Tehnologii de fir pentru fabricarea antenelor fractale. Cum să faci o antenă pentru un televizor cu propriile mâini din sârmă sau cablu de aluminiu: un design simplu pentru recepția unui semnal TV. Fractalul Minkowski este construit în mod similar cu curba Koch și are aceleași proprietăți

Primul lucru despre care aș dori să scriu este o mică introducere în istoria, teoria și utilizarea antenelor fractale. Recent au fost descoperite antene fractale. Ele au fost inventate pentru prima dată de Nathan Cohen în 1988, apoi și-a publicat cercetările despre cum să facă o antenă TV din fir și a brevetat-o ​​în 1995.

Antena fractală are câteva caracteristici unice, așa cum este scris pe Wikipedia:

„O antenă fractală este o antenă care utilizează un design fractal, care se repetă automat pentru a maximiza lungimea sau a mări perimetrul (pe zonele interne sau pe structura externă) a unui material care poate primi sau transmite semnale electromagnetice într-o anumită suprafață totală sau volum. .”

Ce înseamnă mai exact asta? Ei bine, trebuie să știi ce este un fractal. Tot de pe Wikipedia:

„Un fractal este de obicei o formă geometrică grosieră sau fragmentată care poate fi împărțită în părți, fiecare parte fiind o copie mai mică a întregului – o proprietate numită auto-asemănare.”

Astfel, un fractal este o formă geometrică care se repetă din nou și din nou, indiferent de dimensiunea părților individuale.

S-a descoperit că antenele fractale sunt cu aproximativ 20% mai eficiente decât antenele convenționale. Acest lucru poate fi util mai ales dacă doriți ca antena dvs. TV să primească video digital sau de înaltă definiție, să mărească raza celulară, raza Wi-Fi, recepția radio FM sau AM etc.

Majoritatea telefoanelor mobile au deja antene fractale. Poate ai observat acest lucru deoarece telefoanele mobile nu mai au antene la exterior. Acest lucru se datorează faptului că au în interior antene fractale gravate pe placa de circuit, permițându-le să primească un semnal mai bun și să capteze mai multe frecvențe precum Bluetooth, Cellular și Wi-Fi de la o singură antenă.

Wikipedia:

„Răspunsul antenei fractale este considerabil diferit de modelele tradiționale de antenă prin faptul că este capabilă să funcționeze cu performanțe bune la frecvențe diferite simultan. Frecvența antenelor standard trebuie tăiată pentru a putea recepționa doar acea frecvență. Prin urmare, o antenă fractală, spre deosebire de antena convențională, este un design excelent pentru aplicații de bandă largă și multi-bandă.”

Trucul este să vă proiectați antena fractală pentru a rezona la frecvența centrală specifică pe care o doriți. Aceasta înseamnă că antena va arăta diferit în funcție de ceea ce doriți să realizați. Pentru a face acest lucru, trebuie să utilizați matematica (sau un calculator online).

În exemplul meu o să fac antenă simplă, dar o poți face mai complexă. Cu cât este mai complex, cu atât mai bine. Voi folosi o bobină de sârmă solidă cu 18 fire pentru a face antena, dar vă puteți personaliza propriile plăci de circuite pentru a se potrivi cu estetica dvs., o face mai mică sau mai complexă, cu rezoluție și rezonanță mai mari.

Am de gând să fac o antenă TV pentru a recepționa TV sau TV digital Rezoluție înaltă. Aceste frecvențe sunt mai ușor de lucrat și variază în lungime de la aproximativ 15 cm până la 150 cm pentru jumătate de lungime de undă. Pentru simplitate și cost redus al pieselor, o voi plasa pe o antenă dipol comună, va prinde unde în intervalul 136-174 MHz (VHF).

Pentru a recepționa unde UHF (400-512 MHz), puteți adăuga un director sau reflector, dar acest lucru va face recepția mai dependentă de direcția antenei. VHF este, de asemenea, direcțional, dar în loc să îndreptați direct către postul TV într-o instalație UHF, va trebui să montați urechile VHF perpendicular pe postul TV. Aici va trebui să depui puțin mai mult efort. Vreau să fac designul cât mai simplu posibil, pentru că acesta este deja un lucru destul de complex.

Componentele principale:

• Suprafață de montare, cum ar fi o carcasă din plastic (20 cm x 15 cm x 8 cm)
• 6 șuruburi. Am folosit șuruburi din tablă de oțel
• Transformator cu rezistență de la 300 Ohm la 75 Ohm.
• Sârmă de montare 18 AWG (0,8 mm).
• Cablu coaxial RG-6 cu terminatoare (și cu manta de cauciuc dacă instalarea va fi în aer liber)
• Aluminiu atunci când utilizați un reflector. A fost unul în atașamentul de mai sus.
• Marker fin
• Două perechi de clești mici
• Rigla nu este mai scurtă de 20 cm.
• Transportor pentru măsurarea unghiului
• Două burghie, una puțin mai mică în diametru decât șuruburile tale
• Cuțit mic de sârmă
• Șurubelniță sau șurubelniță

Notă: Partea de jos a antenei din sârmă de aluminiu se află în partea dreaptă a imaginii, unde iese transformatorul.

Pasul 1: Adăugarea unui reflector

Asamblați carcasa cu reflectorul sub capacul din plastic

Pasul 2: Forarea găurilor și instalarea punctelor de montare

Găuriți mici găuri de ieșire pe partea opusă a reflectorului în aceste poziții și plasați un șurub conductiv.

Pasul 3: Măsurați, tăiați și îndepărtați firele

Tăiați patru bucăți de sârmă de 20 cm și așezați-le pe corp.

