Έτσι, για ένα LPA που αποτελείται από δέκα δονητές και τιμές b = 45є, f = 0,84, το υπολογιζόμενο κέρδος είναι 6 dB, το οποίο πρακτικά δεν αλλάζει σε ολόκληρο το εύρος των συχνοτήτων λειτουργίας.
Για τις γραμμές επικοινωνίας ραδιοφωνικών αναμετάδοσης, είναι πολύ σημαντικό να υπάρχει ένα στενό μοτίβο ακτινοβολίας, ώστε να μην παρεμβαίνει σε άλλο ραδιοηλεκτρονικό εξοπλισμό και να διασφαλίζεται επικοινωνία υψηλής ποιότητας. Για να περιορίσετε το μοτίβο, χρησιμοποιούνται ευρέως συστοιχίες κεραιών (AR), περιορίζοντας το σχέδιο σε διαφορετικά επίπεδα και παρέχοντας διαφορετικές τιμές του πλάτους του κύριου λοβού. Είναι αρκετά σαφές ότι οι γεωμετρικές διαστάσεις της διάταξης κεραίας και τα χαρακτηριστικά του σχεδίου ακτινοβολίας εξαρτώνται σημαντικά από το εύρος των συχνοτήτων λειτουργίας - όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο πιο συμπαγής θα είναι η συστοιχία και τόσο στενότερο το σχέδιο ακτινοβολίας και, κατά συνέπεια , τόσο μεγαλύτερο είναι το κέρδος. Για τις ίδιες συχνότητες, με αυξανόμενα μεγέθη AR (ο αριθμός των στοιχειωδών εκπομπών), το μοτίβο θα στενεύει.
Για τη ζώνη VHF, συχνά χρησιμοποιούνται συστοιχίες που αποτελούνται από κεραίες δονητή (δονητές βρόχου), ο αριθμός των οποίων μπορεί να φτάσει αρκετές δεκάδες, το κέρδος αυξάνεται στα 15 dB και άνω και το πλάτος του σχεδίου σε οποιοδήποτε επίπεδο μπορεί να περιοριστεί σε 10º , για παράδειγμα για 16 κατακόρυφα τοποθετημένους δονητές βρόχου στην περιοχή συχνοτήτων 395...535 MHz, το σχέδιο περιορίζεται στο κατακόρυφο επίπεδο στις 10º.
Ο κύριος τύπος κεραιών που χρησιμοποιούνται στα τερματικά των χρηστών είναι οι κατακόρυφα πολωμένες κεραίες μαστίγιας, οι οποίες έχουν κυκλικό σχέδιο στο οριζόντιο επίπεδο. Η απόδοση αυτών των κεραιών είναι αρκετά χαμηλή λόγω των χαμηλών τιμών απολαβής, καθώς και λόγω της επίδρασης των γύρω αντικειμένων στο σχέδιο ακτινοβολίας, καθώς και της έλλειψης κατάλληλης γείωσης και περιορισμών στις γεωμετρικές διαστάσεις των κεραιών. Το τελευταίο απαιτεί αντιστοίχιση υψηλής ποιότητας της κεραίας με τα κυκλώματα εισόδου της ραδιοφωνικής συσκευής. Τυπικές επιλογές αντιστοίχισης σχεδιασμού είναι η επαγωγή που κατανέμεται κατά μήκος και η επαγωγή στη βάση της κεραίας. Για την αύξηση του εύρους ραδιοεπικοινωνίας, χρησιμοποιούνται ειδικές εκτεταμένες κεραίες μήκους πολλών μέτρων, γεγονός που επιτυγχάνει σημαντική αύξηση της στάθμης του λαμβανόμενου σήματος.
Επί του παρόντος, υπάρχουν πολλοί τύποι κεραιών αυτοκινήτου, που διαφέρουν σε εμφάνιση, σχεδιασμό και τιμή. Αυτές οι κεραίες υπόκεινται σε αυστηρές απαιτήσεις για μηχανικές, ηλεκτρικές, λειτουργικές και αισθητικές παραμέτρους. Τα καλύτερα αποτελέσματα όσον αφορά το εύρος επικοινωνίας επιτυγχάνονται από μια κεραία πλήρους μεγέθους με μήκος l/4, ωστόσο, οι μεγάλες γεωμετρικές διαστάσεις δεν είναι πάντα βολικές, επομένως χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι βράχυνσης των κεραιών χωρίς να επιδεινώνονται σημαντικά τα χαρακτηριστικά τους. Για την παροχή κυψελοειδείς επικοινωνίεςΣτα αυτοκίνητα μπορούν να χρησιμοποιηθούν κεραίες συντονισμού microstrip (μονής, διπλής και τριπλής ζώνης), οι οποίες δεν απαιτούν τοποθέτηση εξωτερικών εξαρτημάτων, καθώς είναι προσαρτημένες στο εσωτερικό του τζαμιού του αυτοκινήτου. Τέτοιες κεραίες παρέχουν λήψη και μετάδοση κατακόρυφα πολωμένων σημάτων στην περιοχή συχνοτήτων 450...1900 MHz και έχουν κέρδος έως και 2 dB.
2.1.1 Γενικά χαρακτηριστικά κεραιών μικροκυμάτων
Στο φάσμα των μικροκυμάτων τα τελευταία χρόνια έχει επίσης αυξηθεί ο αριθμός των συστημάτων επικοινωνίας και μετάδοσης, τόσο προηγούμενων όσο και πρόσφατα αναπτυγμένων. Για επίγεια συστήματα - αυτά είναι συστήματα επικοινωνίας ραδιοφωνικών αναμετάδοσης, ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές εκπομπές, συστήματα κυψελοειδούς τηλεόρασης κ.λπ., για δορυφορικά συστήματα - άμεση τηλεοπτική μετάδοση, τηλέφωνο, φαξ, τηλεειδοποίηση, τηλεδιάσκεψη, πρόσβαση στο Διαδίκτυο κ.λπ. Οι περιοχές συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται για αυτούς τους τύπους επικοινωνιών και εκπομπών αντιστοιχούν στα τμήματα του φάσματος συχνοτήτων που διατίθενται για αυτούς τους σκοπούς, με τα κυριότερα από αυτά να είναι: 3,4...4,2 GHz. 5,6...6,5 GHz; 10,7…11,7 GHz; 13,7…14,5 GHz; 17,7…19,7 GHz; 21,2…23,6 GHz; 24,5…26,5 GHz; 27,5…28,5 GHz; 36…40 GHz. Μερικές φορές στην τεχνική βιβλιογραφία η περιοχή μικροκυμάτων περιλαμβάνει συστήματα που λειτουργούν σε συχνότητες άνω του 1 GHz, αν και αυτό το εύρος ξεκινά αυστηρά από τα 3 GHz.
Για τα επίγεια συστήματα μικροκυμάτων, οι συσκευές κεραίας είναι μικρού μεγέθους κεραίες καθρέφτη, κόρνας, κεραίες φακού κόρνας, εγκατεστημένες σε ιστούς και προστατευμένες από επιβλαβείς ατμοσφαιρικές επιρροές. Οι κατευθυντικές κεραίες, ανάλογα με τον σκοπό, το σχεδιασμό και το εύρος συχνοτήτων τους, έχουν ένα ευρύ φάσμα χαρακτηριστικών, συγκεκριμένα: σε κέρδος - από 12 έως 50 dB, σε πλάτος δέσμης (επίπεδο - 3 dB) - από 3,5 έως 120º. Επιπλέον, τα συστήματα κυψελοειδούς τηλεόρασης χρησιμοποιούν αμφίκωνες πανκατευθυντικές (στο οριζόντιο επίπεδο) κεραίες, που αποτελούνται από δύο μεταλλικούς κώνους με τις κορυφές τους στραμμένες ο ένας προς τον άλλον, έναν διηλεκτρικό φακό τοποθετημένο μεταξύ των κώνων και μια συσκευή διέγερσης. Τέτοιες κεραίες έχουν κέρδος 7...10 dB, το πλάτος του κύριου λοβού στο κατακόρυφο επίπεδο είναι 8...15є και το επίπεδο των πλευρικών λοβών δεν είναι χειρότερο από μείον 14 dB.
3. Ανάλυση πιθανών μεθόδων σύνθεσης δομών φράκταλ κεραίας
3.1 Φράκταλ κεραίες
Οι κεραίες φράκταλ είναι μια σχετικά νέα κατηγορία ηλεκτρικά μικρών κεραιών (EMA), οι οποίες διαφέρουν θεμελιωδώς στη γεωμετρία τους από τις γνωστές λύσεις. Στην πραγματικότητα, η παραδοσιακή εξέλιξη των κεραιών βασίστηκε στην Ευκλείδεια γεωμετρία, λειτουργώντας με αντικείμενα ακέραιης διάστασης (γραμμή, κύκλος, έλλειψη, παραβολοειδής κ.λπ.). Η κύρια διαφορά μεταξύ των γεωμετρικών μορφών φράκταλ είναι η κλασματική τους διάσταση, η οποία εκδηλώνεται εξωτερικά στην αναδρομική επανάληψη των αρχικών ντετερμινιστικών ή τυχαίων μοτίβων σε αυξανόμενη ή φθίνουσα κλίμακα. Οι τεχνολογίες φράκταλ έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένες στην ανάπτυξη εργαλείων φιλτραρίσματος σήματος, στη σύνθεση τρισδιάστατων υπολογιστικών μοντέλων φυσικών τοπίων και στη συμπίεση εικόνας. Είναι πολύ φυσικό ότι η φράκταλ «μόδα» δεν παρέκαμψε τη θεωρία των κεραιών. Επιπλέον, το πρωτότυπο των σύγχρονων τεχνολογιών φράκταλ στην τεχνολογία κεραιών ήταν τα log-periodic και σπειροειδή σχέδια που προτάθηκαν στα μέσα της δεκαετίας του '60 του περασμένου αιώνα. Είναι αλήθεια ότι, με αυστηρή μαθηματική έννοια, τέτοιες δομές κατά τη στιγμή της ανάπτυξης δεν είχαν καμία σχέση με τη γεωμετρία φράκταλ, καθώς ήταν, στην πραγματικότητα, μόνο φράκταλ του πρώτου είδους. Επί του παρόντος, οι ερευνητές, κυρίως μέσω δοκιμής και λάθους, προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν γνωστά φράκταλ στη γεωμετρία σε λύσεις κεραιών. Ως αποτέλεσμα μοντελοποίησης και πειραμάτων προσομοίωσης, διαπιστώθηκε ότι οι κεραίες φράκταλ καθιστούν δυνατή την απόκτηση σχεδόν του ίδιου κέρδους με τις συμβατικές, αλλά με μικρότερες διαστάσεις, κάτι που είναι σημαντικό για εφαρμογές για κινητές συσκευές. Ας εξετάσουμε τα αποτελέσματα που προέκυψαν στον τομέα της δημιουργίας κεραιών φράκταλ διαφόρων τύπων.
Τα αποτελέσματα των μελετών των χαρακτηριστικών του νέου σχεδιασμού κεραίας που δημοσίευσε ο Cohen τράβηξαν την προσοχή των ειδικών. Χάρη στις προσπάθειες πολλών ερευνητών, σήμερα η θεωρία των fractal κεραιών έχει μετατραπεί σε μια ανεξάρτητη, αρκετά ανεπτυγμένη συσκευή για τη σύνθεση και την ανάλυση του EMA.
