Fraktale antenner for TV. Fraktal ultrabredbåndsantenne basert på en sirkulær monopol. Deretter ble en plan elektromagnetisk bølge rettet mot den konstruerte fraktalantennen, og programmet beregnet feltutbredelsen før og etter

I matematikk kalles mengder fraktal, bestående av elementer som ligner på settet som helhet. beste eksempelet: Hvis du ser nøye på ellipsens linje, blir den rett. Fraktal - uansett hvor nært - bildet vil forbli komplekst og likt det generelle synet. Elementene er ordnet på en bisarr måte. Derfor anser vi konsentriske sirkler som det enkleste eksemplet på en fraktal. Uansett hvor nærme du er, dukker nye sirkler opp. Det er mange eksempler på fraktaler. For eksempel gir Wikipedia et bilde av romanesco-kål, der kålhodet består av kongler, som nøyaktig ligner et malt kålhode. Nå forstår leserne at det ikke er lett å lage fraktale antenner. Men det er interessant.

Hvorfor fraktalantenner er nødvendig

Hensikten med fraktalantennen er å fange flere med færre ofre. I vestlige videoer - det er mulig å finne en paraboloid, der et segment av et fraktalt bånd vil tjene som en emitter. De lager allerede elementer av mikrobølgeenheter av folie, mer effektive enn vanlige. Vi skal vise hvordan man lager en fraktalantenne til slutt, og behandler koordinering alene med en SWR-måler. Vi nevner at det er et helt nettsted, selvfølgelig, utenlandsk, der det tilsvarende produktet markedsføres for kommersielle formål, det er ingen tegninger. Vår hjemmelagde fraktalantenne er enklere, den største fordelen er at du kan lage designet med egne hender.

De første fraktale antennene - bikoniske - dukket opp, ifølge videoen fra nettstedet fractenna.com, i 1897 av Oliver Lodge. Ikke søk på Wikipedia. Sammenlignet med en konvensjonell dipol gir et par trekanter i stedet for en vibrator en båndforlengelse på 20 %. Ved å lage periodiske repeterende strukturer var det mulig å sette sammen miniatyrantenner ikke verre enn store motstykker. Ofte vil du finne en bikonisk antenne i form av to rammer eller bisarr formede plater.

Dette vil etter hvert gjøre det mulig å motta flere TV-kanaler.

Hvis du skriver inn en forespørsel på YouTube, vises en video om produksjon av fraktale antenner. Du vil bedre forstå hvordan det fungerer hvis du ser for deg den seksspissede stjernen til det israelske flagget, der hjørnet ble kuttet av sammen med skuldrene. Det viste seg at tre hjørner gjensto, to hadde den ene siden på plass, den andre ikke. Det sjette hjørnet mangler totalt. La oss nå plassere to like stjerner vertikalt, med sentrale vinkler til hverandre, spor til venstre og høyre, over dem - et lignende par. Resultatet ble en antennegruppe - den enkleste fraktalantennen.

Stjernene rundt hjørnene er forbundet med en mater. Parvise kolonner. Signalet tas fra linjen, nøyaktig midt på hver ledning. Strukturen er satt sammen på bolter på et dielektrisk (plast) substrat av passende størrelse. Siden av stjernen er nøyaktig en tomme, avstanden mellom hjørnene på stjernene vertikalt (lengden på materen) er fire tommer, horisontalt (avstanden mellom de to ledningene til materen) er en tomme. Stjernene har vinkler på 60 grader i sine hjørner, nå vil leseren tegne en lignende i form av en mal, slik at de senere kan lage en fraktalantenne på egenhånd. Vi laget en arbeidsskisse, målestokken er ikke observert. Vi kan ikke garantere at stjernene kom ut nøyaktig, Microsoft Paint uten store muligheter for å lage nøyaktige tegninger. Det er nok å se på bildet for å gjøre enheten til fraktalantennen åpenbar:

1. Det brune rektangelet viser det dielektriske substratet. Fraktalantennen vist på figuren har et symmetrisk strålingsmønster. Hvis du skjermer emitteren mot forstyrrelser, plasseres skjermen på fire stolper bak underlaget i en tommes avstand. Ved frekvenser er det ikke nødvendig å plassere en solid metallplate, en kvart-tommers mesh vil være tilstrekkelig, ikke glem å koble skjermen til kabelkappen.
2. Mater med en karakteristisk impedans på 75 ohm krever godkjenning. Finn eller lag en transformator som konverterer 300 ohm til 75 ohm. Det er bedre å fylle opp en SWR-måler og velge de ønskede parameterne, ikke ved berøring, men etter enheten.
3. Fire stjerner, bøyd ut av kobbertråd. Vi rengjør lakkisolasjonen på stedet for dokking med materen (hvis noen). Den interne materen til antennen består av to parallelle stykker ledning. Det er lurt å plassere antennen i en boks for beskyttelse mot dårlig vær.