Pasul 4: Măsurarea și marcarea firelor

Folosind un marker, marcați la fiecare 2,5 cm pe fir (vor fi îndoituri în aceste puncte)

Pasul 5: Crearea fractalilor

Acest pas trebuie repetat pentru fiecare bucată de sârmă. Fiecare îndoire ar trebui să aibă exact 60 de grade, deoarece vom face triunghiuri echilaterale pentru fractal. Am folosit două perechi de clești și un raportor. Fiecare îndoire este făcută pe un semn. Înainte de a face pliuri, vizualizați direcția fiecăruia dintre ele. Vă rugăm să utilizați diagrama atașată pentru aceasta.

Pasul 6: Crearea dipolilor

Tăiați încă două bucăți de sârmă care au cel puțin 6 inci lungime. Înfășurați aceste fire în jurul șuruburilor de sus și de jos de-a lungul părții lungi, apoi înfășurați-le în jurul șuruburilor centrale. Apoi tăiați lungimea în exces.

Pasul 7: Instalarea dipolilor și instalarea transformatorului

Fixați fiecare dintre fractali pe șuruburile de colț.

Atașați un transformator cu impedanța corespunzătoare la cele două șuruburi centrale și strângeți-le.

Asamblare finalizată! Verificați-l și bucurați-vă!

Pasul 8: Mai multe iterații/experimente

Am realizat câteva elemente noi folosind un șablon de hârtie de la GIMP. Am folosit un mic fir telefonic solid. Era mic, puternic și suficient de flexibil pentru a se îndoi în formele complexe necesare pentru frecvența centrală (554 MHz). Aceasta este media semnal digital UHF pentru canale televiziunea terestră in zona mea.

Fotografie atașată. Poate fi dificil să vezi firele de cupru la lumină slabă pe carton și cu bandă de deasupra, dar ai înțeles ideea.

La această dimensiune, elementele sunt destul de fragile, așa că trebuie manipulate cu grijă.

Am adăugat și un șablon în format png. Pentru a imprima dimensiunea dorită, va trebui să o deschideți într-un editor foto precum GIMP. Șablonul nu este perfect pentru că l-am făcut manual folosind un mouse, dar este suficient de confortabil pentru mâinile omului.

Antenele fractale de sârmă studiate în această teză au fost realizate prin îndoirea sârmei după un șablon de hârtie tipărită. Deoarece firul a fost îndoit manual cu ajutorul unei pensete, precizia de a face „îndoirea” antenei a fost de aproximativ 0,5 mm. Prin urmare, cele mai simple forme geometrice fractale au fost luate pentru cercetare: curba Koch și „salt bipolar” Minkowski.

Se știe că fractalii fac posibilă reducerea dimensiunii antenelor, în timp ce dimensiunile unei antene fractale sunt comparate cu dimensiunile unui dipol liniar simetric cu jumătate de undă. În cercetările ulterioare ale tezei, antenele fractale cu sârmă vor fi comparate cu un dipol liniar cu /4-brațe egal cu 78 mm cu o frecvență de rezonanță de 900 MHz.

Antene fractale cu fir bazate pe curba Koch

Lucrarea oferă formule pentru calcularea antenelor fractale pe baza curbei Koch (Figura 24).

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

Figura 24 - Curba Koch a diferitelor iterații n

Dimensiune D fractalul Koch generalizat se calculează prin formula:

Dacă înlocuim unghiul de îndoire standard al curbei Koch = 60 în formula (35), obținem D = 1,262.

Dependența primei frecvențe de rezonanță a dipolului Koch f K din dimensiunea fractală D, numere de iterație nși frecvența de rezonanță a unui dipol drept f D de aceeași înălțime ca și linia întreruptă Koch (în punctele extreme) este determinată de formula:

Pentru Figura 24, b la n= 1 și D= 1,262 din formula (36) obținem:

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

Pentru Figura 24, c cu n = 2 și D = 1,262, din formula (36) obținem:

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

Formulele (37) și (38) ne permit să rezolvăm problema inversă - dacă dorim ca antenele fractale să funcționeze la o frecvență f K = 900 MHz, atunci dipolii drepti trebuie să funcționeze la următoarele frecvențe:

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

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

Folosind graficul din Figura 22, determinăm lungimile brațelor /4 ale unui dipol drept. Acestea vor fi egale cu 63,5 mm (pentru 1102 MHz) și 55 mm (pentru 1293 MHz).

Astfel, s-au realizat 4 antene fractale pe baza curbei Koch: două cu dimensiuni de 4 brațe de 78 mm, și două cu dimensiuni mai mici. Figurile 25-28 prezintă imagini ale ecranului RK2-47, din care frecvențele de rezonanță pot fi determinate experimental.

Tabelul 2 rezumă datele calculate și experimentale, din care reiese clar că frecvențele teoretice f T diferă de cele experimentale f E nu mai mult de 4-9%, iar acesta este un rezultat destul de bun.

