Fraktale antenner for TV. Fraktal ultrabredbåndsantenne basert på en sirkulær monopol. Deretter ble en plan elektromagnetisk bølge sendt til den utformede fraktalantennen, og programmet beregnet utbredelsen av feltet før og etter

I matematikk er fraktaler sett som består av elementer som ligner på settet som helhet. Beste eksempel: Hvis du ser nøye på linjen til en ellipse, vil den bli rett. En fraktal – uansett hvor nært du zoomer inn – vil bildet forbli komplekst og likt den generelle visningen. Elementene er ordnet på en bisarr måte. Følgelig anser vi konsentriske sirkler som det enkleste eksemplet på en fraktal. Uansett hvor nærme du kommer, dukker det opp nye sirkler. Det er mange eksempler på fraktaler. Wikipedia gir for eksempel en tegning av romanesco-kål, der kålhodet består av kongler som nøyaktig ligner det tegnede kålhodet. Lesere forstår nå at det ikke er lett å lage fraktale antenner. Men det er interessant.

Hvorfor trengs fraktale antenner?

Hensikten med en fraktalantenne er å fange mer med mindre. I vestlige videoer er det mulig å finne en paraboloid der et stykke fraktaltape vil tjene som emitter. De lager allerede elementer av mikrobølgeapparater av folie som er mer effektive enn vanlige. Vi viser deg hvordan du fullfører en fraktalantenne, og håndterer matchingen alene med SWR-måleren. La oss nevne 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 en video fra nettstedet fractenna.com, i 1897 av Oliver Lodge. Ikke se på Wikipedia. Sammenlignet med en konvensjonell dipol gir et par trekanter i stedet for en vibrator en båndutvidelse på 20 %. Ved å lage periodiske repeterende strukturer, var det mulig å sette sammen miniatyrantenner som ikke var verre enn deres større kolleger. Du vil ofte finne en bikonisk antenne i form av to rammer eller merkelig formede plater.

Til syvende og sist vil dette gjøre det mulig å motta flere TV-kanaler.

Hvis du skriver inn en forespørsel på YouTube, vises en video om hvordan du lager fraktale antenner. Du vil bedre forstå hvordan det fungerer hvis du forestiller deg den seksspissede stjernen til det israelske flagget, hvis hjørne ble kuttet av sammen med skuldrene. Det viste seg at tre hjørner gjensto, to hadde den ene siden på plass, den andre ikke. Den sjette corneren er helt fraværende. Nå skal vi plassere to lignende stjerner vertikalt, med sentrale vinkler til hverandre, spalter til venstre og høyre, og over dem - et lignende par. Resultatet ble en antennegruppe - den enkleste fraktalantennen.

Stjernene er forbundet i hjørnene med en mater. Parvis etter kolonner. Signalet tas fra linjen, nøyaktig midt på hver ledning. Strukturen er satt sammen med 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, og den horisontale avstanden (avstanden mellom de to ledningene til materen) er en tomme. Stjernene har vinkler på 60 grader ved sine hjørner; nå vil leseren tegne noe lignende i form av en mal, slik at han senere kan lage en fraktalantenne selv. Vi laget en arbeidsskisse, men målestokken ble ikke oppfylt. Vi kan ikke garantere at stjernene kom ut nøyaktig, Microsoft Paint uten mye evne til å lage nøyaktige tegninger. Bare se på bildet for strukturen til fraktalantennen for å bli tydelig:

1. Det brune rektangelet viser det dielektriske substratet. Fraktalantennen vist på figuren har et symmetrisk strålingsmønster. Hvis emitteren er beskyttet mot forstyrrelser, plasseres skjermen på fire stolper bak underlaget i en tommes avstand. Ved frekvenser er det ikke nødvendig å plassere et solid metallplate, et nett med en side på en kvart tomme vil være tilstrekkelig, ikke glem å koble skjermen til kabelflettingen.
2. En mater med en karakteristisk impedans på 75 Ohm krever koordinering. Finn eller lag en transformator som konverterer 300 ohm til 75 ohm. Det er bedre å fylle opp en SWR-måler og velge de nødvendige parametrene ikke ved berøring, men ved å bruke enheten.
3. Fire stjerner, bøyd fra kobbertråd. Vi vil rengjøre lakkisolasjonen i krysset med materen (hvis noen). Antennens interne mating består av to parallelle stykker ledning. Det er en god idé å plassere antennen i en boks for å beskytte den mot dårlig vær.

