Antenne frattali per la televisione. Antenna frattale a banda ultralarga basata su un monopolo circolare. Quindi, un'onda elettromagnetica piana è stata inviata all'antenna frattale progettata e il programma ha calcolato la propagazione del campo prima e dopo

In matematica, i frattali sono insiemi costituiti da elementi simili all'insieme nel suo insieme. Miglior esempio: Se osservi attentamente la linea di un'ellisse, diventerà diritta. In un frattale, non importa quanto si ingrandisca, l'immagine rimarrà complessa e simile alla vista generale. Gli elementi sono disposti in modo bizzarro. Di conseguenza, consideriamo i cerchi concentrici l'esempio più semplice di frattale. Non importa quanto ti avvicini, appaiono nuove cerchie. Ci sono molti esempi di frattali. Ad esempio, Wikipedia riporta un disegno del cavolo romanesco, dove la testa del cavolo è costituita da coni che assomigliano esattamente alla testa del cavolo disegnata. I lettori ora capiscono che realizzare antenne frattali non è facile. Ma è interessante.

Perché sono necessarie le antenne frattali?

Lo scopo di un'antenna frattale è catturare di più con meno. Nei video occidentali è possibile trovare un paraboloide, dove l'emettitore sarà un pezzo di nastro frattale. Stanno già realizzando elementi di dispositivi a microonde dalla pellicola che sono più efficienti di quelli ordinari. Ti mostreremo come completare un'antenna frattale e gestire l'abbinamento da solo con il misuratore SWR. Diciamo che esiste un intero sito, straniero ovviamente, dove si promuove a scopo commerciale il prodotto corrispondente; non ci sono disegni. La nostra antenna frattale fatta in casa è più semplice, il vantaggio principale è che puoi realizzare il disegno con le tue mani.

Le prime antenne frattali - biconiche - apparvero, secondo un video tratto dal sito fractenna.com, nel 1897 da Oliver Lodge. Non cercare su Wikipedia. Rispetto ad un dipolo convenzionale, una coppia di triangoli al posto del vibratore dà un'espansione di banda del 20%. Creando strutture ripetitive periodiche, è stato possibile assemblare antenne in miniatura non peggiori delle loro controparti più grandi. Troverai spesso un'antenna biconica sotto forma di due telai o piastre dalla forma strana.

In definitiva, ciò consentirà di ricevere più canali televisivi.

Se digiti una richiesta su YouTube, viene visualizzato un video sulla creazione di antenne frattali. Capirai meglio come funziona se immagini la stella a sei punte della bandiera israeliana, il cui angolo è stato tagliato insieme alle spalle. Si è scoperto che rimanevano tre angoli, due avevano un lato a posto, l'altro no. Il sesto angolo è completamente assente. Ora posizioneremo due stelle simili verticalmente, con angoli centrali tra loro, fessure a sinistra e a destra e sopra di loro - una coppia simile. Il risultato è stato un array di antenne: l'antenna frattale più semplice.

Le stelle sono collegate agli angoli da un alimentatore. A coppie per colonne. Il segnale viene prelevato dalla linea, esattamente al centro di ciascun filo. La struttura è assemblata con bulloni su un substrato dielettrico (plastico) di dimensioni adeguate. Il lato della stella è esattamente un pollice, la distanza tra gli angoli delle stelle verticalmente (la lunghezza dell'alimentatore) è di quattro pollici e la distanza orizzontale (la distanza tra i due fili dell'alimentatore) è di un pollice. Le stelle hanno angoli di 60 gradi ai vertici; ora il lettore disegnerà qualcosa di simile sotto forma di modello, in modo che in seguito possa realizzare lui stesso un'antenna frattale. Abbiamo realizzato uno schizzo funzionante, ma la scala non è stata rispettata. Non possiamo garantire che le stelle siano uscite esattamente, Microsoft Paint senza molta capacità di produrre disegni accurati. Basta guardare l'immagine perché la struttura dell'antenna frattale diventi evidente:

1. Il rettangolo marrone mostra il substrato dielettrico. L'antenna frattale mostrata nella figura ha un diagramma di radiazione simmetrico. Se l'emettitore è protetto dalle interferenze, lo schermo viene posizionato su quattro montanti dietro il substrato a una distanza di un pollice. Alle frequenze non è necessario posizionare un solido foglio di metallo, sarà sufficiente una rete di un quarto di pollice di lato, non dimenticare di collegare lo schermo alla treccia del cavo.
2. Un alimentatore con un'impedenza caratteristica di 75 Ohm richiede coordinazione. Trova o costruisci un trasformatore che converta 300 ohm in 75 ohm. È meglio fare scorta di un misuratore SWR e selezionare i parametri necessari non tramite il tocco, ma utilizzando il dispositivo.
3. Quattro stelle, piegate dal filo di rame. Puliremo l'isolamento della vernice all'incrocio con l'alimentatore (se presente). L'alimentazione interna dell'antenna è costituita da due pezzi di filo paralleli. È opportuno riporre l'antenna in una scatola per proteggerla dalle intemperie.

