Antenas fractales para televisión. Antena fractal de banda ultraancha basada en un monopolo circular. Luego, se dirigió una onda electromagnética plana a la antena fractal diseñada, y el programa calculó la propagación del campo antes y después

En matemáticas, los conjuntos se denominan fractales y consisten en elementos similares al conjunto como un todo. mejor ejemplo: Si miras de cerca la línea de la elipse, se volverá recta. Fractal, no importa cuán cerca esté, la imagen seguirá siendo compleja y similar a la vista general. Los elementos están dispuestos de una manera extraña. Por lo tanto, consideramos que los círculos concéntricos son el ejemplo más simple de un fractal. No importa qué tan cerca, aparecen nuevos círculos. Hay muchos ejemplos de fractales. Por ejemplo, Wikipedia ofrece una imagen del repollo romanesco, donde la cabeza del repollo consiste en conos, que se asemeja exactamente a una cabeza de repollo pintada. Ahora los lectores entienden que no es fácil hacer antenas fractales. Pero es interesante.

¿Por qué se necesitan antenas fractales?

El propósito de la antena fractal es atrapar más con menos víctimas. En los videos occidentales, es posible encontrar un paraboloide, donde un segmento de una cinta fractal servirá como emisor. Ya fabrican elementos de dispositivos de microondas con papel de aluminio, más eficientes que los ordinarios. Mostraremos cómo hacer una antena fractal hasta el final y trataremos la coordinación solo con un medidor SWR. Mencionamos que hay todo un sitio, por supuesto, extranjero, donde se promociona el producto correspondiente con fines comerciales, no hay sorteos. Nuestra antena fractal casera es más simple, la principal ventaja es que puedes hacer el diseño con tus propias manos.

Las primeras antenas fractales -bicónicas- aparecieron, según el video del sitio fractenna.com, en 1897 por Oliver Lodge. No busques en Wikipedia. Comparado con un dipolo convencional, un par de triángulos en lugar de un vibrador da una extensión de banda del 20%. Al crear estructuras repetitivas periódicas, fue posible ensamblar antenas en miniatura no peores que sus contrapartes grandes. A menudo encontrará una antena bicónica en forma de dos marcos o placas con formas extrañas.

Esto eventualmente permitirá que se reciban más canales de TV.

Si escribe una solicitud en YouTube, aparece un video sobre la fabricación de antenas fractales. Comprenderá mejor cómo funciona si imagina la estrella de seis puntas de la bandera israelí, en la que se cortó la esquina junto con los hombros. Resultó que quedaban tres esquinas, dos tenían un lado en su lugar, el segundo no. Falta la sexta esquina por completo. Ahora coloquemos dos estrellas similares verticalmente, con ángulos centrales entre sí, ranuras a la izquierda y a la derecha, encima de ellas: un par similar. El resultado fue un conjunto de antenas, la antena fractal más simple.

Las estrellas alrededor de las esquinas están conectadas por un alimentador. Columnas por pares. La señal se toma de la línea, exactamente en el medio de cada cable. La estructura se ensambla mediante pernos sobre un sustrato dieléctrico (plástico) del tamaño adecuado. El lado de la estrella es exactamente una pulgada, la distancia entre las esquinas de las estrellas verticalmente (la longitud del alimentador) es de cuatro pulgadas, horizontalmente (la distancia entre los dos cables del alimentador) es de una pulgada. Las estrellas tienen ángulos de 60 grados en sus vértices, ahora el lector dibujará una similar en forma de plantilla, para luego poder hacer una antena fractal por su cuenta. Hicimos un boceto de trabajo, no se observa la escala. No podemos garantizar que las estrellas salieron exactamente, Microsoft Paint sin grandes oportunidades para hacer dibujos precisos. Basta con mirar la imagen para que el dispositivo de la antena fractal sea obvio:

1. El rectángulo marrón muestra el sustrato dieléctrico. La antena fractal que se muestra en la figura tiene un patrón de radiación simétrico. Si protege el emisor de interferencias, la pantalla se coloca en cuatro postes detrás del sustrato a una distancia de una pulgada. En frecuencias, no es necesario colocar una lámina sólida de metal, bastará con una malla de un cuarto de pulgada, no olvide conectar el blindaje a la cubierta del cable.
2. El alimentador con una impedancia característica de 75 ohmios requiere aprobación. Encuentre o fabrique un transformador que convierta 300 ohmios en 75 ohmios. Mejor abastecerse de un medidor SWR y seleccionar los parámetros deseados no al tacto, sino al dispositivo.
3. Cuatro estrellas, dobladas en alambre de cobre. Limpiamos el aislamiento de laca en el lugar de acoplamiento con el alimentador (si corresponde). El alimentador interno de la antena consta de dos piezas paralelas de alambre. Es una buena idea colocar la antena en una caja para protegerla del mal tiempo.

