Lankateknologiat fraktaaliantennien valmistukseen. Kuinka tehdä antenni televisioon omilla käsillä alumiinilangasta tai kaapelista: yksinkertainen malli TV-signaalin vastaanottamiseen. Minkowskin fraktaali on rakennettu samalla tavalla kuin Koch-käyrä ja sillä on samat ominaisuudet

Ensimmäinen asia, josta haluaisin kirjoittaa, on pieni johdatus fraktaaliantennien historiaan, teoriaan ja käyttöön. Fraktaaliantennit löydettiin hiljattain. Nathan Cohen keksi ne ensimmäisen kerran vuonna 1988, sitten hän julkaisi tutkimuksensa TV-antennin tekemisestä lankasta ja patentoi sen vuonna 1995.

Fraktaaliantennilla on useita ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten Wikipediassa on kirjoitettu:

"Fraktaaliantenni on antenni, joka käyttää itse toistuvaa fraktaalimuotoilua maksimoimaan tai kasvattamaan sellaisen materiaalin pituutta tai kehää (sisäisillä alueilla tai ulkoisissa rakenteessa), joka voi vastaanottaa tai lähettää sähkömagneettisia signaaleja tietyllä kokonaispinta-alalla tai tilavuudella. .”

Mitä tämä tarkalleen ottaen tarkoittaa? No, sinun täytyy tietää, mikä fraktaali on. Myös Wikipediasta:

"Fraktaali on tyypillisesti karkea tai pirstoutunut geometrinen muoto, joka voidaan jakaa osiin, jolloin jokainen osa on pienempi kopio kokonaisuudesta - ominaisuutta, jota kutsutaan itsensä samankaltaiseksi."

Fraktaali on siis geometrinen muoto, joka toistaa itseään yhä uudelleen, riippumatta yksittäisten osien koosta.

Fraktaaliantennien on havaittu olevan noin 20 % tehokkaampia kuin perinteiset antennit. Tästä voi olla hyötyä varsinkin, jos haluat television antennin vastaanottavan digitaalista tai teräväpiirtovideota, lisäävän matkapuhelinverkon kantamaa, Wi-Fi-aluetta, FM- tai AM-radion vastaanottoa jne.

Useimmissa matkapuhelimissa on jo fraktaaliantennit. Olet ehkä huomannut tämän, koska matkapuhelimissa ei enää ole antenneja ulkopuolella. Tämä johtuu siitä, että niiden sisällä on fraktaaliantenneja, jotka on syövytetty piirilevyyn, jolloin ne voivat vastaanottaa paremman signaalin ja poimia enemmän taajuuksia, kuten Bluetooth, matkapuhelin ja Wi-Fi yhdestä antennista.

Wikipedia:

”Fraktaaliantennin vaste eroaa huomattavasti perinteisistä antennirakenteista siinä, että se pystyy toimimaan hyvällä suorituskyvyllä eri taajuuksilla samanaikaisesti. Vakioantennien taajuutta on leikattava, jotta ne pystyvät vastaanottamaan vain tämän taajuuden. Siksi fraktaaliantenni, toisin kuin perinteinen antenni, on erinomainen muotoilu laaja- ja monikaistasovelluksiin.

Temppu on suunnitella fraktaaliantennisi resonoimaan haluamallasi keskitaajuudella. Tämä tarkoittaa, että antenni näyttää erilaiselta riippuen siitä, mitä haluat saavuttaa. Tätä varten sinun on käytettävä matematiikkaa (tai verkkolaskinta).

Esimerkissäni aion tehdä yksinkertainen antenni, mutta voit tehdä siitä monimutkaisemman. Mitä monimutkaisempi sen parempi. Käytän antennin valmistukseen 18-säikeistä umpijohdintakelaa, mutta voit mukauttaa omia piirilevyjäsi esteettisimmiksi, tehdä niistä pienempiä tai monimutkaisempia suuremmalla resoluutiolla ja resonanssilla.

Aion tehdä TV-antennin vastaanottamaan digi-tv:tä tai televisiota korkea resoluutio. Näitä taajuuksia on helpompi työstää, ja niiden pituus vaihtelee noin 15 cm:stä 150 cm:iin puoliaallonpituudella. Yksinkertaisuuden ja alhaisten osien kustannusten vuoksi aion sijoittaa sen tavalliselle dipoliantennille, se sieppaa aaltoja alueella 136-174 MHz (VHF).

UHF-aaltojen (400-512 MHz) vastaanottamiseksi voit lisätä ohjaajan tai heijastimen, mutta tämä tekee vastaanotosta riippuvaisemman antennin suunnasta. VHF on myös suuntaava, mutta sen sijaan, että osoittaisit suoraan TV-asemaan UHF-asennuksessa, sinun on asennettava VHF-korvat kohtisuoraan TV-asemaan nähden. Tämä vaatii hieman enemmän vaivaa. Haluan tehdä suunnittelusta mahdollisimman yksinkertaista, koska tämä on jo melko monimutkainen asia.

Pääkomponentit:

• Asennuspinta, kuten muovikotelo (20 cm x 15 cm x 8 cm)
• 6 ruuvia. Käytin teräslevyruuveja
• Muuntaja resistanssilla 300 ohm - 75 ohmia.
• 18 AWG (0,8 mm) kiinnitysvaijeri
• RG-6 koaksiaalikaapeli päätteillä (ja kumivaipalla, jos asennus tehdään ulkona)
• Alumiinia käytettäessä heijastinta. Yllä olevassa liitteessä oli yksi.
• Hieno merkki
• Kaksi paria pieniä pihtejä
• Viivain on vähintään 20 cm.
• Kuljetin kulman mittaamiseen
• Kaksi poranterää, joista toinen on halkaisijaltaan hieman pienempi kuin ruuvisi
• Pieni lankaleikkuri
• Ruuvimeisseli tai ruuvimeisseli

Huomautus: Alumiinilanka-antennin alaosa on kuvan oikealla puolella, jossa muuntaja työntyy ulos.

Vaihe 1: Heijastimen lisääminen

Kokoa kotelo heijastimella muovikannen alle

Vaihe 2: Reikien poraaminen ja kiinnityspisteiden asentaminen

Poraa pienet ulostuloreiät heijastimen vastakkaiselle puolelle näihin kohtiin ja kiinnitä johtava ruuvi.

Vaihe 3: Mittaa, leikkaa ja kuori johdot

Leikkaa neljä 20 cm:n langanpalaa ja aseta ne vartalolle.

Vaihe 4: Johtojen mittaus ja merkintä

Merkitse langalle 2,5 cm välein (näissä kohdissa on mutkia)

Vaihe 5: Fraktaalien luominen

Tämä vaihe on toistettava jokaiselle langanpalalle. Jokaisen taivutuksen tulee olla täsmälleen 60 astetta, koska teemme fraktaalille tasasivuisia kolmioita. Käytin kahta paria pihtejä ja astelevyä. Jokainen mutka on tehty merkin päälle. Ennen kuin teet taitoksia, visualisoi niiden suunta. Käytä tähän liitteenä olevaa kaaviota.

Vaihe 6: Dipolien luominen

Leikkaa vielä kaksi vähintään 6 tuuman pituista lankapalaa. Kiedo nämä johdot ylä- ja alaruuvien ympärille pitkää sivua pitkin ja kiedo ne sitten keskiruuvien ympärille. Leikkaa sitten ylimääräinen pituus pois.

Vaihe 7: Dipolien asennus ja muuntajan asennus

Kiinnitä jokainen fraktaali kulmaruuveihin.

Kiinnitä sopivan impedanssin omaava muuntaja kahteen keskiruuviin ja kiristä ne.

Kokoonpano valmis! Katso ja nauti!

Vaihe 8: Lisää iteraatioita/kokeita

Tein joitain uusia elementtejä GIMPin paperipohjalla. Käytin pientä kiinteää puhelinjohtoa. Se oli riittävän pieni, vahva ja taipuisa taipumaan monimutkaisiin muotoihin, joita keskitaajuudella (554 MHz) tarvitaan. Tämä on keskiarvo digitaalinen signaali UHF kanaville maanpäällinen televisio alueellani.

Kuva liitteenä. Voi olla vaikea nähdä kuparilangat hämärässä pahvia ja päällä olevaa teippiä vasten, mutta ymmärrät idean.

Tässä koossa elementit ovat melko hauraita, joten niitä on käsiteltävä huolellisesti.

Olen myös lisännyt mallin png-muodossa. Jos haluat tulostaa haluamasi kokoisen, sinun on avattava se valokuvaeditorissa, kuten GIMP. Malli ei ole täydellinen, koska tein sen käsin hiirellä, mutta se on riittävän mukava ihmiskäsille.

Tässä opinnäytetyössä tutkitut lankafraktaaliantennit valmistettiin taivuttamalla lankaa painetun paperimallin mukaan. Koska lanka taivutettiin käsin pinseteillä, antennin "taivutuksen" tarkkuus oli noin 0,5 mm. Siksi tutkimukseen otettiin yksinkertaisimmat geometriset fraktaalimuodot: Kochin käyrä ja Minkowskin "kaksinapainen hyppy".

Tiedetään, että fraktaalit mahdollistavat antennien koon pienentämisen, kun taas fraktaaliantennin mittoja verrataan symmetrisen puoliaaltolineaarisen dipolin mittoihin. Opinnäytetyön jatkotutkimuksessa lankafraktaaliantenneja verrataan lineaariseen dipoliin, jonka /4-haara on 78 mm ja resonanssitaajuus 900 MHz.

Lankafraktaaliantennit Kochin käyrän perusteella

Työ tarjoaa kaavat fraktaaliantennien laskemiseen Koch-käyrän perusteella (kuva 24).

A) n= 0 b) n= 1 c) n = 2

Kuva 24 - Eri iteraatioiden Koch-käyrä n

Ulottuvuus D yleinen Koch-fraktaali lasketaan kaavalla:

Jos korvaamme Koch-käyrän vakiotaivutuskulman = 60 kaavalla (35), saadaan D = 1,262.

Kochin dipolin ensimmäisen resonanssitaajuuden riippuvuus f K fraktaaliulottuvuuden perusteella D, iteraationumerot n ja suoran dipolin resonanssitaajuus f D, jonka korkeus on sama kuin Kochin katkoviiva (ääripisteissä), määritetään kaavalla:

Kuva 24, b at n= 1 ja D= 1,262 kaavasta (36) saadaan:

f K= f D 0,816, f K = 900 MHz 0,816 = 734 MHz. (37)

Kuvassa 24 c, jossa n = 2 ja D = 1,262, saadaan kaavasta (36):

f K= f D 0,696, f K = 900 MHz 0,696 = 626 MHz. (38)

Kaavat (37) ja (38) antavat meille mahdollisuuden ratkaista käänteinen ongelma - jos haluamme fraktaaliantennien toimivan taajuudella f K = 900 MHz, silloin suorien dipolien on toimittava seuraavilla taajuuksilla:

n = 1 f D = f K / 0,816 = 900 MHz / 0,816 = 1102 MHz, (39)

n = 2 f D = f K / 0,696 = 900 MHz / 0,696 = 1293 MHz. (40)

Kuvan 22 käyrän avulla määritetään suoran dipolin /4-haarojen pituudet. Ne ovat 63,5 mm (1102 MHz) ja 55 mm (1293 MHz).

Siten Koch-käyrän perusteella tehtiin 4 fraktaaliantennia: kahdessa 4-vartisen mitat olivat 78 mm ja kahdessa pienemmät. Kuvissa 25-28 on kuvattu RK2-47-näytön kuvia, joista voidaan määrittää kokeellisesti resonanssitaajuudet.