Figura 25 - Ecran RK2-47 la măsurarea unei antene cu o curbă Koch de iterație n = 1 cu /4-brațe egal cu 78 mm. Frecventa de rezonanta 767 MHz

Figura 26 - Ecran RK2-47 la măsurarea unei antene cu o curbă Koch de iterație n = 1 cu /4-brațe egal cu 63,5 mm. Frecventa de rezonanta 945 MHz

Figura 27 - Ecran RK2-47 la măsurarea unei antene cu o curbă Koch de iterație n = 2 cu /4-brațe egal cu 78 mm. Frecventa de rezonanta 658 MHz

Figura 28 - Ecran RK2-47 la măsurarea unei antene cu o curbă Koch de iterație n = 2 cu /4-brațe egale cu 55 mm. Frecventa de rezonanta 980 MHz

Tabelul 2 - Comparația frecvențelor de rezonanță fE calculate (teoretice fT) și experimentale ale antenelor fractale pe baza curbei Koch

Antene fractale cu fir bazate pe un „salt bipolar”. Model direcțional

Liniile fractale de tip „salt bipolar” sunt descrise în lucrare, cu toate acestea, formulele pentru calcularea frecvenței de rezonanță în funcție de dimensiunea antenei nu sunt date în lucrare. Prin urmare, s-a decis să se determine experimental frecvențele de rezonanță. Pentru liniile fractale simple din prima iterație (Figura 29, b), au fost realizate 4 antene - cu o lungime de /4-braț egală cu 78 mm, cu jumătate din lungime și două lungimi intermediare. Pentru liniile fractale dificil de fabricat din a doua iterație (Figura 29, c), au fost fabricate 2 antene cu lungimi de 4 brațe de 78 și 39 mm.

Figura 30 prezintă toate antenele fractale fabricate. Figura 31 arată aspectul configurației experimentale cu antena fractală „salt bipolar” de a doua iterație. Figurile 32-37 arată determinarea experimentală a frecvenţelor de rezonanţă.

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

Figura 29 - Curba Minkowski „salt bipolar” a diferitelor iterații n

Figura 30 - Aspect toate antenele fractale de sârmă fabricate (diametre de sârmă 1 și 0,7 mm)

Figura 31 - Configurare experimentală: VSWR panoramic și contor de atenuare RK2-47 cu o antenă fractală de tip „salt bipolar”, a 2-a iterație

Figura 32 - Ecran RK2-47 când se măsoară o antenă „salt bipolar” de iterație n = 1 cu /4-brațe egal cu 78 mm.

Frecventa de rezonanta 553 MHz

Figura 33 - Ecran RK2-47 când se măsoară o antenă „salt bipolar” de iterație n = 1 cu /4-brațe egal cu 58,5 mm.

Frecventa de rezonanta 722 MHz

Figura 34 - Ecran RK2-47 când se măsoară o antenă „salt bipolar” de iterație n = 1 cu /4-brațe egal cu 48 mm. Frecventa de rezonanta 1012 MHz

Figura 35 - Ecran RK2-47 când se măsoară o antenă „salt bipolar” de iterație n = 1 cu /4-brațe egal cu 39 mm. Frecventa de rezonanta 1200 MHz

Figura 36 - Ecran RK2-47 când se măsoară o antenă „salt bipolar” de iterație n = 2 cu /4-brațe egal cu 78 mm.

Prima frecvență de rezonanță este de 445 MHz, a doua este de 1143 MHz

Figura 37 - Ecran RK2-47 când se măsoară o antenă „salt bipolar” de iterație n = 2 cu /4-brațe egal cu 39 mm.

Frecventa de rezonanta 954 MHz

După cum au arătat studiile experimentale, dacă luăm un dipol liniar cu jumătate de undă simetric și o antenă fractală de aceeași lungime (Figura 38), atunci antenele fractale de tip „salt bipolar” vor funcționa la o frecvență mai mică (cu 50 și 61). %), iar antenele fractale sub forma unei curbe Koch funcționează la frecvențe cu 73 și 85% mai mici decât cele ale unui dipol liniar. Prin urmare, într-adevăr, antenele fractale pot fi realizate în dimensiuni mai mici. Figura 39 prezintă dimensiunile antenelor fractale pentru aceleași frecvențe de rezonanță (900-1000 MHz) în comparație cu brațul unui dipol convențional cu semi-undă.

Figura 38 - Antene „convenționale” și fractale de aceeași lungime

Figura 39 - Dimensiunile antenei pentru aceleași frecvențe de rezonanță

5. Măsurarea modelelor de radiație ale antenelor fractale

Modelele de radiație ale antenei sunt de obicei măsurate în camere „anecoice”, ai căror pereți absorb radiația incidentă asupra lor. În această teză, măsurătorile au fost efectuate într-un laborator obișnuit al Facultății de Fizică și Tehnologie, iar semnalul reflectat din carcasele metalice ale instrumentelor și suporturilor de fier a introdus unele erori în măsurători.

Generatorul propriu al VSWR panoramic și contorul de atenuare RK2-47 a fost folosit ca sursă a semnalului cu microunde. Un contor de nivel a fost folosit ca receptor de radiație de la antena fractală. câmp electromagnetic ATT-2592, permițând măsurători în intervalul de frecvență de la 50 MHz la 3,5 GHz.

Măsurătorile preliminare au arătat că modelul de radiație al unui dipol liniar simetric cu jumătate de undă distorsionează semnificativ radiația din exteriorul cablului coaxial, care a fost conectat direct (fără dispozitive potrivite) la dipol. Una dintre modalitățile de a suprima radiația liniei de transmisie este utilizarea unui monopol în loc de dipol împreună cu patru „contragreutăți” reciproc perpendiculare /4 care joacă rolul de „sol” (Figura 40).

Figura 40 - /4 antenă monopol și fractal cu „contragreutăți”

Figurile 41 - 45 arată modelele de radiație măsurate experimental ale antenelor studiate cu „contragreutăți” (frecvența de rezonanță a radiației practic nu se modifică la trecerea de la un dipol la un monopol). Măsurătorile densității fluxului de putere a radiației cu microunde în microwați pe metru pătrat au fost efectuate în planurile orizontale și verticale la intervale de 10. Măsurătorile au fost efectuate în zona „departe” a antenei la o distanță de 2.