Sette sammen en fraktalantenne for digital-TV

Etter å ha lest denne anmeldelsen til slutten, kan hvem som helst lage fraktale antenner. Vi kom så dypt inn i designet at vi glemte å snakke om polarisering. Vi antar at den er lineær og horisontal. Dette kommer av hensyn:

• Videoen er åpenbart av amerikansk opprinnelse, samtalen handler om HDTV. Derfor kan vi ta i bruk moten til det angitte landet.
• Som du vet, er det få land på planeten som sender fra satellitter som bruker sirkulær polarisering, blant dem Russland og USA. Derfor tror vi at andre teknologier for informasjonsoverføring ligner. Hvorfor? Det var en kald krig, vi tror at begge land strategisk valgte hva og hvordan de skulle overføre, andre land gikk ut fra rent praktiske hensyn. Sirkulær polarisering ble introdusert spesielt for spionsatellitter (beveger seg konstant i forhold til observatøren). Det er derfor grunn til å tro at det er likheter i TV- og radiokringkasting.
• Antennestrukturen sier at den er lineær. Det er rett og slett ingen steder å få sirkulær eller elliptisk polarisering. Derfor - med mindre blant våre lesere er det fagfolk som eier MMANA - hvis antennen ikke fanger i akseptert posisjon, roter 90 grader i emitterplanet. Polarisasjonen vil endres til vertikal. Mange vil forresten kunne fange FM hvis dimensjonene er satt 4 ganger større.Det er bedre å ta en tykkere ledning (for eksempel 10 mm).

Vi håper vi forklarte leserne hvordan man bruker en fraktalantenne. Et par tips for enkel montering. Så prøv å finne ledning med lakkert beskyttelse. Bøy formene som vist på bildet. Da skiller designerne seg, vi anbefaler å gjøre dette:

1. Strip stjernene og materledningene ved koblingspunktene. Fest materledningene ved ørene med bolter til baksiden i midtdelene. For å utføre handlingen riktig, mål en tomme på forhånd og tegn to parallelle linjer med en blyant. Det skal være ledninger langs dem.
2. Lodd en enkelt struktur, kontroller nøye avstandene. Forfatterne av videoen anbefaler å lage emitteren slik at stjernene ligger flatt på materne med hjørnene, og hviler med sine motsatte ender på kanten av underlaget (hver på to steder). For en omtrentlig stjerne er plasseringene merket med blått.
3. For å oppfylle betingelsen, stram hver stjerne på ett sted med en bolt med en dielektrisk klemme (for eksempel PVA-ledninger laget av cambric og lignende). På figuren er monteringsstedene vist i rødt for én stjerne. Bolten er skjematisk tegnet med en sirkel.

Strømkabelen går (valgfritt) fra 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. La oss minne deg på hvordan dette gjøres. Du trenger en generator på frekvensen til programmet du ser på, for eksempel 500 MHz, og i tillegg et høyfrekvent voltmeter som ikke gir opp signalet.

Deretter måles spenningen som produseres av generatoren, for hvilken den er koblet til et voltmeter (parallelt). Vi setter sammen en resistiv deler fra en variabel motstand med ekstremt lav selvinduktans og en antenne (vi kobler den i serie etter generatoren, først motstanden, deretter antennen). Vi måler spenningen med et voltmeter variabel motstand, mens du samtidig justerer karakteren til generatoravlesningene uten belastning (se punkt over) blir dobbelt så høye som de nåværende. Dette betyr at verdien til den variable motstanden har blitt lik bølgeimpedansen til antennen ved en frekvens på 500 MHz.

Det er nå mulig å produsere transformatoren etter behov. Det er vanskelig å finne det du trenger på Internett; for de som liker å fange radiosendinger, fant vi et ferdig svar http://www.cqham.ru/tr.htm. Det er skrevet og tegnet på nettsiden hvordan man matcher belastningen med en 50 Ohm kabel. Vær oppmerksom på at frekvensene tilsvarer HF-området, SW passer delvis her. Den karakteristiske impedansen til antennen opprettholdes i området 50 – 200 ohm. Det er vanskelig å si hvor mye stjernen vil gi. Hvis du har en enhet på gården din for å måle bølgeimpedansen til en linje, la oss minne deg på: Hvis lengden på materen er et multiplum av en fjerdedel av bølgelengden, overføres antenneimpedansen til utgangen uten endringer. For små og store rekkevidder er det umulig å gi slike forhold (husk at spesielt fraktale antenner også inkluderer en utvidet rekkevidde), men for måleformål brukes det nevnte faktum overalt.