Montaje de una antena fractal para televisión digital

Después de leer la reseña hasta el final, cualquiera hará antenas fractales. Profundizó tan rápidamente en el diseño que se olvidaron de hablar de la polarización. Creemos que es lineal y horizontal. Esto se deriva de las consideraciones:

• El video obviamente es de origen estadounidense, estamos hablando de HDTV. Por lo tanto, podemos aceptar la moda del país especificado.
• Como sabéis, pocos estados del planeta emiten desde satélites con polarización circular, entre ellos la Federación Rusa y Estados Unidos. Por lo tanto, creemos que otras tecnologías de transferencia de información son similares. ¿Por qué? Creemos que hubo una Guerra Fría, ambos países eligieron estratégicamente qué y cómo transferir, otros países procedieron de consideraciones puramente prácticas. La polarización circular se implementa específicamente para satélites espía (que se mueven constantemente en relación con el observador). Por lo tanto, hay razones para creer que existe una similitud en la transmisión de televisión y radio.
• La estructura de la antena dice que es lineal. Simplemente no hay ningún lugar para tomar polarización circular o elíptica. Por lo tanto, a menos que nuestros lectores sean profesionales que conocen MMANA, si la antena no se engancha en la posición aceptada, gire 90 grados en el plano del radiador. La polarización cambiará a vertical. Por cierto, muchos también podrán captar FM, si las dimensiones se establecen más de 4 veces, es mejor tomar un cable más grueso (por ejemplo, 10 mm).

Esperamos haber explicado a los lectores cómo usar la antena fractal. Un par de consejos para un fácil montaje. Entonces, trate de encontrar un cable con protección barnizada. Dobla las formas como se muestra en la imagen. Entonces los constructores divergen, recomendamos hacer esto:

1. Pele las estrellas y los cables de alimentación en los puntos de acoplamiento. Fije los cables de alimentación por las orejas con pernos en el sustrato en las partes medias. Para realizar la acción correctamente, mida una pulgada de antemano y dibuje dos líneas paralelas con un lápiz. Los cables deben estar a lo largo de ellos.
2. Suelde una sola estructura, verificando cuidadosamente las distancias. Los autores del video recomiendan hacer un emisor para que las estrellas queden planas sobre los alimentadores con sus esquinas, y los extremos opuestos descansen en el borde del sustrato (cada uno en dos lugares). Para una estrella ejemplar, los lugares estaban marcados en azul.
3. Para cumplir con la condición, tire de cada estrella en un lugar con un perno con una abrazadera dieléctrica (por ejemplo, cables de PVA de batista y similares). En la figura, los puntos de unión se muestran en rojo para una estrella. El perno se dibuja esquemáticamente como un círculo.

El cable de alimentación va (opcionalmente) con reverso. Haz agujeros en su lugar. La SWR se ajusta cambiando la distancia entre los cables de alimentación, pero en este diseño es un método sádico. Recomendamos simplemente medir la impedancia de la antena. Recuerda cómo se hace esto. Necesitarás un generador para la frecuencia del programa que estás viendo, por ejemplo, 500 MHz, además, un voltímetro de alta frecuencia que no ahorre frente a la señal.

Luego se mide el voltaje producido por el generador, para lo cual se cierra a un voltímetro (en paralelo). A partir de una resistencia variable con una autoinducción extremadamente baja y una antena, ensamblamos un divisor resistivo (conectamos en serie después del generador, primero la resistencia, luego la antena). Medimos el voltaje con un voltímetro. resistencia variable, mientras ajusta simultáneamente la clasificación hasta que las lecturas del generador sin carga (consulte el párrafo anterior) se conviertan en el doble de la corriente. Esto significa que el valor de la resistencia variable se ha vuelto igual a la impedancia de onda de la antena a una frecuencia de 500 MHz.

Ahora es posible hacer el transformador de la forma deseada. Es difícil encontrar el correcto en la red, para aquellos a quienes les gusta captar la transmisión de radio, encontraron una respuesta preparada en http://www.cqham.ru/tr.htm. El sitio dice y dibuja cómo hacer coincidir la carga con un cable de 50 ohmios. Tenga en cuenta que las frecuencias corresponden a la banda HF, MW encaja aquí parcialmente. La impedancia característica de la antena se mantiene en el rango de 50 - 200 ohmios. Es difícil decir cuánto dará una estrella. Si hay un dispositivo en la granja para medir la impedancia de onda de la línea, recordamos: si la longitud del alimentador es un múltiplo de un cuarto de la longitud de onda, la impedancia de la antena se transmite a la salida sin cambios. Es imposible proporcionar tales condiciones para un rango pequeño y grande (recordamos que un rango extendido también está incluido en las características de las antenas fractales), pero para fines de medición, el hecho mencionado se usa en todas partes.

Los lectores ahora saben todo acerca de estos increíbles transceptores. Una forma tan inusual sugiere que la diversidad del universo no encaja en el marco típico.