Prima antenă care a fost studiată a fost un vibrator rectiliniu /4. Din diagrama de radiație a acestei antene este clar (Figura 41) că aceasta diferă de cea teoretică. Acest lucru se datorează erorilor de măsurare.

Erorile de măsurare pentru toate antenele studiate pot fi după cum urmează:

Reflectarea radiațiilor de la obiectele metalice din interiorul laboratorului;

Lipsa perpendicularității reciproce stricte între antenă și contragreutăți;

Suprimarea necompletă a radiațiilor din carcasa exterioară a cablului coaxial;

Citirea inexactă a valorilor unghiulare;

„Tirecționarea” inexactă a contorului ATT-2592 la antenă;

Interferențe de la telefoanele mobile.

Pentru cei care nu știu ce este și unde este folosit, pot spune că vizionați filme video despre fractali. Și astfel de antene sunt folosite peste tot în zilele noastre, de exemplu, în fiecare telefon mobil.

Așa că, la sfârșitul anului 2013, socrul și soacra mea au venit să ne viziteze, iar apoi soacra, în ajunul sărbătorii de Anul Nou, ne-a cerut o antenă pentru ea. televizor mic. Socrul meu se uită la televizor printr-o antenă de satelit și de obicei face ceva de la el, dar soacra mea a vrut să se uite în liniște la programele de Anul Nou, fără să-mi deranjeze socrul.

Ok, i-am dat antena noastră buclă (330x330 mm pătrată), prin care soția mea se uita uneori la televizor.

Și atunci se apropia momentul deschiderii Jocurilor Olimpice de iarnă de la Soci și soția mea a spus: Faceți o antenă.

Nu este nicio problemă pentru mine să fac o altă antenă, atâta timp cât are un scop și un sens. A promis că o va face. Și acum a venit momentul... dar m-am gândit că e cumva plictisitor să sculptez o altă antenă buclă, până la urmă, secolul 21 este în curte și atunci mi-am amintit că cele mai progresiste în construcția antenelor sunt antenele EH. , antene HZ și antene fractale. După ce mi-am dat seama ce era cel mai potrivit pentru afacerea mea, am optat pentru o antenă fractală. Din fericire, am văzut tot felul de filme despre fractali și am scos tot felul de fotografii de pe Internet cu mult timp în urmă. Așa că am vrut să transpun ideea în realitate materială.

Fotografiile sunt una, o implementare specifică a unui anumit dispozitiv este alta. Nu m-am deranjat mult și am decis să construiesc o antenă bazată pe un fractal dreptunghiular.

Am scos sârmă de cupru cu un diametru de aproximativ 1 mm, am luat clești și am început să fac lucruri... primul proiect a fost la scară largă folosind mulți fractali. Din obișnuință, am făcut-o mult timp, în serile reci de iarnă, am făcut-o în sfârșit, am lipit întreaga suprafață fractală de plăci de fibre folosind polietilenă lichidă, am lipit direct cablul, de aproximativ 1 m lungime, am început să încerc.. . Hopa! Și această antenă a primit canalele TV mult mai clar decât o antenă cadru... Am fost mulțumit de acest rezultat, ceea ce înseamnă că nu degeaba m-am luptat și am frecat calusurile în timp ce îndoiam firul într-o formă fractală.

A trecut aproximativ o săptămână și mi-a venit ideea că dimensiunea noii antene este aproape aceeași cu o antenă cadru, nu există niciun beneficiu deosebit, decât dacă țineți cont de o ușoară îmbunătățire a recepției. Și așa am decis să montez o nouă antenă fractală, folosind mai puțini fractali și, prin urmare, mai mici ca dimensiune.

Antenă fractală. Prima varianta

Sambata, 02.08.2014, am scos o bucata mica de fir de cupru care a ramas de la prima antena fractala si destul de repede, cam o jumatate de ora, am montat o antena noua...

Antenă fractală. A doua varianta

Apoi am lipit cablul de la primul și s-a dovedit a fi un dispozitiv complet. Antenă fractală. A doua varianta cu cablu

Am început să verific performanța... Uau, la naiba! Da, acesta funcționează și mai bine și primește până la 10 canale color, ceea ce anterior nu putea fi realizat folosind o antenă buclă. Câștigul este semnificativ! Dacă acordați atenție și faptului că condițiile mele de recepție sunt complet neimportante: etajul doi, casa noastră este complet blocată de centrul de televiziune de clădiri înalte, nu există vizibilitate directă, atunci câștigul este impresionant atât la recepție, cât și la in marime.

Pe internet sunt antene fractale realizate prin gravare pe folie de fibra de sticla... Cred ca nu conteaza ce sa faci, iar dimensiunile nu trebuie respectate cu strictete la o antena de televiziune, in limita lucrarii la genunchi.