Nå vet leserne alt om disse fantastiske transceiver-enhetene. En slik uvanlig form antyder at universets mangfold ikke passer inn i typiske grenser.

Verden er ikke uten gode mennesker :-)
Valery UR3CAH: "God ettermiddag, Egor. Jeg tror denne artikkelen (nemlig delen "Fraktale antenner: mindre er mer") tilsvarer temaet på nettstedet ditt og vil være av interesse for deg:) 73!"
Ja, selvfølgelig er det interessant. Vi har allerede berørt dette emnet til en viss grad når vi diskuterte geometrien til hexabims. Der var det også et dilemma med å "pakke" den elektriske lengden inn i geometriske dimensjoner :-). Så tusen takk, Valery, for at du sendte materialet.
Fraktale antenner: mindre er mer
I løpet av det siste halve århundret har livet raskt begynt å endre seg. De fleste av oss aksepterer prestasjoner moderne teknologier forgitt. Du blir vant til alt som gjør livet mer behagelig veldig raskt. Sjelden stiller noen spørsmålene "Hvor kom dette fra?" og "Hvordan fungerer det?" En mikrobølgeovn varmer opp frokosten - flott, en smarttelefon gir deg muligheten til å snakke med en annen person - flott. Dette virker som en åpenbar mulighet for oss.
Men livet kunne vært helt annerledes hvis en person ikke hadde søkt en forklaring på at hendelsene fant sted. Ta mobiltelefoner, for eksempel. Husker du de uttrekkbare antennene på de første modellene? De forstyrret, økte størrelsen på enheten, og til slutt gikk de ofte i stykker. Vi tror de har sunket ned i glemselen for alltid, og en del av grunnen til dette er... fraktaler.
Fraktale mønstre fascinerer med mønstrene deres. De ligner definitivt bilder av kosmiske objekter - tåker, galaksehoper og så videre. Det er derfor 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, fikk ideen praktisk anvendelse tilegnet kunnskap. Riktignok gjorde han dette 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, besto av å øke dens geometriske dimensjoner. Eieren av eiendommen i sentrum av Boston som Nathan leide var imidlertid kategorisk mot å installere store enheter på taket. Så begynte Nathan å eksperimentere med forskjellige antenneformer, og prøvde å få maksimalt resultat med minimumsstørrelsen. Inspirert av ideen om fraktale former, laget Cohen, som de sier, tilfeldig en av de mest kjente fraktalene fra tråd - "Koch-snøfnugget". Den svenske matematikeren Helge von Koch kom opp med denne kurven i 1904. Det oppnås ved å dele et segment 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 i figuren er alt klart og enkelt.
Det finnes også andre variasjoner 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 gjør formen på antennen i form av en fraktalkurve det mulig å redusere de geometriske dimensjonene betydelig. Nathan Cohen kom til og med opp med et teorem som beviser det å skape bredbåndsantenne det er nok til å gi den formen til en selvlignende fraktalkurve.

Forfatteren patenterte oppdagelsen sin og grunnla et selskap for utvikling og design av fraktale antenner, Fractal Antenna Systems, og trodde med rette at mobiltelefoner i fremtiden, takket være oppdagelsen hans, vil kunne kvitte seg med store antenner og bli mer kompakte. I prinsippet var det dette som skjedde. Riktignok er Nathan til i dag engasjert i en juridisk kamp med store selskaper, som ulovlig bruker oppdagelsen sin 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 utfordringene med å utvikle UWB (ultra-wideband) mikrobølgemoduler og funksjonelle enheter. Og så trist som det er for meg å si dette, så får jeg nesten all informasjon om temaet fra utenlandske kilder. Men for en tid siden, på jakt etter informasjonen jeg trengte, kom jeg over en som lovet en løsning på alle problemene mine. Jeg vil fortelle deg hvordan problemene ikke ble løst.