Sette sammen en fraktalantenne for digital-TV

Etter å ha lest anmeldelsen til slutten, vil fraktale antenner bli laget av hvem som helst. Fordypet seg så raskt i designet at de glemte å snakke om polarisering. Vi tror den er lineær og horisontal. Dette kommer av hensynene:

• Videoen er åpenbart av amerikansk opprinnelse, vi snakker om HDTV. Derfor kan vi godta moten til det angitte landet.
• Som du vet, er det få stater på planeten som sender fra satellitter ved hjelp av sirkulær polarisering, blant dem Russland og USA. Derfor tror vi at andre teknologier for informasjonsoverføring ligner. Hvorfor? Det var en kald krig tror vi, begge land valgte strategisk hva og hvordan de skulle overføre, andre land gikk ut fra rent praktiske hensyn. Sirkulær polarisering er implementert spesifikt for spionsatellitter (beveger seg konstant i forhold til observatøren). Det er derfor grunn til å tro at det er en likhet i TV- og radiokringkasting.
• Strukturen til antennen sier at den er lineær. Det er rett og slett ingen steder å ta sirkulær eller elliptisk polarisering. Derfor - med mindre våre lesere er profesjonelle som kjenner MMANA - hvis antennen ikke fanger i akseptert posisjon, roter 90 grader i radiatorens plan. Polarisasjonen vil endres til vertikal. Mange vil forresten klare å fange FM også, hvis dimensjonene settes mer enn 4 ganger.Det er bedre å ta en tykkere ledning (for eksempel 10 mm).

Vi håper vi har forklart leserne hvordan man bruker fraktalantennen. Et par tips for enkel montering. Så prøv å finne en ledning med lakkert beskyttelse. Bøy formene som vist på bildet. Deretter divergerer konstruktørene, vi anbefaler å gjøre dette:

1. Fjern stjernene og materledningene ved dokkingpunktene. Fest materledningene ved ørene med bolter på underlaget i midtdelene. For å utføre handlingen riktig, mål en tomme på forhånd og tegn to parallelle linjer med en blyant. Ledninger skal ligge langs dem.
2. Lodd en enkelt struktur, kontroller nøye avstandene. Forfatterne av videoen anbefaler å lage en emitter slik at stjernene ligger flatt på materne med hjørnene, og de motsatte endene hviler på kanten av underlaget (hver på to steder). For en eksemplarisk stjerne ble stedene markert med blått.
3. For å oppfylle betingelsen, trekk hver stjerne på ett sted med en bolt med en dielektrisk klemme (for eksempel PVA-ledninger fra cambric og lignende). På figuren er festepunktene vist i rødt for én stjerne. Bolten er skjematisk tegnet som en sirkel.

Tilførselskabelen går (valgfritt) med motsatt side. Bor hull på plass. SWR justeres ved å endre avstanden mellom mateledningene, men i dette designet er dette en sadistisk metode. Vi anbefaler ganske enkelt å måle impedansen til antennen. Husk hvordan dette gjøres. Du trenger en generator for frekvensen til programmet du ser på, for eksempel 500 MHz, i tillegg et høyfrekvent voltmeter som ikke lagrer foran signalet.

Deretter måles spenningen som produseres av generatoren, som den lukker for et voltmeter (parallelt). Fra en variabel motstand med ekstremt lav selvinduktans og en antenne setter vi sammen en resistiv deler (vi kobler i serie etter generatoren, først motstanden, så antennen). Vi måler spenning med et voltmeter variabel motstand, mens du samtidig justerer karakteren til generatoravlesningene uten belastning (se avsnittet ovenfor) blir dobbelt så høy som strømmen. Dette betyr at verdien til den variable motstanden har blitt lik bølgeimpedansen til antennen ved en frekvens på 500 MHz.

Nå er det mulig å lage transformatoren på ønsket måte. Det er vanskelig å finne den rette på nettet, for de som liker å fange radiokringkasting, fant de et ferdig svar http://www.cqham.ru/tr.htm. Siden sier og tegner hvordan man matcher belastningen med en 50-ohm kabel. Vær oppmerksom på at frekvensene tilsvarer HF-båndet, MW passer delvis her. Den karakteristiske impedansen til antennen opprettholdes i området 50 - 200 ohm. Det er vanskelig å si hvor mye en stjerne vil gi. Hvis det er en enhet på gården for å måle bølgeimpedansen til linjen, husker vi: hvis lengden på materen er et multiplum av en fjerdedel av bølgelengden, overføres antenneimpedansen til utgangen uendret. Det er umulig å gi slike forhold for et lite og et stort område (vi husker at en utvidet rekkevidde også er inkludert i funksjonene til fraktale antenner), men for målingene brukes det nevnte faktum overalt.

Leserne vet nå alt om disse fantastiske transceiverne. En slik uvanlig form antyder at universets mangfold ikke passer inn i det typiske rammeverket.