Assemblare un'antenna frattale per la televisione digitale

Dopo aver letto questa recensione fino alla fine, chiunque può realizzare antenne frattali. Siamo andati così in profondità nel design che ci siamo dimenticati di parlare di polarizzazione. Supponiamo che sia lineare e orizzontale. Ciò nasce da considerazioni:

• Il video è ovviamente di origine americana, la conversazione riguarda l'HDTV. Pertanto, possiamo adottare la moda del paese specificato.
• Come sapete, pochi paesi sul pianeta trasmettono dai satelliti utilizzando la polarizzazione circolare, tra cui la Federazione Russa e gli Stati Uniti. Pertanto, riteniamo che altre tecnologie di trasmissione delle informazioni siano simili. Perché? C'è stata una guerra fredda, crediamo che entrambi i paesi abbiano scelto strategicamente cosa e come trasferire, gli altri paesi hanno proceduto da considerazioni puramente pratiche. La polarizzazione circolare è stata introdotta appositamente per i satelliti spia (in costante movimento rispetto all'osservatore). Quindi c'è motivo di credere che ci siano somiglianze nelle trasmissioni televisive e radiofoniche.
• La struttura dell'antenna dice che è lineare. Semplicemente non c'è nessun posto dove ottenere la polarizzazione circolare o ellittica. Pertanto - a meno che tra i nostri lettori non ci siano professionisti che possiedono MMANA - se l'antenna non si aggancia nella posizione accettata, ruotare di 90 gradi nel piano dell'emettitore. La polarizzazione cambierà in verticale. A proposito, molti saranno in grado di catturare FM se le dimensioni sono impostate 4 volte più grandi, è meglio prendere un filo più spesso (ad esempio 10 mm).

Speriamo di aver spiegato ai lettori come utilizzare un'antenna frattale. Un paio di consigli per un facile montaggio. Quindi, prova a trovare un filo con protezione verniciata. Piega le forme come mostrato nell'immagine. Quindi i progettisti divergono, ti consigliamo di fare questo:

1. Spelare le stelle e i fili di alimentazione nei punti di giunzione. Fissare i fili di alimentazione per le orecchie con bulloni al supporto nelle parti centrali. Per eseguire correttamente l'azione, misura un pollice in anticipo e disegna due linee parallele con una matita. Dovrebbero esserci dei fili lungo di loro.
2. Saldare un'unica struttura controllando attentamente le distanze. Gli autori del video consigliano di realizzare l'emettitore in modo che le stelle si appoggino sugli alimentatori con gli angoli e poggino con le estremità opposte sul bordo del substrato (ciascuna in due punti). Per una stella approssimativa, le posizioni sono contrassegnate in blu.
3. Per soddisfare la condizione, serrare ciascuna stella in un punto con un bullone con morsetto dielettrico (ad esempio fili PVA in cambrico e simili). Nella figura, le posizioni di montaggio sono mostrate in rosso per una stella. Il bullone è disegnato schematicamente con un cerchio.

Il cavo di alimentazione corre (opzionale) da rovescio. Praticare dei fori sul posto. L'SWR viene regolato modificando la distanza tra i fili di alimentazione, ma in questo progetto questo è un metodo sadico. Si consiglia di misurare semplicemente l'impedenza dell'antenna. Lascia che ti ricordiamo come è fatto. Avrai bisogno di un generatore alla frequenza del programma che stai guardando, ad esempio 500 MHz, e inoltre di un voltmetro ad alta frequenza che non rinunci al segnale.

Quindi viene misurata la tensione prodotta dal generatore, per il quale è collegato ad un voltmetro (in parallelo). Montiamo un partitore resistivo da una resistenza variabile con un'autoinduttanza estremamente bassa e un'antenna (lo colleghiamo in serie dopo il generatore, prima la resistenza, poi l'antenna). Misuriamo la tensione con un voltmetro resistore variabile, regolando contemporaneamente la potenza fino a quando le letture del generatore senza carico (vedi punto sopra) diventino due volte più alte di quelle attuali. Ciò significa che il valore del resistore variabile è diventato uguale all'impedenza dell'onda dell'antenna ad una frequenza di 500 MHz.

Ora è possibile realizzare il trasformatore secondo necessità. È difficile trovare ciò di cui hai bisogno su Internet, per coloro a cui piace catturare le trasmissioni radiofoniche, abbiamo trovato una risposta già pronta http://www.cqham.ru/tr.htm. Sul sito è scritto e disegnato come abbinare il carico con un cavo da 50 Ohm. Si prega di notare che le frequenze corrispondono alla gamma HF, SW si adatta parzialmente qui. L'impedenza caratteristica dell'antenna viene mantenuta nell'intervallo 50 – 200 Ohm. È difficile dire quanto darà la stella. Se nella vostra azienda agricola avete un dispositivo per misurare l'impedenza d'onda di una linea, ricordiamocelo: se la lunghezza dell'alimentatore è multiplo di un quarto della lunghezza d'onda, l'impedenza dell'antenna viene trasmessa all'uscita senza modifiche. Per portate piccole e grandi è impossibile fornire tali condizioni (ricordate che soprattutto le antenne frattali includono anche una portata estesa), ma per scopi di misurazione il fatto menzionato viene utilizzato ovunque.

Ora i lettori sanno tutto su questi straordinari dispositivi ricetrasmettitori. Una forma così insolita suggerisce che la diversità dell'Universo non rientra nei confini tipici.