Lumea nu este lipsită de oameni buni :-)
Valery UR3CAH: "Bună ziua, Egor. Cred că acest articol (și anume secțiunea "Antene fractale: mai puțin este mai mult") corespunde tematicii site-ului dvs. și vă va interesa:) 73!"
Da, desigur, este interesant. Am atins deja acest subiect într-o oarecare măsură când discutăm despre geometria hexabimurilor. Și acolo a fost o dilemă cu „împachetarea” lungimii electrice în dimensiuni geometrice :-). Deci, mulțumesc, Valery, foarte mult pentru trimiterea materialului.
Antene fractale: mai puțin înseamnă mai mult
În ultima jumătate de secol, viața a început să se schimbe rapid. Majoritatea dintre noi acceptăm realizările tehnologii moderne a lua de bun. Te obișnuiești foarte repede cu tot ceea ce face viața mai confortabilă. Rareori cineva pune întrebările „De unde a venit asta?” și „Cum funcționează?” Un cuptor cu microunde încălzește micul dejun - grozav, un smartphone vă oferă posibilitatea de a vorbi cu o altă persoană - grozav. Aceasta ni se pare o posibilitate evidentă.
Dar viața ar fi putut fi complet diferită dacă o persoană nu ar fi căutat o explicație pentru evenimentele care au loc. Luați, de exemplu, Celulare. Îți amintești de antenele retractabile de pe primele modele? Au intervenit, au mărit dimensiunea dispozitivului și, în cele din urmă, s-au rupt adesea. Credem că s-au scufundat în uitare pentru totdeauna și o parte din motivul acestui lucru sunt... fractalii.
Modelele fractale fascinează cu modelele lor. Cu siguranță seamănă cu imagini ale obiectelor cosmice - nebuloase, grupuri de galaxii și așa mai departe. Prin urmare, este destul de firesc ca atunci când Mandelbrot și-a exprimat teoria fractalilor, cercetările sale au trezit un interes sporit în rândul celor care au studiat astronomia. Unul dintre acești amatori pe nume Nathan Cohen, după ce a asistat la o prelegere susținută de Benoit Mandelbrot la Budapesta, i-a venit ideea aplicație practică cunoștințe dobândite. Adevărat, a făcut acest lucru intuitiv, iar întâmplarea a jucat un rol important în descoperirea sa. Ca radioamator, Nathan a căutat să creeze o antenă cu cea mai mare sensibilitate posibilă.
Singura caleîmbunătățirea parametrilor antenei, care era cunoscută la acea vreme, a constat în creșterea dimensiunilor geometrice ale acesteia. Cu toate acestea, proprietarul proprietății din centrul orașului Boston pe care Nathan a închiriat-o era categoric împotriva instalării de dispozitive mari pe acoperiș. Apoi Nathan a început să experimenteze cu diferite forme de antene, încercând să obțină rezultatul maxim cu dimensiunea minimă. Inspirat de ideea formelor fractale, Cohen, după cum se spune, a făcut aleatoriu unul dintre cei mai faimoși fractali din sârmă - „fulgul de zăpadă Koch”. Matematicianul suedez Helge von Koch a venit cu această curbă în 1904. Se obține prin împărțirea unui segment în trei părți și înlocuirea segmentului din mijloc cu un triunghi echilateral fără ca o latură să coincidă cu acest segment. Definiția este puțin greu de înțeles, dar în figură totul este clar și simplu.
Există și alte variații ale curbei Koch, dar forma aproximativă a curbei rămâne similară.

Când Nathan a conectat antena la receptorul radio, a fost foarte surprins - sensibilitatea a crescut dramatic. După o serie de experimente, viitorul profesor de la Universitatea din Boston și-a dat seama că o antenă realizată după un model fractal are o eficiență ridicată și acoperă o gamă de frecvență mult mai largă în comparație cu soluțiile clasice. În plus, forma antenei sub forma unei curbe fractale face posibilă reducerea semnificativă a dimensiunilor geometrice. Nathan Cohen a venit chiar cu o teoremă care să demonstreze că pentru a crea antenă de bandă largă este suficient să-i dea forma unei curbe fractale autosimilare.

Autorul și-a brevetat descoperirea și a înființat o companie de dezvoltare și proiectare de antene fractale, Fractal Antenna Systems, crezând pe bună dreptate că în viitor, datorită descoperirii sale, telefoanele mobile vor putea scăpa de antenele voluminoase și vor deveni mai compacte. În principiu, asta s-a întâmplat. Adevărat, până astăzi Nathan este angajat într-o luptă juridică cu marile corporații, care își folosesc ilegal descoperirea pentru a produce dispozitive de comunicații compacte. Unii producători celebri dispozitive mobile, precum Motorola, au ajuns deja la un acord de pace cu inventatorul antenei fractale. Sursa originală

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Postat pe http://www.allbest.ru/

Introducere

O antenă este un dispozitiv radio conceput să transmită sau să primească undele electromagnetice. Antena este unul dintre cele mai importante elemente ale oricărui sistem de inginerie radio asociat cu emisia sau recepția undelor radio. Astfel de sisteme includ: sisteme de comunicații radio, radiodifuziune, televiziune, control radio, comunicații prin releu radio, radar, radioastronomie, radionavigație etc.

Din punct de vedere structural, antena constă din fire, suprafețe metalice, dielectrici și magnetodielectrici. Scopul antenei este ilustrat printr-o diagramă simplificată a legăturii radio. Oscilațiile electromagnetice de înaltă frecvență, modulate de semnalul util și create de generator, sunt convertite de antena de transmisie în unde electromagnetice și radiate în spațiu. De obicei, undele electromagnetice sunt furnizate de la transmițător la antenă nu direct, ci folosind o linie de alimentare (linie de transmisie a undelor electromagnetice, alimentator).

În acest caz, undele electromagnetice asociate cu acesta se propagă de-a lungul alimentatorului, care sunt convertite de antenă în unde electromagnetice divergente ale spațiului liber.

Antena de recepție preia unde radio libere și le transformă în unde cuplate, care sunt transmise receptorului printr-un alimentator. În conformitate cu principiul reversibilității antenei, proprietățile unei antene care funcționează în modul de transmisie nu se schimbă atunci când această antenă funcționează în modul de recepție.