Verden er ikke uten gode mennesker :-)
Valery UR3CAH: "God ettermiddag, Egor. Jeg tror denne artikkelen (nemlig delen "Fraktale antenner: mindre er bedre") tilsvarer temaet på nettstedet ditt og vil være av interesse for deg:) 73!"
Ja, selvfølgelig er det interessant. Til en viss grad har vi allerede berørt dette emnet når vi diskuterte geometrien til hexabims. Også der var det et dilemma med "pakkingen" av den elektriske lengden til geometriske dimensjoner :-). Så tusen takk, Valery, for materialet som ble sendt.
Fraktale antenner: mindre er bedre, men bedre
I løpet av det siste halve århundret har livet endret seg raskt. De fleste av oss aksepterer prestasjon moderne teknologier forgitt. Alt som gjør livet mer behagelig, blir du vant til veldig raskt. Sjelden stiller noen spørsmålene "Hvor kom dette fra?" og "Hvordan fungerer det?". En mikrobølgeovn varmer opp frokosten - vel, flott, en smarttelefon lar deg snakke med en annen person - flott. Dette virker som en åpenbar mulighet for oss.
Men livet kunne vært helt annerledes hvis en person ikke lette etter en forklaring på hendelsene som fant sted. Ta for eksempel mobiltelefoner. Husker du de uttrekkbare antennene på de første modellene? De forstyrret, økte størrelsen på enheten, til slutt brøt de ofte. Vi tror at de har sunket inn i glemselen for alltid, og delvis på grunn av dette ... fraktaler.
Fraktale tegninger fascinerer med mønstrene deres. De ligner definitivt bilder av romobjekter - tåker, galaksehoper og så videre. Derfor er det ganske naturlig at når Mandelbrot ga uttrykk for sin teori om fraktaler, vakte forskningen hans økt interesse blant de som studerte astronomi. En av disse amatørene ved navn Nathan Cohen, etter å ha deltatt på et foredrag av Benoit Mandelbrot i Budapest, tok fyr med ideen praktisk anvendelse tilegnet kunnskap. Riktignok gjorde han det intuitivt, og tilfeldighetene spilte en viktig rolle i oppdagelsen hans. Som radioamatør forsøkte Nathan å lage en antenne med høyest mulig følsomhet.
Den eneste måtenå forbedre parametrene til antennen, som var kjent på den tiden, var å øke dens geometriske dimensjoner. Eieren av Nathans leilighet i Boston sentrum var imidlertid sterkt imot å installere store takenheter. Så begynte Nathan å eksperimentere med ulike former for antenner, og prøvde å få maksimalt resultat med minimumsstørrelsen. Tent med ideen om fraktale former, laget Cohen, som de sier, tilfeldig en av de mest kjente fraktalene av tråd - "Koch-snøfnugget". Den svenske matematikeren Helge von Koch kom opp med denne kurven tilbake i 1904. Det oppnås ved å dele segmentet i tre deler og erstatte det midtre segmentet med en likesidet trekant uten at en side faller sammen med dette segmentet. Definisjonen er litt vanskelig å forstå, men figuren er klar og enkel.
Det finnes også andre varianter av "Koch-kurven", men den omtrentlige formen på kurven forblir lik.

Da Nathan koblet antennen til radiomottakeren ble han veldig overrasket – følsomheten økte dramatisk. Etter en rekke eksperimenter innså den fremtidige professoren ved Boston University at en antenne laget etter et fraktalt mønster har høy effektivitet og dekker et mye bredere frekvensområde sammenlignet med klassiske løsninger. I tillegg kan formen på antennen i form av en fraktalkurve redusere de geometriske dimensjonene betydelig. Nathan Cohen kom til og med opp med et teorem som beviser det for å skape bredbåndsantenne det er nok å gi den form av en selvlik fraktal kurve.

Forfatteren patenterte oppdagelsen sin og grunnla selskapet for utvikling og design av fraktale antenner Fractal Antenna Systems, med rette i å tro at i fremtiden, takket være oppdagelsen hans, vil mobiltelefoner kunne kvitte seg med store antenner og bli mer kompakte. I utgangspunktet var det det som skjedde. Riktignok er Nathan i dag i en rettssak med store selskaper som ulovlig bruker oppdagelsen hans til å produsere kompakte kommunikasjonsenheter. Noen kjente produsenter mobile enheter, som Motorola, har allerede oppnådd en fredsavtale med oppfinneren av fraktalantennen. originalkilde

I løpet av de siste årene har jeg jevnlig blitt møtt med oppgavene med å utvikle UWB (ultra-wideband) mikrobølgemoduler og funksjonelle enheter. Og uansett hvor trist det er for meg å snakke om det, henter jeg nesten all informasjon om temaet fra utenlandske kilder. Men for en tid siden, på jakt etter informasjonen jeg trengte, snublet jeg over en som lovet en løsning på alle problemene mine. Jeg vil snakke om hvordan løsningen av problemer ikke fungerte.

En av de konstante "hodepinene" i utviklingen av UWB-mikrobølgeenheter er utviklingen av UWB-antenner, som må ha et sett med spesifikke egenskaper. Blant disse egenskapene er følgende:

1. Koordinering i driftsfrekvensbåndet (for eksempel fra 1 til 4 GHz). Det skjer imidlertid når det er nødvendig å avtale i frekvensområdet fra 0,5 GHz til 5 GHz. Og her oppstår problemet med å gå ned i frekvens under 1 GHz. Generelt fikk jeg inntrykk av at frekvensen på 1 GHz har en slags mystisk kraft - du kan komme nær den, men det er veldig vanskelig å overvinne det, fordi. i dette tilfellet brytes et annet krav til antennen, nemlig