Il mondo non è privo di brave persone:-)
Valery UR3CAH: "Buon pomeriggio, Egor. Penso che questo articolo (vale a dire la sezione "Antenne frattali: meno è più") corrisponda al tema del tuo sito e ti interesserà:) 73!"
Sì, certo che è interessante. Abbiamo già toccato questo argomento in una certa misura quando abbiamo discusso della geometria degli esabimi. Anche lì c'era il dilemma di “impacchettare” la lunghezza elettrica in dimensioni geometriche :-). Quindi grazie mille, Valery, per aver inviato il materiale.
Antenne frattali: meno è meglio
Nell’ultimo mezzo secolo, la vita ha iniziato rapidamente a cambiare. La maggior parte di noi accetta i risultati tecnologie moderne per scontato. Ti abitui molto rapidamente a tutto ciò che rende la vita più confortevole. Raramente qualcuno pone la domanda "Da dove viene?" E come funziona?" Un forno a microonde riscalda la colazione - fantastico, uno smartphone ti dà la possibilità di parlare con un'altra persona - fantastico. Questa ci sembra una possibilità ovvia.
Ma la vita avrebbe potuto essere completamente diversa se una persona non avesse cercato una spiegazione per gli eventi in corso. Prendiamo ad esempio i cellulari. Ricordate le antenne retrattili dei primi modelli? Hanno interferito, aumentato le dimensioni del dispositivo e, alla fine, spesso si sono rotti. Crediamo che siano caduti nell'oblio per sempre, e parte della ragione di ciò sono... i frattali.
I modelli frattali affascinano con i loro modelli. Assomigliano decisamente a immagini di oggetti cosmici: nebulose, ammassi di galassie e così via. È quindi del tutto naturale che quando Mandelbrot espresse la sua teoria dei frattali, la sua ricerca suscitò un crescente interesse tra coloro che studiavano astronomia. Uno di questi dilettanti di nome Nathan Cohen, dopo aver assistito a una conferenza di Benoit Mandelbrot a Budapest, ebbe l'idea applicazione pratica conoscenza acquisita. È vero, lo ha fatto in modo intuitivo e il caso ha giocato un ruolo importante nella sua scoperta. Come radioamatore, Nathan ha cercato di creare un'antenna con la massima sensibilità possibile.
L'unico modo migliorare i parametri dell'antenna, allora conosciuta, consisteva nell'aumentare le sue dimensioni geometriche. Tuttavia, il proprietario della proprietà nel centro di Boston che Nathan aveva affittato era categoricamente contrario all'installazione di dispositivi di grandi dimensioni sul tetto. Poi Nathan ha iniziato a sperimentare diverse forme di antenne, cercando di ottenere il massimo risultato con la minima dimensione. Ispirato dall'idea delle forme frattali, Cohen, come si suol dire, ha creato casualmente uno dei frattali più famosi dal filo: il "fiocco di neve di Koch". Il matematico svedese Helge von Koch inventò questa curva nel 1904. Si ottiene dividendo un segmento in tre parti e sostituendo il segmento centrale con un triangolo equilatero senza lato coincidente con tale segmento. La definizione è un po' difficile da capire, ma nella figura tutto è chiaro e semplice.
Esistono anche altre varianti della curva di Koch, ma la forma approssimativa della curva rimane simile.

Quando Nathan collegò l'antenna al ricevitore radio, rimase molto sorpreso: la sensibilità aumentò notevolmente. Dopo una serie di esperimenti, il futuro professore dell'Università di Boston si rese conto che un'antenna realizzata secondo uno schema frattale ha un'elevata efficienza e copre una gamma di frequenze molto più ampia rispetto alle soluzioni classiche. Inoltre, la forma dell'antenna sotto forma di curva frattale consente di ridurre significativamente le dimensioni geometriche. Nathan Cohen ha persino escogitato un teorema per dimostrare che creare antenna a banda largaè sufficiente dargli la forma di una curva frattale autosimile.

L'autore ha brevettato la sua scoperta e ha fondato un'azienda per lo sviluppo e la progettazione di antenne frattali, Fractal Antenna Systems, credendo giustamente che in futuro, grazie alla sua scoperta, i telefoni cellulari potranno liberarsi delle antenne ingombranti e diventare più compatti. In linea di principio, questo è quello che è successo. È vero, fino ad oggi Nathan è impegnato in una battaglia legale con grandi aziende, che utilizzano illegalmente la sua scoperta per produrre dispositivi di comunicazione compatti. Alcuni produttori famosi dispositivi mobili, come Motorola, hanno già raggiunto un accordo di pace con l'inventore dell'antenna frattale. Fonte originale

Negli ultimi anni ho dovuto affrontare regolarmente le sfide legate allo sviluppo di moduli a microonde UWB (banda ultralarga) e unità funzionali. E per quanto sia triste per me dirlo, ricevo quasi tutte le informazioni sull'argomento da fonti straniere. Tuttavia, qualche tempo fa, alla ricerca delle informazioni di cui avevo bisogno, ne ho trovato uno che prometteva una soluzione a tutti i miei problemi. Voglio parlare di come i problemi non sono stati risolti.

Uno dei "grattacapi" costanti nello sviluppo dei dispositivi a microonde UWB è lo sviluppo di antenne UWB, che devono avere una serie di determinate proprietà. Tra queste proprietà ci sono le seguenti:

1. Accordo nella banda di frequenza operativa (ad esempio, da 1 a 4 GHz). Tuttavia, ciò accade quando è necessario concordare l'intervallo di frequenza compreso tra 0,5 GHz e 5 GHz. E qui sorge il problema di scendere sotto 1 GHz di frequenza. In genere ho l'impressione che la frequenza di 1 GHz abbia una sorta di potere mistico: puoi avvicinarti ad essa, ma è molto difficile superarla, perché in questo caso viene violato un altro requisito per l'antenna, vale a dire