Taulukossa 2 on yhteenveto laskennallisista ja kokeellisista tiedoista, joista käy selvästi ilmi, että teoreettiset taajuudet f T eroavat kokeellisista f E enintään 4-9%, ja tämä on melko hyvä tulos.

Kuva 25 - Näyttö RK2-47, kun mitataan antennia Koch-käyrällä iteraatiolla n = 1 ja /4-haarainen 78 mm. Resonanssitaajuus 767 MHz

Kuva 26 - Näyttö RK2-47, kun mitataan antennia, jonka Koch-käyrä iteraatio n = 1 ja /4-haara on 63,5 mm. Resonanssitaajuus 945 MHz

Kuva 27 - Näyttö RK2-47, kun mitataan antennia Koch-käyrällä iteraatiolla n = 2 ja /4-haarainen 78 mm. Resonanssitaajuus 658 MHz

Kuva 28 - Näyttö RK2-47, kun mitataan antennia Koch-käyrällä iteraatiolla n = 2 ja /4-haarainen 55 mm. Resonanssitaajuus 980 MHz

Taulukko 2 - Fraktaaliantennien laskettujen (teoreettinen fT) ja kokeellisten fE-resonanssitaajuuksien vertailu Koch-käyrän perusteella

Lankafraktaaliantennit perustuvat "kaksinapaiseen hyppyyn". Suuntakuvio

Työssä on kuvattu "kaksinapaisen hyppyn" tyyppisiä fraktaaliviivoja, mutta antennin koosta riippuen resonanssitaajuuden laskentakaavoja ei työssä anneta. Siksi resonanssitaajuudet päätettiin määrittää kokeellisesti. Ensimmäisen iteraation yksinkertaisille fraktaaliviivoille (Kuva 29, b) valmistettiin 4 antennia, joiden pituus /4-vartta oli 78 mm, puolet pituudesta ja kaksi välipituutta. 2. iteraation vaikeasti valmistettavia fraktaalilinjoja varten (kuva 29, c) valmistettiin 2 antennia, joiden 4-haarainen pituus oli 78 ja 39 mm.

Kuvassa 30 on kaikki valmistetut fraktaaliantennit. Kuva 31 näyttää kokeellisen asennuksen ulkoasun 2. iteraation "bipolaarisella hyppy" fraktaaliantennilla. Kuvat 32-37 esittävät resonanssitaajuuksien kokeellisen määrityksen.

A) n= 0 b) n= 1 c) n = 2

Kuva 29 - Minkowskin käyrän "kaksinapainen hyppy" eri iteraatioilla n

Kuva 30 - Ulkomuoto kaikki valmistetut lankafraktaaliantennit (langan halkaisijat 1 ja 0,7 mm)

Kuva 31 - Kokeellinen asennus: panoraama VSWR ja vaimennusmittari RK2-47, jossa on "bipolaarinen hyppy" -tyyppinen fraktaaliantenni, 2. iteraatio

Kuva 32 - Näyttö RK2-47, kun mitataan "bipolaarista hyppyantennia", jonka iteraatio on n = 1 ja /4-haarainen 78 mm.

Resonanssitaajuus 553 MHz

Kuva 33 - Näyttö RK2-47, kun mitataan "bipolaarista hyppyantennia", jonka iteraatio on n = 1 ja /4-haarainen 58,5 mm.

Resonanssitaajuus 722 MHz

Kuva 34 - Näyttö RK2-47, kun mitataan "kaksinapaista hyppyantennia, jonka iteraatio on n = 1 ja /4-haarainen 48 mm. Resonanssitaajuus 1012 MHz

Kuva 35 - Näyttö RK2-47, kun mitataan "bipolaarista hyppyantennia", jonka iteraatio on n = 1 ja /4-haarainen 39 mm. Resonanssitaajuus 1200 MHz

Kuva 36 - Näyttö RK2-47, kun mitataan "bipolaarista hyppyantennia", jonka iteraatio on n = 2 ja /4-haarainen 78 mm.

Ensimmäinen resonanssitaajuus on 445 MHz, toinen on 1143 MHz

Kuva 37 - Näyttö RK2-47, kun mitataan "bipolaarista hyppyantennia", jonka iteraatio n = 2 ja /4-haarainen 39 mm.

Resonanssitaajuus 954 MHz

Kuten kokeelliset tutkimukset ovat osoittaneet, jos otamme symmetrisen puoliaallon lineaaridipolin ja samanpituisen fraktaaliantennin (kuva 38), niin "bipolaarisen hyppy" -tyyppiset fraktaaliantennit toimivat pienemmällä taajuudella (50 ja 61 %) ja fraktaaliantennit Koch-käyrän muodossa toimivat 73 ja 85 % alemmilla taajuuksilla kuin lineaarisen dipolin. Siksi todellakin fraktaaliantenneja voidaan valmistaa pienempiä kokoja. Kuvassa 39 on esitetty fraktaaliantennien mitat samoilla resonanssitaajuuksilla (900-1000 MHz) verrattuna perinteisen puoliaaltodipolin varteen.

Kuva 38 - "Perinteiset" ja samanpituiset fraktaaliantennit

Kuva 39 - Antennikoot samoilla resonanssitaajuuksilla

5. Fraktaaliantennien säteilykuvioiden mittaaminen

Antennin säteilykuvioita mitataan yleensä "kaiuttomissa" kammioissa, joiden seinät absorboivat niihin tulevaa säteilyä. Tässä opinnäytetyössä mittaukset tehtiin fysiikan ja tekniikan tiedekunnan tavanomaisessa laboratoriossa ja instrumenttien ja rautatelineiden metallikoteloista heijastuva signaali toi mittauksiin jonkin verran virhettä.

Mikroaaltosignaalin lähteenä käytettiin panoraama VSWR:n omaa generaattoria ja vaimennusmittaria RK2-47. Fraktaaliantennin säteilyvastaanottimena käytettiin tasomittaria. elektromagneettinen kenttä ATT-2592, joka mahdollistaa mittaukset taajuusalueella 50 MHz - 3,5 GHz.

Alustavat mittaukset osoittivat, että symmetrisen puoliaallon lineaaridipolin säteilykuvio vääristää merkittävästi koaksiaalikaapelin ulkopuolelta tulevaa säteilyä, joka oli suoraan (ilman sovituslaitteita) kytkettynä dipoliin. Yksi tapa vaimentaa voimajohdon säteilyä on käyttää monopolia dipolin sijasta yhdessä neljän keskenään kohtisuoran /4 "vastapainon" kanssa, jotka toimivat "maana" (Kuva 40).

Kuva 40 - /4 monopoli- ja fraktaaliantenni "vastapainoilla"

Kuvissa 41 - 45 on esitetty tutkittavien antennien kokeellisesti mitatut säteilykuviot ”vastapainoilla” (säteilyn resonanssitaajuus ei käytännössä muutu siirryttäessä dipolista monopoliin). Mikroaaltosäteilyn tehovuon tiheyden mittaukset mikrowatteina neliömetriä kohti suoritettiin vaaka- ja pystytasossa 10:n välein. Mittaukset tehtiin antennin "kaukalta" vyöhykkeellä 2:n etäisyydellä.

Ensimmäinen tutkittava antenni oli suoraviivainen /4-vibraattori. Tämän antennin säteilykuviosta käy selvästi ilmi (kuva 41), että se eroaa teoreettisesta. Tämä johtuu mittausvirheistä.

Kaikkien tutkittavien antennien mittausvirheet voivat olla seuraavat:

Säteilyn heijastus metalliesineistä laboratorion sisällä;

Antennin ja vastapainojen välisen tiukan keskinäisen kohtisuoran puute;

Koaksiaalikaapelin ulkokuoresta tuleva säteily ei ole täydellinen;

Epätarkka kulma-arvojen lukema;

ATT-2592-mittarin epätarkka "kohdistus" antennissa;

Häiriöt matkapuhelimista.

Niille, jotka eivät tiedä mitä se on ja missä sitä käytetään, voin sanoa, että katsokaa videoelokuvia fraktaaleista. Ja tällaisia ​​antenneja käytetään nykyään kaikkialla, esimerkiksi jokaisessa matkapuhelimessa.

Joten vuoden 2013 lopussa anoppini ja anoppini tulivat käymään meillä, ja sitten anoppi, uudenvuodenloman aattona, pyysi meiltä antennia hänelle. pieni tv. Anoppini katsoo televisiota satelliittiantennin kautta ja tekee yleensä jotain omaa, mutta anoppi halusi katsella uudenvuoden ohjelmia hiljaa häiritsemättä anoppiani.

Ok, annoimme hänelle silmukka-antennimme (330x330 mm neliö), jonka kautta vaimoni katsoi joskus televisiota.

Ja sitten Sotšin talviolympialaisten avausaika lähestyi ja vaimoni sanoi: Tee antenni.

Minulle ei ole ongelma tehdä toinen antenni, kunhan sillä on tarkoitus ja merkitys. Hän lupasi tehdä sen. Ja nyt on sen aika... mutta ajattelin, että oli jotenkin tylsää veistää toista silmukka-antennia, onhan 2000-luku pihalla ja sitten muistin, että edistyksellisimpiä antennien rakentamisessa ovat EH-antennit , HZ-antennit ja fraktaaliantennit. Selvitettyään mikä sopisi parhaiten yritykselleni, asettuin fraktaaliantenniin. Onneksi olen nähnyt kaikenlaisia ​​elokuvia fraktaaleista ja poiminnut kaikenlaisia ​​kuvia Internetistä kauan sitten. Halusin siis kääntää idean aineelliseksi todellisuudeksi.

Valokuvat ovat yksi asia, tietyn laitteen erityinen toteutus on toinen. En vaivautunut pitkään ja päätin rakentaa antennin, joka perustuu suorakaiteen muotoiseen fraktaaliin.

Otin halkaisijaltaan noin 1 mm kuparilangan, otin pihdit ja aloin tehdä asioita... ensimmäinen projekti oli täysimittainen monien fraktaalien avulla. Tottumuksesta tein sitä pitkään, kylminä talvi-iltoina, lopulta tein sen, liimasin koko fraktaalipinnan kuitulevyyn nestemäisellä polyeteenillä, juotin suoraan kaapelin, noin 1 m pitkä, aloin yrittää.. Hups! Ja tämä antenni vastaanotti tv-kanavat paljon selkeämmin kuin kehysantenni... Olin tyytyväinen tähän tulokseen, eli ei turhaan taistellut ja hieroin kovettumia taivuttaessani lankaa fraktaalimuotoon.

Kului noin viikko ja sain käsityksen, että uusi antenni on kooltaan lähes sama kuin runkoantennin, ei siitä mitään erityistä hyötyä ole, ellei ota huomioon pientä vastaanoton parannusta. Niinpä päätin asentaa uuden fraktaaliantennin, joka käyttää vähemmän fraktaaleja ja siksi kooltaan pienempi.

Fraktaaliantenni. Ensimmäinen vaihtoehto

Lauantaina 8.2.2014 otin esiin pienen palan kuparilankaa, joka jäi yli ensimmäisestä fraktaaliantennista ja laitoin melko nopeasti, noin puolessa tunnissa, uuden antennin...

Fraktaaliantenni. Toinen vaihtoehto

Sitten juotin ensimmäisen kaapelin ja siitä tuli täydellinen laite. Fraktaaliantenni. Toinen vaihtoehto kaapelilla

Aloin tarkistaa suorituskykyä... Vau, vittu! Kyllä, tämä toimii vielä paremmin ja vastaanottaa jopa 10 kanavaa värillisenä, mitä aiemmin ei kyetty saavuttamaan silmukka-antennilla. Hyöty on merkittävä! Jos kiinnität myös huomiota siihen, että vastaanotto-oloni ovat täysin merkityksettömiä: toinen kerros, talomme on kokonaan televisiokeskuksen peitossa kerrostaloilla, ei ole suoraa näkyvyyttä, niin hyöty on vaikuttava sekä vastaanotossa että kooltaan.