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

1. Avtale 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 under 1 GHz i frekvens. Jeg fikk generelt inntrykk av at 1 GHz-frekvensen 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 at nå er det få som trenger en bølgelederhornantenne av enorm størrelse. Alle vil ha en antenne som er liten, lett og kompakt slik at den kan skyves inn i et hus. bærbar enhet. Men når du komprimerer antennen, blir det svært vanskelig å overholde paragraf 1 i kravene til antennen, fordi 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 relativ dielektrisitetskonstant... Og de vil ha rett, men dette motsier neste punkt på listen vår, som sier at

3. Antennen skal være så billig som mulig og laget av de mest tilgjengelige og rimelige materialene (for eksempel FR-4). Fordi ingen ønsker å betale mye, mye penger for en antenne, selv om den er tre ganger strålende. Alle vil ha kostnaden for antennen på produksjonsstadiet trykt kretskort hadde en tendens til null. Fordi dette er vår verden...

4. Det er enda et krav som oppstår ved løsning av ulike problemer knyttet til f.eks. kortdistanseplassering, samt opprettelse av ulike sensorer ved bruk av UWB-teknologi (her må det presiseres at vi snakker om om lavstrømsapplikasjoner der hver dBm teller). Og dette kravet sier at strålingsmønsteret (DP) til den utformede antennen skal dannes i bare én halvkule. Hva er den til? For at antennen bare skal "lyse" i én retning, uten å spre dyrebar kraft inn i "retur". Dette lar deg også forbedre 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 må overvinne heroisk eller vittig.

Og plutselig, som en åpenbaring, dukker det opp en artikkel som lover en løsning på alle problemene ovenfor (så vel som de som ikke ble nevnt). Å lese denne artikkelen fremkaller 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 går frimodig i gang og mater strukturen foreslått av forfatteren av artikkelen til simulatoren. Simulatoren knurrer gutturalt 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. Jeg får tårer i øynene fordi... igjen kolliderte dine barndoms luftige drømmer med støpejern...virkelighet. Det er ingen koordinering 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 byttepunktet begynner, forskjellige variasjoner med topologien, men alt er forgjeves - det er dødt!

Det tristeste i denne situasjonen er at du helt til siste øyeblikk leter etter årsaken til feil hos deg selv. Takk til mine medarbeidere som forklarte at alt var riktig - det skulle ikke fungere.

P.S. Jeg håper fredagsinnlegget mitt fikk deg til å smile.
Moralen i denne presentasjonen er denne: Vær på vakt!
(Og jeg hadde veldig lyst til å skrive en ANTI-artikkel om dette, fordi jeg ble lurt).

Det første jeg vil skrive om er en liten introduksjon til historien, teorien og bruken av fraktale antenner. Fraktale antenner ble nylig oppdaget. De ble først oppfunnet av Nathan Cohen i 1988, deretter publiserte han sin forskning om 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 (på indre områder 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 deler, hver del er en mindre kopi av helheten - 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.

Fraktale antenner 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 HD-video, øke mobilrekkevidden, Wi-Fi-rekkevidden, FM- eller AM-radiomottak, etc.

I flertall mobil Det er allerede fraktale antenner. Du har kanskje lagt merke til dette pga Mobil har ikke lenger antenner på utsiden. Dette er fordi de har fraktalantenner inni seg, etset inn i kretskortet, som lar dem motta bedre signal og fange opp flere frekvenser, for eksempel Bluetooth, mobilnettet og Wi-Fi fra én antenne.

Wikipedia:

«Den fraktale antennens respons er merkbart 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 den frekvensen. Derfor er en fraktalantenne, i motsetning til en konvensjonell antenne, 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 oppnå. For å gjøre dette må du bruke matematikk (eller en online kalkulator).

I mitt eksempel skal jeg gjøre enkel antenne, men du kan gjøre det mer komplekst. Jo mer kompleks jo bedre. Jeg skal bruke en spole av 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 større 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 halv bølgelengde. For enkelhets skyld og lav pris på 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 dette vil gjøre mottaket mer avhengig av retningen på antennen. VHF er også retningsbestemt, men i stedet for å peke direkte på TV-stasjonen i en UHF-installasjon, må du montere VHF-ørene vinkelrett på TV-stasjonen. Dette vil kreve litt mer innsats. Jeg vil gjøre designet så enkelt som mulig, fordi dette allerede er en ganske kompleks ting.

Hovedkomponenter:

• Monteringsflate, for eksempel et plasthus (20 cm x 15 cm x 8 cm)
• 6 skruer. Jeg brukte stålplateskruer
• Transformator med motstand fra 300 Ohm til 75 Ohm.
• 18 AWG (0,8 mm) monteringswire
• RG-6 koaksialkabel med terminatorer (og med en gummikappe hvis installasjonen skal foregå 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 bor, en litt mindre i diameter enn skruene dine
• Liten trådkutter
• Skrutrekker eller skrutrekker

Merk: Bunnen av aluminiumtrådantennen er på høyre side av bildet der transformatoren stikker ut.