3.2 Ιδιότητεςφράκταλ κεραίες
Τα SFC μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρότυπα για την κατασκευή μονοπόλων και διπολικών βραχιόνων, σχηματίζοντας την τοπολογία τυπωμένων κεραιών, επιφανειών επιλογής συχνότητας (FSS) ή κελύφους ανακλαστήρων, για την κατασκευή των περιγραμμάτων κεραιών βρόχου και προφίλ ανοιγμάτων κόρνας, καθώς και υποδοχές φρεζαρίσματος σε κεραίες σχισμής.
Πειραματικά δεδομένα που ελήφθησαν από ειδικούς του Cushcraft για την καμπύλη Koch, τέσσερις επαναλήψεις ενός τετραγωνικού κύματος και μια ελικοειδή κεραία μας επιτρέπουν να συγκρίνουμε τις ηλεκτρικές ιδιότητες της κεραίας Koch με άλλους πομπούς με περιοδική δομή. Όλοι οι συγκριθέντες πομποί είχαν ιδιότητες πολλαπλών συχνοτήτων, οι οποίες εκδηλώθηκαν με την παρουσία περιοδικών συντονισμών στα γραφήματα σύνθετης αντίστασης. Ωστόσο, για εφαρμογές πολλαπλών ζωνών, το φράκταλ Koch είναι το πλέον κατάλληλο, για το οποίο, με αυξανόμενη συχνότητα, μειώνονται οι μέγιστες τιμές των αντιδραστικών και ενεργών αντιστάσεων, ενώ για τον μαίανδρο και τη σπείρα αυξάνονται.
Γενικά, πρέπει να σημειωθεί ότι είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς θεωρητικά τον μηχανισμό αλληλεπίδρασης μεταξύ μιας κεραίας λήψης φράκταλ και ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που προσπίπτουν σε αυτήν λόγω της έλλειψης αναλυτικής περιγραφής των διεργασιών κυμάτων σε έναν αγωγό με πολύπλοκη τοπολογία. Σε μια τέτοια κατάσταση, είναι σκόπιμο να προσδιοριστούν οι κύριες παράμετροι των κεραιών φράκταλ με μαθηματική μοντελοποίηση.
Ένα παράδειγμα κατασκευής της πρώτης αυτο-όμοιας καμπύλης φράκταλ επιδείχθηκε το 1890 από τον Ιταλό μαθηματικό Giuseppe Peano. Στο όριο, η γραμμή που πρότεινε γεμίζει πλήρως το τετράγωνο, τρέχοντας γύρω από όλα τα σημεία του (Εικόνα 9). Στη συνέχεια, βρέθηκαν και άλλα παρόμοια αντικείμενα, τα οποία έλαβαν τη γενική ονομασία "Peano curves" από τον ανακαλυφτή της οικογένειάς τους. Είναι αλήθεια ότι λόγω της καθαρά αναλυτικής περιγραφής της καμπύλης που προτείνει ο Peano, προέκυψε κάποια σύγχυση στην ταξινόμηση των γραμμών SFC. Στην πραγματικότητα, το όνομα “Peano curves” θα πρέπει να δίνεται μόνο σε πρωτότυπες καμπύλες, η κατασκευή των οποίων αντιστοιχεί στα αναλυτικά στοιχεία που δημοσιεύει ο Peano (Εικόνα 10).
Εικόνα 9 - Επαναλήψεις της καμπύλης Peano: α) αρχική γραμμή, β) πρώτη, γ) δεύτερη και δ) τρίτη επαναλήψεις
Εικόνα 10 - Επαναλήψεις της πολυγραμμής που προτάθηκε από τον Hilbert το 1891
Συχνά ερμηνεύεται ως αναδρομική καμπύλη Peano
Επομένως, για να προσδιοριστούν τα αντικείμενα της τεχνολογίας κεραιών που εξετάζονται, κατά την περιγραφή μιας ή άλλης μορφής κεραίας φράκταλ, θα πρέπει, εάν είναι δυνατόν, να αναφέρονται τα ονόματα των συγγραφέων που πρότειναν την αντίστοιχη τροποποίηση του SFC. Αυτό είναι ακόμη πιο σημαντικό αφού, σύμφωνα με εκτιμήσεις, ο αριθμός των γνωστών ποικιλιών SFC πλησιάζει τις τριακόσιες και ο αριθμός αυτός δεν αποτελεί όριο.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η καμπύλη Peano (Εικόνα 9) στην αρχική της μορφή είναι αρκετά κατάλληλη για τη δημιουργία σχισμών στα τοιχώματα ενός κυματοδηγού, τυπωμένων και άλλων φράκταλ κεραιών με διάφραγμα, αλλά δεν είναι αποδεκτή για την κατασκευή συρμάτινης κεραίας, καθώς έχει επαφή ενότητες. Ως εκ τούτου, οι ειδικοί του Fractus πρότειναν την τροποποίησή του, που ονομάζεται "Peanodec" (Εικόνα 11).
Εικόνα 11 - Παραλλαγή τροποποίησης της καμπύλης Peano ("Peanodec"): α) πρώτη, β) δεύτερη γ) τρίτη επανάληψη
Μια πολλά υποσχόμενη εφαρμογή κεραιών με τοπολογία Koch είναι τα συστήματα επικοινωνίας MIMO (συστήματα επικοινωνίας με πολλές εισόδους και εξόδους). Για τη σμίκρυνση των συστοιχιών κεραιών των τερματικών χρηστών σε τέτοιες επικοινωνίες, ειδικοί από το Εργαστήριο Ηλεκτρομαγνητισμού του Πανεπιστημίου Πατρών (Ελλάδα) πρότειναν μια φράκταλ ομοιότητα με μια ανεστραμμένη κεραία L (ILA). Η ουσία της ιδέας έγκειται στην κάμψη του δονητή Koch κατά 90° σε ένα σημείο που τον χωρίζει σε τμήματα με αναλογία μήκους 2:1. Για κινητές επικοινωνίες με συχνότητα φορέα ~2,4 Hz, οι διαστάσεις μιας τέτοιας εκτυπωμένης κεραίας είναι 12,33×10,16 mm (~L/10ChL/12), το εύρος ζώνης είναι ~20% και η απόδοση είναι 93%.
Εικόνα 12 - Παράδειγμα συστοιχίας κεραιών διπλής ζώνης (2,45 και 5,25 GHz)
Το μοτίβο ακτινοβολίας αζιμουθίου είναι σχεδόν ομοιόμορφο, το κέρδος ως προς την είσοδο του τροφοδότη είναι ~3,4 dB. Είναι αλήθεια ότι, όπως σημειώνεται στο άρθρο, η λειτουργία τέτοιων τυπωμένων στοιχείων ως μέρος ενός πλέγματος (Εικόνα 12) συνοδεύεται από μείωση της απόδοσής τους σε σύγκριση με ένα μεμονωμένο στοιχείο. Έτσι, σε συχνότητα 2,4 GHz, η απόδοση ενός μονοπόλου Koch που κάμπτεται κατά 90° μειώνεται από 93 σε 72%, και σε συχνότητα 5,2 GHz - από 90 σε 80%. Η κατάσταση είναι κάπως καλύτερη με την αμοιβαία επιρροή των κεραιών ζώνης υψηλής συχνότητας: σε συχνότητα 5,25 GHz, η απομόνωση μεταξύ των στοιχείων που σχηματίζουν το κεντρικό ζεύγος κεραιών είναι 10 dB. Όσον αφορά την αμοιβαία επιρροή σε ένα ζεύγος γειτονικών στοιχείων διαφορετικών περιοχών, ανάλογα με τη συχνότητα του σήματος, η απομόνωση κυμαίνεται από 11 dB (στα 2,45 GHz) έως 15 dB (σε συχνότητα 5,25 GHz). Ο λόγος για την επιδείνωση της απόδοσης της κεραίας είναι η αμοιβαία επιρροή των τυπωμένων στοιχείων.
Έτσι, η δυνατότητα επιλογής πολλών διαφορετικών παραμέτρων ενός συστήματος κεραίας με βάση μια διακεκομμένη γραμμή Koch επιτρέπει στον σχεδιασμό να ικανοποιήσει διάφορες απαιτήσεις για την τιμή της εσωτερικής αντίστασης και την κατανομή των συχνοτήτων συντονισμού. Ωστόσο, δεδομένου ότι η αλληλεξάρτηση της αναδρομικής διάστασης και των χαρακτηριστικών της κεραίας μπορεί να επιτευχθεί μόνο για μια συγκεκριμένη γεωμετρία, η εγκυρότητα των εξεταζόμενων ιδιοτήτων για άλλες αναδρομικές διαμορφώσεις απαιτεί πρόσθετη έρευνα.
3.3 Χαρακτηριστικά κεραιών φράκταλ
Η κεραία φράκταλ Koch που φαίνεται στο Σχήμα 13 ή 20 είναι μόνο μία από τις επιλογές που μπορεί να εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας ένα ισόπλευρο τρίγωνο αναδρομής εκκίνησης, δηλ. η γωνία και στη βάση του (γωνία εσοχής ή «γωνία εσοχής») είναι 60°. Αυτή η έκδοση του φράκταλ Koch συνήθως ονομάζεται τυπική. Είναι πολύ φυσικό να αναρωτιόμαστε αν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν τροποποιήσεις του φράκταλ με άλλες τιμές αυτής της γωνίας. Ο Vinoy πρότεινε να θεωρηθεί η γωνία στη βάση του τριγώνου εκκίνησης ως παράμετρος που χαρακτηρίζει τον σχεδιασμό της κεραίας. Αλλάζοντας αυτή τη γωνία, μπορείτε να αποκτήσετε παρόμοιες αναδρομικές καμπύλες διαφορετικών διαστάσεων (Εικόνα 13). Οι καμπύλες διατηρούν την ιδιότητα της αυτο-ομοιότητας, αλλά το μήκος γραμμής που προκύπτει μπορεί να είναι διαφορετικό, γεγονός που επηρεάζει τα χαρακτηριστικά της κεραίας. Ο Vinoy ήταν ο πρώτος που μελέτησε τη συσχέτιση μεταξύ των ιδιοτήτων της κεραίας και της διάστασης του γενικευμένου φράκταλ D Koch, που προσδιορίζεται στη γενική περίπτωση από την εξάρτηση
(1)
Φάνηκε ότι όσο αυξάνεται η γωνία, αυξάνεται και η διάσταση του φράκταλ και σε u>90° πλησιάζει το 2. Πρέπει να σημειωθεί ότι η έννοια της διάστασης που χρησιμοποιείται στη θεωρία των φράκταλ κεραιών έρχεται σε αντίθεση με τις έννοιες που γίνονται αποδεκτές στη γεωμετρία , όπου αυτό το μέτρο ισχύει μόνο για άπειρα αναδρομικά αντικείμενα.