Netistä löytyy folioon lasikuitua syövyttämällä tehtyjä fraktaaliantenneja... Minusta sillä ei ole väliä mitä tehdä, eikä television antennin mittoja pidä noudattaa tiukasti polvityöskentelyn rajoissa.

Maailma ei ole ilman hyviä ihmisiä :-)
Valeri UR3CAH: "Hyvää iltapäivää, Egor. Mielestäni tämä artikkeli (eli osio "Fraktaaliantennit: vähemmän on enemmän") vastaa sivustosi teemaa ja kiinnostaa sinua:) 73!
Kyllä, se on tietysti mielenkiintoista. Olemme jo käsitelleet tätä aihetta jossain määrin keskustellessamme heksabimien geometriasta. Sielläkin oli dilemma sähköisen pituuden "pakkaamisessa" geometrisiin mittoihin :-). Joten kiitos, Valeri, paljon materiaalin lähettämisestä.
Fraktaaliantennit: vähemmän on enemmän
Viimeisen puolen vuosisadan aikana elämä on alkanut muuttua nopeasti. Useimmat meistä hyväksyvät saavutukset nykyaikaiset tekniikat itsestäänselvyytenä. Kaikkeen, mikä tekee elämästä mukavampaa, tottuu hyvin nopeasti. Harvoin kukaan kysyy "Mistä tämä tuli?" ja "Kuinka se toimii?" Mikroaaltouuni lämmittää aamiaisen - hienoa, älypuhelin antaa sinulle mahdollisuuden puhua toisen henkilön kanssa - hienoa. Tämä näyttää meille ilmeiseltä mahdollisuudelta.
Mutta elämä olisi voinut olla täysin erilaista, jos ihminen ei olisi etsinyt selitystä tapahtumille. Otetaan esim. Kännykät. Muistatko sisäänvedettävät antennit ensimmäisissä malleissa? Ne häiritsivät, lisäsivät laitteen kokoa ja lopulta menivät usein rikki. Uskomme, että ne ovat vaipuneet unohduksiin ikuisiksi ajoiksi, ja osa syy tähän on... fraktaalit.
Fraktaalikuviot kiehtovat kuvioillaan. Ne muistuttavat ehdottomasti kuvia kosmisista kohteista - sumuista, galaksiklustereista ja niin edelleen. Siksi on aivan luonnollista, että kun Mandelbrot esitti fraktaalien teoriansa, hänen tutkimuksensa herätti lisääntynyttä kiinnostusta tähtitiedettä opiskelevien keskuudessa. Yksi näistä amatööreistä nimeltä Nathan Cohen, käytyään Benoit Mandelbrotin luennossa Budapestissa, sai idean. käytännön sovellus hankittua tietoa. Totta, hän teki tämän intuitiivisesti, ja sattumalla oli tärkeä rooli hänen löydöessään. Radioamatöörina Nathan pyrki luomaan antennin, jolla on mahdollisimman herkkä.
Ainoa tapa antennin parametrien parantaminen, joka tuolloin tunnettiin, koostui sen geometristen mittojen kasvattamisesta. Nathanin vuokraaman Bostonin keskustassa sijaitsevan kiinteistön omistaja vastusti kuitenkin jyrkästi suurten laitteiden asentamista katolle. Sitten Nathan alkoi kokeilla erilaisia ​​antennimuotoja yrittäen saada maksimaalisen tuloksen pienimmällä koolla. Fraktaalimuotojen idean innoittamana Cohen, kuten he sanovat, teki sattumanvaraisesti lankasta yhden kuuluisimmista fraktaaleista - "Koch-lumihiutaleen". Ruotsalainen matemaatikko Helge von Koch keksi tämän käyrän vuonna 1904. Se saadaan jakamalla segmentti kolmeen osaan ja korvaamalla keskisegmentti tasasivuisella kolmiolla ilman, että sivu osuu yhteen tämän segmentin kanssa. Määritelmä on hieman vaikea ymmärtää, mutta kuvassa kaikki on selkeää ja yksinkertaista.
Koch-käyrästä on myös muita muunnelmia, mutta käyrän likimääräinen muoto pysyy samana.

Kun Nathan liitti antennin radiovastaanottimeen, hän oli hyvin yllättynyt - herkkyys kasvoi dramaattisesti. Kokeilusarjan jälkeen tuleva Bostonin yliopiston professori tajusi, että fraktaalikuvion mukaan valmistetulla antennilla on korkea hyötysuhde ja se kattaa paljon laajemman taajuusalueen verrattuna klassisiin ratkaisuihin. Lisäksi antennin muoto fraktaalikäyrän muodossa mahdollistaa geometristen mittojen merkittävän pienentämisen. Nathan Cohen jopa keksi lauseen, joka todistaa, että luoda laajakaistainen antenni riittää, että sille annetaan itsekaltaisen fraktaalikäyrän muoto.

Kirjoittaja patentoi löytönsä ja perusti yrityksen, joka kehittää ja suunnittelee fraktaaliantenneja, Fractal Antenna Systems, uskoen oikeutetusti, että hänen löytönsä ansiosta matkapuhelimet pystyvät tulevaisuudessa pääsemään eroon isoista antenneista ja niistä tulee kompakteja. Periaatteessa näin on käynyt. Totta, tähän päivään asti Nathan käy oikeudellista taistelua suuret yritykset, joka käyttää löytöään laittomasti kompaktien viestintälaitteiden tuottamiseen. Jotkut kuuluisat valmistajat mobiililaitteet, kuten Motorola, ovat jo tehneet rauhansopimuksen fraktaaliantennin keksijän kanssa. Alkuperäinen lähde

Lähetä hyvä työsi tietokanta on yksinkertainen. Käytä alla olevaa lomaketta

Opiskelijat, jatko-opiskelijat, nuoret tutkijat, jotka käyttävät tietopohjaa opinnoissaan ja työssään, ovat sinulle erittäin kiitollisia.

Lähetetty osoitteessa http://www.allbest.ru/

Johdanto

Antenni on radiolaite, joka on suunniteltu lähettämään tai vastaanottamaan elektromagneettiset aallot. Antenni on yksi radioaaltojen lähettämiseen tai vastaanottamiseen liittyvän radiotekniikan tärkeimmistä elementeistä. Tällaisia ​​järjestelmiä ovat: radioviestintäjärjestelmät, radiolähetykset, televisio, radio-ohjaus, radioreleviestintä, tutka, radioastronomia, radionavigointi jne.

Rakenteellisesti antenni koostuu johtimista, metallipinnoista, dielektrikistä ja magnetodielektrisistä. Antennin tarkoitus on havainnollistettu radiolinkin yksinkertaistetulla kaaviolla. Hyödyllisen signaalin moduloimat ja generaattorin luomat korkeataajuiset sähkömagneettiset värähtelyt muunnetaan lähetysantennilla sähkömagneettisiksi aalloksi ja säteilevät avaruuteen. Tyypillisesti sähkömagneettisia aaltoja ei syötetä lähettimestä antenniin suoraan, vaan käyttämällä voimajohtoa (sähkömagneettisen aallon siirtolinja, syöttöjohto).

Tässä tapauksessa siihen liittyvät sähkömagneettiset aallot etenevät syöttölaitetta pitkin, jotka antenni muuntaa hajaantuneiksi vapaan tilan sähkömagneettisiksi aalloksi.

Vastaanottava antenni poimii vapaat radioaallot ja muuntaa ne kytketyiksi aalloksi, jotka syötetään syöttölaitteen kautta vastaanottimeen. Antennin käännettävyyden periaatteen mukaisesti lähetystilassa toimivan antennin ominaisuudet eivät muutu, kun tämä antenni toimii vastaanottotilassa.

Herätykseen käytetään myös antennien kaltaisia ​​laitteita sähkömagneettiset värähtelyt V erilaisia ​​tyyppejä aaltoputket ja tilavuusresonaattorit.

1. Antennien pääominaisuudet

1.1 Lyhyt tietoa antennien pääparametreista

Antennia valittaessa verrataan niiden pääominaisuuksia: toimintataajuusalue (kaistanleveys), vahvistus, säteilykuvio, tuloimpedanssi, polarisaatio. Kvantitatiivisesti antennin vahvistus Ga osoittaa, kuinka monta kertaa tietyn antennin vastaanottama signaaliteho on lisää voimaa signaali, jonka vastaanottaa yksinkertaisin antenni - puoliaaltovärähtelijä (isotrooppinen emitteri), joka on sijoitettu samaan pisteeseen avaruudessa. Vahvistus ilmaistaan ​​desibeleinä dB tai dB. On tehtävä ero yllä määritellyn vahvistuksen, jota merkitään dB tai dBd (suhteessa dipoli- tai puoliaaltovärähtelijään), ja isotrooppisen säteilijän vahvistuksen välillä, jota merkitään dBi tai dB ISO. Joka tapauksessa on tarpeen verrata samanlaisia ​​arvoja. On toivottavaa, että antenni on korkealla vahvistuksella, mutta vahvistuksen lisääminen vaatii yleensä sen suunnittelun ja mittojen monimutkaisuuden lisäämistä. Ei ole olemassa yksinkertaisia ​​pienikokoisia antenneja, joilla on suuri vahvistus. Antennin säteilykuvio (RP) osoittaa, kuinka antenni vastaanottaa signaaleja eri suuntiin. Tässä tapauksessa on tarpeen ottaa huomioon antennikuvio sekä vaaka- että pystytasossa. Omnisuuntaisilla antenneilla missä tahansa tasossa on ympyrän muotoinen kuvio, eli antenni voi vastaanottaa signaaleja kaikilta puolilta yhtäläisesti, esimerkiksi pystysuoran sauvan säteilykuvio vaakatasossa. Suunta-antennille on ominaista yhden tai useamman kuviokeilan läsnäolo, joista suurinta kutsutaan pääkeilaksi. Yleensä pääkeilan lisäksi on taka- ja sivukeiloja, joiden taso on huomattavasti pääkeilaa alhaisempi, mikä kuitenkin huonontaa antennin suorituskykyä, minkä vuoksi niiden tasoa pyritään alentamaan mahdollisimman paljon. .

Antennin tuloimpedanssiksi katsotaan hetkellisten jännitearvojen suhde signaalin virtaan antennin syöttöpisteissä. Jos signaalin jännite ja virta ovat samassa vaiheessa, suhde on todellinen arvo ja tulovastus on puhtaasti aktiivinen. Kun vaiheet siirtyvät, aktiivisen komponentin lisäksi ilmestyy reaktiivinen komponentti - induktiivinen tai kapasitiivinen riippuen siitä, onko virran vaihe jäljessä jännitteestä vai edistääkö sitä. Tuloimpedanssi riippuu vastaanotetun signaalin taajuudesta. Listattujen pääominaisuuksien lisäksi antenneilla on useita muita tärkeitä parametreja, kuten SWR (Standing Wave Ratio), ristipolarisaatiotaso, käyttölämpötila-alue, tuulikuormat jne.

1.2 Antenniluokitus

Antennit voidaan luokitella eri kriteerien mukaan: laajakaistaperiaatteen mukaan, säteilevien elementtien luonteen mukaan (antennit lineaarisilla virroilla tai vibraattoriantennit, aukon kautta lähettävät antennit - aukkoantennit, pintatahdeantennit); sen radiotekniikan tyypin mukaan, jossa antennia käytetään (radioviestinnän antennit, radiolähetykset, televisio jne.). Noudatamme alueluokitusta. Vaikka antenneja, joissa on samat (tyyppiset) säteilevät elementit, käytetään hyvin usein eri aaltoalueilla, niiden rakenne on erilainen; Myös näiden antennien parametrit ja niille asetetut vaatimukset eroavat merkittävästi.