El mundo no está sin buenas personas :-)
Valery UR3CAH: "Buenas tardes, Egor. Creo que este artículo (es decir, la sección "Antenas fractales: menos es mejor") corresponde al tema de su sitio y será de su interés :) 73!"
Sí, por supuesto que es interesante. Hasta cierto punto, ya hemos tocado este tema cuando discutimos la geometría de los hexabimos. Allí también había un dilema con el "empaquetado" de la longitud eléctrica en dimensiones geométricas :-). Así que muchas gracias Valery por el material enviado.
Antenas fractales: menos es mejor, pero mejor
Durante el último medio siglo, la vida ha cambiado rápidamente. La mayoría de nosotros aceptamos el logro tecnologías modernas por sentado Todo lo que te hace la vida más cómoda, te acostumbras muy rápido. Rara vez alguien hace las preguntas "¿De dónde vino esto?" ¿Y, cómo funciona?". Un horno de microondas calienta el desayuno, bueno, genial, un teléfono inteligente te permite hablar con otra persona, genial. Esto nos parece una posibilidad obvia.
Pero la vida podría ser completamente diferente si una persona no buscara una explicación para los hechos que están ocurriendo. Tomemos, por ejemplo, los teléfonos celulares. ¿Recuerdas las antenas retráctiles de los primeros modelos? Interfirieron, aumentaron el tamaño del dispositivo, al final, a menudo se rompieron. Creemos que se han hundido en el olvido para siempre, y en parte por eso... los fractales.
Los dibujos fractales fascinan con sus patrones. Definitivamente se asemejan a imágenes de objetos espaciales: nebulosas, cúmulos de galaxias, etc. Por lo tanto, es bastante natural que cuando Mandelbrot expresó su teoría de los fractales, su investigación despertó un mayor interés entre los que estudiaban astronomía. Uno de estos aficionados llamado Nathan Cohen, después de asistir a una conferencia de Benoit Mandelbrot en Budapest, se incendió con la idea aplicación práctica conocimientos adquiridos. Es cierto que lo hizo de forma intuitiva y el azar jugó un papel importante en su descubrimiento. Como radioaficionado, Nathan buscó crear una antena con la mayor sensibilidad posible.
La única forma mejorar los parámetros de la antena, que en ese momento se conocía, era aumentar sus dimensiones geométricas. Sin embargo, el propietario del apartamento de Nathan en el centro de Boston se opuso rotundamente a la instalación de grandes dispositivos en la azotea. Entonces Nathan comenzó a experimentar con varias formas de antenas, tratando de obtener el máximo resultado con el mínimo tamaño. Entusiasmado con la idea de las formas fractales, Cohen, como dicen, hizo al azar uno de los fractales más famosos con alambre: el "copo de nieve de Koch". El matemático sueco Helge von Koch ideó esta curva en 1904. Se obtiene dividiendo el segmento en tres partes y reemplazando el segmento medio por un triángulo equilátero sin lado coincidente con este segmento. La definición es un poco difícil de entender, pero la figura es clara y simple.
También hay otras variedades de la "curva de Koch", pero la forma aproximada de la curva sigue siendo similar.

Cuando Nathan conectó la antena al receptor de radio, se sorprendió mucho: la sensibilidad aumentó drásticamente. Después de una serie de experimentos, el futuro profesor de la Universidad de Boston se dio cuenta de que una antena hecha según un patrón fractal tiene una alta eficiencia y cubre un rango de frecuencia mucho más amplio en comparación con las soluciones clásicas. Además, la forma de la antena en forma de curva fractal puede reducir significativamente las dimensiones geométricas. Nathan Cohen incluso ideó un teorema que prueba que para crear antena de banda ancha basta con darle la forma de una curva fractal autosimilar.

El autor patentó su descubrimiento y fundó la empresa para el desarrollo y diseño de antenas fractales Fractal Antenna Systems, creyendo con razón que en el futuro, gracias a su descubrimiento, los teléfonos móviles podrán deshacerse de las antenas voluminosas y volverse más compactos. Básicamente, eso es lo que pasó. Cierto, hasta el día de hoy, Nathan está en un pleito con grandes corporaciones que utilizan ilegalmente su descubrimiento para producir dispositivos de comunicación compactos. Algunos fabricantes conocidos dispositivos móviles, como Motorola, ya han llegado a un acuerdo de paz con el inventor de la antena fractal. fuente original

En los últimos años, me he enfrentado regularmente a las tareas de desarrollar módulos de microondas UWB (banda ultraancha) y unidades funcionales. Y no importa lo triste que sea para mí hablar de ello, saco casi toda la información sobre el tema de fuentes extranjeras. Sin embargo, hace algún tiempo, en busca de la información que necesitaba, me topé con uno que prometía una solución a todos mis problemas. Quiero hablar sobre cómo la solución de problemas no funcionó.