Dispozitive similare cu antenele sunt, de asemenea, folosite pentru excitare vibratii electromagnetice V tipuri variate ghiduri de undă și rezonatoare volumetrice.

1. Principalele caracteristici ale antenelor

1.1 Informații scurte despre principalii parametri ai antenelor

La alegerea antenelor, se compară principalele caracteristici ale acestora: intervalul de frecvență de funcționare (lățimea de bandă), câștigul, modelul de radiație, impedanța de intrare, polarizarea. Cantitativ, câștigul antenei Ga arată de câte ori este puterea semnalului primit de o antenă dată mai multă putere semnal primit de cea mai simplă antenă - un vibrator cu jumătate de undă (emițător izotrop) plasat în același punct din spațiu. Câștigul este exprimat în decibeli dB sau dB. Trebuie făcută o distincție între câștigul definit mai sus, notat dB sau dBd (relativ la un vibrator dipol sau semiundă), și câștigul relativ la un radiator izotrop, notat dBi sau dB ISO. În orice caz, este necesar să se compare valori similare. Este de dorit să existe o antenă cu câștig mare, dar creșterea câștigului necesită de obicei creșterea complexității designului și dimensiunilor acesteia. Nu există antene simple, de dimensiuni mici, cu câștig mare. Modelul de radiație (RP) al unei antene arată modul în care antena primește semnalele de la directii diferite. În acest caz, este necesar să se ia în considerare modelul antenei atât în ​​plan orizontal, cât și în plan vertical. Antenele omnidirecționale din orice plan au un model în formă de cerc, adică antena poate primi semnale din toate părțile în mod egal, de exemplu, modelul de radiație al unei tije verticale într-un plan orizontal. O antenă direcțională se caracterizează prin prezența unuia sau mai multor lobi de model, dintre care cel mai mare este numit principal. De obicei, pe lângă lobul principal, există lobi posteriori și laterali, al căror nivel este semnificativ mai mic decât lobul principal, ceea ce înrăutățește totuși performanța antenei, motiv pentru care se străduiesc să își reducă nivelul cât mai mult posibil. .

Impedanța de intrare a antenei este considerată a fi raportul dintre valorile tensiunii instantanee și curentul semnalului la punctele de alimentare ale antenei. Dacă tensiunea și curentul semnalului sunt în fază, atunci raportul este o valoare reală și rezistența de intrare este pur activă. Când fazele se schimbă, pe lângă componenta activă, apare și o componentă reactivă - inductivă sau capacitivă, în funcție de faza curentului în urmă față de tensiune sau o avansează. Impedanța de intrare depinde de frecvența semnalului primit. Pe lângă caracteristicile principale enumerate, antenele au o serie de alți parametri importanți, cum ar fi SWR (Standing Wave Ratio), nivelul de polarizare încrucișată, intervalul de temperatură de funcționare, încărcăturile vântului etc.

1.2 Clasificarea antenei

Antenele pot fi clasificate după diverse criterii: după principiul benzii largi, după natura elementelor radiante (antene cu curenți liniari, sau antene vibratoare, antene care emit printr-o deschidere - antene cu deschidere, antene vor suprafață); după tipul de sistem de inginerie radio în care este utilizată antena (antene pentru comunicații radio, pentru radiodifuziune, televiziune etc.). Vom respecta clasificarea intervalului. Deși antenele cu aceleași (tip) elemente radiante sunt foarte des folosite în diferite game de unde, designul lor este diferit; Parametrii acestor antene și cerințele pentru acestea diferă, de asemenea, semnificativ.

Sunt luate în considerare antene din următoarele game de unde (denumirile gamelor sunt date în conformitate cu recomandările „Regulamentelor radio”; denumirile care sunt utilizate pe scară largă în literatura de specialitate privind dispozitivele de alimentare cu antenă sunt indicate între paranteze): miriametru (ultra -lungi) valuri (); valuri kilometrice (lungi) (); hectometru (medie) unde (); unde decametru (scurte) (); undele metru(); unde decimetrice (); unde centimetrice(); unde milimetrice (). Ultimele patru benzi sunt uneori combinate sub denumirea comună „ultra-short waves” (VHF).

1.2.1 Benzi de antenă

În ultimii ani, pe piața comunicațiilor și radiodifuziunii au apărut un număr mare de noi sisteme de comunicații cu diverse scopuri, cu caracteristici diferite. Din punctul de vedere al utilizatorilor, la alegerea unui sistem de comunicații radio sau a unui sistem de difuzare, se acordă mai întâi atenție calității comunicației (difuzare), precum și ușurinței de utilizare a acestui sistem (terminal de utilizator), care este determinată de dimensiuni, greutate, ușurință în operare și o listă de funcții suplimentare. Toți acești parametri sunt determinați în mod semnificativ de tipul și designul dispozitivelor de antenă și ale elementelor căii de alimentare a antenei a sistemului în cauză, fără de care comunicarea radio este de neconceput. La rândul său, factorul determinant în proiectarea și eficiența antenelor este gama lor de frecvență de funcționare.

În conformitate cu clasificarea acceptată a intervalelor de frecvență, se disting mai multe clase mari (grupe) de antene, care sunt fundamental diferite una de cealaltă: antene ale intervalelor de unde ultra-lungi (VLF) și unde lungi (LW); antene cu undă medie (MF); antene cu unde scurte (HF); antene cu unde ultrascurte (VHF); antene cu microunde.