Seuraavien aaltoalueiden antennit otetaan huomioon (alueiden nimet on annettu "Radio Regulationsin" suositusten mukaisesti; antennin syöttölaitteita koskevassa kirjallisuudessa laajalti käytetyt nimet on merkitty suluissa): myriametri (ultra) -pitkät) aallot (); kilometrin (pitkät) aallot (); hektometrin (keskimääräiset) aallot (); dekametri (lyhyet) aallot (); meterwaves(); desimetriaallot (); senttimetriaallot(); millimetrin aallot (). Viimeiset neljä kaistaa yhdistetään joskus yleisnimellä "ultra-short waves" (VHF).

1.2.1 Antennikaistat

Radioviestintä- ja lähetysmarkkinoille on viime vuosina ilmaantunut suuri määrä uusia viestintäjärjestelmiä eri tarkoituksiin erilaisilla ominaisuuksilla. Käyttäjien näkökulmasta radioviestintäjärjestelmää tai lähetysjärjestelmää valittaessa kiinnitetään ensin huomiota viestinnän (lähetyksen) laatuun sekä tämän järjestelmän (käyttäjäpäätelaitteen) helppokäyttöisyyteen, jonka määrää mitat, paino, helppokäyttöisyys ja luettelo lisätoiminnoista. Kaikki nämä parametrit määräytyvät merkittävästi tarkasteltavana olevan järjestelmän antennilaitteiden ja antennin syöttöpolun elementtien tyypistä ja rakenteesta, joita ilman radioviestintä on mahdotonta ajatella. Antennien suunnittelussa ja tehokkuudessa puolestaan ​​ratkaiseva tekijä on niiden toimintataajuus.

Hyväksytyn taajuusalueiden luokituksen mukaisesti erotetaan useita suuria antenniluokkia (ryhmiä), jotka eroavat olennaisesti toisistaan: ultra-pitkäaalto- (VLF) ja pitkän aallon (LW) antennit; keskiaaltoantennit (MF); lyhytaaltoantennit (HF); ultralyhyen aallon (VHF) antennit; mikroaaltouunin antennit.

Viime vuosien suosituimpia henkilökohtaisten viestintäpalvelujen, radio- ja televisiolähetysten tarjoamisen kannalta ovat HF-, VHF- ja mikroaaltoradiojärjestelmät, joiden antennilaitteita käsitellään seuraavassa. On huomattava, että huolimatta siitä, että antennialalla näyttää olevan mahdottomuus keksiä jotain uutta, viime vuosina on uusiin teknologioihin ja periaatteisiin perustuen tehty merkittäviä parannuksia klassisiin antenneihin ja kehitetty uusia antenneja, jotka poikkeavat olennaisesti aiemmasta. Suunnittelun, koon, perusominaisuuksien jne. jne. suhteen, mikä on johtanut nykyaikaisissa radiojärjestelmissä käytettävien antennityyppien määrän huomattavaan lisääntymiseen.

Missä tahansa radioviestintäjärjestelmässä voi olla antennilaitteita, jotka on suunniteltu vain lähettämään, lähettämään ja vastaanottamaan tai vain vastaanottamaan.

Jokaisella taajuusalueella on myös tarpeen erottaa radiolaitteiden antennijärjestelmät, joissa on suunnattu ja ei-suuntainen (kaikkisuuntainen) toiminta, mikä puolestaan ​​määräytyy laitteen tarkoituksen (viestintä, lähetys jne.) mukaan. , laitteen ratkaisemat tehtävät (ilmoitus, viestintä, lähetys jne.). d.). Yleensä antennien suuntaavuuden lisäämiseksi (säteilykuvion kaventamiseksi) voidaan käyttää antenniryhmiä, jotka koostuvat elementaarisista säteilijöistä (antenneista), jotka voivat tietyissä vaiheistuksen olosuhteissa tarjota tarvittavat muutokset antennin suunnassa. antennisäde avaruudessa (tarjoaa antennin säteilykuvion sijainnin hallintaa). Jokaisella alueella on myös mahdollista erottaa antennilaitteet, jotka toimivat vain tietyllä taajuudella (yksi taajuus tai kapeakaista), ja antennit, jotka toimivat melko laajalla taajuusalueella (laajakaista tai laajakaista).

1.3 Antenniryhmien säteily

Käytännössä usein vaaditun suuren säteilyn suuntaavuuden saavuttamiseksi voidaan käyttää heikosti suunnattujen antennien järjestelmää, kuten vibraattoreita, rakoja, aaltoputkien avoimia päitä ja muita, jotka sijaitsevat tietyllä tavalla avaruudessa ja joita virittävät vaaditut virrat. amplitudi ja vaihesuhde. Tässä tapauksessa kokonaissuunnan, varsinkin suurella määrällä säteilijöitä, määräävät pääasiassa koko järjestelmän kokonaismitat ja paljon vähemmässä määrin yksittäisten emittereiden yksittäiset suuntaominaisuudet.

Tällaisia ​​järjestelmiä ovat antenniryhmät (AR). Tyypillisesti AR on identtisistä säteilevistä elementeistä koostuva järjestelmä, joka on identtisesti suunnattu avaruudessa ja sijoitettu tietyn lain mukaan. Elementtien järjestelystä riippuen erotetaan lineaariset, pinta- ja tilavuushilat, joista yleisimmät ovat suoraviivaiset ja litteät AR:t. Joskus säteilevät elementit sijaitsevat ympyrän kaaressa tai kaarevilla pinnoilla, jotka ovat yhteneväisiä sen kohteen muodon kanssa, jolla AR sijaitsee (conformal AR).

Yksinkertaisin on lineaarinen matriisi, jossa säteilevät elementit sijaitsevat suoraa linjaa pitkin, jota kutsutaan taulukon akseliksi, yhtä etäisyydelle toisistaan ​​(equidistant array). Etäisyyttä d emitterien vaihekeskipisteiden välillä kutsutaan hilan nousuksi. Lineaarinen AR, itsenäisen merkityksensä lisäksi, on usein perusta muiden AR-tyyppien analysoinnille.

2 . Lupaavien antennirakenteiden analyysi

2.1 HF ja VHF antennit

Kuva 1 - Tukiaseman antenni

HF:ssä ja VHF-kaistat Tällä hetkellä käytössä on suuri määrä radiojärjestelmiä eri tarkoituksiin: viestintä (radiovälitys, solukko, johtoverkko, satelliitti jne.), radiolähetykset, televisiolähetykset. Suunnittelun ja ominaisuuksien mukaan kaikki näiden järjestelmien antennilaitteet voidaan jakaa kahteen pääryhmään - kiinteiden laitteiden antenneihin ja mobiililaitteiden antenneihin. Kiinteät antennit sisältävät tukiasemien antennit, vastaanottavat televisioantennit, radiovälitteisten viestintälinjojen antennit ja matkaviestinantennit sisältävät henkilökohtaisen viestinnän käyttäjäpäätelaitteiden antennit, auton antennit, puettavien (kannettavien) radioasemien antennit.

Tukiasemien antennit ovat enimmäkseen kaikkisuuntaisia ​​vaakatasossa, koska ne tarjoavat kommunikaatiota pääasiassa liikkuvien esineiden kanssa. Yleisimmin käytetyt pystypolarisaatiopiiska-antennit ovat "Ground Plane" ("GP") -tyyppisiä rakenteensa yksinkertaisuuden ja riittävän tehokkuuden vuoksi. Tällainen antenni on pystysuora sauva, jonka pituus on L, joka valitaan toiminta-aallonpituuden l mukaan ja jossa on kolme tai useampia vastapainoja, yleensä asennettuna mastoon (kuva 1).

Tappien L pituus on l/4, l/2 ja 5/8l ja vastapainot 0,25 l - 0,1 l. Antennin tuloimpedanssi riippuu vastapainon ja maston välisestä kulmasta: mitä pienempi tämä kulma (mitä enemmän vastapainoja painetaan mastoa vasten), sitä suurempi vastus. Erityisesti antennille, jonka L = l/4, saavutetaan 50 ohmin tuloimpedanssi kulmassa 30°...45°. Tällaisen antennin säteilykuvio pystytasossa on maksimissaan 30° kulmassa horisonttiin nähden. Antennin vahvistus on yhtä suuri kuin pystysuuntaisen puoliaaltodipolin vahvistus. Tässä rakenteessa tapin ja maston välillä ei kuitenkaan ole yhteyttä, mikä edellyttää lisäkäyttöä oikosulkukaapelin kaapelin pituus l/4 suojaamaan antennia ukkosmyrskyiltä ja staattiselta sähköltä.

Antenni, jonka pituus on L = l/2, ei tarvitse vastapainoja, joiden roolissa on masto, ja sen kuviointi pystytasossa painautuu enemmän horisonttiin, mikä lisää sen kantamaa. Tässä tapauksessa suurtaajuusmuuntajaa käytetään tuloimpedanssin alentamiseen, ja nastan pohja on kytketty maadoitettuun mastoon sopivan muuntajan kautta, mikä ratkaisee automaattisesti ukkossuojauksen ja staattisen sähkön ongelman. Antennin vahvistus verrattuna puoliaaltodipoliin on noin 4 dB.

Tehokkain "GP"-antenneista pitkän matkan viestintään on antenni, jonka L = 5/8l. Se on hieman pidempi kuin puoliaaltoantenni, ja syöttökaapeli on kytketty vibraattorin pohjassa olevaan sovitusinduktanssiin. Vastapainot (vähintään 3) sijaitsevat vaakatasossa. Tällaisen antennin vahvistus on 5-6 dB, maksimi DP sijaitsee 15°:n kulmassa vaakatasoon nähden ja itse nasta on maadoitettu mastoon sopivan kelan kautta. Nämä antennit ovat kapeampia kuin puoliaaltoantennit ja vaativat siksi huolellisempaa viritystä.

Kuva 2 - Puoliaaltovärähtelyantenni

Kuva 3 - Puoliaaltovärähtelijän rombinen antenni

Useimmat perusantennit asennetaan kattoille, mikä voi vaikuttaa suuresti niiden suorituskykyyn, joten seuraavat asiat on otettava huomioon:

On suositeltavaa sijoittaa antennialusta vähintään 3 metrin päähän kattotasosta;

Antennin lähellä ei saa olla metalliesineitä tai rakenteita ( television antennit, johdot jne.);

On suositeltavaa asentaa antennit mahdollisimman korkealle;

Antennin toiminnan ei pitäisi häiritä muita tukiasemia.

Merkittävä rooli vakaan radioviestinnän muodostamisessa on vastaanotetun (lähetetyn) signaalin polarisaatiolla; koska pitkän matkan leviämisessä pinta-aalto kokee huomattavasti vähemmän vaimennusta vaakapolarisaatiolla, sitten pitkän matkan radioviestinnässä sekä televisiolähetyksessä käytetään vaakapolarisaatiolla varustettuja antenneja (vibraattorit sijaitsevat vaakasuorassa).

Yksinkertaisin suunta-antenneista on puoliaaltovärähtelijä. Symmetrisessä puoliaaltovärähtelijässä sen kahden identtisen varren kokonaispituus on suunnilleen l/2 (0,95 l/2), säteilykuvio on kahdeksan muotoinen vaakatasossa ja ympyrän muotoinen pystytasossa. kone. Vahvistus, kuten edellä mainittiin, otetaan mittayksiköksi.