Uno de los "dolores de cabeza" constantes en el desarrollo de dispositivos de microondas UWB es el desarrollo de antenas UWB, que deben tener un conjunto de propiedades específicas. Entre estas propiedades se encuentran las siguientes:

1. Coordinación en la banda de frecuencias de operación (por ejemplo, de 1 a 4 GHz). Sin embargo, sucede cuando es necesario pactar en el rango de frecuencias de 0,5 GHz a 5 GHz. Y aquí surge el problema de bajar de frecuencia por debajo de 1 GHz. En general, tuve la impresión de que la frecuencia de 1 GHz tiene algún tipo de poder místico: puedes acercarte a él, pero es muy difícil superarlo porque. en este caso, se viola otro requisito para la antena, a saber

2. Compacidad. Después de todo, para nadie es un secreto que ahora pocas personas necesitan una antena de bocina de guía de ondas de enormes dimensiones. Todos quieren que la antena sea pequeña, liviana y compacta para que pueda guardarse en un estuche. dispositivo portátil. Pero con la compactación de la antena, se vuelve muy difícil cumplir con el párrafo 1 de los requisitos para la antena, ya que la frecuencia mínima del rango operativo está estrechamente relacionada con el tamaño máximo de la antena. Alguien dirá que se puede hacer una antena en un dieléctrico con un alto valor de permitividad relativa... Y tendrá razón, pero esto contradice el siguiente elemento de nuestra lista, que dice que

3. La antena debe ser lo más económica posible y estar fabricada con los materiales más accesibles y económicos (por ejemplo, FR-4). Porque nadie quiere pagar mucho, mucho dinero por una antena, aunque sea tres veces brillante. Todos quieren el costo de una antena en la etapa de fabricación. placa de circuito impreso gravitó hacia cero. Porque este es nuestro mundo...

4. Hay un requisito más que surge al resolver varios problemas asociados, por ejemplo, con la ubicación de corto alcance, así como con la creación de varios sensores utilizando tecnología UWB (aquí se debe aclarar que estamos hablando aplicaciones de baja potencia donde cada dBm cuenta). Y este requisito establece que el patrón de radiación (DN) de la antena diseñada debe formarse en un solo hemisferio. ¿Para qué sirve? Para que la antena "brille" en una sola dirección, sin disipar energía preciosa en el "retorno". También mejora una serie de indicadores del sistema en el que se utiliza dicha antena.

¿Por qué estoy escribiendo todo esto..? Para que el lector inquisitivo comprenda que el desarrollador de una antena de este tipo se enfrenta a muchas restricciones y prohibiciones que debe superar heroicamente o ingeniosamente.

Y de repente, como revelación, aparece un artículo que promete una solución a todos los problemas anteriores (así como a los que no se mencionaron). La lectura de este artículo provoca una ligera sensación de euforia. Aunque la primera vez no comprendes del todo lo que está escrito, la palabra mágica “fractal” suena muy prometedora, porque. La geometría euclidiana ya ha agotado sus argumentos.

Retomamos el asunto con audacia y alimentamos la estructura propuesta por el autor del artículo al simulador. El simulador gime como un enfriador de computadora, mastica gigabytes de números y escupe el resultado digerido... Mirando los resultados de la simulación, te sientes como un niño engañado. Las lágrimas brotan de mis ojos, porque. nuevamente tus sueños aéreos de la infancia se encontraron con una realidad de hierro fundido. No hay acuerdo en el rango de frecuencias 0,1 GHz - 24 GHz. Incluso en el rango de 0,5 GHz - 5 GHz no hay nada similar.

Todavía hay una tímida esperanza de que no entendiste algo, hiciste algo mal ... Comienza la búsqueda del punto de inclusión, varias variaciones con la topología, pero todo en vano: ¡está muerto!

Lo más triste de esta situación es que hasta el último momento estás buscando la causa del fracaso en ti mismo. Gracias a los compañeros de la tienda, que explicaron que todo está correcto, no debería funcionar.

PD Espero que mi publicación del viernes te haya hecho sonreír.
La moraleja de la historia es esta: ¡ten cuidado!
(Y también tenía muchas ganas de escribir un ANTI-artículo sobre esto, porque me engañaron).

Lo primero que me gustaría escribir es una pequeña introducción a la historia, teoría y uso de las antenas fractales. Recientemente se han descubierto antenas fractales. Fueron inventados por primera vez por Nathan Cohen en 1988, luego publicó su investigación sobre cómo hacer una antena de TV con cables y la patentó en 1995.

La antena fractal tiene varias características únicas, como está escrito en Wikipedia:

"Una antena fractal es una antena que utiliza un diseño fractal que se repite a sí mismo para maximizar la longitud o aumentar el perímetro (en sitios internos o estructura externa) de un material que puede recibir o transmitir señales electromagnéticas dentro de un área de superficie total o volumen determinado. ."

¿Qué significa esto exactamente? Bueno, necesitas saber qué es un fractal. También de Wikipedia:

“Un fractal suele ser una forma geométrica áspera o fragmentada que se puede dividir en partes, cada una de las cuales es una copia de tamaño reducido del todo, una propiedad llamada autosimilitud”.

Por lo tanto, un fractal es una forma geométrica que se repite una y otra vez, independientemente del tamaño de las partes individuales.

Se ha descubierto que las antenas fractales son aproximadamente un 20% más eficientes que las antenas convencionales. Esto puede ser útil especialmente si desea que su antena de TV reciba video digital o de alta definición, aumente el alcance celular, el alcance de Wi-Fi, la recepción de radio FM o AM, etc.

Mayoría celulares ya hay antenas fractales. Es posible que hayas notado esto porque Celulares Ya no tenemos antenas afuera. Esto se debe a que tienen antenas fractales grabadas en la placa de circuito en su interior, lo que les permite recibir una mejor señal y captar más frecuencias, como Bluetooth, celular y Wi-Fi desde una antena.