2. Compattezza. Dopotutto, non è un segreto che ora poche persone abbiano bisogno di un'antenna a tromba a guida d'onda di dimensioni enormi. Tutti vogliono un'antenna piccola, leggera e compatta in modo da poter essere inserita in un alloggiamento. dispositivo portatile. Ma quando si compatta l'antenna, diventa molto difficile rispettare il paragrafo 1 dei requisiti per l'antenna, perché La frequenza minima del campo operativo è strettamente correlata alla dimensione massima dell'antenna. Qualcuno dirà che puoi realizzare un'antenna su un dielettrico con un'elevata costante dielettrica relativa... E avranno ragione, ma questo contraddice il punto successivo della nostra lista, che dice che

3. L'antenna dovrebbe essere il più economica possibile e realizzata con i materiali più accessibili ed economici (ad esempio FR-4). Perché nessuno vuole pagare tanto, tanti soldi per un’antenna, anche se è tre volte brillante. Tutti vogliono il costo dell'antenna in fase di produzione scheda a circuito stampato tendeva a zero. Perché questo è il nostro mondo...

4. C'è un ulteriore requisito che sorge quando si risolvono vari problemi associati, ad esempio, alla localizzazione a corto raggio, nonché alla creazione di vari sensori utilizzando la tecnologia UWB (qui va chiarito che stiamo parlando sulle applicazioni a basso consumo in cui ogni dBm conta). E questo requisito afferma che il diagramma di radiazione (DP) dell'antenna progettata dovrebbe essere formato in un solo emisfero. Cosa serve? Affinché l'antenna “brilli” solo in una direzione, senza dissipare energia preziosa nel “ritorno”. Ciò consente anche di migliorare una serie di indicatori del sistema in cui viene utilizzata tale antenna.

Perché sto scrivendo tutto questo...? Affinché il lettore curioso possa capire che lo sviluppatore di una tale antenna deve affrontare molte restrizioni e divieti che deve superare eroicamente o argutamente.

E all'improvviso, come una rivelazione, appare un articolo che promette una soluzione a tutti i problemi di cui sopra (così come a quelli che non sono stati menzionati). La lettura di questo articolo evoca una leggera sensazione di euforia. Anche se la prima volta non capisci appieno ciò che è scritto, la parola magica "frattale" sembra molto promettente, perché La geometria euclidea ha già esaurito i suoi argomenti.

Ci mettiamo al lavoro con coraggio e alimentiamo la struttura proposta dall'autore dell'articolo al simulatore. Il simulatore ringhia gutturalmente come un frigorifero per computer, mastica gigabyte di numeri e sputa il risultato digerito... Guardando i risultati della simulazione, ti senti come un ragazzino ingannato. Mi vengono le lacrime agli occhi perché... ancora una volta i sogni aerei della tua infanzia si scontrarono con la ghisa...la realtà. Nell'intervallo di frequenza 0,1 GHz - 24 GHz non esiste alcuna coordinazione. Anche nell'intervallo 0,5 GHz - 5 GHz non esiste nulla di simile.

C'è ancora una timida speranza che tu non abbia capito qualcosa, abbia fatto qualcosa di sbagliato... Inizia la ricerca del punto di commutazione, varie varianti della topologia, ma tutto è vano: è morto!

La cosa più triste in questa situazione è che fino all'ultimo momento stai cercando in te stesso la ragione del fallimento. Grazie ai miei colleghi che mi hanno spiegato che era tutto corretto, non doveva funzionare.

PS Spero che il mio post di venerdì ti abbia fatto sorridere.
La morale di questa presentazione è questa: vigilate!
(E volevo davvero scrivere un articolo ANTI su questo, perché sono stato ingannato).

La prima cosa di cui vorrei scrivere è una piccola introduzione alla storia, alla teoria e all'uso delle antenne frattali. Recentemente sono state scoperte le antenne frattali. Sono stati inventati per la prima volta da Nathan Cohen nel 1988, poi ha pubblicato la sua ricerca su come realizzare un'antenna TV dal filo e l'ha brevettata nel 1995.

L'antenna frattale ha diverse caratteristiche uniche, come scritto su Wikipedia:

"Un'antenna frattale è un'antenna che utilizza un disegno frattale e autoripetente per massimizzare la lunghezza o aumentare il perimetro (su aree interne o struttura esterna) di un materiale in grado di ricevere o trasmettere segnali elettromagnetici all'interno di una data superficie o volume totale .”

Cosa significa esattamente? Bene, devi sapere cos'è un frattale. Anche da Wikipedia:

“Un frattale è tipicamente una forma geometrica grezza o frammentata che può essere divisa in parti, ciascuna delle quali è una copia più piccola del tutto: una proprietà chiamata autosomiglianza”.

Pertanto, un frattale è una forma geometrica che si ripete continuamente, indipendentemente dalla dimensione delle singole parti.

È stato riscontrato che le antenne frattali sono circa il 20% più efficienti rispetto alle antenne convenzionali. Ciò può essere utile soprattutto se desideri che l'antenna TV riceva video digitali o ad alta definizione, aumenti la portata cellulare, la portata Wi-Fi, la ricezione radio FM o AM, ecc.

Nella maggioranza telefono cellulare Esistono già antenne frattali. Potresti averlo notato perché Telefono cellulare non hanno più antenne all'esterno. Questo perché hanno al loro interno antenne frattali, incise nel circuito, che consentono loro di ricevere un segnale migliore e captare più frequenze, come Bluetooth, cellulare e Wi-Fi da un'unica antenna.