Trinn 1: Legge til en reflektor

Monter huset med reflektoren under plastdekselet

Trinn 2: Bore hull og installere monteringspunkter

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

Trinn 3: Mål, klipp og stripp ledninger

Klipp fire stykker 20 cm ståltråd og legg dem på kroppen.

Trinn 4: Måling og merking av ledninger

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

Trinn 5: Lage fraktaler

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

Trinn 6: Lage dipoler

Klipp ytterligere to stykker ledning som er minst 6 tommer lange. Vikle disse ledningene rundt de øvre og nedre skruene langs langsiden, og vikle dem deretter rundt senterskruene. Klipp deretter av overflødig lengde.

Trinn 7: Installasjon av dipoler og installasjon av transformator

Fest hver av fraktalene til hjørneskruene.

Fest en transformator med passende 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 en papirmal fra GIMP. Jeg brukte en liten solid telefonledning. Den var liten, sterk og bøyelig nok til å bøye seg inn i de komplekse formene som kreves for senterfrekvensen (554 MHz). Dette er gjennomsnittet digitalt signal UHF for kanaler terrestrisk fjernsyn i mitt område.

Bilde vedlagt. Det kan være vanskelig å se kobbertrådene i lite lys mot papp og tape på toppen, men du skjønner.

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

Jeg har også lagt til en mal i png-format. 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 ved hjelp av 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 diskuterer problemet med å designe en ultrabredbåndsantenne basert på fraktalteknologi. Resultatene av studier av endringer i strålingsegenskaper avhengig av skalafaktor presenteres.og iterasjonsnivå. Parametrisk optimalisering av antennegeometrien ble utført for å møte kravene til refleksjonskoeffisienten. Dimensjonene til den utviklede antennen er 34 × 28 mm 2, og driftsfrekvensområdet er 3,09 ÷ 15 GHz.

Nøkkelord:ultrabredbåndsradiokommunikasjon, fraktalteknologi, antenner, reflektans.

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 gjør det mulig å overføre enorme datastrømmer med høye hastigheter i et ultrabredt frekvensbånd på lisensfri basis. Det særegne ved de overførte signalene innebærer fravær av kraftige forsterkere og komplekse signalbehandlingskomponenter som en del av transceiverkompleksene, men de begrenser rekkevidden (5-10 m).

Mangelen på en passende elementbase som effektivt kan arbeide med ultrakorte pulser, holder tilbake masseadopsjonen 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 at den kan operere i UWB-båndet med en blokkeringsfunksjon 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 (22x22mm2) designet basert på et rektangulært strålende element og en stigeresonansstruktur på baksiden er presentert.

2 Redegjørelse om problemet

På grunn av det faktum at sirkulære strukturer kan gi en ganske bred båndbredde, forenklet design, liten størrelse og reduserte produksjonskostnader, foreslår denne artikkelen å utvikle en UWB-antenne basert på en sirkulær monopol. Nødvendig frekvensområde – 3,1 ÷ 10,6 GHz ved et nivå på -10 dB refleksjonskoeffisient S 11, (fig. 1).

Ris. 1. Nødvendig maske for refleksjon S 11

For formålet med miniatyrisering vil geometrien til antennen moderniseres ved bruk av fraktalteknologi, som også vil gjøre det mulig å studere avhengigheten av strålingsegenskapene på verdien av skalafaktoren δ og nivået av fraktal iterasjon.

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

Antennemodellering og numeriske eksperimenter utføres i " CST Microwave Studio".

3 Velge antennegeometri

En sirkulær monopol ble valgt som grunnelementet, hvis dimensjoner er en fjerdedel av bølgelengden til det nødvendige området:

Hvor L ar– lengden på det utstrålende elementet til antennen uten å ta hensyn til CPU;f L- nedre grensefrekvens,f L = f min uwb = 3,1·109 Hz; Med- lysets hastighet, Med = 3·108 m/s2.

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 tar den opprinnelige CPU-lengdenL f også like r, får vi null-iterasjonen (fig. 2).