Wikipedia:

“La respuesta de una antena fractal es marcadamente diferente de los diseños de antena tradicionales, ya que es capaz de operar con un buen desempeño en diferentes frecuencias simultáneamente. La frecuencia de las antenas estándar debe cortarse para poder recibir solo esa frecuencia. Por lo tanto, una antena fractal, a diferencia de una convencional, es un excelente diseño para aplicaciones de banda ancha y multibanda”.

El truco es diseñar tu antena fractal para que resuene en la frecuencia central específica que quieras. Esto significa que la antena se verá diferente dependiendo de lo que quieras recibir. Para hacer esto, debe aplicar las matemáticas (o una calculadora en línea).

En mi ejemplo, voy a hacer una antena simple, pero puedes hacerla más compleja. Cuanto más difícil, mejor. Usaré un carrete de alambre de núcleo sólido de 18 hebras para hacer la antena, pero puede personalizar sus propias placas de circuito para que se adapten a su estética, hacerlo más pequeño o más complejo con más resolución y resonancia.

voy a hacer una antena de tv para recibir tv digital o tv alta resolución. Estas frecuencias son más fáciles de trabajar y varían en longitud desde aproximadamente 15 cm a 150 cm para media longitud de onda. Por simplicidad y bajo costo de las piezas, lo colocaré en una antena dipolo común, captará ondas en el rango de 136-174 MHz (VHF).

Para recibir ondas UHF (400-512 MHz), puede agregar un director o reflector, pero de esta manera la recepción dependerá más de la dirección de la antena. VHF también depende de la dirección, pero en lugar de apuntar directamente a la estación de TV en el caso de una instalación de UHF, deberá configurar los oídos de VHF perpendiculares a la estación de TV. Aquí es donde debes esforzarte un poco más. Quiero que la construcción sea lo más simple posible, porque ya es algo bastante complicado.

Componentes principales:

• Superficie de montaje, por ejemplo, carcasa de plástico (20 cm x 15 cm x 8 cm)
• 6 tornillos Usé tornillos para chapa de acero
• Transformador con resistencia de 300 ohmios a 75 ohmios.
• Cable de montaje 18 AWG (0,8 mm)
• Cable coaxial RG-6 con terminaciones (y con funda de goma si la instalación es exterior)
• Aluminio cuando se utiliza un reflector. Había uno en el archivo adjunto de arriba.
• Marcador fino
• Dos pares de alicates pequeños.
• La regla no mide menos de 20 cm.
• Transportador para medición de ángulos
• Dos taladros, uno un poco más pequeño que tus tornillos.
• cortador de alambre pequeño
• Destornillador o destornillador

Nota: la parte inferior de la antena está hecha de alambre de aluminio está a la derecha en la imagen donde sobresale el transformador.

Paso 1: agregar un reflector

Monte la carcasa con el reflector debajo de la cubierta de plástico

Paso 2: Perforación de orificios e instalación de puntos de fijación

Taladre pequeños orificios para grifos en el lado opuesto del reflector en estas posiciones y coloque un tornillo conductor.

Paso 3: Mida, corte y pele los cables

Corte cuatro trozos de alambre de 20 cm y colóquelos en la caja.

Paso 4: Medición y marcado de cables

Con un marcador, marque cada 2,5 cm en el cable (habrá dobleces en estos lugares)

Paso 5: Crea Fractales

Este paso debe repetirse para cada pieza de alambre. Cada curva debe tener exactamente 60 grados, ya que haremos triángulos equiláteros para el fractal. Usé dos pares de alicates y un transportador. Cada curva está hecha en una etiqueta. Antes de hacer los pliegues, visualiza la dirección de cada uno de ellos. Use el diagrama adjunto para esto.

Paso 6: Creación de dipolos

Corta dos trozos más de alambre de al menos 15 cm de largo. Envuélvelos alrededor de los tornillos superior e inferior que van a lo largo del lado largo y luego envuélvelos hacia el centro. Luego corte el exceso de longitud.

Paso 7: Montaje de los dipolos y montaje del transformador

Fije cada uno de los fractales a los tornillos de las esquinas.

Conecte un transformador de la impedancia correcta a los dos tornillos centrales y apriételos.

Montaje completado! ¡Dale un vistazo y disfrutalo!

Paso 8: más iteraciones/experimentos

Hice algunos elementos nuevos usando la plantilla de papel de GIMP. Usé un pequeño cable de teléfono sólido. Era lo suficientemente pequeño, fuerte y maleable para doblarse en las formas complejas requeridas para la frecuencia central (554 MHz). este es el promedio señal digital UHF para canales televisión al aire en mi área.

Foto adjunta. Puede ser difícil ver los cables de cobre con poca luz contra el cartón y la cinta que lo cubre, pero se entiende la idea.

Con este tamaño, los elementos son bastante frágiles, por lo que deben manipularse con cuidado.

También agregué una plantilla png. Para imprimir el tamaño que desee, debe abrirlo en un editor de fotos como GIMP. La plantilla no es perfecta porque la hice a mano con un mouse, pero es lo suficientemente cómoda para manos humanas.