Εικόνα 13 - Κατασκευή της καμπύλης Koch με γωνία α) 30° και β) 70° στη βάση του τριγώνου στη γεννήτρια φράκταλ
Καθώς η διάσταση αυξάνεται, το συνολικό μήκος της διακεκομμένης γραμμής αυξάνεται μη γραμμικά, καθοριζόμενο από τη σχέση:
(2)
όπου L0 είναι το μήκος του γραμμικού διπόλου, η απόσταση μεταξύ των άκρων του οποίου είναι ίδια με αυτή της διακεκομμένης γραμμής Koch, n είναι ο αριθμός επανάληψης. Η μετάβαση από το u = 60° σε u = 80° στην έκτη επανάληψη επιτρέπει στο συνολικό μήκος του προφράκταλ να αυξηθεί περισσότερο από τέσσερις φορές. Όπως θα περίμενε κανείς, υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ της αναδρομικής διάστασης και ιδιοτήτων της κεραίας όπως η κύρια συχνότητα συντονισμού, η εσωτερική αντίσταση στον συντονισμό και τα χαρακτηριστικά πολλαπλών ζωνών. Με βάση υπολογισμούς υπολογιστή, ο Vinoy έλαβε την εξάρτηση της πρώτης συχνότητας συντονισμού του διπόλου Koch fk από τη διάσταση του προφρακτικού D, τον αριθμό επανάληψης n και τη συχνότητα συντονισμού του ευθύγραμμου διπόλου fD του ίδιου ύψους με τη διακεκομμένη γραμμή Koch ( στα ακραία σημεία):
(3)
Εικόνα 14 - Φαινόμενο διαρροής ηλεκτρομαγνητικού κύματος
Στη γενική περίπτωση, για την εσωτερική αντίσταση του διπόλου Koch στην πρώτη συχνότητα συντονισμού, ισχύει η ακόλουθη κατά προσέγγιση σχέση:
(4)
όπου R0 είναι η εσωτερική αντίσταση του γραμμικού διπόλου (D=1), που στην υπό εξέταση περίπτωση είναι ίση με 72 Ohms. Οι εκφράσεις (3) και (4) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό των γεωμετρικών παραμέτρων της κεραίας με τις απαιτούμενες τιμές της συχνότητας συντονισμού και της εσωτερικής αντίστασης. Οι ιδιότητες πολλαπλών ζωνών του διπόλου Koch είναι επίσης πολύ ευαίσθητες στην τιμή της γωνίας u. Με την αύξηση, οι ονομαστικές τιμές των συχνοτήτων συντονισμού πλησιάζουν και, κατά συνέπεια, ο αριθμός τους σε μια δεδομένη φασματική περιοχή αυξάνεται (Εικόνα 15). Επιπλέον, όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός επανάληψης, τόσο ισχυρότερη είναι αυτή η σύγκλιση.
Εικόνα 15 - Επίδραση του περιορισμού του διαστήματος μεταξύ των συχνοτήτων συντονισμού
Στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, μελετήθηκε μια άλλη σημαντική πτυχή του διπόλου Koch - η επίδραση της ασυμμετρίας της τροφοδοσίας του στον βαθμό στον οποίο η εσωτερική αντίσταση της κεραίας πλησιάζει τα 50 Ohms. Στα γραμμικά δίπολα, το σημείο τροφοδοσίας βρίσκεται συχνά ασύμμετρα. Η ίδια προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μια κεραία φράκταλ με τη μορφή καμπύλης Koch, η εσωτερική αντίσταση της οποίας είναι μικρότερη από τις τυπικές τιμές. Έτσι, στην τρίτη επανάληψη, η εσωτερική αντίσταση του τυπικού διπόλου Koch (u = 60°), χωρίς να λαμβάνονται υπόψη οι απώλειες κατά τη σύνδεση του τροφοδότη στο κέντρο, είναι 28 Ohms. Μετακινώντας τον τροφοδότη στο ένα άκρο της κεραίας, μπορεί να επιτευχθεί αντίσταση 50 ohms.
Όλες οι διαμορφώσεις της διακεκομμένης γραμμής Koch που εξετάστηκαν μέχρι τώρα συντέθηκαν αναδρομικά. Ωστόσο, σύμφωνα με τη Vina, εάν παραβιάσετε αυτόν τον κανόνα, ιδίως προσδιορίζοντας διαφορετικές γωνίες και; Με κάθε νέα επανάληψη, οι ιδιότητες της κεραίας μπορούν να αλλάξουν με μεγαλύτερη ευελιξία. Για να διατηρηθεί η ομοιότητα, συνιστάται να επιλέξετε ένα κανονικό σχέδιο για την αλλαγή της γωνίας και. Για παράδειγμα, αλλάξτε τον σύμφωνα με τον γραμμικό νόμο иn = иn-1 - Di·n, όπου n είναι ο αριθμός επανάληψης, Di; - αύξηση της γωνίας στη βάση του τριγώνου. Μια παραλλαγή αυτής της αρχής κατασκευής μιας διακεκομμένης γραμμής είναι η ακόλουθη ακολουθία γωνιών: u1 = 20° για την πρώτη επανάληψη, u2 = 10° για τη δεύτερη, κ.λπ. Η διαμόρφωση του δονητή σε αυτήν την περίπτωση δεν θα είναι αυστηρά αναδρομική, ωστόσο, όλα τα τμήματα του που συντίθενται σε μία επανάληψη θα έχουν το ίδιο μέγεθος και σχήμα. Επομένως, η γεωμετρία μιας τέτοιας υβριδικής διακεκομμένης γραμμής γίνεται αντιληπτή ως ίδια. Με έναν μικρό αριθμό επαναλήψεων, μαζί με μια αρνητική αύξηση Di, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια τετραγωνική ή άλλη μη γραμμική αλλαγή στη γωνία un.
Η εξεταζόμενη προσέγγιση σάς επιτρέπει να ορίσετε την κατανομή των συχνοτήτων συντονισμού της κεραίας και τις τιμές της εσωτερικής της αντίστασης. Ωστόσο, η αναδιάταξη της σειράς αλλαγής των τιμών των γωνιών σε επαναλήψεις δεν δίνει ισοδύναμο αποτέλεσμα. Για το ίδιο ύψος μιας διακεκομμένης γραμμής, διάφοροι συνδυασμοί πανομοιότυπων γωνιών, για παράδειγμα u1 = 20°, u2 = 60° και u1 = 60°, u2 = 20° (Εικόνα 16), δίνουν το ίδιο διευρυμένο μήκος των προφρακταλών. Όμως, αντίθετα με την προσδοκία, η πλήρης σύμπτωση των παραμέτρων δεν διασφαλίζει την ταυτότητα των συχνοτήτων συντονισμού και την ταυτότητα των ιδιοτήτων πολλαπλών ζωνών των κεραιών. Ο λόγος είναι μια αλλαγή στην εσωτερική αντίσταση των τμημάτων της διακεκομμένης γραμμής, δηλ. Τον βασικό ρόλο παίζει η διαμόρφωση του αγωγού και όχι το μέγεθός του.
Εικόνα 16 - Γενικευμένα προκλαστικά Koch της δεύτερης επανάληψης με αρνητική αύξηση Dq (a), θετική αύξηση Dq (b) και την τρίτη επανάληψη με αρνητική αύξηση Dq = 40°, 30°, 20° (c)
4. Παραδείγματα κεραιών φράκταλ
4.1 Επισκόπηση κεραίας
Τα θέματα της κεραίας είναι ένα από τα πιο ελπιδοφόρα και με σημαντικό ενδιαφέρον στη σύγχρονη θεωρία μετάδοσης πληροφοριών. Αυτή η επιθυμία να αναπτυχθεί ακριβώς αυτός ο τομέας επιστημονικής ανάπτυξης συνδέεται με τις συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις για ταχύτητα και μεθόδους μεταφοράς πληροφοριών στον σύγχρονο τεχνολογικό κόσμο. Κάθε μέρα, επικοινωνώντας μεταξύ μας, μεταδίδουμε πληροφορίες με έναν τόσο φυσικό τρόπο για εμάς - μέσω του αέρα. Με τον ίδιο ακριβώς τρόπο, οι επιστήμονες είχαν την ιδέα να διδάξουν πολλά δίκτυα υπολογιστών να επικοινωνούν.
Το αποτέλεσμα ήταν η εμφάνιση νέων εξελίξεων στον τομέα αυτό, η έγκρισή τους στην αγορά εξοπλισμού ηλεκτρονικών υπολογιστών και αργότερα η υιοθέτηση προτύπων ασύρματη μετάδοσηπληροφορίες. Σήμερα, οι τεχνολογίες μετάδοσης όπως το BlueTooth και το WiFi είναι ήδη εγκεκριμένες και γενικά αποδεκτές. Όμως η ανάπτυξη δεν σταματά εκεί και δεν μπορεί να σταματήσει· εμφανίζονται νέες απαιτήσεις και νέες επιθυμίες της αγοράς.
Οι ταχύτητες μετάδοσης, τόσο εκπληκτικά γρήγορες την εποχή που αναπτύχθηκαν οι τεχνολογίες, σήμερα δεν ανταποκρίνονται πλέον στις απαιτήσεις και τις επιθυμίες των χρηστών αυτών των εξελίξεων. Πολλά κορυφαία κέντρα ανάπτυξης έχουν ξεκινήσει ένα νέο έργο WiMAX με στόχο την αύξηση των ταχυτήτων με βάση τις επεκτάσεις καναλιών στο υπάρχον πρότυπο WiFi. Τι θέση έχει το θέμα της κεραίας σε όλα αυτά;
Το πρόβλημα της επέκτασης του καναλιού μετάδοσης μπορεί να λυθεί εν μέρει με την εισαγωγή ακόμη μεγαλύτερης συμπίεσης από την υπάρχουσα. Η χρήση κεραιών φράκταλ θα λύσει αυτό το πρόβλημα καλύτερα και πιο αποτελεσματικά. Ο λόγος για αυτό είναι ότι οι κεραίες φράκταλ και οι επιφάνειες και οι όγκοι που βασίζονται σε αυτές έχουν μοναδικά ηλεκτροδυναμικά χαρακτηριστικά, και συγκεκριμένα: ευρυζωνικότητα, επαναληψιμότητα των εύρους ζώνης στο εύρος συχνοτήτων κ.λπ.
4.1.1 Κατασκευή του δέντρου Cayley
Το δέντρο Cayley είναι ένα από τα κλασικά παραδείγματα συνόλων φράκταλ. Η μηδενική επανάληψη του είναι απλώς ένα ευθύγραμμο τμήμα ενός δεδομένου μήκους l. Η πρώτη και κάθε επόμενη περιττή επανάληψη αποτελείται από δύο τμήματα ακριβώς του ίδιου μήκους l με την προηγούμενη επανάληψη, που βρίσκονται κάθετα στο τμήμα της προηγούμενης επανάληψης έτσι ώστε τα άκρα του να συνδέονται με το μέσο των τμημάτων.
Η δεύτερη και κάθε επόμενη άρτια επανάληψη του φράκταλ είναι δύο τμήματα l/2 του μισού μήκους της προηγούμενης επανάληψης, που βρίσκονται, όπως και πριν, κάθετα στην προηγούμενη επανάληψη.