Jos tällaisen antennin vibraattorien välinen kulma on yhtä suuri kuin b<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.

Kun kaksi V-tyyppistä antennia yhdistetään siten, että niiden kuviot summataan, saadaan rombinen antenni, jossa suuntaavuus on paljon selvempi (kuva 3).

Kun kytketään timantin yläosaan, vastapäätä tehopisteitä, kuormitusvastus Rn, joka on puolet lähettimen tehosta, saadaan kuvion takakeilan vaimeneminen 15...20 dB. Pääkeilan suunta vaakatasossa osuu diagonaaliin a. Pystytasossa pääkeila on suunnattu vaakasuoraan.

Yksi parhaista suhteellisen yksinkertaisista suunta-antenneista on "kaksoisneliö" silmukkaantenni, jonka vahvistus on 8...9 dB, kuvion takakeilan vaimennus on vähintään 20 dB, polarisaatio on pystysuora.

Kuva 4 - Aaltokanava-antenni

Yleisimpiä, erityisesti VHF-alueella, ovat "aaltokanava"-tyyppiset antennit (ulkomaisessa kirjallisuudessa - Uda-Yagi-antennit), koska ne ovat melko kompakteja ja tarjoavat suuria Ga-arvoja suhteellisen pienillä mitoilla. Tämän tyyppiset antennit ovat joukko elementtejä: aktiivinen - vibraattori ja passiivinen - heijastin ja useita ohjaimia, jotka on asennettu yhteen yhteiseen puomiin (kuva 4). Tällaiset antennit, erityisesti ne, joissa on suuri määrä elementtejä, vaativat huolellista viritystä valmistuksen aikana. Kolmielementtisellä antennilla (vibraattori, heijastin ja yksi ohjaaja) perusominaisuudet voidaan saavuttaa ilman lisäkonfiguraatioita.

Tämän tyyppisten antennien monimutkaisuus johtuu myös siitä, että antennin tuloimpedanssi riippuu passiivisten elementtien lukumäärästä ja riippuu merkittävästi antennin konfiguraatiosta, minkä vuoksi kirjallisuus ei usein ilmoita antennin tarkkaa arvoa. tällaisten antennien tuloimpedanssia. Erityisesti, kun käytetään Pistolkors-silmukkavärähtelijää, jonka tuloimpedanssi on noin 300 ohmia, vibraattorina, kun passiivisten elementtien lukumäärä kasvaa, antennin tuloimpedanssi laskee ja saavuttaa arvot 30-50 Ohmia, mikä johtaa yhteensopimattomuuteen syöttölaitteen kanssa ja vaatii lisäsovitusta. Passiivielementtien määrän kasvaessa antennikuvio kapenee ja vahvistus kasvaa, esimerkiksi kolmi- ja viisielementtisten antennien vahvistukset ovat 5...6 dB ja 8...9 dB. kuvion pääpalkin leveys 70º ja 50º.

"Aaltokanava"-tyyppisiin antenneihin verrattuna laajakaistaisempia ja viritystä vaatimattomia ovat liikkuvat aaltoantennit (AWA), joissa kaikki samalla etäisyydellä toisistaan ​​sijaitsevat vibraattorit ovat aktiivisia ja kytketty keräyslinjaan (kuva 5). Niiden vastaanottama signaalienergia summautuu keräyslinjaan lähes vaiheittain ja tulee syöttöön. Tällaisten antennien vahvistus määräytyy keräyslinjan pituuden mukaan, se on verrannollinen tämän pituuden suhteeseen vastaanotetun signaalin aallonpituuteen ja riippuu vibraattoreiden suuntaominaisuuksista. Erityisesti ABC:ssä, jossa on kuusi eripituista vibraattoria, jotka vastaavat vaadittua taajuusaluetta ja sijaitsevat 60°:n kulmassa keräyslinjaan nähden, vahvistus vaihtelee toiminta-alueella 4 dB - 9 dB ja takasäteilyn taso. on 14 dB pienempi.

Kuva 5 - Liikkuvan aallon antenni

Kuva 6 - Antenni, jossa on logaritminen jaksollisuusrakenne tai logaritminen jaksollinen antenni

Tarkasteltavien antennien suuntaominaisuudet vaihtelevat vastaanotetun signaalin aallonpituuden mukaan. Yksi yleisimmistä antennityypeistä, joilla on vakiomuotoinen kuvio laajalla taajuusalueella, ovat antennit, joilla on rakenteen logaritminen jaksollisuus tai log-periodic antennas (LPA). Niillä on laaja alue: vastaanotetun signaalin maksimiaallonpituus ylittää minimin yli 10 kertaa. Samalla varmistetaan antennin hyvä yhteensopivuus syöttölaitteen kanssa koko toiminta-alueella ja vahvistus pysyy käytännössä ennallaan. LPA:n keruulinja muodostuu yleensä kahdesta päällekkäin sijaitsevasta johtimesta, joihin täryttimien varret on kiinnitetty vaakasuunnassa, yksi kerrallaan (kuva 6, ylhäältä katsottuna).

LPA-värähtelijät osoittautuvat piirretyiksi tasakylkiseen kolmioon, jonka kulma on kärjessä b ja kanta, joka on yhtä suuri kuin suurin värähtelijä. Antennin toimintakaistanleveys määräytyy pisimmän ja lyhimmän vibraattorin mittojen mukaan. Logaritmiselle antennirakenteelle tulee täyttyä tietty suhde vierekkäisten värähtelijöiden pituuksien välillä sekä niiden etäisyyksien välillä rakenteen yläosaan. Tätä suhdetta kutsutaan rakennejaksoksi f:

B2? B1 = B3? B2 = A2? A1 = A3? A2=...=f

Siten värähtelijöiden koko ja etäisyys niihin kolmion kärjestä pienenevät eksponentiaalisesti. Antennin ominaisuudet määräytyvät f:n ja b:n arvojen perusteella. Mitä pienempi kulma b ja suurempi b (b on aina pienempi kuin 1), sitä suurempi on antennin vahvistus ja sitä alhaisempi on säteilykuvion taka- ja sivukeilojen taso. Kuitenkin samaan aikaan vibraattorien määrä kasvaa ja antennin mitat ja paino kasvavat. Kulman b optimiarvot valitaan välillä 3є…60є ja φ - 0,7…0,9.

Antennirakenteessa viritetään vastaanotetun signaalin aallonpituudesta riippuen useita vibraattoreita, joiden mitat ovat lähinnä puolta signaalin aallonpituudesta, joten LPA on periaatteessa samanlainen kuin useita toisiinsa kytkettyjä ”aaltokanava”-antenneja joka sisältää vibraattorin, heijastimen ja ohjaimen . Tietyllä signaalin aallonpituudella vain yksi vibraattorikolmio on viritetty, ja loput ovat niin virittyneitä, etteivät ne vaikuta antennin toimintaan. Siksi LPA:n vahvistus osoittautuu pienemmäksi kuin "aaltokanava"-antennin, jossa on sama määrä elementtejä, vahvistus, mutta LPA:n kaistanleveys osoittautuu paljon leveämmäksi. Näin ollen LPA:lle, joka koostuu kymmenestä vibraattorista ja arvoista b = 45є, f = 0,84, laskettu vahvistus on 6 dB, mikä ei käytännössä muutu koko toimintataajuusalueella.

Radioreleen viestintälinjoille on erittäin tärkeää, että säteilykuvio on kapea, jotta se ei häiritse muita radioelektronisia laitteita ja varmistaa korkealaatuisen viestinnän. Kuvion kaventamiseksi käytetään laajalti antenniryhmiä (AR), jotka kaventavat kuviota eri tasoissa ja tarjoavat erilaisia ​​​​arvoja pääkeilan leveydelle. On aivan selvää, että antenniryhmän geometriset mitat ja säteilykuvion ominaisuudet riippuvat merkittävästi toimintataajuuksien alueesta - mitä korkeampi taajuus, sitä kompaktimpi ryhmä on ja sitä kapeampi säteilykuvio, ja näin ollen , sitä suurempi voitto. Samoilla taajuuksilla AR-kokojen (alkeissäteilijöiden lukumäärän) kasvaessa kuvio kapenee.

VHF-kaistaa varten käytetään usein ryhmiä, jotka koostuvat vibraattoriantenneista (silmukkavärähtelijät), joiden lukumäärä voi olla useita kymmeniä, vahvistus kasvaa 15 dB:iin ja korkeampiin ja kuvion leveys missä tahansa tasossa voidaan kaventaa 10º. Esimerkiksi 16 pystysuoraan sijoitetulle silmukkavärähtelijälle taajuusalueella 395...535 MHz kuvio kapenee pystytasossa 10º.

Pääasiallinen käyttäjäpäätelaitteissa käytetty antennityyppi on pystypolarisoidut piiska-antennit, joiden vaakatasossa on pyöreä kuvio. Näiden antennien tehokkuus on melko alhainen johtuen alhaisista vahvistusarvoista sekä ympäröivien esineiden vaikutuksesta säteilykuvioon, sekä kunnollisen maadoituksen puutteesta ja antennien geometristen mittojen rajoituksista. Jälkimmäinen edellyttää laadukasta antennin sovittamista radiolaitteen tulopiireihin. Tyypillisiä suunnittelun sovitusvaihtoehtoja ovat induktanssi jakautunut pitkin pituutta ja induktanssi antennin pohjassa. Radioviestintäalueen lisäämiseksi käytetään erityisiä, useita metrejä pitkiä pidennettyjä antenneja, joilla saavutetaan merkittävä lisäys vastaanotetun signaalin tasossa.

Tällä hetkellä on olemassa monenlaisia ​​autoantenneja, jotka vaihtelevat ulkonäöltään, muotoilultaan ja hinnaltaan. Näihin antenneihin sovelletaan tiukkoja mekaanisia, sähköisiä, toiminnallisia ja esteettisiä parametreja koskevia vaatimuksia. Parhaat tulokset viestintäalueen suhteen saavutetaan täysikokoisella antennilla, jonka pituus on l/4, mutta suuret geometriset mitat eivät aina ole käteviä, joten antennien lyhentämiseen käytetään erilaisia ​​​​menetelmiä ilman, että niiden ominaisuuksia merkittävästi heikkenevät. Tarjota matkapuhelinviestintä Autoissa voidaan käyttää mikroliuskaresonanssiantenneja (yksi-, kaksi- ja kolmikaistaisia), jotka eivät vaadi ulkoisten osien asennusta, koska ne kiinnitetään auton lasin sisäpuolelle. Tällaiset antennit vastaanottavat ja lähettävät vertikaalisesti polarisoituja signaaleja taajuusalueella 450...1900 MHz, ja niiden vahvistus on jopa 2 dB.

2.1.1 Mikroaaltoantennien yleiset ominaisuudet

Mikroaaltoalueella on myös viime vuosina lisääntynyt sekä aiemmin olemassa olevien että vasta kehitettyjen viestintä- ja lähetysjärjestelmien määrä. Maanpäällisille järjestelmille - nämä ovat radiovälitteiset viestintäjärjestelmät, radio- ja televisiolähetykset, solukkotelevisiojärjestelmät jne., satelliittijärjestelmät - suora televisiolähetys, puhelin, faksi, henkilöhakuviestintä, videoneuvottelut, Internet-yhteys jne. Tällaisissa viestinnässä ja lähetyksissä käytettävät taajuusalueet vastaavat tähän tarkoitukseen varattuja taajuusspektrin osia, joista tärkeimmät ovat: 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. Joskus teknisessä kirjallisuudessa mikroaaltoalue sisältää järjestelmiä, jotka toimivat yli 1 GHz:n taajuuksilla, vaikka tämä alue alkaa tiukasti 3 GHz:stä.