Ris. 2. Null iterasjon av antennen

Dielektrisk substrattykkelseT sog med parameterverdierεs = 3,38, tg δ = 0,0025 brukes som base på forsiden av hvilken IE, CPU og PZ . Samtidig er avstandene " PZ-CP" Zv og "PZ-IE" Zh tatt lik 0,76 mm. Verdiene til andre parametere som brukes i modelleringsprosessen er presentert i tabell 1.

Tabell 1. Antenneparametere ( δ = 2)

Navn	Beskrivelse	Formel	Betydning
L a	Antennelengde	2 ∙ r + L f	36 mm
W a	Antenne bredde	2 ∙ r	24 mm
L f	CPU-lengde	r + 0,1	12,1 mm
Wf	CPU-bredde		1,66 mm
L g	PZ lengde	r – T s	11,24 mm
L s	Underlagslengde	L a + G s	37 mm
W s	Underlagsbredde	W a+ 2 ∙ G s	26 mm
G s 1	Vertikal substratspalte		1 mm
G s 2	Horisontal substratspalte		1 mm
T m	Metalltykkelse		0,035 mm
T s	Substrattykkelse		0,76 mm
r	Radius av sirkelen til den 0. iterasjonen		12 mm
r 1	Radius av sirkelen til 1. iterasjon	r /2	6 mm
r 2	Radius av sirkelen til den andre iterasjonen	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 sentral leder og et jordplan, SMA -kontakt og en koplanar bølgelederport (CWP) plassert vinkelrett på den (fig. 3).

Hvor eff – effektiv dielektrisk konstant:

K – komplett elliptisk integral av den første typen;

	(5)

Fraktalitet ved konstruksjon av en antenne ligger i en spesiell måte å pakke elementer på: påfølgende iterasjoner av antennen dannes ved å plassere sirkler med 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 anledningen δ = 2 er vist i fig. 4.

Ris. 4. Første, andre og tredje iterasjon av antennen ( δ = 2)

Dermed ble den første iterasjonen oppnådd ved å trekke fra to sirkler med radiusr 1 fra det opprinnelige elementet. Den andre iterasjonen dannes ved å plassere metallsirkler halvert i radiusr 2 i hver sirkel av den første iterasjonen. Den tredje iterasjonen ligner den første, men radius er detr 3 . Verket undersøker det vertikale og horisontale arrangementet av sirkler.

3.1 Horisontalt arrangement av elementer

Dynamikken til endringer i refleksjonskoeffisienten avhengig av iterasjonsnivået er presentert 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. Videre, fra den andre iterasjonen, blir endringer i oppførselen til egenskapene mindre merkbare.

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

Essensen av modellering er at på hvert trinn, fra egenskapene som vurderes, velges den som er fastslått å være den mest lovende. I denne forbindelse er følgende regel innført:

Hvis overskuddet (forskjellen) i området der hyllen er over -10 dB er liten, bør du velge karakteristikken som har en lavere hylle i driftsområdet (under -10 dB), siden 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 – andre iterasjon.

Deretter foreslås det å studere refleksjonskoeffisientens avhengighet av verdien av skalafaktoren. Vurder endringen 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 nivået S 11 i partall og en nedgang i oddetall.

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

I dette tilfellet er verdien valgt for begge iterasjonene 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 dypeste resonanser (fig. 9).

Ris. 9. Sammenligning av S 11

3.2 Vertikal arrangement av elementer

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

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

Basert på innhentede 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 horisontal arrangement.

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

I dette tilfellet er verdien valgt for begge iterasjonene δ = 6, som også representerern-flere fraktaler, noe som betyr at den kanskje må kombinere funksjoner δ = 2 og δ = 3.

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

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 er vurdert

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. Deretter vil designet moderniseres 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 i , og områdene for endringene deres er i tabell 2.

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

I fig. 20 viser karakteristikkene 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 videre for å beregne overflatestrømmer og strålingsmønstre.

Bord 3. Beregnede antenneparametere

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

Fordelingen av antenneoverflatestrømmer ved resonans- og grensefrekvensene til UWB-området er vist i fig. 21, og strålingsmønstrene er 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° g) 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 påvirkningen av størrelsene til nøkkelantennekomponenter på strålingsegenskapene.

Det er fastslått at når iterasjonsrekkefølgen øker, 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 når det gjelder nivå 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 professor 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 vedrørende ultrabredbåndsoverføringssystemer, Federal Communications Commission, FCC 02-48, 2002. – 118 s.