Τα αποτελέσματα της κατασκευής του δέντρου Cayley φαίνονται στο Σχήμα 17. Το συνολικό ύψος της κεραίας είναι 15/8l και το πλάτος είναι 7/4l.
Εικόνα 17 - Κατασκευή του δέντρου Cayley
Υπολογισμοί και ανάλυση της κεραίας «Cayley Tree» Πραγματοποιήθηκαν θεωρητικοί υπολογισμοί μιας κεραίας φράκταλ με τη μορφή δέντρου Cayley 6ης τάξης. Για την επίλυση αυτού του πρακτικού προβλήματος, χρησιμοποιήθηκε ένα αρκετά ισχυρό εργαλείο για τον αυστηρό υπολογισμό των ηλεκτροδυναμικών ιδιοτήτων των αγώγιμων στοιχείων - το πρόγραμμα EDEM. Τα ισχυρά εργαλεία και η φιλική προς τον χρήστη διεπαφή αυτού του προγράμματος το καθιστούν απαραίτητο για αυτό το επίπεδο υπολογισμών.
Οι συγγραφείς αντιμετώπισαν το καθήκον να σχεδιάσουν μια κεραία, να εκτιμήσουν τις θεωρητικές τιμές των συχνοτήτων συντονισμού λήψης και μετάδοσης σήματος και να παρουσιάσουν το πρόβλημα στη διεπαφή γλώσσας προγράμματος EDEM. Η σχεδιασμένη φράκταλ κεραία που βασίζεται στο «Cayley Tree» φαίνεται στο Σχήμα 18.
Στη συνέχεια, ένα επίπεδο ηλεκτρομαγνητικό κύμα στάλθηκε στη σχεδιασμένη φράκταλ κεραία και το πρόγραμμα υπολόγισε τη διάδοση του πεδίου πριν και μετά την κεραία και υπολόγισε τα ηλεκτροδυναμικά χαρακτηριστικά της κεραίας φράκταλ.
Τα αποτελέσματα των υπολογισμών της κεραίας φράκταλ "Cayley Tree" που πραγματοποιήθηκαν από τους συγγραφείς μας επέτρεψαν να βγάλουμε τα ακόλουθα συμπεράσματα. Αποδεικνύεται ότι μια σειρά από συχνότητες συντονισμού επαναλαμβάνεται με περίπου διπλάσια συχνότητα από την προηγούμενη. Προσδιορίστηκαν οι κατανομές ρεύματος στην επιφάνεια της κεραίας. Μελετήθηκαν περιοχές τόσο της συνολικής μετάδοσης όσο και της ολικής ανάκλασης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.
Εικόνα 18 - Δέντρο Cayley 6ης τάξης
4 .1.2 Κεραία πολυμέσων
Η μικρογραφία προχωρά σε όλο τον πλανήτη με άλματα και όρια. Η έλευση υπολογιστών σε μέγεθος κόκκου φασολιού είναι προ των πυλών, αλλά στο μεταξύ, η εταιρεία Fractus φέρνει στην προσοχή μας μια κεραία της οποίας οι διαστάσεις είναι μικρότερες από έναν κόκκο ρυζιού (Εικόνα 19).
Εικόνα 19 - Κεραία φράκταλ
Το νέο προϊόν, που ονομάζεται Micro Reach Xtend, λειτουργεί σε συχνότητα 2,4 GHz και υποστηρίζει ασύρματες τεχνολογίες Wi-Fi και Bluetooth, καθώς και κάποια άλλα λιγότερο δημοφιλή πρότυπα. Η συσκευή βασίζεται σε πατενταρισμένες τεχνολογίες κεραίας φράκταλ και η έκτασή της είναι μόνο 3,7 x 2 mm. Σύμφωνα με τους προγραμματιστές, η μικροσκοπική κεραία θα επιτρέψει τη μείωση του μεγέθους των προϊόντων πολυμέσων στα οποία θα βρει τη χρήση της στο εγγύς μέλλον ή θα στριμώξει περισσότερες δυνατότητες σε μία συσκευή.
Οι τηλεοπτικοί σταθμοί εκπέμπουν σήματα στην περιοχή 50-900 MHz, τα οποία λαμβάνονται αξιόπιστα σε απόσταση πολλών χιλιομέτρων από την κεραία εκπομπής. Είναι γνωστό ότι οι δονήσεις υψηλότερων συχνοτήτων περνούν μέσα από κτίρια και διάφορα εμπόδια χειρότερα από αυτά των χαμηλών συχνοτήτων, τα οποία απλώς λυγίζουν γύρω τους. Ως εκ τούτου, η τεχνολογία Wi-Fi χρησιμοποιείται σε συμβατικά συστήματα ασύρματη επικοινωνίακαι λειτουργεί σε συχνότητες άνω των 2,4 GHz, παρέχει λήψη σήματος μόνο σε απόσταση που δεν υπερβαίνει τα 100 μ. Τέτοια αδικία απέναντι στην προηγμένη τεχνολογία Wi-Fi θα τερματιστεί σύντομα, φυσικά, χωρίς να βλάψει τους καταναλωτές της τηλεόρασης. Στο μέλλον, οι συσκευές που δημιουργούνται με βάση την τεχνολογία Wi-Fi θα λειτουργούν σε συχνότητες μεταξύ των λειτουργικών τηλεοπτικών καναλιών, αυξάνοντας έτσι το εύρος αξιόπιστης λήψης. Για να μην παρεμποδίζεται η λειτουργία της τηλεόρασης, κάθε ένα από τα συστήματα Wi-Fi (πομπός και δέκτης) θα σαρώνει συνεχώς τις κοντινές συχνότητες, αποτρέποντας συγκρούσεις στον αέρα. Όταν μετακινείστε σε ένα ευρύτερο εύρος συχνοτήτων, καθίσταται απαραίτητο να έχετε μια κεραία που να μπορεί να λαμβάνει εξίσου καλά σήματα τόσο από υψηλές όσο και από υψηλές συχνότητες. χαμηλές συχνότητες. Οι συμβατικές κεραίες μαστιγίου δεν πληρούν αυτές τις απαιτήσεις, γιατί Αυτά, ανάλογα με το μήκος τους, δέχονται επιλεκτικά συχνότητες συγκεκριμένου μήκους κύματος. Μια κεραία κατάλληλη για λήψη σημάτων σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων είναι η λεγόμενη κεραία φράκταλ, η οποία έχει το σχήμα φράκταλ - μια δομή που μοιάζει ίδια με όποια μεγέθυνση κι αν την βλέπουμε. Μια κεραία φράκταλ συμπεριφέρεται όπως θα συμπεριφερόταν μια δομή που αποτελείται από πολλές κεραίες ακίδων διαφορετικού μήκους στριμμένες μεταξύ τους.
4.1.3 «Σπασμένη» κεραία
Ο Αμερικανός μηχανικός Nathan Cohen πριν από περίπου δέκα χρόνια αποφάσισε να συγκεντρώσει έναν ερασιτεχνικό ραδιοφωνικό σταθμό στο σπίτι, αλλά συνάντησε μια απροσδόκητη δυσκολία. Το διαμέρισμά του βρισκόταν στο κέντρο της Βοστώνης και οι αρχές της πόλης απαγόρευσαν αυστηρά την τοποθέτηση κεραίας έξω από το κτίριο. Μια λύση βρέθηκε απροσδόκητα, ανατρέποντας όλη τη μετέπειτα ζωή του ραδιοερασιτέχνη.
Αντί να φτιάξει μια κεραία παραδοσιακού σχήματος, ο Cohen πήρε ένα κομμάτι αλουμινόχαρτο και το έκοψε σε σχήμα μαθηματικού αντικειμένου που είναι γνωστό ως καμπύλη Koch. Αυτή η καμπύλη, που ανακαλύφθηκε το 1904 από τη Γερμανίδα μαθηματικό Helga von Koch, είναι ένα φράκταλ, μια διακεκομμένη γραμμή που μοιάζει με μια σειρά από απείρως φθίνοντα τρίγωνα που αναπτύσσονται το ένα από το άλλο σαν την οροφή μιας κινεζικής παγόδας πολλαπλών σταδίων. Όπως όλα τα φράκταλ, αυτή η καμπύλη είναι «αυτο-όμοια», δηλαδή σε οποιοδήποτε μικρότερο τμήμα έχει την ίδια εμφάνιση, επαναλαμβανόμενη. Τέτοιες καμπύλες κατασκευάζονται με την ατελείωτη επανάληψη μιας απλής πράξης. Η γραμμή χωρίζεται σε ίσα τμήματα και σε κάθε τμήμα γίνεται μια κάμψη με τη μορφή τριγώνου (μέθοδος von Koch) ή τετραγώνου (μέθοδος Herman Minkowski). Στη συνέχεια, σε όλες τις πλευρές του σχήματος που προκύπτει, παρόμοια τετράγωνα ή τρίγωνα, αλλά μικρότερου μεγέθους, κάμπτονται με τη σειρά τους. Συνεχίζοντας την κατασκευή επ' άπειρον, μπορείτε να πάρετε μια καμπύλη που είναι «σπασμένη» σε κάθε σημείο (Εικόνα 20).
Εικόνα 20 - Κατασκευή της καμπύλης Koch και Minkowski
Κατασκευή της καμπύλης Koch - ένα από τα πρώτα φράκταλ αντικείμενα. Σε μια άπειρη ευθεία διακρίνονται τμήματα μήκους l. Κάθε τμήμα χωρίζεται σε τρία ίσα μέρη και στη μέση είναι κατασκευασμένο ένα ισόπλευρο τρίγωνο με πλευρά l/3. Στη συνέχεια, η διαδικασία επαναλαμβάνεται: τρίγωνα με πλευρές l/9 χτίζονται σε τμήματα l/3, τρίγωνα με πλευρές l/27 χτίζονται πάνω τους, κ.ο.κ. Αυτή η καμπύλη έχει αυτο-ομοιότητα ή αναλλοίωτη κλίμακα: κάθε στοιχείο της σε μειωμένη μορφή επαναλαμβάνει την ίδια την καμπύλη.
Το φράκταλ Minkowski κατασκευάζεται παρόμοια με την καμπύλη Koch και έχει τις ίδιες ιδιότητες. Κατά την κατασκευή του, αντί για ένα σύστημα τριγώνων, οι μαίανδροι είναι χτισμένοι σε μια ευθεία γραμμή - "ορθογώνια κύματα" απείρως μειούμενων μεγεθών.
Κατά την κατασκευή της καμπύλης Koch, ο Cohen περιορίστηκε μόνο σε δύο ή τρία βήματα. Στη συνέχεια κόλλησε τη φιγούρα σε ένα μικρό κομμάτι χαρτί, το προσάρτησε στον δέκτη και διαπίστωσε έκπληκτος ότι δεν λειτουργούσε χειρότερα από τις συμβατικές κεραίες. Όπως αποδείχθηκε αργότερα, η εφεύρεσή του έγινε ο ιδρυτής ενός θεμελιωδώς νέου τύπου κεραιών, τώρα μαζικής παραγωγής.
Αυτές οι κεραίες είναι πολύ συμπαγείς: η κεραία φράκταλ για ένα κινητό τηλέφωνο που είναι ενσωματωμένη στη θήκη έχει το μέγεθος μιας κανονικής ολίσθησης (24 x 36 mm). Επιπλέον, λειτουργούν σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Όλα αυτά ανακαλύφθηκαν πειραματικά. Η θεωρία των φράκταλ κεραιών δεν υπάρχει ακόμη.