CDU 621.396

antena fractal de banda ultraancha basada en un monopolo circular

GRAMO.I. Abdrakhmanova

universidad técnica de aviación del estado de ufa,

Universidad de estudios de Trento

Anotación.El artículo considera el problema de diseñar una antena de banda ultraancha basada en tecnología fractal. Se presentan los resultados de estudios de cambios en las características de la radiación en función del valor del factor de escala.y nivel de iteración. Se ha llevado a cabo la optimización paramétrica de la geometría de la antena para el cumplimiento de los requisitos del coeficiente de reflexión. Las dimensiones de la antena desarrollada son 34 × 28 mm 2 y el rango de frecuencia de operación es 3,09 ÷ 15 GHz.

Palabras clave:comunicación por radio de banda ultraancha, tecnología fractal, antenas, coeficiente de reflexión.

abstracto:En el artículo se describe el desarrollo de una nueva antena de banda ultraancha basada en tecnología fractal. Se presentan los resultados de la investigación sobre los cambios en las características de la radiación según el valor del factor de escala y el nivel de iteración. Se aplicó la optimización paramétrica de la geometría de la antena para satisfacer los requisitos del coeficiente de reflexión. El tamaño de la antena desarrollada es de 28 × 34 mm 2 y el ancho de banda es de 3,09 ÷ 15 GHz.

palabras clave:comunicación por radio de banda ultraancha, tecnología fractal, antenas, coeficiente de reflexión.

1. Introducción

Hoy en día, los sistemas de comunicación de banda ultra ancha (UWB) son de gran interés para los desarrolladores y fabricantes de equipos de telecomunicaciones, ya que permiten la transmisión de grandes flujos de datos a alta velocidad en una banda de frecuencia ultra ancha sin necesidad de licencia. Las características de las señales transmitidas implican la ausencia de amplificadores potentes y componentes complejos de procesamiento de señales como parte de los complejos de recepción y transmisión, pero limitan el rango (5-10 m).

La falta de una base de elementos adecuada capaz de trabajar eficazmente con pulsos ultracortos dificulta la introducción masiva de la tecnología UWB.

Las antenas transceptoras son uno de los elementos clave que afectan la calidad de la transmisión/recepción de la señal. La dirección principal de las patentes y la investigación en el campo del diseño de tecnología de antenas para dispositivos UWB es la miniaturización y la reducción de los costos de producción al tiempo que se garantizan las características de frecuencia y energía requeridas, así como el uso de nuevas formas y estructuras.

Así, la geometría de la antena está construida en base a un spline con una ranura rectangular en forma de U en el centro, que permite operar en la banda UWB con la función de bloqueo. WiFi -banda, dimensiones de la antena - 45,6 × 29 mm 2. Como elemento radiante en . Se presenta una antena monopolo plana (22×22 mm 2 ) diseñada sobre la base de un elemento radiante rectangular y una estructura resonante en escalera en el reverso.

2 Planteamiento del problema

Debido a que las estructuras circulares pueden proporcionar un ancho de banda bastante amplio, simplificar el diseño, reducir el tamaño y reducir los costos de producción, este artículo propone desarrollar una antena UWB basada en un monopolo circular. Rango de frecuencia de funcionamiento requerido - 3,1 ÷ 10,6 GHz al nivel de coeficiente de reflexión de -10 dB S 11 , (Fig. 1).

Arroz. 1. Máscara requerida para reflectancia S 11

A los efectos de la miniaturización, la geometría de la antena se actualizará mediante el uso de tecnología fractal, que también permitirá estudiar la dependencia de las características de la radiación en el valor del factor de escala. δ y el nivel de iteración del fractal.

A continuación, se planteó la tarea de optimizar la antena fractal desarrollada para ampliar el rango de operación cambiando los siguientes parámetros: la longitud del conductor central (CPU) de la guía de onda coplanar (HF), la longitud del plano de tierra (GZ ) KV, la distancia "GZ KV - elemento radiante (IE)".

Se realizan modelos de antenas y experimentos numéricos en el entorno” Estudio de microondas CST.

3 Selección de geometría de antena

Como elemento básico se elige un monopolo circular cuyas dimensiones son un cuarto de la longitud de onda del rango requerido:

Dónde L ares la longitud del elemento radiante de la antena, excluyendo la CPU;Florida– frecuencia de corte más baja,Florida = F mínimo uwb = 3,1 10 9 Hz; Con es la velocidad de la luz, Con = 3 10 8 m/s 2 .

Obtenemos L ar= 24,19 mm ≈ 24 mm. Considerando que un círculo con un radio der = L ar / 2 = 12 mm, y suponiendo la longitud original de la CPUL f también igual r, obtenemos la iteración cero (Fig. 2).

Arroz. 2. Cero iteración de la antena.