Cele mai populare din ultimii ani din punctul de vedere al furnizării de servicii de comunicații personale, transmisii radio și televiziune sunt sistemele radio HF, VHF și microunde, ale căror dispozitive de antenă vor fi discutate mai jos. Trebuie remarcat faptul că, în ciuda aparentei imposibilități de a inventa ceva nou în domeniul antenelor, în ultimii ani, pe baza noilor tehnologii și principii, s-au adus îmbunătățiri semnificative antenelor clasice și au fost dezvoltate antene noi care sunt fundamental diferite de cele anterior. cele existente ca design, dimensiuni, caracteristici de bază etc etc., ceea ce a dus la o creștere semnificativă a numărului de tipuri de dispozitive de antenă utilizate în sistemele radio moderne.

În orice sistem de comunicații radio, pot exista dispozitive de antenă concepute numai pentru transmitere, pentru transmitere și recepție sau doar pentru recepție.

Pentru fiecare dintre intervalele de frecvență, este, de asemenea, necesar să se facă distincția între sistemele de antene ale dispozitivelor radio cu acțiune direcțională și nedirecțională (omnidirecțională), care, la rândul său, este determinată de scopul dispozitivului (comunicații, difuzare etc.) , sarcinile rezolvate de aparat (notificare, comunicații, difuzare etc.). d.). În general, pentru a crește directivitatea antenelor (pentru a îngusta modelul de radiație), pot fi utilizate rețele de antene, constând din radiatoare elementare (antene), care, în anumite condiții de fazare, pot asigura modificările necesare în direcția fascicul antenei în spațiu (oferă controlul poziției modelului de radiație al antenei). În cadrul fiecărui interval, este posibil să se distingă și dispozitivele de antenă care funcționează doar la o anumită frecvență (frecvență unică sau bandă îngustă) și antene care funcționează într-o gamă destul de largă de frecvențe (bandă largă sau bandă largă).

1.3 Radiația de la rețele de antene

Pentru a obține o directivitate mare a radiațiilor, adesea cerută în practică, puteți utiliza un sistem de antene slab direcționale, cum ar fi vibratoare, fante, capete deschise ale ghidurilor de undă și altele, situate într-un anumit mod în spațiu și excitate de curenți cu necesarul necesar. amplitudine și raport de fază. În acest caz, direcționalitatea generală, în special cu un număr mare de emițători, este determinată în principal de dimensiunile generale ale întregului sistem și, într-o măsură mult mai mică, de proprietățile direcționale individuale ale emițătorilor individuali.

Astfel de sisteme includ rețele de antene (AR). De obicei, AR este un sistem de elemente radiante identice, orientate identic în spațiu și situate conform unei anumite legi. În funcție de dispunerea elementelor, se disting rețele liniare, de suprafață și volumetrice, dintre care cele mai frecvente sunt AR-urile rectilinie și plate. Uneori, elementele radiante sunt situate de-a lungul unui arc de cerc sau pe suprafețe curbe care coincid cu forma obiectului pe care se află AR (AR conform).

Cel mai simplu este o matrice liniară, în care elementele radiante sunt situate de-a lungul unei linii drepte, numită axa matricei, la distanțe egale unele de altele (matrice echidistant). Distanța d dintre centrii de fază ale emițătorilor se numește pasul rețelei. AR liniar, pe lângă semnificația sa independentă, este adesea baza pentru analiza altor tipuri de AR.

2 . Analiza structurilor de antene promițătoare

2.1 antene HF și VHF

Figura 1 - Antena stației de bază

În HF și benzi VHFÎn prezent, se află în funcțiune un număr mare de sisteme radio pentru diverse scopuri: comunicații (releu radio, celular, trunking, satelit etc.), difuzare radio, difuzare de televiziune. În funcție de design și caracteristici, toate dispozitivele de antenă ale acestor sisteme pot fi împărțite în două grupuri principale - antene pentru dispozitive staționare și antene pentru dispozitive mobile. Antenele staționare includ antene ale stațiilor de comunicație de bază, antene de televiziune de recepție, antene ale liniilor de comunicație prin releu radio, iar antenele mobile includ antene ale terminalelor de utilizator de comunicații personale, antene auto, antene pentru posturi de radio purtabile (portabile).

Antenele stațiilor de bază sunt în mare parte omnidirecționale în plan orizontal, deoarece asigură comunicarea în principal cu obiectele în mișcare. Cele mai utilizate antene bici cu polarizare verticală sunt tipul „Ground Plane” (“GP”) datorită simplității designului și eficienței suficiente. O astfel de antenă este o tijă verticală de lungime L, selectată în funcție de lungimea de undă de operare l, cu trei sau mai multe contragreutăți, instalate de obicei pe un catarg (Figura 1).

Lungimea știfturilor L este de l/4, l/2 și 5/8l, iar contragreutățile variază de la 0,25 la 0,1 l. Impedanța de intrare a antenei depinde de unghiul dintre contragreutate și catarg: cu cât acest unghi este mai mic (cu cât contragreutățile sunt apăsate mai mult pe catarg), cu atât rezistența este mai mare. În special, pentru o antenă cu L = l/4, se realizează o impedanță de intrare de 50 Ohmi la un unghi de 30°...45°. Modelul de radiație al unei astfel de antene în plan vertical are un maxim la un unghi de 30° față de orizont. Câștigul antenei este egal cu câștigul unui dipol vertical cu jumătate de undă. În acest design, totuși, nu există nicio legătură între știft și catarg, ceea ce necesită utilizare suplimentară cablu scurtcircuitat lungime cablu l/4 pentru a proteja antena de furtuni si electricitate statica.