Wikipedia:

“La risposta dell'antenna frattale è notevolmente diversa da quella delle antenne tradizionali in quanto è in grado di funzionare con buone prestazioni a frequenze diverse contemporaneamente. La frequenza delle antenne standard deve essere tagliata per poter ricevere solo quella frequenza. Pertanto, un’antenna frattale, a differenza di un’antenna convenzionale, è un design eccellente per applicazioni a banda larga e multibanda”.

Il trucco è progettare la tua antenna frattale in modo che risuoni alla frequenza centrale specifica che desideri. Ciò significa che l'antenna avrà un aspetto diverso a seconda di ciò che desideri ottenere. Per fare questo è necessario utilizzare la matematica (o un calcolatore online).

Nel mio esempio farò antenna semplice, ma puoi renderlo più complesso. Più è complesso, meglio è. Utilizzerò una bobina di filo con nucleo solido a 18 fili per realizzare l'antenna, ma puoi personalizzare i tuoi circuiti stampati per adattarli alla tua estetica, renderli più piccoli o più complessi con maggiore risoluzione e risonanza.

Realizzerò un'antenna TV per ricevere la TV digitale o la TV alta risoluzione. Queste frequenze sono più facili da lavorare e hanno una lunghezza compresa tra circa 15 cm e 150 cm per mezza lunghezza d'onda. Per semplicità e basso costo dei componenti, lo posizionerò su una comune antenna a dipolo, catturerà le onde nella gamma 136-174 MHz (VHF).

Per ricevere le onde UHF (400-512 MHz), è possibile aggiungere un regista o un riflettore, ma ciò renderà la ricezione più dipendente dalla direzione dell'antenna. Anche il VHF è direzionale, ma invece di puntare direttamente verso la stazione TV in un'installazione UHF, sarà necessario montare le orecchie VHF perpendicolari alla stazione TV. Ciò richiederà un piccolo sforzo in più. Voglio rendere il design il più semplice possibile, perché è già una cosa piuttosto complessa.

Componenti principali:

• Superficie di montaggio, ad esempio un alloggiamento in plastica (20 cm x 15 cm x 8 cm)
• 6 viti. Ho usato viti per lamiera d'acciaio
• Trasformatore con resistenza da 300 Ohm a 75 Ohm.
• Cavo di montaggio da 0,8 mm (18 AWG).
• Cavo coassiale RG-6 con terminatori (e con guaina in gomma se l'installazione sarà effettuata all'aperto)
• Alluminio quando si utilizza un riflettore. Ce n'era uno nell'allegato sopra.
• Ottimo pennarello
• Due paia di pinze piccole
• Il righello non è inferiore a 20 cm.
• Trasportatore per la misurazione dell'angolo
• Due punte da trapano, una leggermente più piccola di diametro rispetto alle viti
• Tagliafili piccolo
• Cacciavite o cacciavite

Nota: la parte inferiore dell'antenna in filo di alluminio si trova sul lato destro dell'immagine, dove sporge il trasformatore.

Passaggio 1: aggiunta di un riflettore

Montare l'alloggiamento con il riflettore sotto la copertura di plastica

Passaggio 2: praticare i fori e installare i punti di montaggio

Praticare piccoli fori di uscita sul lato opposto del riflettore in queste posizioni e posizionare una vite conduttiva.

Passaggio 3: misurare, tagliare e spelare i cavi

Taglia quattro pezzi di filo da 20 cm e posizionali sul corpo.

Passaggio 4: misurazione e marcatura dei cavi

Usando un pennarello, segna ogni 2,5 cm sul filo (in questi punti ci saranno delle pieghe)

Passaggio 5: creazione di frattali

Questo passaggio deve essere ripetuto per ogni pezzo di filo. Ogni curva dovrebbe essere esattamente di 60 gradi, poiché creeremo triangoli equilateri per il frattale. Ho usato due paia di pinze e un goniometro. Ogni piega è fatta su un segno. Prima di fare le pieghe, visualizza la direzione di ciascuna di esse. Si prega di utilizzare lo schema allegato per questo.

Passaggio 6: creazione di dipoli

Taglia altri due pezzi di filo lunghi almeno 6 pollici. Avvolgi questi fili attorno alle viti superiore e inferiore lungo il lato lungo, quindi avvolgili attorno alle viti centrali. Quindi tagliare la lunghezza in eccesso.

Passaggio 7: installazione dei dipoli e installazione del trasformatore

Fissare ciascuno dei frattali sulle viti angolari.

Collegare un trasformatore con l'impedenza adeguata alle due viti centrali e serrarle.

Assemblaggio completato! Dai un'occhiata e divertiti!

Passaggio 8: ulteriori iterazioni/esperimenti

Ho creato alcuni nuovi elementi utilizzando un modello di carta di GIMP. Ho usato un piccolo cavo telefonico solido. Era piccolo, forte e abbastanza flessibile da piegarsi nelle forme complesse richieste per la frequenza centrale (554 MHz). Questa è la media segnale digitale UHF per i canali televisione terrestre nella mia zona.

Foto allegata. Potrebbe essere difficile vedere i fili di rame in condizioni di scarsa illuminazione contro il cartone e il nastro adesivo sulla parte superiore, ma hai un'idea.

A queste dimensioni, gli elementi sono piuttosto fragili, quindi devono essere maneggiati con cura.

Ho anche aggiunto un modello in formato png. Per stampare la dimensione desiderata, dovrai aprirlo in un editor di foto come GIMP. Il modello non è perfetto perché l'ho realizzato a mano utilizzando il mouse, ma è abbastanza comodo per le mani umane.