2. Kompakthet. Tross alt er det ingen hemmelighet for noen at nå er det få som trenger en bølgelederhornantenne av enorme dimensjoner. Alle vil at antennen skal være liten, lett og kompakt slik at den kan stikkes inn i et etui. bærbar enhet. Men med komprimeringen av antennen blir det svært vanskelig å overholde paragraf 1 i kravene til antennen, siden minimumsfrekvensen til driftsområdet er nært knyttet til maksimal størrelse på antennen. Noen vil si at du kan lage en antenne på et dielektrikum med en høy verdi av relativ permittivitet ... Og han vil ha rett, men dette motsier det neste elementet på listen vår, som sier at

3. Antennen skal være så billig som mulig og laget på grunnlag av de mest tilgjengelige og rimelige materialene (for eksempel FR-4). For ingen vil betale mye, mye penger for en antenne, selv om den er tre ganger genial. Alle vil ha prisen på en antenne på produksjonsstadiet trykt kretskort gravitert mot null. Fordi dette er vår verden...

4. Det er enda et krav som oppstår ved løsning av ulike problemer knyttet til for eksempel kortdistanseplassering, samt ved opprettelse av ulike sensorer ved bruk av UWB-teknologi (her bør det presiseres at vi snakker laveffektapplikasjoner der hver dBm teller). Og dette kravet sier at strålingsmønsteret (DN) til den utformede antennen skal dannes i bare én halvkule. Hva er den til? For at antennen skal "lyse" i bare én retning, uten å spre dyrebar kraft inn i "retur". Det forbedrer også en rekke indikatorer for systemet der en slik antenne brukes.

Hvorfor skriver jeg alt dette..? For at den nysgjerrige leseren skal forstå at utvikleren av en slik antenne står overfor mange begrensninger og forbud som han trenger å overvinne heroisk eller vittig.

Og plutselig, som en åpenbaring, dukker det opp en artikkel som lover en løsning på alle problemene ovenfor (samt de som ikke ble nevnt). Å lese denne artikkelen forårsaker en liten følelse av eufori. Selv om første gang du ikke helt forstår hva som er skrevet, høres det magiske ordet "fractal" veldig lovende ut, fordi. Euklidisk geometri har allerede uttømt sine argumenter.

Vi tar opp saken frimodig og mater strukturen foreslått av forfatteren av artikkelen til simulatoren. Simulatoren stønner som en datamaskinkjøler, tygger gigabyte med tall, og spytter ut det fordøyde resultatet... Når du ser på simuleringsresultatene, føler du deg som en liten lurt gutt. Tårene kommer opp i øynene mine, pga. igjen kom dine barndoms luftdrømmer over en støpejern ... virkelighet. Det er ingen samsvar i frekvensområdet 0,1 GHz - 24 GHz. Selv i området 0,5 GHz - 5 GHz er det ingenting som ligner.

Det er fortsatt et fryktsomt håp om at du ikke forsto noe, gjorde noe galt ... Søket etter inkluderingspunktet begynner, forskjellige variasjoner med topologien, men alt forgjeves - den er død!

Det tristeste i denne situasjonen er at du helt til siste øyeblikk leter etter årsaken til feilen i deg selv. Takk til kameratene i butikken, som forklarte at alt stemmer – det skal ikke fungere.

P.S. Jeg håper fredagsinnlegget mitt fikk deg til å smile.
Moralen i historien er denne - vær forsiktig!
(Og jeg hadde også veldig lyst til å skrive en ANTI-artikkel om dette, fordi de lurte meg).

Det første jeg vil skrive om er en liten introduksjon til historien, teorien og bruken av fraktale antenner. Fraktale antenner har nylig blitt oppdaget. De ble først oppfunnet av Nathan Cohen i 1988, deretter publiserte han sin forskning på hvordan man lager en TV-antenne av ledning og patenterte den i 1995.

Fraktalantennen har flere unike egenskaper, som skrevet på Wikipedia:

"En fraktalantenne er en antenne som bruker en fraktal, selvrepeterende design for å maksimere lengden eller øke omkretsen (ved interne steder eller ekstern struktur) til et materiale som kan motta eller overføre elektromagnetiske signaler innenfor et gitt totalt overflateareal eller volum ."

Hva betyr dette egentlig? Vel, du må vite hva en fraktal er. Også fra Wikipedia:

"En fraktal er vanligvis en grov eller fragmentert geometrisk form som kan deles inn i stykker, der hver av stykkene er en kopi av helheten i redusert størrelse - en egenskap som kalles selvlikhet."

Dermed er en fraktal en geometrisk form som gjentar seg om og om igjen, uavhengig av størrelsen på de enkelte delene.

Fraktalantenner har vist seg å være omtrent 20 % mer effektive enn konvensjonelle antenner. Dette kan være nyttig spesielt hvis du vil at TV-antennen skal motta digital eller høyoppløselig video, øke mobilrekkevidden, Wi-Fi-rekkevidden, FM- eller AM-radiomottak, etc.

Mest mobil det er allerede fraktale antenner. Du har kanskje lagt merke til dette pga Mobil har ikke lenger antenner utenfor. Dette er fordi de har fraktale antenner etset inn i kretskortet inne i dem, som lar dem motta et bedre signal og fange opp flere frekvenser, for eksempel Bluetooth, mobilnettet og Wi-Fi fra én antenne.