Maanpäällisiin mikroaaltojärjestelmiin antennilaitteet ovat pienikokoisia peili-, torvi-, torvi-linssiantenneja, jotka on asennettu mastoon ja suojattu haitallisilta ilmakehän vaikutuksilta. Suunta-antenneilla on niiden tarkoituksesta, suunnittelusta ja taajuusalueesta riippuen laaja valikoima ominaisuuksia, nimittäin: vahvistuksessa - 12 - 50 dB, säteen leveydessä (taso - 3 dB) - 3,5 - 120º. Lisäksi solukkotelevisiojärjestelmissä käytetään kaksikartisia ympärisuuntaisia ​​(vaakatasossa) antenneja, jotka koostuvat kahdesta toisiaan kohti osoittavasta metallikartiosta, kartioiden väliin asennetusta dielektrisestä linssistä ja virityslaitteesta. Tällaisten antennien vahvistus on 7...10 dB, pääkeilan leveys pystytasossa on 8...15є, eikä sivukeilan taso ole huonompi kuin miinus 14 dB.

3. Antennin fraktaalirakenteiden syntetisointimahdollisuuksien analyysi

3.1 Fraktaaliantennit

Fraktaaliantennit ovat suhteellisen uusi sähköisesti pienten antennien (EMA) luokka, jotka eroavat geometrialtaan oleellisesti tunnetuista ratkaisuista. Itse asiassa antennien perinteinen evoluutio perustui euklidiseen geometriaan, joka toimi kokonaislukuulotteisten kohteiden kanssa (viiva, ympyrä, ellipsi, paraboloidi jne.). Suurin ero fraktaaligeometristen muotojen välillä on niiden murtoulottuvuus, joka ilmenee ulkoisesti alkuperäisten determinististen tai satunnaisten kuvioiden rekursiivisena toistona kasvavassa tai laskevassa mittakaavassa. Fraktaaliteknologiat ovat yleistyneet signaalinsuodatustyökalujen kehittämisessä, luonnonmaisemien kolmiulotteisten tietokonemallien synteesissä ja kuvan pakkaamisessa. On aivan luonnollista, että fraktaali "muoti" ei ohittanut antenniteoriaa. Lisäksi modernin fraktaaliteknologian prototyyppi antennitekniikassa oli viime vuosisadan 60-luvun puolivälissä ehdotetut log-periodiset ja spiraalimallit. Totta, tiukassa matemaattisessa mielessä sellaisilla rakenteilla ei kehityshetkellä ollut mitään yhteyttä fraktaaligeometriaan, koska ne olivat itse asiassa vain ensimmäisen luokan fraktaaleja. Tällä hetkellä tutkijat, pääasiassa yrityksen ja erehdyksen kautta, yrittävät hyödyntää geometriassa tunnettuja fraktaaleja antenniratkaisuissa. Simulaatiomallinnuksen ja kokeiden tuloksena havaittiin, että fraktaaliantennit mahdollistavat lähes saman vahvistuksen kuin perinteiset, mutta pienemmät mitat, mikä on tärkeää mobiilisovelluksissa. Tarkastellaan tuloksia, jotka on saatu erityyppisten fraktaaliantennien luomisen alalla.

Cohenin julkaisemat uuden antennisuunnittelun ominaisuuksia koskevien tutkimusten tulokset herättivät asiantuntijoiden huomion. Monien tutkijoiden ponnistelujen ansiosta fraktaaliantennien teoria on nykyään muuttunut itsenäiseksi, melko kehittyneeksi laitteistoksi EMA:n synteesiä ja analysointia varten.

3.2 Ominaisuudetfraktaaliantennit

SFC:itä voidaan käyttää malleina monopolien ja dipolivarsien valmistukseen, painettujen antennien topologian muodostamiseen, taajuusvalintapintoihin (FSS) tai heijastinkuoriin, silmukka-antennien ääriviivojen ja torven aukkoprofiilien rakentamiseen sekä rakoantennien urien jyrsimiseen.

Cushcraft-asiantuntijoiden kokeelliset tiedot Koch-käyrästä, neliöaallon neljästä iteraatiosta ja kierteisestä antennista antavat meille mahdollisuuden verrata Koch-antennin sähköisiä ominaisuuksia muihin emittereihin, joilla on jaksollinen rakenne. Kaikilla verratuilla emittereillä oli monitaajuisia ominaisuuksia, mikä ilmeni jaksollisten resonanssien läsnäolona impedanssikäyrissä. Monikaistasovelluksiin soveltuu kuitenkin parhaiten Koch-fraktaali, jolle taajuuden kasvaessa reaktiivisten ja aktiivisten vastusten huippuarvot laskevat, kun taas meanderille ja spiraalille ne kasvavat.

Yleisesti ottaen on huomattava, että on vaikea kuvitella teoreettisesti fraktaalivastaanottoantennin ja siihen osuvien sähkömagneettisten aaltojen välistä vuorovaikutusta, koska monimutkaisen topologian omaavan johtimen aaltoprosesseista ei ole analyyttistä kuvausta. Tällaisessa tilanteessa on suositeltavaa määrittää fraktaaliantennien pääparametrit matemaattisen mallinnuksen avulla.

Italialainen matemaatikko Giuseppe Peano esitti vuonna 1890 esimerkin ensimmäisen itsekaltaisen fraktaalikäyrän rakentamisesta. Rajassa hänen ehdottama viiva täyttää neliön kokonaan ja kulkee sen kaikkien pisteiden ympäri (kuva 9). Myöhemmin löydettiin muita vastaavia esineitä, jotka saivat yleisnimen "Peano curves" perheensä löytäjän mukaan. Totta, Peanon ehdottaman käyrän puhtaasti analyyttisen kuvauksen vuoksi SFC-linjojen luokittelussa syntyi hämmennystä. Itse asiassa nimi "Peano curves" tulisi antaa vain alkuperäisille käyrälle, jonka rakenne vastaa Peanon julkaisemaa analytiikkaa (kuva 10).

Kuva 9 - Peano-käyrän iteraatiot: a) aloitusviiva, b) ensimmäinen, c) toinen ja d) kolmas iteraatio

Kuva 10 - Hilbertin vuonna 1891 ehdottaman polylinen iteraatiot

Usein tulkitaan rekursiiviseksi Peano-käyräksi

Siksi tarkasteltavana olevien antennitekniikan kohteiden täsmentämiseksi fraktaaliantennin yhtä tai toista muotoa kuvattaessa tulisi mahdollisuuksien mukaan mainita SFC:n vastaavaa muutosta ehdottaneiden tekijöiden nimet. Tämä on sitäkin tärkeämpää, koska arvioiden mukaan tunnettujen SFC-lajikkeiden määrä lähestyy kolmesataa, eikä tämä luku ole raja.

On huomioitava, että Peano-käyrä (kuva 9) soveltuu alkuperäisessä muodossaan varsin rakojen tekemiseen aaltoputkien, painettujen ja muiden aukkofraktaaliantennien seiniin, mutta ei ole hyväksyttävä lanka-antennin rakentamiseen, koska siinä on kosketus. osiot. Siksi Fractus-asiantuntijat ehdottivat sen muunnelmaa, nimeltään "Peanodec" (kuva 11).

Kuva 11 - Variantti Peano-käyrän modifikaatiosta ("Peanodec"): a) ensimmäinen, b) toinen c) kolmas iteraatio

Lupaava Koch-topologian antennien sovellus on MIMO-viestintäjärjestelmät (tietoliikennejärjestelmät, joissa on monia tuloja ja lähtöjä). Patrasin yliopiston (Kreikka) sähkömagnetismin laboratorion asiantuntijat ehdottivat fraktaalien samankaltaisuutta käänteiseen L-antenniin (ILA). Idean ydin on Koch-vibraattorin taivuttaminen 90° kohdassa, jossa se jaetaan segmenteiksi, joiden pituussuhde on 2:1. Matkaviestinnässä, jonka kantoaaltotaajuus on ~2,4 Hz, tällaisen painetun antennin mitat ovat 12,33×10,16 mm (~L/10ChL/12), kaistanleveys ~20 % ja hyötysuhde 93 %.

Kuva 12 - Esimerkki kaksikaistaisesta (2,45 ja 5,25 GHz) antenniryhmästä

Atsimuuttisäteilykuvio on lähes tasainen, vahvistus syöttölaitteen tulona on ~3,4 dB. Totta, kuten artikkelissa todetaan, tällaisten painettujen elementtien toimintaan osana hilaa (kuvio 12) liittyy niiden tehokkuuden heikkeneminen yksittäiseen elementtiin verrattuna. Siten 2,4 GHz:n taajuudella 90° taivutetun Koch-monopolin tehokkuus laskee 93:sta 72 %:iin ja 5,2 GHz:n taajuudella 90:stä 80 %:iin. Tilanne on hieman parempi suurtaajuuskaista-antennien keskinäisellä vaikutuksella: 5,25 GHz:n taajuudella keskiantenniparin muodostavien elementtien välinen erotus on 10 dB. Mitä tulee molemminpuoliseen vaikutukseen vierekkäisen eri taajuusalueen elementtien parissa, eristys vaihtelee signaalitaajuudesta riippuen 11 dB:stä (2,45 GHz) 15 dB:iin (5,25 GHz:n taajuudella). Syy antennin suorituskyvyn heikkenemiseen on painettujen elementtien keskinäinen vaikutus.

Täten kyky valita antennijärjestelmän monia erilaisia ​​parametreja Koch-katkoviivan perusteella mahdollistaa sen, että suunnittelu täyttää erilaiset sisäisen resistanssin arvoa ja resonanssitaajuuksien jakautumista koskevat vaatimukset. Koska rekursiivisen ulottuvuuden ja antennin ominaisuuksien keskinäinen riippuvuus voidaan kuitenkin saada vain tietylle geometrialle, tarkasteltujen ominaisuuksien pätevyys muille rekursiivisille konfiguraatioille vaatii lisätutkimusta.

3.3 Fraktaaliantennien ominaisuudet

Kuvassa 13 tai 20 esitetty Koch-fraktaaliantenni on vain yksi vaihtoehdoista, joka voidaan toteuttaa tasasivuisella aloitusrekursiokolmiolla, ts. kulma ja sen pohjassa (sisällyskulma tai "sisällyskulma") on 60°. Tätä Koch-fraktaalin versiota kutsutaan yleensä standardiksi. On aivan luonnollista pohtia, onko mahdollista käyttää fraktaalin muunnelmia tämän kulman muilla arvoilla. Vinoy ehdotti, että aloituskolmion pohjassa olevaa kulmaa otettaisiin antennin rakennetta kuvaavana parametrina. Tätä kulmaa muuttamalla saat samanlaisia ​​eri mittaisia ​​rekursiivisia käyriä (Kuva 13). Käyrät säilyttävät samankaltaisuuden ominaisuuden, mutta tuloksena oleva linjan pituus voi olla erilainen, mikä vaikuttaa antennin ominaisuuksiin. Vinoy tutki ensimmäisenä antennin ominaisuuksien ja yleisen Koch-fraktaalin D mittasuhteen välistä korrelaatiota, joka yleensä määritetään riippuvuudella.

(1)

Osoitettiin, että kulman kasvaessa myös fraktaalin mitta kasvaa ja u>90°:ssa se lähestyy arvoa 2. On huomattava, että fraktaaliantennien teoriassa käytetty ulottuvuuden käsite on jossain määrin ristiriidassa geometriassa hyväksyttyjen käsitteiden kanssa. , jossa tätä mittaa voidaan soveltaa vain äärettömästi rekursiivisiin objekteihin.