UDC 621.396

antenna frattale a banda ultralarga basata su un monopolo circolare

G.I. Abdrakhmanova

Università tecnica dell'aviazione statale di Ufa,

Università degli studi di Trento

Annotazione.L'articolo discute il problema della progettazione di un'antenna a banda ultralarga basata sulla tecnologia frattale. Vengono presentati i risultati degli studi sui cambiamenti nelle caratteristiche della radiazione in base al fattore di scala.e il livello di iterazione. È stata effettuata l'ottimizzazione parametrica della geometria dell'antenna per soddisfare i requisiti del coefficiente di riflessione. Le dimensioni dell'antenna sviluppata sono 34 × 28 mm 2 e la gamma di frequenza operativa è 3,09 ÷ 15 GHz.

Parole chiave:comunicazioni radio a banda ultralarga, tecnologia frattale, antenne, riflettività.

Astratto:Nel documento viene descritto lo sviluppo di una nuova antenna a banda ultralarga basata sulla tecnologia frattale. Vengono presentati i risultati della ricerca sulle caratteristiche della radiazione che cambiano a seconda del valore del fattore di scala e del livello di iterazione. È stata applicata l'ottimizzazione parametrica della geometria dell'antenna per soddisfare i requisiti del coefficiente di riflessione. La dimensione dell'antenna sviluppata è 28 × 34 mm 2 , e la larghezza di banda è 3,09 ÷ 15 GHz.

Parole chiave:comunicazione radio a banda ultralarga, tecnologia frattale, antenne, coefficiente di riflessione.

1. Introduzione

Oggi i sistemi di comunicazione a banda ultralarga (UWB) sono di grande interesse per sviluppatori e produttori di apparecchiature di telecomunicazione, poiché consentono di trasmettere enormi flussi di dati ad alta velocità in una banda di frequenza ultralarga senza licenza. Le peculiarità dei segnali trasmessi implicano l'assenza di potenti amplificatori e complessi componenti di elaborazione del segnale come parte dei complessi ricetrasmettitori, ma limitano la portata (5-10 m).

La mancanza di un elemento base appropriato in grado di funzionare efficacemente con impulsi ultracorti sta frenando l’adozione di massa della tecnologia UWB.

Le antenne ricetrasmittenti sono uno degli elementi chiave che influenzano la qualità della trasmissione/ricezione del segnale. La direzione principale dei brevetti e della ricerca nel campo della progettazione della tecnologia delle antenne per i dispositivi UWB è la miniaturizzazione e la riduzione dei costi di produzione garantendo al contempo le caratteristiche di frequenza ed energia richieste, nonché l'uso di nuove forme e strutture.

Pertanto, la geometria dell'antenna è costruita sulla base di una spline con al centro una fessura rettangolare a forma di U, che le consente di operare nella banda UWB con funzione di blocco Wi-Fi -banda, dimensioni dell'antenna - 45,6 × 29 mm 2. Come elemento radiante è stata scelta una figura asimmetrica a forma di E di 28×10 mm 2, posta ad un’altezza di 7 mm rispetto al piano conduttore (50×50 mm 2). Viene presentata un'antenna unipolare planare (22x22mm2) progettata sulla base di un elemento radiante rettangolare e una struttura risonante a scala sul retro.

2 Enunciazione del problema

Dato che le strutture circolari possono fornire una larghezza di banda abbastanza ampia, design semplificato, dimensioni ridotte e costi di produzione ridotti, questo articolo propone di sviluppare un'antenna UWB basata su un monopolo circolare. Intervallo di frequenza operativa richiesto – 3,1 ÷ 10,6 GHz con un livello di coefficiente di riflessione di -10 dB S 11, (fig. 1).

Riso. 1. Maschera necessaria per la riflettanza S11

Ai fini della miniaturizzazione, la geometria dell'antenna sarà modernizzata attraverso l'uso della tecnologia frattale, che consentirà anche di studiare la dipendenza delle caratteristiche della radiazione dal valore del fattore di scala δ e il livello di iterazione frattale.

Successivamente, è stato impostato il compito di ottimizzare l'antenna frattale sviluppata al fine di espandere il raggio operativo modificando i seguenti parametri: la lunghezza del conduttore centrale (CP) della guida d'onda complanare (HF), la lunghezza del piano di massa (GP ) dell'HF, la distanza “CP HF - elemento radiante (E)”.

La modellazione dell'antenna e gli esperimenti numerici vengono effettuati nel " Studio Microonde CST".

3 Selezione della geometria dell'antenna

Come elemento base è stato scelto un monopolo circolare, le cui dimensioni sono un quarto della lunghezza d'onda della gamma richiesta:

Dove L'ar– lunghezza dell'elemento radiante dell'antenna senza tener conto della CPU;f l– frequenza limite inferiore,f l = F min uwb = 3,1·10 9 Hz; Con- velocità della luce, Con = 3·10 8 m/s 2 .

Noi abbiamo L'ar= 24,19 mm ≈ 24 mm. Considerando che un cerchio con un raggio diR = L'ar / 2 = 12 mm e prendendo la lunghezza originale della CPUL f anche uguale R, otteniamo l'iterazione zero (Fig. 2).

Riso. 2. Iterazione zero dell'antenna

Spessore del substrato dielettricoTse con i valori dei parametries = 3,38, tg δ = 0,0025 viene utilizzato come base sul lato anteriore del quale IE, CPU e PZ . Allo stesso tempo, le distanze” PZ-CP" Zv e "PZ-IE" Z h preso pari a 0,76 mm. I valori degli altri parametri utilizzati nel processo di modellazione sono presentati nella Tabella 1.