Wikipedia:

"Responsen til en fraktalantenne er markant forskjellig fra tradisjonelle antennedesign ved at den er i stand til å operere med god ytelse ved forskjellige frekvenser samtidig. Frekvensen til standardantenner må kuttes for å kunne motta kun denne frekvensen. Derfor er en fraktalantenne, i motsetning til en konvensjonell, en utmerket design for bredbånds- og multibåndsapplikasjoner."

Trikset er å designe fraktalantennen slik at den gir resonans ved den spesifikke senterfrekvensen du ønsker. Det betyr at antennen vil se forskjellig ut avhengig av hva du ønsker å motta. For å gjøre dette, må du bruke matematikk (eller en online kalkulator).

I mitt eksempel skal jeg lage en enkel antenne, men du kan gjøre den mer kompleks. Jo vanskeligere jo bedre. Jeg skal bruke en spole med 18-tråds solid kjernetråd for å lage antennen, men du kan tilpasse dine egne kretskort for å passe estetikken din, gjøre den mindre eller mer kompleks med mer oppløsning og resonans.

Jeg skal lage en TV-antenne for å motta digital-TV eller TV høy oppløsning. Disse frekvensene er lettere å jobbe med og varierer i lengde fra ca. 15 cm til 150 cm for en halv bølgelengde. For enkelhetens skyld og billigheten til deler, skal jeg plassere den på en vanlig dipolantenne, den vil fange bølger i området 136-174 MHz (VHF).

For å motta UHF-bølger (400-512 MHz) kan du legge til en regissør eller reflektor, men på denne måten vil mottaket være mer avhengig av retningen på antennen. VHF avhenger også av retningen, men i stedet for å peke direkte på TV-stasjonen ved en UHF-installasjon, må du stille VHF-ørene vinkelrett på TV-stasjonen. Det er her du må anstrenge deg litt mer. Jeg vil gjøre konstruksjonen så enkel som mulig, fordi det allerede er en ganske komplisert ting.

Hovedkomponenter:

• Monteringsflate, for eksempel plasthus (20 cm x 15 cm x 8 cm)
• 6 skruer. Jeg brukte stålplateskruer
• Transformator med motstand fra 300 ohm til 75 ohm.
• Monteringswire 18 AWG (0,8 mm)
• RG-6 koaksialkabel med terminatorer (og med gummikappe hvis installasjonen er utendørs)
• Aluminium ved bruk av reflektor. Det var en i vedlegget over.
• Fin markør
• To små tang
• Linjalen er ikke kortere enn 20 cm.
• Transportbånd for vinkelmåling
• To øvelser, en litt mindre enn skruene dine
• Liten trådkutter
• Skrutrekker eller skrutrekker

Merk: bunnen av antennen er laget av aluminiumstråd er til høyre i bildet der transformatoren stikker ut.

Trinn 1: Legge til en reflektor

Monter huset med reflektoren under plastdekselet

Trinn 2: Bore hull og installere festepunkter

Bor små tappehull på motsatt side av reflektoren i disse posisjonene og plasser en ledende skrue.

Trinn 3: Mål, klipp og stripp ledningene

Klipp fire 20 cm stykker ledning og legg på etuiet.

Trinn 4: Måling og merking av ledninger

Bruk en markør, merk hver 2,5 cm på ledningen (det vil være bøyninger på disse stedene)

Trinn 5: Lag fraktaler

Dette trinnet må gjentas for hvert stykke ledning. Hver bøyning må være nøyaktig 60 grader, da vi skal lage likesidede trekanter for fraktalen. Jeg brukte to tang og en gradskive. Hver bøy er laget på en etikett. Før du lager foldene, visualiser retningen til hver av dem. Bruk vedlagte diagram for dette.

Trinn 6: Lage dipoler

Klipp ytterligere to stykker ledning som er minst 15 cm lange. Vikle disse ledningene rundt de øvre og nedre skruene som går langs langsiden, og pakk dem deretter til midten. Kutt deretter av overflødig lengde.

Trinn 7: Montering av dipolene og montering av transformatoren

Fest hver av fraktalene til hjørneskruene.

Fest en transformator med riktig impedans til de to midtskruene og stram dem.

Montering fullført! Sjekk det ut og nyt!

Trinn 8: Flere iterasjoner/eksperimenter

Jeg laget noen nye elementer ved å bruke papirmalen fra GIMP. Jeg brukte en liten solid telefonledning. Den var liten nok, sterk og formbar nok til å bøye seg inn i de komplekse formene som kreves for senterfrekvensen (554 MHz). Dette er gjennomsnittet digitalt signal UHF for kanaler on-air TV i mitt område.

Bilde vedlagt. Det kan være vanskelig å se kobbertrådene i svakt lys mot pappen og teipen over, men du skjønner ideen.

I denne størrelsen er elementene ganske skjøre, så de må håndteres forsiktig.

Jeg har også lagt til en png-mal. For å skrive ut størrelsen du ønsker, må du åpne den i et bilderedigeringsprogram som GIMP. Malen er ikke perfekt fordi jeg laget den for hånd med en mus, men den er komfortabel nok for menneskehender.