Οι παράμετροι μιας κεραίας φράκταλ που γίνεται με μια σειρά διαδοχικών βημάτων χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Minkowski αλλάζουν με πολύ ενδιαφέρον τρόπο. Εάν μια ευθεία κεραία κάμπτεται σε σχήμα "τετράγωνου κύματος" - μαιάνδρου, το κέρδος της θα αυξηθεί. Όλοι οι επόμενοι μαίανδροι του κέρδους της κεραίας δεν αλλάζουν, αλλά το εύρος των συχνοτήτων που λαμβάνει επεκτείνεται και η ίδια η κεραία γίνεται πολύ πιο συμπαγής. Είναι αλήθεια ότι μόνο τα πρώτα πέντε ή έξι βήματα είναι αποτελεσματικά: για να λυγίσετε περαιτέρω τον αγωγό, θα πρέπει να μειώσετε τη διάμετρό του και αυτό θα αυξήσει την αντίσταση της κεραίας και θα οδηγήσει σε απώλεια κέρδους.
Ενώ κάποιοι ταράζουν το μυαλό τους για θεωρητικά προβλήματα, άλλοι εφαρμόζουν ενεργά την εφεύρεση στην πράξη. Σύμφωνα με τον Nathan Cohen, τώρα καθηγητή στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης και επικεφαλής τεχνικό επιθεωρητή της Fractal Antenna Systems, «σε λίγα χρόνια, οι κεραίες φράκταλ θα γίνουν αναπόσπαστο μέρος των κινητών και ραδιοφωνικών τηλεφώνων και πολλών άλλων συσκευών ασύρματης επικοινωνίας».
φράκταλ διάταξης κεραιών
4.2 Εφαρμογή κεραιών φράκταλ
Μεταξύ των πολλών σχεδίων κεραιών που χρησιμοποιούνται σήμερα στις επικοινωνίες, ο τύπος κεραίας που αναφέρεται στον τίτλο του άρθρου είναι σχετικά νέος και θεμελιωδώς διαφορετικός από τις γνωστές λύσεις. Οι πρώτες δημοσιεύσεις που εξέταζαν την ηλεκτροδυναμική των φράκταλ δομών εμφανίστηκαν στη δεκαετία του '80 του 20ου αιώνα. Είναι η αρχή πρακτική χρήσηΗ κατεύθυνση του φράκταλ στην τεχνολογία κεραιών ξεκίνησε πριν από περισσότερα από 10 χρόνια από τον Αμερικανό μηχανικό Nathan Cohen, τώρα καθηγητή στο Πανεπιστήμιο Boaon και επικεφαλής τεχνικό επιθεωρητή της εταιρείας Fractal Antenna Systems. Ζώντας στο κέντρο της Βοστώνης, προκειμένου να παρακάμψει την απαγόρευση εγκατάστασης εξωτερικών κεραιών από την κυβέρνηση της πόλης, αποφάσισε να μεταμφιέσει την κεραία ενός ερασιτεχνικού ραδιοφωνικού σταθμού σε μια διακοσμητική φιγούρα από αλουμινόχαρτο. Ως βάση, πήρε την καμπύλη Koch γνωστή στη γεωμετρία (Εικόνα 20), η περιγραφή της οποίας προτάθηκε το 1904 από τον Σουηδό μαθηματικό Niels Fabian Helge von Koch (1870-1924).
Παρόμοια έγγραφα
Η έννοια και η αρχή λειτουργίας των κεραιών εκπομπής και τα πρότυπα ακτινοβολίας τους. Υπολογισμός μεγεθών και συχνοτήτων συντονισμού για κεραίες φράκταλ. Σχεδιασμός τυπωμένης κεραίας microstrip βασισμένη στο φράκταλ Koch και 10 πρωτότυπα κεραιών συρμάτινου τύπου.
διατριβή, προστέθηκε 02/02/2015
Ανάπτυξη κεραιών φράκταλ. Μέθοδοι κατασκευής και αρχές λειτουργίας μιας κεραίας φράκταλ. Κατασκευή της καμπύλης Peano. Σχηματισμός φράκταλ ορθογώνιας σπασμένης κεραίας. Συστοιχία κεραιών διπλής ζώνης. Επιφάνειες επιλεκτικής συχνότητας φράκταλ.
διατριβή, προστέθηκε 26/06/2015
Μπλοκ διάγραμμα της μονάδας λήψης κεραιών ενεργής συστοιχίας φάσης. Υπολογισμός της σχετικής μείωσης της διέγερσης στο άκρο της κεραίας. Ενεργειακό δυναμικό των κεραιών της συστοιχίας φάσεων λήψης. Ακρίβεια ευθυγράμμισης δέσμης. Επιλογή και υπολογισμός του εκπομπού.
εργασία μαθήματος, προστέθηκε 11/08/2014
Εισαγωγή στις δραστηριότητες της Antenna-Service LLC: εγκατάσταση και θέση σε λειτουργία επίγειων και δορυφορικών συστημάτων κεραιών, σχεδιασμός τηλεπικοινωνιακών δικτύων. γενικά χαρακτηριστικάβασικές ιδιότητες και τομείς εφαρμογής δορυφορικών κεραιών.
διατριβή, προστέθηκε 18/05/2014
Τύποι και ταξινόμηση κεραιών για συστήματα κυψελωτών επικοινωνιών. Προδιαγραφέςκεραίες KP9-900. Η κύρια απώλεια απόδοσης της κεραίας βρίσκεται στη θέση λειτουργίας της συσκευής. Μέθοδοι υπολογισμού κεραιών για συστήματα κυψελωτών επικοινωνιών. Χαρακτηριστικά του μοντελιστή κεραίας ΜΜΑΝΑ.
εργασία μαθήματος, προστέθηκε 17/10/2014
Τύποι συσκευών μικροκυμάτων στα κυκλώματα διανομής συστοιχιών κεραιών. Σχεδιασμός συσκευών μικροκυμάτων με βάση τη μέθοδο αποσύνθεσης. Εργασία με το πρόγραμμα "Model-S" για αυτοματοποιημένους και παραμετρικούς τύπους σύνθεσης συσκευών μικροκυμάτων πολλαπλών στοιχείων.
δοκιμή, προστέθηκε στις 15/10/2011
Τα κύρια καθήκοντα της θεωρίας της κεραίας και τα χαρακτηριστικά αυτής της συσκευής. Οι εξισώσεις του Maxwell. Ηλεκτρικό δίπολο πεδίο σε απεριόριστο χώρο. Χαρακτηριστικά γνωρίσματακεραίες δονητή και διαφράγματος. Μέθοδοι ελέγχου του πλάτους των σχαρών.
tutorial, προστέθηκε στις 27/04/2013
Γραμμική διάταξη με κυλινδρική ελικοειδή κεραία ως καλοριφέρ. Η χρήση συστοιχιών κεραιών για τη διασφάλιση της υψηλής ποιότητας λειτουργίας της κεραίας. Σχεδιασμός διάταξης κεραιών κάθετης σάρωσης. Υπολογισμός ενός μόνο εκπομπού.
εργασία μαθήματος, προστέθηκε 28/11/2010
Μέθοδοι δημιουργίας αποδοτικές κεραίες. Γραμμική διάταξη κεραιών. Βέλτιστη κεραία ταξιδιού κυμάτων. Συντελεστής κατεύθυνσης. Επίπεδες συστοιχίες κεραιών. Εμπέδηση εισόδου του στοιχείου ακτινοβολίας. Χαρακτηριστικά και εφαρμογή σχαρών που δεν ισαπέχουν.
εργασία μαθήματος, προστέθηκε 14/08/2015
Η χρήση κεραιών τόσο για ακτινοβολία όσο και για λήψη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Υπάρχει μεγάλη ποικιλία διαφορετικών κεραιών. Σχεδιασμός γραμμικής διάταξης ράβδων διηλεκτρικών κεραιών, η οποία συναρμολογείται από διηλεκτρικές κεραίες ράβδου.
Στα μαθηματικά, τα φράκταλ είναι σύνολα που αποτελούνται από στοιχεία παρόμοια με το σύνολο ως σύνολο. Καλύτερο παράδειγμα: Αν κοιτάξετε προσεκτικά τη γραμμή μιας έλλειψης, θα γίνει ευθεία. Ένα φράκταλ – ανεξάρτητα από το πόσο κοντά κάνετε μεγέθυνση – η εικόνα θα παραμείνει σύνθετη και παρόμοια με τη γενική προβολή. Τα στοιχεία είναι διατεταγμένα με παράξενο τρόπο. Κατά συνέπεια, θεωρούμε ότι οι ομόκεντροι κύκλοι είναι το απλούστερο παράδειγμα φράκταλ. Όσο και να πλησιάζετε, εμφανίζονται νέοι κύκλοι. Υπάρχουν πολλά παραδείγματα φράκταλ. Για παράδειγμα, η Wikipedia δίνει ένα σχέδιο λάχανου Romanesco, όπου το κεφάλι του λάχανου αποτελείται από κώνους που μοιάζουν ακριβώς με το σχεδιασμένο κεφάλι του λάχανου. Οι αναγνώστες καταλαβαίνουν πλέον ότι η κατασκευή φράκταλ κεραιών δεν είναι εύκολη. Αλλά είναι ενδιαφέρον.
Γιατί χρειάζονται οι κεραίες φράκταλ;
Ο σκοπός μιας κεραίας φράκταλ είναι να πιάνει περισσότερα με λιγότερα. Στα βίντεο Western, είναι δυνατό να βρείτε ένα παραβολοειδές, όπου ο πομπός θα είναι ένα κομμάτι ταινίας φράκταλ. Ήδη κατασκευάζουν στοιχεία συσκευών μικροκυμάτων από αλουμινόχαρτο που είναι πιο αποτελεσματικά από τα συνηθισμένα. Θα σας δείξουμε πώς να ολοκληρώσετε μια κεραία φράκταλ και να αντιμετωπίσετε την αντιστοίχιση μόνο με τον μετρητή SWR. Να αναφέρουμε ότι υπάρχει ολόκληρη ιστοσελίδα, ξένη φυσικά, όπου το αντίστοιχο προϊόν προωθείται για εμπορικούς σκοπούς, δεν υπάρχουν σχέδια. Η σπιτική μας fractal κεραία είναι πιο απλή, το κύριο πλεονέκτημα είναι ότι μπορείτε να κάνετε το σχέδιο με τα χέρια σας.
Οι πρώτες φράκταλ κεραίες - αμφικωνικές - εμφανίστηκαν, σύμφωνα με βίντεο από την ιστοσελίδα fractenna.com, το 1897 από τον Oliver Lodge. Μην κοιτάς στη Wikipedia. Σε σύγκριση με ένα συμβατικό δίπολο, ένα ζεύγος τριγώνων αντί για δονητή δίνει μια διαστολή ζώνης 20%. Δημιουργώντας περιοδικές επαναλαμβανόμενες δομές, ήταν δυνατή η συναρμολόγηση μικροσκοπικών κεραιών όχι χειρότερα από τις μεγαλύτερες αντίστοιχές τους. Συχνά θα βρείτε μια αμφικωνική κεραία με τη μορφή δύο πλαισίων ή πλακών με περίεργο σχήμα.