Tabella 1. Parametri dell'antenna ( δ = 2)

Nome	Descrizione	Formula	Senso
L a	Lunghezza dell'antenna	2 ∙ R + L f	36 mm
W a	Larghezza dell'antenna	2 ∙ R	24 mm
L f	Lunghezza della CPU	r+ 0,1	12,1 mm
Wf	Larghezza della CPU		1,66 mm
Lg	Lunghezza PZ	r – T s	11,24 mm
Ls	Lunghezza del substrato	L a + Gs	37 mm
W s	Larghezza del substrato	W a+ 2 ∙ Gs	26 mm
Sol 1	Spazio verticale del substrato		1 millimetro
Sol 2	Spazio orizzontale del substrato		1 millimetro
Tm	Spessore del metallo		0,035 mm
Ts	Spessore del substrato		0,76 mm
R	Raggio del cerchio della 0a iterazione		12 mm
R 1	Raggio del cerchio della 1a iterazione	R /2	6 mm
R 2	Raggio del cerchio della 2a iterazione	R 1 /2	3 mm
R 3	Raggio del cerchio 3 iterazioni	R 2 /2	1,5 mm
es	La costante dielettrica		3,38

L'antenna è alimentata da una guida d'onda complanare composta da un conduttore centrale e un piano di massa, SMA -connettore e una porta di guida d'onda complanare (CWP) posta perpendicolarmente ad esso (Fig. 3).

Dove eff – costante dielettrica effettiva:

K – integrale ellittico completo di prima specie;

	(5)

La frattalità nella costruzione di un'antenna risiede in un modo speciale di impacchettare gli elementi: le iterazioni successive dell'antenna si formano posizionando cerchi di raggio più piccolo negli elementi dell'iterazione precedente. In questo caso, il fattore di scala δ determina quante volte differiranno le dimensioni delle iterazioni vicine. Questo processo per l'occasione δ = 2 è mostrato in Fig. 4.

Riso. 4. Prima, seconda e terza iterazione dell'antenna ( δ = 2)

Pertanto, la prima iterazione è stata ottenuta sottraendo due cerchi con un raggioR 1 dall'elemento originale. La seconda iterazione si forma posizionando cerchi metallici di raggio dimezzatoR 2 in ogni cerchio della prima iterazione. La terza iterazione è simile alla prima, ma il raggio lo èR 3 . L'opera esamina la disposizione verticale e orizzontale dei cerchi.

3.1 Disposizione orizzontale degli elementi

La dinamica dei cambiamenti nel coefficiente di riflessione in base al livello di iterazione è presentata in Fig. 5 per δ = 2 e nella Fig. 6 per δ = 3. Ogni nuovo ordine corrisponde ad una frequenza di risonanza aggiuntiva. Pertanto, l'iterazione zero nell'intervallo considerato 0 ÷ 15 GHz corrisponde a 4 risonanze, la prima iterazione – 5, ecc. Inoltre, a partire dalla seconda iterazione, i cambiamenti nel comportamento delle caratteristiche diventano meno evidenti.

Riso. 5. Dipendenza del coefficiente di riflessione dall'ordine di iterazione ( δ = 2)

L'essenza della modellazione è che in ogni fase, dalle caratteristiche in esame, viene selezionata quella che si ritiene essere la più promettente. A questo proposito è stata introdotta la seguente norma:

Se l'eccesso (differenza) nell'intervallo in cui lo scaffale è superiore a -10 dB è piccolo, allora si dovrebbe scegliere la caratteristica che ha uno scaffale più basso nell'intervallo operativo (sotto -10 dB), poiché come risultato dell'ottimizzazione il primo verrà eliminato e il secondo scenderà ancora più in basso.

Riso. 6. Dipendenza del coefficiente di riflessione dall'ordine di iterazione ( δ = 3)

Sulla base dei dati ricevuti e in conformità con questa regola per δ = 2 è selezionata la curva corrispondente alla prima iterazione δ = 3 – seconda iterazione.

Successivamente, si propone di studiare la dipendenza del coefficiente di riflessione dal valore del fattore di scala. Considera il cambiamento δ nell'intervallo 2 ÷ 6 con il passo 1 compreso tra la prima e la seconda iterazione (Fig. 7, 8).

Un comportamento interessante dei grafici è che, a partire da δ = 3, le caratteristiche diventano più piatte e morbide, il numero di risonanze rimane costante e la crescita δ accompagnato da un aumento del livello S11 negli intervalli pari e una diminuzione in quelli dispari.

Riso. 7. Dipendenza del coefficiente di riflessione dal fattore di scala per la prima iterazione ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

In questo caso, il valore scelto per entrambe le iterazioni è δ = 6.

Riso. 8. Dipendenza del coefficiente di riflessione dal fattore di scala per la seconda iterazione ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

δ = 6, poiché è caratterizzato dai ripiani più bassi e dalle risonanze più profonde (Fig. 9).

Riso. 9. Confronto tra S 11

3.2 Disposizione verticale degli elementi

La dinamica dei cambiamenti nel coefficiente di riflessione in base al livello di iterazione per il caso della disposizione verticale dei cerchi è presentata in Fig. 10 per δ = 2 e nella Fig. 11 per δ = 3.

Riso. 10. Dipendenza del coefficiente di riflessione dall'ordine di iterazione ( δ = 2)

Sulla base dei dati ottenuti e in conformità con la regola per δ = 2 e δ = 3 viene selezionata la curva corrispondente alla terza iterazione.