Kuva 13 - Koch-käyrän muodostaminen kulman a) 30° ja b) 70° kolmion pohjalla fraktaaligeneraattorissa

Mitan kasvaessa katkoviivan kokonaispituus kasvaa epälineaarisesti, mikä määräytyy suhteesta:

(2)

missä L0 on lineaarisen dipolin pituus, jonka päiden välinen etäisyys on sama kuin Kochin katkoviivalla, n on iteraatioluku. Siirtymä u = 60°:sta u = 80°:een kuudennessa iteraatiossa mahdollistaa prefraktaalin kokonaispituuden lisäämisen yli neljä kertaa. Kuten arvata saattaa, rekursiivisen ulottuvuuden ja antennin ominaisuuksien, kuten ensisijaisen resonanssitaajuuden, sisäisen resonanssiresistanssin ja monikaistaominaisuuksien välillä on suora yhteys. Tietokonelaskelmien perusteella Vinoy sai Kochin dipolin fk ensimmäisen resonanssitaajuuden riippuvuuden prefraktaalin D mittasuhteesta, iteraatioluvusta n ja suoraviivaisen dipolin fD resonanssitaajuudesta, jonka korkeus on Kochin katkoviiva ( ääripisteissä):

(3)

Kuva 14 - Sähkömagneettisen aallon vuotovaikutus

Yleisessä tapauksessa Koch-dipolin sisäiselle resistanssille ensimmäisellä resonanssitaajuudella on voimassa seuraava likimääräinen suhde:

(4)

jossa R0 on lineaarisen dipolin sisäinen resistanssi (D=1), joka tarkasteltavassa tapauksessa on 72 ohmia. Lausekkeiden (3) ja (4) avulla voidaan määrittää antennin geometriset parametrit vaadituilla resonanssitaajuuden ja sisäisen resistanssin arvoilla. Koch-dipolin monikaistaominaisuudet ovat myös erittäin herkkiä kulman u arvolle. Kasvaessa resonanssitaajuuksien nimellisarvot tulevat lähemmäksi, ja sen seurauksena niiden lukumäärä tietyllä spektrialueella kasvaa (kuva 15). Lisäksi mitä suurempi iterointiluku on, sitä vahvempi tämä konvergenssi.

Kuva 15 - Resonanssitaajuuksien välisen intervallin kaventamisen vaikutus

Pennsylvanian yliopistossa tutkittiin toista Kochin dipolin tärkeää näkökohtaa - sen virtalähteen epäsymmetrian vaikutusta siihen, missä määrin antennin sisäinen vastus lähestyy 50 ohmia. Lineaarisissa dipoleissa syöttöpiste sijaitsee usein epäsymmetrisesti. Samaa lähestymistapaa voidaan käyttää fraktaaliantennille Koch-käyrän muodossa, jonka sisäinen resistanssi on pienempi kuin standardiarvot. Siten kolmannessa iteraatiossa standardin Koch-dipolin (u = 60°) sisäinen resistanssi on 28 ohmia ottamatta huomioon häviöitä, kun syöttölaite kytketään keskelle. Siirtämällä syöttölaite antennin toiseen päähän saadaan 50 ohmin resistanssi.

Kaikki tähän mennessä tarkastellut Kochin katkoviivan konfiguraatiot syntetisoitiin rekursiivisesti. Kuitenkin Vinan mukaan, jos rikot tätä sääntöä, erityisesti määrittämällä eri kulmat ja? Jokaisella uudella iteraatiolla antennin ominaisuuksia voidaan muuttaa joustavammin. Samankaltaisuuden säilyttämiseksi on suositeltavaa valita tavallinen malli kulman ja kulman muuttamiseksi. Muuta sitä esimerkiksi lineaarisen lain mukaan иn = иn-1 - Di·n, missä n on iteraatioluku, Di? - kulman lisäys kolmion pohjassa. Tämän katkoviivan muodostamisperiaatteen muunnelma on seuraava kulmien sarja: u1 = 20° ensimmäisessä iteraatiossa, u2 = 10° toisessa jne. Täryttimen konfiguraatio ei tässä tapauksessa ole tiukasti rekursiivinen, mutta kaikilla sen yhdessä iteraatiossa syntetisoiduilla segmenteillä on sama koko ja muoto. Siksi tällaisen hybridin katkoviivan geometria koetaan itsensäkaltaiseksi. Pienellä iteraatiomäärällä ja negatiivisen lisäyksen Di kanssa voidaan käyttää neliöllistä tai muuta epälineaarista muutosta kulmassa un.

Tarkastelun lähestymistavan avulla voit asettaa antennin resonanssitaajuuksien jakauman ja sen sisäisen vastuksen arvot. Kulma-arvojen järjestyksen uudelleenjärjestely iteraatioissa ei kuitenkaan anna vastaavaa tulosta. Samalla katkoviivan korkeudella erilaiset identtisten kulmien yhdistelmät, esimerkiksi u1 = 20°, u2 = 60° ja u1 = 60°, u2 = 20° (kuva 16), antavat saman laajennetun prefraktaalipituuden. Mutta toisin kuin odotettiin, parametrien täydellinen yhteensattuma ei takaa resonanssitaajuuksien ja antennien monikaistaominaisuuksien identiteettiä. Syynä on muutos katkoviivan segmenttien sisäisessä resistanssissa, ts. Avainasemassa on johtimen kokoonpano, ei sen koko.

Kuva 16 - Toisen iteraation yleiset Koch-prefraktaalit negatiivisella lisäyksellä Dq (a), positiivisella inkrementillä Dq (b) ja kolmannella iteraatiolla negatiivisella lisäyksellä Dq = 40°, 30°, 20° (c)

4. Esimerkkejä fraktaaliantenneista

4.1 Antennin yleiskuvaus

Antenniaiheet ovat yksi lupaavimmista ja merkittävimmistä kiinnostuksen kohteista modernissa tiedonsiirron teoriassa. Tämä halu kehittää juuri tätä tieteellisen kehityksen aluetta liittyy jatkuvasti kasvaviin vaatimuksiin tiedonsiirron nopeudelle ja menetelmille nykyaikaisessa teknologisessa maailmassa. Joka päivä kommunikoimalla toistemme kanssa välitämme tietoa meille niin luonnollisella tavalla - ilman kautta. Täsmälleen samalla tavalla tiedemiehet keksivät ajatuksen opettaa lukuisia tietokoneverkkoja kommunikoimaan.

Tuloksena oli uusien kehityskulkujen ilmaantuminen tällä alalla, niiden hyväksyminen tietokonelaitteiden markkinoilla ja myöhemmin standardien hyväksyminen langaton lähetys tiedot. Nykyään siirtotekniikat, kuten BlueTooth ja WiFi, ovat jo hyväksyttyjä ja yleisesti hyväksyttyjä. Mutta kehitys ei pysähdy, eikä voi pysähtyä, vaan markkinoille tulee uusia vaatimuksia ja uusia toiveita.

Siirtonopeudet, jotka olivat niin hämmästyttävän nopeat teknologian kehittämisen aikaan, eivät nykyään enää täytä tämän kehityksen käyttäjien vaatimuksia ja toiveita. Useat johtavat kehityskeskukset ovat aloittaneet toimintansa uusi projekti WiMAX nopeuden lisäämiseksi perustuen kanavan laajentamiseen jo olemassa olevassa WiFi-standardissa. Mikä paikka antenni-aiheella on tässä kaikessa?

Siirtokanavan laajentamisongelma voidaan ratkaista osittain ottamalla käyttöön nykyistä suurempaa pakkausta. Fraktaaliantennien käyttö ratkaisee tämän ongelman paremmin ja tehokkaammin. Syynä tähän on se, että fraktaaliantenneilla ja niihin perustuvilla taajuusselektiivisillä pinnoilla ja tilavuuksilla on ainutlaatuisia sähködynaamisia ominaisuuksia, nimittäin: laajakaista, kaistanleveyksien toistettavuus taajuusalueella jne.

4.1.1 Cayley-puun rakentaminen

Cayley-puu on yksi klassisista esimerkkeistä fraktaalijoukoista. Sen nollaiteraatio on vain tietyn pituinen l suorasegmentti. Ensimmäinen ja jokainen seuraava pariton iteraatio koostuu kahdesta segmentistä, jotka ovat täsmälleen saman pituisia l kuin edellinen iteraatio ja jotka sijaitsevat kohtisuorassa edellisen iteroinnin segmenttiin nähden siten, että sen päät ovat yhteydessä segmenttien keskelle.

Fraktaalin toinen ja jokainen seuraava parillinen iteraatio ovat kaksi segmenttiä l/2 puolet edellisen iteraation pituudesta, jotka sijaitsevat, kuten ennenkin, kohtisuorassa edelliseen iteraatioon nähden.

Cayley-puun rakentamisen tulokset on esitetty kuvassa 17. Antennin kokonaiskorkeus on 15/8l ja leveys 7/4l.

Kuva 17 - Cayley-puun rakentaminen

"Cayley Tree" -antennin laskelmat ja analyysi Suoritettiin teoreettiset laskelmat fraktaaliantennista kuudennen asteen Cayley Treen muodossa. Tämän käytännön ongelman ratkaisemiseksi käytettiin melko tehokasta työkalua johtavien elementtien sähködynaamisten ominaisuuksien tarkkaan laskemiseen - EDEM-ohjelmaa. Tämän ohjelman tehokkaat työkalut ja käyttäjäystävällinen käyttöliittymä tekevät siitä välttämättömän tämän tason laskelmissa.

Kirjoittajien tehtävänä oli suunnitella antenni, arvioida signaalin vastaanoton ja lähetyksen resonanssitaajuuksien teoreettiset arvot ja esittää ongelma EDEM-ohjelmakielirajapinnassa. "Cayley-puuhun" perustuva suunniteltu fraktaaliantenni on esitetty kuvassa 18.

Sitten suunniteltuun fraktaaliantenniin lähetettiin tasomagneettinen aalto, ja ohjelma laski kentän etenemisen ennen ja jälkeen antennin sekä laskee fraktaaliantennin sähködynaamiset ominaisuudet.

Kirjoittajien suorittamien fraktaaliantennin "Cayley Tree" laskelmien tulokset antoivat meille mahdollisuuden tehdä seuraavat johtopäätökset. On osoitettu, että sarja resonanssitaajuuksia toistuu noin kaksi kertaa edelliseen taajuuteen verrattuna. Virtajakaumat antennin pinnalla määritettiin. Tutkittiin sekä sähkömagneettisen kentän kokonaisläpäisy- että kokonaisheijastusalueita.

Kuva 18 - Cayley-puu 6. kertaluokkaa

4 .1.2 Multimedia-antenni

Miniatyrisointi etenee koko planeetan harppauksin. Papujyvän kokoisten tietokoneiden tulo on aivan nurkan takana, mutta sillä välin Fractus-yhtiö tuo tietoomme antennin, jonka mitat ovat pienempiä kuin riisinjyvä (kuva 19).

Kuva 19 - Fraktaaliantenni

Uusi tuote, nimeltään Micro Reach Xtend, toimii 2,4 GHz:n taajuudella ja tukee langattomat tekniikat Wi-Fi ja Bluetooth sekä jotkut muut vähemmän suosittuja standardeja. Laite perustuu patentoituihin fraktaaliantennitekniikoihin, ja sen pinta-ala on vain 3,7 x 2 mm. Kehittäjien mukaan pieni antenni mahdollistaa lähitulevaisuudessa käyttökelpoisten multimediatuotteiden koon pienentämisen tai useampien ominaisuuksien ahtauksen yhteen laitteeseen.