Τελικά, αυτό θα επιτρέψει τη λήψη περισσότερων τηλεοπτικών καναλιών.
Εάν πληκτρολογήσετε ένα αίτημα στο YouTube, εμφανίζεται ένα βίντεο σχετικά με τη δημιουργία κεραιών φράκταλ. Θα καταλάβετε καλύτερα πώς λειτουργεί αν φανταστείτε το εξάκτινο αστέρι της σημαίας του Ισραήλ, η γωνία του οποίου κόπηκε μαζί με τους ώμους. Αποδείχθηκε ότι έμειναν τρεις γωνίες, δύο είχαν τη μία πλευρά στη θέση τους, η άλλη όχι. Το έκτο κόρνερ απουσιάζει εντελώς. Τώρα θα τοποθετήσουμε δύο παρόμοια αστέρια κάθετα, με κεντρικές γωνίες μεταξύ τους, σχισμές αριστερά και δεξιά, και πάνω από αυτά - ένα παρόμοιο ζευγάρι. Το αποτέλεσμα ήταν μια διάταξη κεραιών - η απλούστερη κεραία φράκταλ.
Τα αστέρια συνδέονται στις γωνίες με έναν τροφοδότη. Σε ζεύγη ανά στήλες. Το σήμα λαμβάνεται από τη γραμμή, ακριβώς στη μέση κάθε καλωδίου. Η κατασκευή συναρμολογείται με μπουλόνια σε διηλεκτρικό (πλαστικό) υπόστρωμα κατάλληλου μεγέθους. Η πλευρά του αστεριού είναι ακριβώς μια ίντσα, η απόσταση μεταξύ των γωνιών των αστεριών κάθετα (το μήκος του τροφοδότη) είναι τέσσερις ίντσες και η οριζόντια απόσταση (η απόσταση μεταξύ των δύο καλωδίων του τροφοδότη) είναι μια ίντσα. Τα αστέρια έχουν γωνίες 60 μοιρών στις κορυφές τους· τώρα ο αναγνώστης θα σχεδιάσει κάτι παρόμοιο με τη μορφή ενός προτύπου, έτσι ώστε αργότερα να μπορεί να φτιάξει μόνος του μια κεραία φράκταλ. Κάναμε ένα σκίτσο εργασίας, αλλά δεν τηρήθηκε η κλίμακα. Δεν μπορούμε να εγγυηθούμε ότι τα αστέρια βγήκαν ακριβώς, το Microsoft Paint δεν έχει μεγάλες δυνατότητες για ακριβή σχέδια. Απλώς κοιτάξτε την εικόνα για να γίνει εμφανής η δομή της φράκταλ κεραίας:
- Το καφέ ορθογώνιο δείχνει το διηλεκτρικό υπόστρωμα. Η κεραία φράκταλ που φαίνεται στο σχήμα έχει συμμετρικό σχέδιο ακτινοβολίας. Εάν ο πομπός προστατεύεται από παρεμβολές, η οθόνη τοποθετείται σε τέσσερις στύλους πίσω από το υπόστρωμα σε απόσταση μιας ίντσας. Στις συχνότητες δεν χρειάζεται να τοποθετήσετε ένα συμπαγές φύλλο μετάλλου, αρκεί ένα πλέγμα με πλευρά ενός τέταρτου της ίντσας, μην ξεχάσετε να συνδέσετε την οθόνη με την πλεξούδα καλωδίου.
- Ένας τροφοδότης με χαρακτηριστική αντίσταση 75 Ohm απαιτεί συντονισμό. Βρείτε ή φτιάξτε έναν μετασχηματιστή που μετατρέπει 300 ohms σε 75 ohms. Είναι καλύτερα να αποθηκεύσετε έναν μετρητή SWR και να επιλέξετε τις απαραίτητες παραμέτρους όχι με την αφή, αλλά χρησιμοποιώντας τη συσκευή.
- Τέσσερα αστέρια, λυγίστε από χάλκινο σύρμα. Θα καθαρίσουμε τη μόνωση του βερνικιού στη διασταύρωση με τον τροφοδότη (αν υπάρχει). Η εσωτερική τροφοδοσία της κεραίας αποτελείται από δύο παράλληλα κομμάτια σύρματος. Καλό είναι να τοποθετήσετε την κεραία σε ένα κουτί για να την προστατέψετε από τις κακές καιρικές συνθήκες.
Συναρμολόγηση κεραίας φράκταλ για ψηφιακή τηλεόραση
Αφού διαβάσετε αυτή την κριτική μέχρι το τέλος, ο καθένας μπορεί να φτιάξει κεραίες φράκταλ. Μπήκαμε τόσο βαθιά στο σχέδιο που ξεχάσαμε να μιλήσουμε για πόλωση. Υποθέτουμε ότι είναι γραμμικό και οριζόντιο. Αυτό προκύπτει από σκέψεις:
- Το βίντεο είναι προφανώς αμερικανικής προέλευσης, η κουβέντα είναι για HDTV. Επομένως, μπορούμε να υιοθετήσουμε τη μόδα της συγκεκριμένης χώρας.
- Όπως γνωρίζετε, λίγες χώρες στον πλανήτη εκπέμπουν από δορυφόρους χρησιμοποιώντας κυκλική πόλωση, μεταξύ αυτών η Ρωσική Ομοσπονδία και οι Ηνωμένες Πολιτείες. Επομένως, πιστεύουμε ότι και άλλες τεχνολογίες μετάδοσης πληροφοριών είναι παρόμοιες. Γιατί; Υπήρξε ένας Ψυχρός Πόλεμος, πιστεύουμε ότι και οι δύο χώρες επέλεξαν στρατηγικά τι και πώς να μεταφέρουν, άλλες χώρες προχώρησαν από καθαρά πρακτικούς λόγους. Η κυκλική πόλωση εισήχθη ειδικά για κατασκοπευτικούς δορυφόρους (που κινούνται συνεχώς σε σχέση με τον παρατηρητή). Ως εκ τούτου, υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι υπάρχουν ομοιότητες στις τηλεοπτικές και ραδιοφωνικές εκπομπές.
- Η δομή της κεραίας λέει ότι είναι γραμμική. Δεν υπάρχει πουθενά κυκλική ή ελλειπτική πόλωση. Επομένως - εκτός κι αν ανάμεσα στους αναγνώστες μας υπάρχουν επαγγελματίες που κατέχουν το MMANA - εάν η κεραία δεν πιάσει στην αποδεκτή θέση, περιστρέψτε 90 μοίρες στο επίπεδο του πομπού. Η πόλωση θα αλλάξει σε κατακόρυφη. Παρεμπιπτόντως, πολλοί θα μπορούν να πιάσουν FM εάν οι διαστάσεις είναι 4 φορές μεγαλύτερες. Είναι καλύτερα να πάρετε ένα παχύτερο σύρμα (για παράδειγμα, 10 mm).
Ελπίζουμε να εξηγήσαμε στους αναγνώστες πώς να χρησιμοποιούν μια κεραία φράκταλ. Μερικές συμβουλές για εύκολη συναρμολόγηση. Προσπαθήστε λοιπόν να βρείτε σύρμα με βερνικωμένη προστασία. Λυγίστε τα σχήματα όπως φαίνεται στην εικόνα. Στη συνέχεια, οι σχεδιαστές αποκλίνουν, συνιστούμε να το κάνετε αυτό:
- Απογυμνώστε τα αστέρια και τα καλώδια τροφοδοσίας στα σημεία διασταύρωσης. Στερεώστε τα καλώδια τροφοδοσίας από τα αυτιά με μπουλόνια στο πίσω μέρος στα μεσαία μέρη. Για να εκτελέσετε σωστά τη δράση, μετρήστε μια ίντσα εκ των προτέρων και σχεδιάστε δύο παράλληλες γραμμές με ένα μολύβι. Θα πρέπει να υπάρχουν καλώδια κατά μήκος τους.
- Συγκολλήστε μια ενιαία κατασκευή, ελέγχοντας προσεκτικά τις αποστάσεις. Οι συντάκτες του βίντεο συνιστούν να φτιάξετε τον πομπό έτσι ώστε τα αστέρια να ξαπλώνουν επίπεδα στους τροφοδότες με τις γωνίες τους και να ακουμπούν με τα αντίθετα άκρα τους στην άκρη του υποστρώματος (το καθένα σε δύο σημεία). Για ένα κατά προσέγγιση αστέρι, οι τοποθεσίες σημειώνονται με μπλε χρώμα.
- Για να εκπληρώσετε την προϋπόθεση, σφίξτε κάθε αστέρι σε ένα μέρος με ένα μπουλόνι με διηλεκτρικό σφιγκτήρα (για παράδειγμα, καλώδια PVA από καμπίρ και παρόμοια). Στο σχήμα, οι θέσεις τοποθέτησης φαίνονται με κόκκινο χρώμα για ένα αστέρι. Το μπουλόνι σχεδιάζεται σχηματικά με έναν κύκλο.
Το καλώδιο τροφοδοσίας τρέχει (προαιρετικό) από αντιθετη πλευρα. Ανοίξτε τρύπες στη θέση τους. Το SWR ρυθμίζεται αλλάζοντας την απόσταση μεταξύ των καλωδίων τροφοδοσίας, αλλά σε αυτόν τον σχεδιασμό αυτή είναι μια σαδιστική μέθοδος. Συνιστούμε απλώς να μετρήσετε την αντίσταση της κεραίας. Ας σας υπενθυμίσουμε πώς γίνεται αυτό. Θα χρειαστείτε μια γεννήτρια στη συχνότητα του προγράμματος που βλέπετε, για παράδειγμα, 500 MHz, και επιπλέον ένα βολτόμετρο υψηλής συχνότητας που δεν θα εγκαταλείψει το σήμα.
Στη συνέχεια μετράται η τάση που παράγει η γεννήτρια, για την οποία συνδέεται με ένα βολτόμετρο (παραλλήλως). Συναρμολογούμε ένα διαχωριστικό αντίστασης από μια μεταβλητή αντίσταση με εξαιρετικά χαμηλή αυτοεπαγωγή και μια κεραία (το συνδέουμε σε σειρά μετά τη γεννήτρια, πρώτα την αντίσταση και μετά την κεραία). Μετράμε την τάση με ένα βολτόμετρο μεταβλητή αντίσταση, ενώ ταυτόχρονα προσαρμόζεται η βαθμολογία έως ότου οι ενδείξεις της γεννήτριας χωρίς φορτίο (βλ. σημείο παραπάνω) γίνουν διπλάσιες από τις τρέχουσες. Αυτό σημαίνει ότι η τιμή της μεταβλητής αντίστασης έχει γίνει ίση με την κυματική αντίσταση της κεραίας σε συχνότητα 500 MHz.