Espesor del sustrato dieléctricotsy con valores de parámetrosεs = 3,38, tg δ = 0.0025 se usa como base, en la parte frontal de la cual se colocan IE, CPU y ROM . Al mismo tiempo, las distancias CPU PZ" Zv y "PZ-IE" Z h tomado igual a 0,76 mm. Los valores de otros parámetros utilizados en el proceso de simulación se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1. Parámetros de la antena ( δ = 2)

Nombre	Descripción	Fórmula	Significado
la	Longitud de la antena	2 ∙ r + si	36mm
Washington	Ancho de antena	2 ∙ r	24mm
L f	Longitud de la CPU	r+ 0,1	12,1 mm
W f	Ancho de CPU		1,66mm
LG	Longitud PZ	r-t	11,24 mm
ls	Longitud del sustrato	la + g	37mm
Ws	Ancho de respaldo	Washington+ 2 ∙ g	26mm
Gs 1	Espacio vertical del sustrato		1 milímetro
Gs 2	Espacio de respaldo horizontal		1 milímetro
Tm	espesor del metal		0,035mm
ts	Espesor del sustrato		0,76 mm
r	Radio del círculo 0ª iteración		12mm
r 1	Radio del círculo de la primera iteración	r /2	6mm
r 2	Radio del círculo 2da iteración	r 1 /2	3mm
r 3	Radio del círculo 3 iteraciones	r 2 /2	1,5mm
εs	la constante dielectrica		3,38

La antena está alimentada por una guía de onda coplanar que consta de un conductor central y el plano de tierra, SMA -conector y un puerto de guía de onda coplanar (CWP) ubicado perpendicularmente a él (Fig. 3).

Dónde eff es la permitividad efectiva:

k – integral elíptica completa de primera clase;

	(5)

La fractalidad en la construcción de una antena consiste en una forma especial de empaquetar los elementos: las siguientes iteraciones de la antena se forman colocando círculos de menor radio en los elementos de la iteración anterior. En este caso, el factor de escala δ determina cuántas veces diferirán los tamaños de las iteraciones vecinas. Este proceso para la ocasión δ = 2 se muestra en la fig. 4.

Arroz. 4. Las iteraciones primera, segunda y tercera de la antena ( δ = 2)

Entonces, la primera iteración se obtiene restando dos círculos con un radior 1 del elemento original. La segunda iteración se forma colocando círculos de metal reducidos a la mitad con un radior 2 en cada círculo de la primera iteración. La tercera iteración es similar a la primera, pero el radio esr 3 . El documento considera la disposición vertical y horizontal de los círculos.

3.1 Disposición horizontal de elementos

La dinámica del cambio en el coeficiente de reflexión según el nivel de iteración se muestra en la Fig. . 5 para δ = 2 y en la fig. 6 para δ = 3. Cada nuevo orden corresponde a una frecuencia resonante adicional. Así, la iteración cero en el rango considerado 0 ÷ 15 GHz corresponde a 4 resonancias, la primera iteración - 5, etc. En este caso, a partir de la segunda iteración, los cambios en el comportamiento de las características se vuelven menos perceptibles.

Arroz. 5. Dependencia del coeficiente de reflexión del orden de iteración ( δ = 2)

La esencia del modelado radica en el hecho de que en cada etapa, de las características consideradas, se selecciona la que se define como la más prometedora. En consecuencia, se ha introducido la siguiente regla:

Si el exceso (diferencia) en el rango donde los estantes están por encima de -10 dB es pequeño, entonces debe elegir la característica que tiene un estante más bajo en el rango operativo (por debajo de -10 dB), porque como resultado de la optimización, el el primero será eliminado, y el segundo caerá aún más bajo.

Arroz. 6. Dependencia del coeficiente de reflexión del orden de iteración ( δ = 3)

Con base en los datos recibidos y de acuerdo con esta regla para δ = 2 se selecciona la curva correspondiente a la primera iteración para δ = 3 – la segunda iteración.

A continuación, se propone investigar la dependencia del coeficiente de reflexión sobre el valor del factor de escala. Considere el cambio δ en el rango 2 ÷ 6 con el paso 1 dentro de la primera y segunda iteraciones (Fig. 7, 8).

Un comportamiento interesante de las gráficas es que, a partir de δ = 3, las características se vuelven más planas y suaves, el número de resonancias permanece constante y el crecimiento δ acompañada de un aumento de S 11 en rangos pares y disminuye en los impares.

Arroz. 7. Dependencia del coeficiente de reflexión en el factor de escala para la primera iteración ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

En este caso, para ambas iteraciones, el valor δ = 6.

Arroz. 8. Dependencia del coeficiente de reflexión en el factor de escala para la segunda iteración ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

δ = 6, ya que se caracteriza por los estantes más bajos y resonancias profundas (Fig. 9).

Arroz. 9. Comparación S 11

3.2 Disposición vertical de elementos

La dinámica del cambio en el coeficiente de reflexión dependiendo del nivel de iteración para el caso de una disposición vertical de círculos se muestra en la Fig. 10 para δ = 2 y en la fig. 11 para δ = 3.

Arroz. 10. Dependencia del coeficiente de reflexión del orden de iteración ( δ = 2)

Con base en los datos recibidos y de acuerdo con la regla para δ = 2 y δ = 3 se selecciona la curva correspondiente a la tercera iteración.