Televisioasemat lähettävät 50-900 MHz signaaleja, jotka vastaanotetaan luotettavasti useiden kilometrien etäisyydellä lähetysantennista. Tiedetään, että korkeampien taajuuksien värähtelyt kulkevat rakennusten ja erilaisten esteiden läpi huonommin kuin matalataajuiset, jotka yksinkertaisesti taipuvat niiden ympärille. Siksi käytetty Wi-Fi-tekniikka perinteisiä järjestelmiä langaton kommunikaatio ja toimii yli 2,4 GHz:n taajuuksilla, tarjoaa signaalin vastaanoton vain korkeintaan 100 m etäisyydeltä. Tällainen epäoikeudenmukaisuus kehittynyttä Wi-Fi-tekniikkaa kohtaan loppuu pian, tietysti ilman haittaa television kuluttajille. Jatkossa Wi-Fi-teknologiaan perustuvat laitteet toimivat toimivien tv-kanavien välisillä taajuuksilla, mikä lisää luotettavan vastaanoton kantamaa. Jotta television toimintaa ei häiritä, jokainen Wi-Fi-järjestelmä (lähetin ja vastaanotin) skannaa jatkuvasti lähellä olevia taajuuksia, mikä estää törmäykset ilmassa. Kun siirrytään laajemmalle taajuusalueelle, tulee välttämättömäksi antenni, joka pystyy yhtä hyvin vastaanottamaan signaaleja sekä korkeilta että korkeilta taajuuksilta. matalat taajuudet. Perinteiset piiska-antennit eivät täytä näitä vaatimuksia, koska Ne, pituutensa mukaisesti, hyväksyvät selektiivisesti tietyn aallonpituuden taajuudet. Laajalla taajuusalueella signaalien vastaanottamiseen soveltuva antenni on ns. fraktaaliantenni, joka on muodoltaan fraktaali - rakenne, joka näyttää samalta riippumatta siitä, millä suurennuksella katsomme sitä. Fraktaaliantenni käyttäytyy niin kuin monista eripituisista nasta-antenneista koostuva rakenne, joka on kierretty yhteen.

4.1.3 "Rikkoutunut" antenni

Amerikkalainen insinööri Nathan Cohen noin kymmenen vuotta sitten päätti koota amatööriradioaseman kotonaan, mutta kohtasi odottamattoman vaikeuden. Hänen asuntonsa sijaitsi Bostonin keskustassa, ja kaupungin viranomaiset kielsivät ankarasti antennin sijoittamisen rakennuksen ulkopuolelle. Ratkaisu löytyi yllättäen, mikä käänsi radioamatöörin koko myöhemmän elämän ylösalaisin.

Sen sijaan, että Cohen tekisi perinteisen muotoisen antennin, hän otti palan alumiinifoliota ja leikkasi sen matemaattisen esineen muotoon, joka tunnetaan nimellä Koch-käyrä. Tämä käyrä, jonka saksalainen matemaatikko Helga von Koch löysi vuonna 1904, on fraktaali, katkoviiva, joka näyttää sarjalta äärettömästi pieneneviä kolmioita, jotka kasvavat toisistaan ​​​​kuin monivaiheisen kiinalaisen pagodin katto. Kuten kaikki fraktaalit, tämä käyrä on "itsenkaltainen", eli missä tahansa pienimmässä segmentissä se näyttää samalta ja toistaa itseään. Tällaiset käyrät muodostetaan toistamalla loputtomasti yksinkertaista toimenpidettä. Viiva jaetaan yhtä suuriin osiin, ja jokaiseen segmenttiin tehdään taivutus kolmion (von Kochin menetelmä) tai neliön (Herman Minkowskin menetelmä) muodossa. Sitten tuloksena olevan kuvan kaikilta puolilta taivutetaan vuorostaan ​​samanlaisia ​​neliöitä tai kolmioita, mutta pienempiä. Jatkamalla rakentamista loputtomiin, saadaan jokaisesta pisteestä "rikki" käyrä (kuva 20).

Kuva 20 - Kochin ja Minkowskin käyrän rakentaminen

Kochin käyrän rakentaminen - yksi ensimmäisistä fraktaaliobjekteista. Äärettömällä suoralla erotetaan segmentit, joiden pituus on l. Jokainen segmentti on jaettu kolmeen yhtä suureen osaan, ja keskimmäiselle muodostetaan tasasivuinen kolmio, jonka sivu on l/3. Sitten prosessi toistetaan: kolmiot, joiden sivut ovat l/9, rakennetaan segmenteille l/3, kolmiot, joiden sivut ovat l/27, ja niin edelleen. Tällä käyrällä on samankaltaisuus eli asteikkoinvarianssi: jokainen sen elementti pelkistetyssä muodossa toistaa itse käyrän.

Minkowskin fraktaali on rakennettu samalla tavalla kuin Koch-käyrä ja sillä on samat ominaisuudet. Sitä rakennettaessa kolmiojärjestelmän sijaan mutkit rakennetaan suoralle viivalle - "suorakaiteen aallot", joiden koko on loputtomasti pienenevä.

Kochin käyrää rakentaessaan Cohen rajoittui vain kahteen tai kolmeen askeleeseen. Sitten hän liimasi hahmon pienelle paperille, kiinnitti sen vastaanottimeen ja yllättyi havaitessaan, että se ei toiminut huonommin kuin perinteiset antennit. Kuten myöhemmin kävi ilmi, hänen keksinnöstään tuli perustaja täysin uudentyyppiselle antennille, joka on nyt massatuotettu.

Nämä antennit ovat erittäin kompakteja: koteloon sisäänrakennetun matkapuhelimen fraktaaliantennin koko on tavallisen liukumäki (24 x 36 mm). Lisäksi ne toimivat laajalla taajuusalueella. Kaikki tämä löydettiin kokeellisesti; Fraktaaliantennien teoriaa ei vielä ole olemassa.

Minkowski-algoritmilla peräkkäisillä vaiheilla tehdyn fraktaaliantennin parametrit muuttuvat erittäin mielenkiintoisella tavalla. Jos suora antenni on taivutettu "neliöaallon" - mutkisen - muotoon, sen vahvistus kasvaa. Antennivahvistuksen kaikki myöhemmät mutkit eivät muutu, mutta sen vastaanottama taajuusalue laajenee ja itse antennista tulee paljon kompaktimpi. Totta, vain ensimmäiset viisi tai kuusi vaihetta ovat tehokkaita: johtimen taivuttamiseksi edelleen sinun on pienennettävä sen halkaisijaa, mikä lisää antennin vastusta ja johtaa vahvistuksen menettämiseen.

Samalla kun jotkut pyörittelevät aivojaan teoreettisista ongelmista, toiset toteuttavat keksintöä aktiivisesti käytännössä. Bostonin yliopiston professori ja Fractal Antenna Systemsin johtava tekninen tarkastaja Nathan Cohen sanoo, että "muutaman vuoden kuluttua fraktaaliantenneista tulee olennainen osa matkapuhelimia ja radiopuhelimia ja monia muita langattomia viestintälaitteita."

antenniryhmä fraktaali

4.2 Fraktaaliantennien käyttö

Monien nykyään viestinnässä käytettävien antennimallien joukossa artikkelin otsikossa mainittu antennityyppi on suhteellisen uusi ja pohjimmiltaan erilainen kuin tunnetuista ratkaisuista. Ensimmäiset julkaisut, joissa tutkittiin fraktaalirakenteiden sähködynamiikkaa, ilmestyivät jo 1980-luvun 80-luvulla. Se on alku käytännön käyttöä Fraktaalisuuntauksen antennitekniikassa aloitti yli 10 vuotta sitten amerikkalainen insinööri Nathan Cohen, joka on nykyään Boaonin yliopiston professori ja Fractal Antenna Systems -yrityksen tekninen päätarkastaja. Asuessaan Bostonin keskustassa hän päätti naamioida amatööriradioaseman antennin alumiinifoliosta tehdyksi koristeelliseksi hahmoksi kiertääkseen kaupunginhallituksen asettaman ulkoantennien asennuskiellon. Hän otti pohjaksi geometriassa tunnetun Kochin käyrän (kuva 20), jonka kuvauksen ehdotti vuonna 1904 ruotsalainen matemaatikko Niels Fabian Helge von Koch (1870-1924).

Samanlaisia ​​asiakirjoja

Lähetysantennien ja niiden säteilykuvioiden käsite ja toimintaperiaate. Fraktaaliantennien kokojen ja resonanssitaajuuksien laskeminen. Painetun mikroliuska-antennin suunnittelu Koch-fraktaalin ja 10 lankatyyppisten antennien prototyypin perusteella.

opinnäytetyö, lisätty 2.2.2015


Fraktaaliantennien kehittäminen. Fraktaaliantennin valmistusmenetelmät ja toimintaperiaatteet. Peano-käyrän rakentaminen. Suorakaiteen muotoisen fraktaalisen rikkiantennin muodostuminen. Kaksikaistainen antenniryhmä. Fraktaalitaajuusselektiiviset pinnat.

opinnäytetyö, lisätty 26.6.2015


Lohkokaavio aktiivisten vaiheistettujen ryhmäantennien vastaanottomoduulista. Suhteellisen viritysvähenemisen laskenta antennin reunassa. Vastaanottavien vaiheistettujen ryhmäantennien energiapotentiaali. Säteen kohdistuksen tarkkuus. Emitterin valinta ja laskenta.

kurssityö, lisätty 11.08.2014


Antenna-Service LLC:n toiminnan esittely: maanpäällisten ja satelliittiantennijärjestelmien asennus ja käyttöönotto, tietoliikenneverkkojen suunnittelu. Yleiset luonteenpiirteet satelliittiantennien perusominaisuudet ja käyttöalueet.

opinnäytetyö, lisätty 18.5.2014


Antennityypit ja luokitus solukkoviestintäjärjestelmiin. Tekniset tiedot antennit KP9-900. Suurin antennin tehokkuuden menetys on laitteen käyttöasennossa. Solukkoviestintäjärjestelmien antennien laskentamenetelmät. MMANA-antennimallinnuslaitteen ominaisuudet.

kurssityö, lisätty 17.10.2014


Mikroaaltolaitteiden tyypit antenniryhmien jakelupiireissä. Mikroaaltolaitteiden suunnittelu hajotusmenetelmään perustuen. Työskentely "Model-S" -ohjelman kanssa mautomatisoituun ja parametriseen synteesiin.

testi, lisätty 15.10.2011


Antenniteorian päätehtävät ja tämän laitteen ominaisuudet. Maxwellin yhtälöt. Sähköinen dipolikenttä rajoittamattomassa tilassa. Erottuvia piirteitä vibraattori- ja aukkoantennit. Menetelmät ritiloiden amplitudin säätöön.

opetusohjelma, lisätty 27.4.2013


Lineaarinen ryhmä, jossa sylinterimäinen kierukkamainen antenni säteilijänä. Antenniryhmien käyttö laadukkaan antennin toiminnan varmistamiseksi. Pystysuoraan pyyhkäisevän antenniryhmän suunnittelu. Yhden emitterin laskenta.

kurssityö, lisätty 28.11.2010


Luomismenetelmät tehokkaat antennit. Lineaarinen antenniryhmä. Optimaalinen liikkuva aaltoantenni. Suuntakerroin. Litteät antenniryhmät. Säteilevän elementin tuloimpedanssi. Epätasavälisten ritilöiden ominaisuudet ja käyttö.

kurssityö, lisätty 14.8.2015


Antennien käyttö sekä säteilyyn että sähkömagneettisten aaltojen vastaanottoon. Erilaisia ​​antenneja on laaja valikoima. Tankodielektristen antennien lineaarisen ryhmän suunnittelu, joka on koottu sauvadielektrisistä antenneista.