Είναι πλέον δυνατή η κατασκευή του μετασχηματιστή όπως απαιτείται. Είναι δύσκολο να βρείτε αυτό που χρειάζεστε στο Διαδίκτυο· για όσους θέλουν να παρακολουθούν ραδιοφωνικές εκπομπές, βρήκαμε μια έτοιμη απάντηση http://www.cqham.ru/tr.htm. Είναι γραμμένο και σχεδιασμένο στον ιστότοπο πώς να ταιριάξετε το φορτίο με ένα καλώδιο 50 Ohm. Λάβετε υπόψη ότι οι συχνότητες αντιστοιχούν στο εύρος HF, το SW ταιριάζει εν μέρει εδώ. Η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση της κεραίας διατηρείται στο εύρος των 50 – 200 Ohms. Είναι δύσκολο να πούμε πόσα θα δώσει το αστέρι. Εάν έχετε μια συσκευή στο αγρόκτημά σας για τη μέτρηση της σύνθετης αντίστασης κύματος μιας γραμμής, να σας υπενθυμίσουμε: εάν το μήκος του τροφοδότη είναι πολλαπλάσιο του τέταρτου του μήκους κύματος, η σύνθετη αντίσταση της κεραίας μεταδίδεται στην έξοδο χωρίς αλλαγές. Για μικρές και μεγάλες περιοχές, είναι αδύνατο να παρασχεθούν τέτοιες συνθήκες (θυμηθείτε ότι ειδικά οι κεραίες φράκταλ περιλαμβάνουν επίσης εκτεταμένο εύρος), αλλά για σκοπούς μέτρησης το αναφερόμενο γεγονός χρησιμοποιείται παντού.
Τώρα οι αναγνώστες γνωρίζουν τα πάντα για αυτές τις καταπληκτικές συσκευές πομποδέκτη. Ένα τόσο ασυνήθιστο σχήμα υποδηλώνει ότι η ποικιλομορφία του Σύμπαντος δεν ταιριάζει σε τυπικά όρια.
Για όσους δεν ξέρουν τι είναι και πού χρησιμοποιείται, μπορώ να πω ότι παρακολουθούν ταινίες βίντεο για φράκταλ. Και τέτοιες κεραίες χρησιμοποιούνται παντού στις μέρες μας, για παράδειγμα, σε κάθε κινητό τηλέφωνο.
Έτσι, στα τέλη του 2013, ήρθαν να μας επισκεφτούν ο πεθερός μου και η πεθερά μου και μετά η πεθερά, την παραμονή της Πρωτοχρονιάς, μας ζήτησε μια κεραία για αυτήν μικρή τηλεόραση. Ο πεθερός μου βλέπει τηλεόραση μέσω δορυφορικού πιάτου και συνήθως κάνει κάτι δικό του, αλλά η πεθερά μου ήθελε να παρακολουθεί τα προγράμματα της Πρωτοχρονιάς ήσυχα χωρίς να ενοχλεί τον πεθερό μου.
Εντάξει, της δώσαμε τη βρόχο κεραία μας (τετράγωνο 330x330 mm), μέσω της οποίας η γυναίκα μου έβλεπε μερικές φορές τηλεόραση.
Και τότε πλησίαζε η ώρα για την έναρξη των Χειμερινών Ολυμπιακών Αγώνων στο Σότσι και η γυναίκα μου είπε: Φτιάξε μια κεραία.
Δεν είναι πρόβλημα για μένα να φτιάξω άλλη κεραία, αρκεί να έχει σκοπό και νόημα. Υποσχέθηκε να το κάνει. Και τώρα ήρθε η ώρα... αλλά σκέφτηκα ότι ήταν κάπως βαρετό να σμιλεύω μια άλλη κεραία βρόχου, άλλωστε ο 21ος αιώνας είναι στην αυλή και μετά θυμήθηκα ότι οι πιο προοδευτικές στην κατασκευή κεραιών είναι οι κεραίες EH , κεραίες HZ και κεραίες φράκταλ. Έχοντας καταλάβει τι ήταν πιο κατάλληλο για την επιχείρησή μου, έβαλα σε μια κεραία φράκταλ. Ευτυχώς, έχω δει όλων των ειδών τις ταινίες για τα φράκταλ και έχω βγάλει κάθε είδους φωτογραφίες από το Διαδίκτυο πριν από πολύ καιρό. Ήθελα λοιπόν να μεταφράσω την ιδέα σε υλική πραγματικότητα.
Άλλο οι φωτογραφίες, άλλο η συγκεκριμένη υλοποίηση μιας συγκεκριμένης συσκευής. Δεν ασχολήθηκα για πολύ και αποφάσισα να φτιάξω μια κεραία με βάση ένα ορθογώνιο φράκταλ.
Έβγαλα χάλκινο σύρμα με διάμετρο περίπου 1 mm, πήρα πένσες και άρχισα να φτιάχνω πράγματα... το πρώτο έργο ήταν σε πλήρη κλίμακα χρησιμοποιώντας πολλά φράκταλ. Από συνήθεια, το έκανα για πολύ καιρό, τα κρύα βράδια του χειμώνα, τελικά το έκανα, κόλλησα ολόκληρη την επιφάνεια φράκταλ στην ινοσανίδα χρησιμοποιώντας υγρό πολυαιθυλένιο, κόλλησα απευθείας το καλώδιο, μήκους περίπου 1 m, άρχισα να δοκιμάζω.. Ωχ! Και αυτή η κεραία λάμβανε τηλεοπτικά κανάλια πολύ πιο καθαρά από μια κεραία καρέ... Έμεινα ευχαριστημένος με αυτό το αποτέλεσμα, πράγμα που σημαίνει ότι δεν ήταν μάταια που ταλαιπωρήθηκα και έτριψα κάλους ενώ λυγίζω το σύρμα σε σχήμα φράκταλ.
Πέρασε περίπου μια εβδομάδα και μου ήρθε η ιδέα ότι το μέγεθος της νέας κεραίας είναι σχεδόν το ίδιο με μια κεραία πλαισίου, δεν υπάρχει κανένα ιδιαίτερο όφελος, εκτός αν λάβετε υπόψη σας μια μικρή βελτίωση στη λήψη. Και έτσι αποφάσισα να τοποθετήσω μια νέα κεραία φράκταλ, χρησιμοποιώντας λιγότερα φράκταλ, και επομένως μικρότερο σε μέγεθος.
Φράκταλ κεραία. Πρώτη επιλογή Το Σάββατο, 02/08/2014, έβγαλα ένα μικρό κομμάτι χάλκινο σύρμα που είχε περισσέψει από την πρώτη κεραία φράκταλ και αρκετά γρήγορα, περίπου μισή ώρα, τοποθέτησα μια νέα κεραία...
Φράκταλ κεραία. Δεύτερη επιλογή Μετά κόλλησα το καλώδιο από το πρώτο και αποδείχτηκε ολοκληρωμένη συσκευή. 
Φράκταλ κεραία. Δεύτερη επιλογή με καλώδιο
Άρχισα να ελέγχω την απόδοση... Ουάου, φτου! Ναι, αυτό λειτουργεί ακόμα καλύτερα και λαμβάνει έως και 10 έγχρωμα κανάλια, κάτι που προηγουμένως δεν μπορούσε να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μια κεραία βρόχου. Το κέρδος είναι σημαντικό! Εάν προσέξετε επίσης ότι οι συνθήκες υποδοχής μου είναι εντελώς ασήμαντες: ο δεύτερος όροφος, το σπίτι μας είναι εντελώς αποκλεισμένο από το τηλεοπτικό κέντρο από πολυώροφα κτίρια, δεν υπάρχει άμεση ορατότητα, τότε το κέρδος είναι εντυπωσιακό τόσο στη λήψη όσο και σε μέγεθος.
Στο Διαδίκτυο υπάρχουν κεραίες φράκταλ που κατασκευάζονται με χάραξη σε αλουμινόχαρτο από υαλοβάμβακα... Νομίζω ότι δεν έχει σημασία τι να κάνουμε και οι διαστάσεις δεν πρέπει να τηρούνται αυστηρά για Κεραία τηλεόρασης, εντός των ορίων της εργασίας στο γόνατο.
Ο κόσμος δεν είναι χωρίς καλούς ανθρώπους:-)
Valery UR3CAH: "Καλημέρα, Egor. Νομίζω ότι αυτό το άρθρο (δηλαδή η ενότητα "Κεραίες φράκταλ: λιγότερο είναι περισσότερο") αντιστοιχεί στο θέμα του ιστότοπού σας και θα σας ενδιαφέρει:) 73!"
Ναι, φυσικά είναι ενδιαφέρον. Έχουμε ήδη αγγίξει αυτό το θέμα σε κάποιο βαθμό όταν συζητάμε τη γεωμετρία των εξαμπιμ. Και εκεί υπήρχε ένα δίλημμα με το «πακετάρισμα» του ηλεκτρικού μήκους σε γεωμετρικές διαστάσεις :-). Σας ευχαριστώ λοιπόν, Valery, πολύ για την αποστολή του υλικού.
Φράκταλ κεραίες: λιγότερο είναι περισσότερο
Τον τελευταίο μισό αιώνα, η ζωή έχει αρχίσει να αλλάζει γρήγορα. Οι περισσότεροι από εμάς αποδεχόμαστε τα επιτεύγματα σύγχρονες τεχνολογίεςδεδομένο. Συνηθίζεις πολύ γρήγορα όλα όσα κάνουν τη ζωή πιο άνετη. Σπάνια κάνει κανείς τις ερωτήσεις "Από πού προήλθε αυτό;" και "Πώς λειτουργεί;" Ένας φούρνος μικροκυμάτων ζεσταίνει το πρωινό - υπέροχο, ένα smartphone σας δίνει την ευκαιρία να μιλήσετε με άλλο άτομο - υπέροχο. Αυτό μας φαίνεται σαν μια προφανής πιθανότητα.
Αλλά η ζωή θα μπορούσε να ήταν τελείως διαφορετική εάν ένα άτομο δεν είχε αναζητήσει μια εξήγηση για τα γεγονότα που συνέβαιναν. Πάρτε για παράδειγμα τα κινητά τηλέφωνα. Θυμάστε τις αναδιπλούμενες κεραίες στα πρώτα μοντέλα; Παρενέβησαν, αύξησαν το μέγεθος της συσκευής και στο τέλος, συχνά έσπασαν. Πιστεύουμε ότι έχουν βυθιστεί στη λήθη για πάντα, και μέρος της αιτίας για αυτό είναι τα... φράκταλ.
Τα φράκταλ μοτίβα συναρπάζουν με τα μοτίβα τους. Σίγουρα μοιάζουν με εικόνες κοσμικών αντικειμένων - νεφελώματα, σμήνη γαλαξιών και ούτω καθεξής. Είναι επομένως πολύ φυσικό ότι όταν ο Mandelbrot εξέφρασε τη θεωρία του για τα φράκταλ, η έρευνά του προκάλεσε αυξημένο ενδιαφέρον μεταξύ εκείνων που σπούδασαν αστρονομία. Ένας από αυτούς τους ερασιτέχνες ονόματι Nathan Cohen, αφού παρακολούθησε μια διάλεξη του Benoit Mandelbrot στη Βουδαπέστη, πήρε την ιδέα Πρακτική εφαρμογηαποκτηθείσα γνώση. Είναι αλήθεια ότι το έκανε αυτό διαισθητικά και η τύχη έπαιξε σημαντικό ρόλο στην ανακάλυψή του. Ως ραδιοερασιτέχνης, ο Nathan προσπάθησε να δημιουργήσει μια κεραία με την υψηλότερη δυνατή ευαισθησία.