UDC 621.396

fraktal ultrabredbåndsantenne basert på en sirkulær monopol

G.I. Abdrakhmanova

Ufa State Aviation Technical University,

Universita degli Studi di Trento

Merknad.Artikkelen tar for seg problemet med å designe en ultrabredbåndsantenne basert på fraktalteknologi. Resultatene av studier av endringer i strålingsegenskaper avhengig av verdien av skalafaktoren presenteres.og iterasjonsnivå. Parametrisk optimalisering av antennegeometrien for samsvar med kravene til refleksjonskoeffisienten er utført. Dimensjonene til den utviklede antennen er 34 × 28 mm 2, og driftsfrekvensområdet er 3,09 ÷ 15 GHz.

Nøkkelord:ultrabredbåndsradiokommunikasjon, fraktalteknologi, antenner, refleksjonskoeffisient.

Abstrakt:Utviklingen av en ny ultrabredbåndsantenne på grunnlag av fraktalteknologi er beskrevet i oppgaven. Forskningsresultatene om strålingsegenskaper endres avhengig av verdien av skalafaktor og iterasjonsnivå presenteres. Den parametriske optimaliseringen av antennegeometrien for å tilfredsstille refleksjonskoeffisientkravene ble brukt. Den utviklede antennestørrelsen er 28 × 34 mm 2, og båndbredden er 3,09 ÷ 15 GHz.

stikkord:ultrabredbåndsradiokommunikasjon, fraktalteknologi, antenner, refleksjonskoeffisient.

1. Introduksjon

I dag er kommunikasjonssystemer med ultrabredbånd (UWB) av stor interesse for utviklere og produsenter av telekommunikasjonsutstyr, siden de tillater overføring av enorme datastrømmer med høy hastighet i et ultrabredt frekvensbånd på lisensfri basis. Egenskaper til de overførte signalene innebærer fravær av kraftige forsterkere og komplekse signalbehandlingskomponenter som en del av mottaks- og senderkompleksene, men begrenser rekkevidden (5-10 m).

Mangelen på en passende elementbase som er i stand til å jobbe effektivt med ultrakorte pulser hindrer masseintroduksjonen av UWB-teknologi.

Transceiver-antenner er et av nøkkelelementene som påvirker kvaliteten på signaloverføring/mottak. Hovedretningen for patenter og forskning innen utforming av antenneteknologi for UWB-enheter er miniatyrisering og reduksjon av produksjonskostnader samtidig som man sikrer de nødvendige frekvens- og energikarakteristikker, samt bruk av nye former og strukturer.

Dermed er antennegeometrien bygget på grunnlag av en spline med et rektangulært U-formet spor i midten, som gjør det mulig å operere i UWB-båndet med blokkeringsfunksjonen WLAN -bånd, antennedimensjoner - 45,6 × 29 mm 2. En asymmetrisk E-formet figur som måler 28×10 mm 2 plassert i en høyde på 7 mm i forhold til det ledende planet (50×50 mm 2) ble valgt som utstrålingselement i . En plan monopolantenne (22×22 mm 2 ) utformet på grunnlag av et rektangulært utstrålingselement og en resonansstruktur for stige på baksiden er presentert.

2 Problemstilling

På grunn av det faktum at sirkulære strukturer kan gi en ganske bred båndbredde, forenkle designet, liten størrelse og redusere produksjonskostnadene, foreslår denne artikkelen å utvikle en UWB-antenne basert på en sirkulær monopol. Nødvendig frekvensområde - 3,1 ÷ 10,6 GHz på nivået -10 dB refleksjonskoeffisient S11, (fig. 1).

Ris. 1. Nødvendig maske for refleksjon S 11

Med henblikk på miniatyrisering vil antennegeometrien oppgraderes ved bruk av fraktalteknologi, som også vil gjøre det mulig å studere strålingsegenskapenes avhengighet av verdien av skalafaktoren δ og iterasjonsnivå av fraktalen.

Deretter ble oppgaven med å optimalisere den utviklede fraktale antennen satt for å utvide driftsområdet ved å endre følgende parametere: lengden på den sentrale lederen (CPU) til den koplanare bølgelederen (HF), lengden på jordplanet (GZ) ) KV, avstanden "GZ KV - utstrålende element (IE)".

Antennemodellering og numeriske eksperimenter utføres i miljøet. CST Mikrobølgestudio.

3 Valg av antennegeometri

Som et grunnleggende element velges en sirkulær monopol, hvis dimensjoner er en fjerdedel av bølgelengden til det nødvendige området:

Hvor L arer lengden på det utstrålende elementet til antennen, unntatt CPU;f L– lavere grensefrekvens,f L = f min uwb = 3,1 109 Hz; Med er lysets hastighet, Med = 3 10 8 m/s 2 .

Vi får L ar= 24,19 mm ≈ 24 mm. Tatt i betraktning at en sirkel med en radius pår = L ar / 2 = 12 mm, og forutsatt den opprinnelige CPU-lengdenL f også like r, får vi null-iterasjonen (fig. 2).

Ris. 2. Null iterasjon av antennen

Dielektrisk substrattykkelseTsog med parameterverdierεs = 3,38, tg δ = 0,0025 brukes som en base, på forsiden av som er plassert IE, CPU og ROM . Samtidig avstandene PZ-CPU" Zv og "PZ-IE" Z h tatt lik 0,76 mm. Verdiene til andre parametere som brukes i simuleringsprosessen er presentert i tabell 1.