Arroz. 11. Dependencia del coeficiente de reflexión del orden de iteración ( δ = 3)

La consideración de la dependencia del coeficiente de reflexión sobre el valor del factor de escala dentro de la primera y segunda iteraciones (Fig. 12, 13) revela el valor óptimo δ = 6, como en el caso de una disposición horizontal.

Arroz. 12. Dependencia del coeficiente de reflexión en el factor de escala para la primera iteración ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

En este caso, para ambas iteraciones, el valor δ = 6, que también representanorte-múltiple fractal, y por lo tanto, quizás, debería combinar las características δ = 2 y δ = 3.

Arroz. 13. Dependencia del coeficiente de reflexión del factor de escala para la segunda iteración ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

Así, de las cuatro opciones comparadas, se eligió la curva correspondiente a la segunda iteración, δ = 6, como en el caso anterior (Fig. 14).

Arroz. 14. Comparación S 11 para las cuatro geometrías de antena consideradas

3.3 Comparación

Considerando las mejores opciones para geometrías verticales y horizontales obtenidas en los dos subapartados anteriores, se opta por la primera (Fig. 15), aunque en este caso la diferencia entre estas opciones no es tan grande. Rangos de frecuencia de funcionamiento: 3,825÷4,242 GHz y 6,969÷13,2 GHz. Además, se actualizará el diseño para desarrollar una antena que opere en todo el rango UWB.

Arroz. 15. Comparación S 11 para seleccionar la última opción

4 Optimización

Esta sección analiza la optimización de la antena en función de la segunda iteración del fractal con el valor del coeficiente δ = 6. Los parámetros variables se presentan en , y los rangos de sus cambios se encuentran en la Tabla 2.

Arroz. 20. Aspecto de la antena: a) lado frontal; b) reverso

En la fig. 20 muestra características que reflejan la dinámica del cambio S 11 paso a paso y probando la validez de cada acción posterior. La Tabla 4 muestra las frecuencias resonantes y de corte utilizadas a continuación para calcular las corrientes superficiales y el patrón de radiación.

Mesa 3. Parámetros de antena calculados

Nombre	Valor inicial, mm	Valor final, mm
∆ L f
Z h	Mesa 13,133208
6,195	27,910472
8,85	21,613615
10,6	12,503542
12,87	47,745235

La distribución de las corrientes superficiales de la antena en las frecuencias resonantes y límite del rango UWB se muestra en la Fig. . 21, y los patrones de radiación - en la fig. 22

a) 3,09 GHz b) 3,6 GHz

c) 6,195 GHz d) 8,85 GHz

e) 10,6 GHz f) 12,87 GHz

Arroz. 21. Distribución de corrientes superficiales

A) F(φ ), θ = 0°b) F(φ ), θ = 90°

V) F(θ ), φ = 0° d) F(θ ), φ = 90°

Arroz. 22. Patrones de radiación en el sistema de coordenadas polares

5 Conclusión

Este artículo presenta un nuevo método para el diseño de antenas UWB basado en el uso de tecnología fractal. Este proceso implica dos etapas. Inicialmente, la geometría de la antena se determina seleccionando el factor de escala apropiado y el nivel de iteración fractal. A continuación, se aplica la optimización paramétrica a la forma resultante a partir del estudio de la influencia de las dimensiones de los componentes clave de la antena en las características de radiación.

Se ha establecido que con un aumento en el orden de iteración, aumenta el número de frecuencias resonantes, y el aumento en el factor de escala dentro de una iteración se caracteriza por un comportamiento más plano. S 11 y constancia de resonancias (a partir de δ = 3).

La antena desarrollada proporciona una recepción de señales de alta calidad en la banda de frecuencia 3,09 ÷ 15 GHz en términos de S 11 < -10 дБ. Помимо этого антенна характеризуется малыми размерами 34×28 мм 2 , а следовательно может быть успешно применена в СШП приложениях.

6 Agradecimientos

El estudio fue apoyado por una subvención de la Unión Europea " Acción Erasmus Mundus 2”, también A. G. I. agradece al Prof. paolo rocca para una discusión útil.

Literatura

1. L. . Lizzi, G. Oliveri, P. Rocca, A. Massa. Antena plana monopolo UWB con características de muesca de banda WLAN UNII1/UNII2. Progreso en la investigación electromagnética B, vol. 25, 2010. - 277-292 págs.

2. H. Malekpoor, S. Jam. Antenas de parche en cortocircuito de banda ultraancha alimentadas por parche plegado con resonancias múltiples. Progreso en la investigación electromagnética B, vol. 44, 2012. - 309-326 págs.

3.R.A. Sadeghzaden-Sheikhan, M. Naser-Moghadasi, E. Ebadifallah, H. Rousta, M. Katouli, B.S. Virdee. Antena monopolo planar que emplea una estructura resonante en forma de escalera de plano posterior para un rendimiento de banda ultraancha. IET Microondas, Antenas y Propagación, vol. 4, edición. 9, 2010. - 1327-1335 págs.

4. Revisión de la Parte 15 de las Normas de la Comisión sobre sistemas de transmisión de banda ultraancha, Comisión Federal de Comunicaciones, FCC 02-48, 2002. - 118 p.