Ο μόνος τρόποςη βελτίωση των παραμέτρων της κεραίας, η οποία ήταν γνωστή εκείνη την εποχή, συνίστατο στην αύξηση των γεωμετρικών της διαστάσεων. Ωστόσο, ο ιδιοκτήτης του ακινήτου στο κέντρο της Βοστώνης που νοίκιασε ο Nathan ήταν κατηγορηματικά ενάντια στην εγκατάσταση μεγάλων συσκευών στην οροφή. Στη συνέχεια, ο Nathan άρχισε να πειραματίζεται με διαφορετικά σχήματα κεραιών, προσπαθώντας να πάρει το μέγιστο αποτέλεσμα με το ελάχιστο μέγεθος. Εμπνευσμένος από την ιδέα των μορφών φράκταλ, ο Κοέν, όπως λένε, έφτιαξε τυχαία ένα από τα πιο διάσημα φράκταλ από σύρμα - τη «νιφάδα χιονιού Κοχ». Ο Σουηδός μαθηματικός Helge von Koch είχε αυτή την καμπύλη το 1904. Λαμβάνεται διαιρώντας ένα τμήμα σε τρία μέρη και αντικαθιστώντας το μεσαίο τμήμα με ένα ισόπλευρο τρίγωνο χωρίς πλευρά που συμπίπτει με αυτό το τμήμα. Ο ορισμός είναι λίγο δύσκολο να κατανοηθεί, αλλά στο σχήμα όλα είναι ξεκάθαρα και απλά.
Υπάρχουν επίσης και άλλες παραλλαγές της καμπύλης Koch, αλλά το κατά προσέγγιση σχήμα της καμπύλης παραμένει παρόμοιο.
Όταν ο Nathan συνέδεσε την κεραία με τον ραδιοφωνικό δέκτη, εξεπλάγη πολύ - η ευαισθησία αυξήθηκε δραματικά. Μετά από μια σειρά πειραμάτων, ο μελλοντικός καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης συνειδητοποίησε ότι μια κεραία κατασκευασμένη σύμφωνα με ένα μοτίβο φράκταλ έχει υψηλή απόδοση και καλύπτει πολύ μεγαλύτερο εύρος συχνοτήτων σε σύγκριση με τις κλασσικές λύσεις. Επιπλέον, το σχήμα της κεραίας με τη μορφή φράκταλ καμπύλης καθιστά δυνατή τη σημαντική μείωση των γεωμετρικών διαστάσεων. Ο Nathan Cohen κατέληξε σε ένα θεώρημα που το αποδεικνύει για τη δημιουργία ευρυζωνική κεραίααρκεί να του δώσουμε το σχήμα μιας αυτο-όμοιας καμπύλης φράκταλ.
Ο συγγραφέας κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την ανακάλυψή του και ίδρυσε μια εταιρεία για την ανάπτυξη και σχεδιασμό κεραιών φράκταλ, την Fractal Antenna Systems, πιστεύοντας δικαίως ότι στο μέλλον, χάρη στην ανακάλυψή του, τα κινητά τηλέφωνα θα μπορούν να απαλλαγούν από ογκώδεις κεραίες και να γίνουν πιο συμπαγή. Κατ' αρχήν αυτό έγινε. Είναι αλήθεια ότι μέχρι σήμερα ο Νέιθαν εμπλέκεται σε δικαστική μάχη με μεγάλες εταιρείες, ο οποίος χρησιμοποιεί παράνομα την ανακάλυψή του για να παράγει συμπαγείς συσκευές επικοινωνίας. Μερικοί διάσημοι κατασκευαστές κινητές συσκευές, όπως η Motorola, έχουν ήδη καταλήξει σε συμφωνία ειρήνης με τον εφευρέτη της κεραίας φράκταλ. Πρωτότυπη πηγή
Τον τελευταίο μισό αιώνα, η ζωή έχει αρχίσει να αλλάζει γρήγορα. Οι περισσότεροι από εμάς θεωρούμε δεδομένες τις εξελίξεις της σύγχρονης τεχνολογίας. Συνηθίζεις πολύ γρήγορα όλα όσα κάνουν τη ζωή πιο άνετη. Σπάνια κάνει κανείς τις ερωτήσεις "Από πού προήλθε αυτό;" και "Πώς λειτουργεί;" Ένας φούρνος μικροκυμάτων ζεσταίνει το πρωινό - υπέροχο, ένα smartphone σας δίνει την ευκαιρία να μιλήσετε με άλλο άτομο - υπέροχο. Αυτό μας φαίνεται σαν μια προφανής πιθανότητα.
Αλλά η ζωή θα μπορούσε να ήταν τελείως διαφορετική εάν ένα άτομο δεν είχε αναζητήσει μια εξήγηση για τα γεγονότα που συνέβαιναν. Πάρτε για παράδειγμα τα κινητά τηλέφωνα. Θυμάστε τις αναδιπλούμενες κεραίες στα πρώτα μοντέλα; Παρενέβησαν, αύξησαν το μέγεθος της συσκευής και στο τέλος, συχνά έσπασαν. Πιστεύουμε ότι έχουν βυθιστεί στη λήθη για πάντα, και μέρος της αιτίας για αυτό είναι τα... φράκταλ.
Τα φράκταλ μοτίβα συναρπάζουν με τα μοτίβα τους. Σίγουρα μοιάζουν με εικόνες κοσμικών αντικειμένων - νεφελώματα, σμήνη γαλαξιών και ούτω καθεξής. Είναι επομένως πολύ φυσικό ότι όταν ο Mandelbrot εξέφρασε τη θεωρία του για τα φράκταλ, η έρευνά του προκάλεσε αυξημένο ενδιαφέρον μεταξύ εκείνων που σπούδασαν αστρονομία.
Ένας από αυτούς τους ερασιτέχνες ονόματι Nathan Cohen, αφού παρακολούθησε μια διάλεξη του Benoit Mandelbrot στη Βουδαπέστη, εμπνεύστηκε από την ιδέα της πρακτικής εφαρμογής της αποκτηθείσας γνώσης. Είναι αλήθεια ότι το έκανε αυτό διαισθητικά και η τύχη έπαιξε σημαντικό ρόλο στην ανακάλυψή του. Ως ραδιοερασιτέχνης, ο Nathan προσπάθησε να δημιουργήσει μια κεραία με την υψηλότερη δυνατή ευαισθησία.
Ο μόνος τρόπος βελτίωσης των παραμέτρων της κεραίας, που ήταν γνωστό εκείνη την εποχή, ήταν να αυξηθούν οι γεωμετρικές της διαστάσεις. Ωστόσο, ο ιδιοκτήτης του ακινήτου στο κέντρο της Βοστώνης που νοίκιασε ο Nathan ήταν κατηγορηματικά ενάντια στην εγκατάσταση μεγάλων συσκευών στην οροφή.
Στη συνέχεια, ο Nathan άρχισε να πειραματίζεται με διαφορετικά σχήματα κεραιών, προσπαθώντας να πάρει το μέγιστο αποτέλεσμα με το ελάχιστο μέγεθος. Εμπνευσμένος από την ιδέα των μορφών φράκταλ, ο Κοέν, όπως λένε, έφτιαξε τυχαία ένα από τα πιο διάσημα φράκταλ από σύρμα - τη «νιφάδα χιονιού Κοχ».
Ο Σουηδός μαθηματικός Helge von Koch είχε αυτή την καμπύλη το 1904. Λαμβάνεται διαιρώντας ένα τμήμα σε τρία μέρη και αντικαθιστώντας το μεσαίο τμήμα με ένα ισόπλευρο τρίγωνο χωρίς πλευρά που συμπίπτει με αυτό το τμήμα. Ο ορισμός είναι λίγο δύσκολο να κατανοηθεί, αλλά στο σχήμα όλα είναι ξεκάθαρα και απλά.
Υπάρχουν επίσης και άλλες παραλλαγές της καμπύλης Koch, αλλά το κατά προσέγγιση σχήμα της καμπύλης παραμένει παρόμοιο.
Όταν ο Nathan συνέδεσε την κεραία με τον ραδιοφωνικό δέκτη, εξεπλάγη πολύ - η ευαισθησία αυξήθηκε δραματικά. Μετά από μια σειρά πειραμάτων, ο μελλοντικός καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης συνειδητοποίησε ότι μια κεραία κατασκευασμένη σύμφωνα με ένα μοτίβο φράκταλ έχει υψηλή απόδοση και καλύπτει πολύ μεγαλύτερο εύρος συχνοτήτων σε σύγκριση με τις κλασσικές λύσεις. Επιπλέον, το σχήμα της κεραίας με τη μορφή φράκταλ καμπύλης καθιστά δυνατή τη σημαντική μείωση των γεωμετρικών διαστάσεων.
Ο Nathan Cohen μάλιστα κατέληξε σε ένα θεώρημα που αποδεικνύει ότι για να δημιουργηθεί μια ευρυζωνική κεραία, αρκεί να της δοθεί το σχήμα μιας ίδιας παρόμοιας καμπύλης φράκταλ. Ο συγγραφέας κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την ανακάλυψή του και ίδρυσε μια εταιρεία για την ανάπτυξη και το σχεδιασμό κεραιών φράκταλ Fractal Antenna Systems, πιστεύοντας δικαίως ότι στο μέλλον, χάρη στην ανακάλυψή του, τα κινητά τηλέφωνα θα μπορούν να απαλλαγούν από ογκώδεις κεραίες και να γίνουν πιο συμπαγή. 
Κατ' αρχήν αυτό έγινε. Είναι αλήθεια ότι μέχρι σήμερα ο Nathan βρίσκεται σε δικαστική μάχη με μεγάλες εταιρείες που χρησιμοποιούν παράνομα την ανακάλυψή του για να παράγουν συμπαγείς συσκευές επικοινωνίας. Ορισμένοι γνωστοί κατασκευαστές κινητών συσκευών, όπως η Motorola, έχουν ήδη καταλήξει σε φιλική συμφωνία με τον εφευρέτη της κεραίας φράκταλ.
ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟ:Προβλέποντας ερωτήματα που θα προκύψουν σχετικά με αυτό το θέμα, υποθέτω ότι δεν είναι έτσι αποτελεσματική εργασίατέτοιες κεραίες. Δεν μπορείς να ξεγελάσεις τη φυσική και τη φύση. Οποιαδήποτε συστροφή και μείωση του μεγέθους της κεραίας προκαλεί μείωση της απόδοσής της. Αυτού του είδους οι κεραίες και τα συστήματα που κατασκευάζονται από αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αρκετά υψηλές συχνότητες και, εάν είναι επιθυμητό, τη σμίκρυνση τους. Αυτό χρησιμοποιείται ήδη σε κινητά τηλέφωνα, αντηχεία σε μικροκυκλώματα, πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτωνκαι ούτω καθεξής.
Δεν μπορείτε να περιμένετε υψηλή απόδοση εδώ, αλλά θα λειτουργήσουν σε περιορισμένες συνθήκες και ήδη λειτουργούν.