Tabell 1. Antenneparametere ( δ = 2)

Navn	Beskrivelse	Formel	Betydning
L a	Antennelengde	2 ∙ r + L f	36 mm
Wa	Antennebredde	2 ∙ r	24 mm
L f	CPU-lengde	r+ 0,1	12,1 mm
Wf	CPU-bredde		1,66 mm
Lg	PZ lengde	r-Ts	11,24 mm
Ls	Underlagslengde	L a + Gs	37 mm
Ws	Baksidebredde	Wa+ 2 ∙ Gs	26 mm
G s 1	Substrat vertikal gap		1 mm
Gs 2	Horisontalt støttegap		1 mm
Tm	metall tykkelse		0,035 mm
Ts	Substrattykkelse		0,76 mm
r	Sirkelradius 0. iterasjon		12 mm
r 1	Sirkelradius for 1. iterasjon	r /2	6 mm
r 2	Sirkelradius 2. iterasjon	r 1 /2	3 mm
r 3	Sirkelradius 3 iterasjoner	r 2 /2	1,5 mm
εs	Den dielektriske konstanten		3,38

Antennen drives av en koplanar bølgeleder som består av en senterleder og jordplanet, SMA -kontakt og en koplanar bølgelederport (CWP) plassert vinkelrett på den (fig. 3).

Hvor eff er den effektive permittiviteten:

K – komplett elliptisk integral av den første typen;

	(5)

Fraktalitet i konstruksjonen av en antenne består i en spesiell måte å pakke elementer: påfølgende iterasjoner av antennen dannes ved å plassere sirkler med en mindre radius i elementene i forrige iterasjon. I dette tilfellet skalafaktoren δ bestemmer hvor mange ganger størrelsene på tilstøtende iterasjoner vil avvike. Denne prosessen for saken δ = 2 er vist i fig. 4.

Ris. 4. Den første, andre og tredje iterasjonen av antennen ( δ = 2)

Så den første iterasjonen oppnås ved å trekke fra to sirkler med en radiusr 1 fra det opprinnelige elementet. Den andre iterasjonen dannes ved å plassere metallsirkler redusert med halvparten med en radiusr 2 i hver sirkel av den første iterasjonen. Den tredje iterasjonen ligner den første, men radius er detr 3 . Oppgaven tar for seg det vertikale og horisontale arrangementet av sirkler.

3.1 Horisontalt arrangement av elementer

Dynamikken til endringen i refleksjonskoeffisienten avhengig av nivået av iterasjon er vist i fig. 5 for δ = 2 og i fig. 6 for δ = 3. Hver ny rekkefølge tilsvarer en ekstra resonansfrekvens. Dermed tilsvarer null-iterasjonen i det betraktede området 0 ÷ 15 GHz 4 resonanser, den første iterasjonen - 5, etc. I dette tilfellet, fra den andre iterasjonen, blir endringer i egenskapene til egenskapene mindre merkbare.

Ris. 5. Refleksjonskoeffisientens avhengighet av iterasjonsrekkefølgen ( δ = 2)

Essensen av modellering ligger i det faktum at på hvert trinn, fra de vurderte egenskapene, velges den som er definert som den mest lovende. Som et resultat er følgende regel innført:

Hvis overskuddet (forskjellen) i området der hyllene er over -10 dB er lite, bør du velge egenskapen som har en lavere hylle i driftsområdet (under -10 dB), fordi som et resultat av optimalisering, den første vil bli eliminert, og den andre falt enda lavere.

Ris. 6. Refleksjonskoeffisientens avhengighet av iterasjonsrekkefølgen ( δ = 3)

Basert på mottatte data og i samsvar med denne regelen for δ = 2 kurven som tilsvarer den første iterasjonen er valgt for δ = 3 – den andre iterasjonen.

Deretter foreslås det å undersøke refleksjonskoeffisientens avhengighet av verdien av skalafaktoren. Vurder endring δ i området 2 ÷ 6 med trinn 1 innenfor den første og andre iterasjonen (fig. 7, 8).

En interessant oppførsel av grafene er at fra δ = 3, egenskapene blir flatere og jevnere, antall resonanser forblir konstant, og veksten δ ledsaget av en økning i S 11 i partall og nedgang i oddetall.

Ris. 7. Refleksjonskoeffisientens avhengighet av skalafaktoren for den første iterasjonen ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

I dette tilfellet, for begge iterasjonene, verdien δ = 6.

Ris. 8. Refleksjonskoeffisientens avhengighet av skalafaktoren for den andre iterasjonen ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

δ = 6, siden den er preget av de laveste hyllene og dype resonanser (fig. 9).

Ris. 9. Sammenligning S 11

3.2 Vertikal arrangement av elementer

Dynamikken til endringen i refleksjonskoeffisienten avhengig av iterasjonsnivået for tilfellet med et vertikalt arrangement av sirkler er vist i fig. 10 for δ = 2 og i fig. 11 for δ = 3.

Ris. 10. Refleksjonskoeffisientens avhengighet av iterasjonsrekkefølgen ( δ = 2)

Basert på mottatte data og i samsvar med regelen for δ = 2 og δ = 3 er kurven som tilsvarer den tredje iterasjonen valgt.