Riso. 11. Dipendenza del coefficiente di riflessione dall'ordine di iterazione ( δ = 3)

La considerazione della dipendenza del coefficiente di riflessione dal valore del fattore di scala all'interno della prima e della seconda iterazione (Fig. 12, 13) rivela il valore ottimale δ = 6, come nel caso della disposizione orizzontale.

Riso. 12. Dipendenza del coefficiente di riflessione dal fattore di scala per la prima iterazione ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

In questo caso, il valore scelto per entrambe le iterazioni è δ = 6, che rappresenta ancheN-frattale multiplo, il che significa che potrebbe dover combinare funzionalità δ = 2 e δ = 3.

Riso. 13. Dipendenza del coefficiente di riflessione dal fattore di scala per la seconda iterazione ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

Pertanto, tra le quattro opzioni confrontate, è stata selezionata la curva corrispondente alla seconda iterazione, δ = 6, come nel caso precedente (Fig. 14).

Riso. 14. Confronto S11 per le quattro geometrie di antenna considerate

3.3 Confronto

Considerando le migliori opzioni per le geometrie verticali e orizzontali ottenute nelle due sottosezioni precedenti, la scelta viene effettuata sulla prima (Fig. 15), anche se in questo caso la differenza tra queste opzioni non è così grande. Gamme di frequenza operativa: 3.825÷4.242 GHz e 6.969÷13.2 GHz. Successivamente, il progetto verrà modernizzato per sviluppare un'antenna che operi nell'intera gamma UWB.

Riso. 15. Confronto S11 per selezionare l'opzione finale

4 Ottimizzazione

Questa sezione discute l'ottimizzazione dell'antenna basata sulla seconda iterazione del frattale con il valore del coefficiente δ = 6. I parametri variabili sono presentati in e gli intervalli delle loro modifiche sono nella Tabella 2.

Riso. 20. Aspetto dell'antenna: a) lato anteriore; b) retro

Nella fig. 20 mostra le caratteristiche che riflettono la dinamica del cambiamento S11 passo dopo passo e dimostrando la validità di ogni azione successiva. La tabella 4 mostra le frequenze di risonanza e di taglio utilizzate ulteriormente per calcolare le correnti superficiali e i diagrammi di radiazione.

Tavolo 3. Parametri dell'antenna calcolati

Nome	Valore iniziale, mm	Valore finale, mm
∆ L f
Z h	Tavolo 13,133208
6,195	27,910472
8,85	21,613615
10,6	12,503542
12,87	47,745235

La distribuzione delle correnti superficiali dell'antenna alle frequenze di risonanza e di confine della gamma UWB è mostrata in Fig. 21, e i diagrammi di radiazione sono in 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

Riso. 21. Distribuzione delle correnti superficiali

UN) F(φ ), θ = 0° b) F(φ ), θ = 90°

V) F(θ ), φ = 0°g) F(θ ), φ = 90°

Riso. 22. Schemi di radiazione nel sistema di coordinate polari

5 Conclusione

Questo articolo presenta un nuovo metodo per la progettazione di antenne UWB basato sull'uso della tecnologia frattale. Questo processo prevede due fasi. Inizialmente, la geometria dell'antenna viene determinata selezionando il fattore di scala appropriato e il livello di iterazione frattale. Successivamente, alla forma risultante viene applicata l'ottimizzazione parametrica basata sullo studio dell'influenza delle dimensioni dei componenti chiave dell'antenna sulle caratteristiche della radiazione.

È stato stabilito che all’aumentare dell’ordine di iterazione aumenta il numero di frequenze di risonanza e l’aumento del fattore di scala all’interno di un’iterazione è caratterizzato da un comportamento più piatto S11 e costanza delle risonanze (a partire da δ = 3).

L'antenna sviluppata fornisce una ricezione di alta qualità dei segnali nella banda di frequenza 3,09 ÷ 15 GHz in termini di livello S11 < -10 дБ. Помимо этого антенна характеризуется малыми размерами 34×28 мм 2 , а следовательно может быть успешно применена в СШП приложениях.

6 Ringraziamenti

Lo studio è stato sostenuto da un finanziamento dell’Unione Europea” Azione Erasmus Mundus 2", anche l'A.G.I. ringrazia il professore Paolo Rocca per discussioni utili.

Letteratura

1.L . Lizzi, G. Oliveri, P. Rocca, A. Massa. Antenna UWB unipolare planare con caratteristiche dentellate della banda WLAN UNII1/UNII2. Progressi nella ricerca sull'elettromagnetismo B, vol. 25, 2010. – 277-292 pp.

2. H. Malekpoor, S. Jam. Antenne patch corte a banda ultralarga alimentate da patch ripiegato con multi risonanze. Progressi nella ricerca sull'elettromagnetismo B, vol. 44, 2012. – 309-326 pp.

3. RA Sadeghzaden-Sheikhan, M. Naser-Moghadasi, E. Ebadifallah, H. Rousta, M. Katouli, B.S. Virdee. Antenna unipolare planare che utilizza una struttura risonante a scala sul backplane per prestazioni a banda ultralarga. Microonde IET, antenne e propagazione, vol. 4, Iss. 9, 2010. – 1327-1335 pp.

4. Revisione della parte 15 delle norme della Commissione relative ai sistemi di trasmissione a banda ultralarga, Federal Communications Commission, FCC 02-48, 2002. – 118 p.