Ris. 11. Refleksjonskoeffisientens avhengighet av iterasjonsrekkefølgen ( δ = 3)

Betraktning av refleksjonskoeffisientens avhengighet av verdien av skalafaktoren innen første og andre iterasjon (fig. 12, 13) avslører den optimale verdien δ = 6, som i tilfellet med et horisontalt arrangement.

Ris. 12. Refleksjonskoeffisientens avhengighet av skalafaktoren for den første iterasjonen ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

I dette tilfellet, for begge iterasjonene, verdien δ = 6, som også representerern-multiple fraktal, og bør derfor kanskje kombinere funksjonene δ = 2 og δ = 3.

Ris. 13. Refleksjonskoeffisientens avhengighet av skalafaktoren for den andre iterasjonen ( δ = 2; 3; 4; 5; 6)

Således, fra de fire sammenlignede alternativene, ble kurven som tilsvarer den andre iterasjonen valgt, δ = 6, som i forrige tilfelle (fig. 14).

Ris. 14. Sammenligning S 11 for de fire antennegeometriene som vurderes

3.3 Sammenligning

Med tanke på de beste alternativene for vertikale og horisontale geometrier oppnådd i de to foregående underseksjonene, er valget gjort på den første (fig. 15), selv om forskjellen mellom disse alternativene i dette tilfellet ikke er så stor. Driftsfrekvensområder: 3,825÷4,242 GHz og 6,969÷13,2 GHz. Videre vil designet oppgraderes for å utvikle en antenne som opererer i hele UWB-serien.

Ris. 15. Sammenligning S 11 for å velge det siste alternativet

4 Optimalisering

Denne delen diskuterer antenneoptimalisering basert på den andre iterasjonen av fraktalen med koeffisientverdien δ = 6. Variable parametere er presentert på , og områdene for endringene deres er i tabell 2.

Ris. 20. Utseende til antennen: a) forside; b) baksiden

På fig. 20 viser egenskaper som gjenspeiler dynamikken i endring S 11 trinn for trinn og bevise gyldigheten av hver påfølgende handling. Tabell 4 viser resonans- og grensefrekvensene som brukes nedenfor for å beregne overflatestrømmene og strålingsmønsteret.

Bord 3. Beregnede antenneparametere

Navn	Startverdi, mm	Sluttverdi, mm
∆ L f
Z h	Bord 13,133208
6,195	27,910472
8,85	21,613615
10,6	12,503542
12,87	47,745235

Fordelingen av overflatestrømmene til antennen ved resonans- og grensefrekvensene til UWB-området er vist i fig. 21, og strålingsmønstrene - i 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

Ris. 21. Fordeling av overflatestrømmer

EN) F(φ ), θ = 0° b) F(φ ), θ = 90°

V) F(θ ), φ = 0° d) F(θ ), φ = 90°

Ris. 22. Strålingsmønstre i det polare koordinatsystemet

5 Konklusjon

Denne artikkelen presenterer en ny metode for å designe UWB-antenner basert på bruk av fraktalteknologi. Denne prosessen involverer to stadier. Til å begynne med bestemmes antennegeometrien ved å velge passende skaleringsfaktor og fraktal iterasjonsnivå. Deretter brukes parametrisk optimalisering på den resulterende formen basert på å studere innflytelsen av dimensjonene til nøkkelkomponentene til antennen på strålingsegenskapene.

Det er fastslått at med en økning i iterasjonsrekkefølgen, øker antallet resonansfrekvenser, og økningen i skalafaktoren innen en iterasjon er preget av en flatere oppførsel S 11 og resonanskonstans (starter fra δ = 3).

Den utviklede antennen gir høykvalitets mottak av signaler i frekvensbåndet 3,09 ÷ 15 GHz mht. S 11 < -10 дБ. Помимо этого антенна характеризуется малыми размерами 34×28 мм 2 , а следовательно может быть успешно применена в СШП приложениях.

6 Anerkjennelser

Studien ble støttet av et stipend fra EU " Erasmus Mundus-aksjon 2", også A. G. I. takker Prof. Paolo Rocca for nyttig diskusjon.

Litteratur

1. L . Lizzi, G. Oliveri, P. Rocca, A. Massa. Plan monopol UWB-antenne med UNII1/UNII2 WLAN-bånd-karakteristikk. Progress in Electromagnetics Research B, Vol. 25, 2010. - 277-292 s.

2. H. Malekpoor, S. Jam. Ultrabredbåndskortede patch-antenner matet av folded-patch med multiresonanser. Progress in Electromagnetics Research B, Vol. 44, 2012. - 309-326 s.

3.R.A. Sadeghzaden-Sheikhan, M. Naser-Moghadasi, E. Ebadifallah, H. Rousta, M. Katouli, B.S. Virdee. Plan monopolantenne som bruker bakplan-stigeformet resonansstruktur for ultrabredbåndsytelse. IET Microwaves, Antennas and Propagation, Vol. 4, Iss. 9, 2010. - 1327-1335 s.

4. Revisjon av del 15 av kommisjonens regler angående ultrabredbåndsoverføringssystemer, Federal Communications Commission, FCC 02-48, 2002. - 118 s.