O antenă cu lungimea de L = l/2 nu are nevoie de contragreutăți, al căror rol este jucat de un catarg, iar modelul său în plan vertical este mai presat la orizont, ceea ce îi mărește raza de acțiune. În acest caz, se folosește un transformator de înaltă frecvență pentru a reduce impedanța de intrare, iar baza pinului este conectată la catargul împământat printr-un transformator potrivit, care rezolvă automat problema protecției împotriva trăsnetului și a electricității statice. Câștigul antenei în comparație cu un dipol cu ​​jumătate de undă este de aproximativ 4 dB.

Cea mai eficientă dintre antene „GP” pentru comunicații pe distanțe lungi este antena cu L = 5/8l. Este puțin mai lung decât antena cu jumătate de undă, iar cablul de alimentare este conectat la inductanța potrivită situată la baza vibratorului. Contragreutățile (cel puțin 3) sunt amplasate într-un plan orizontal. Câștigul unei astfel de antene este de 5-6 dB, DP maxim este situat la un unghi de 15 ° față de orizontală, iar pinul în sine este împământat de catarg printr-o bobină potrivită. Aceste antene sunt mai înguste decât antenele cu jumătate de undă și, prin urmare, necesită o reglare mai atentă.

Figura 2 - Antenă cu vibrator semi-undă

Figura 3 - Antena rombică a unui vibrator cu jumătate de undă

Majoritatea antenelor de bază sunt instalate pe acoperișuri, ceea ce le poate afecta foarte mult performanța, așa că trebuie luate în considerare următoarele:

Este recomandabil să amplasați baza antenei la cel puțin 3 metri de planul acoperișului;

Nu trebuie să existe obiecte sau structuri metalice în apropierea antenei ( antene de televiziune, fire etc.);

Este indicat să instalați antene cât mai sus posibil;

Funcționarea antenei nu trebuie să interfereze cu alte stații de bază.

Un rol semnificativ în stabilirea unei comunicații radio stabile îl joacă polarizarea semnalului primit (emis); de vreme ce cu propagarea pe distanţe lungi val de suprafață experimentează o atenuare semnificativ mai mică cu polarizarea orizontală, apoi pentru comunicațiile radio la distanță lungă, precum și pentru transmisia de televiziune, se folosesc antene cu polarizare orizontală (vibratoarele sunt amplasate orizontal).

Cea mai simplă dintre antene direcționale este vibratorul cu jumătate de undă. Pentru un vibrator simetric cu jumătate de undă, lungimea totală a celor două brațe identice ale sale este aproximativ egală cu l/2 (0,95 l/2), diagrama de radiație are forma unei cifre opt în plan orizontal și a unui cerc în vertical avion. Câștigul, așa cum sa menționat mai sus, este luat ca unitate de măsură.

Dacă unghiul dintre vibratoarele unei astfel de antene este egal cu b<180є, то получают антенну типа V, у которой ДН складывается из ДН составных её частей, причём угол раскрыва зависит от длины вибратора (рисунок 2). Так, например, при L =л получаем б=100є, а при L = 2л, б =70є, а усиление равно 3,5 дБ и 4,5 дБ, входное сопротивление - 100 и 120 Ом соответственно.

Când două antene de tip V sunt conectate în așa fel încât modelele lor să fie însumate, se obține o antenă rombică, în care directivitatea este mult mai pronunțată (Figura 3).

La conectarea la partea superioară a diamantului, vizavi de punctele de putere, se realizează un rezistor de sarcină Rn, disipând putere egală cu jumătate din puterea emițătorului, suprimarea lobului din spate al modelului cu 15...20 dB. Direcția lobului principal în plan orizontal coincide cu diagonala a. În plan vertical, lobul principal este orientat orizontal.

Una dintre cele mai bune antene direcționale relativ simple este o antenă buclă „dublă pătrată”, a cărei câștig este de 8...9 dB, suprimarea lobului din spate al modelului este de nu mai puțin de 20 dB, polarizarea este verticală.

Figura 4 - Antena cu canal de unde

Cele mai răspândite, în special în gama VHF, sunt antenele de tip „canal de undă” (în literatura străină - antenele Uda-Yagi), deoarece sunt destul de compacte și oferă valori Ga mari, cu dimensiuni relativ mici. Antenele de acest tip sunt un set de elemente: activ - vibrator și pasiv - reflector și mai mulți directori instalați pe un braț comun (Figura 4). Astfel de antene, în special cele cu un număr mare de elemente, necesită o reglare atentă în timpul fabricării. Pentru o antenă cu trei elemente (vibrator, reflector și un director), caracteristicile de bază pot fi realizate fără configurație suplimentară.

Complexitatea antenelor de acest tip constă și în faptul că impedanța de intrare a antenei depinde de numărul de elemente pasive și depinde în mod semnificativ de configurația antenei, motiv pentru care literatura adesea nu indică valoarea exactă a antenei. impedanța de intrare a unor astfel de antene. În special, atunci când se utilizează un vibrator buclă Pistolkors, care are o impedanță de intrare de aproximativ 300 ohmi, ca vibrator, cu o creștere a numărului de elemente pasive, impedanța de intrare a antenei scade și atinge valori de 30-50 Ohmi, ceea ce duce la nepotrivire cu alimentatorul și necesită o potrivire suplimentară. Odată cu creșterea numărului de elemente pasive, modelul antenei se îngustează și câștigul crește, de exemplu, pentru o antenă cu trei și cinci elemente, câștigurile sunt de 5...6 dB și 8...9 dB cu lățimea fasciculului principal al modelului 70º și, respectiv, 50º.

Mai multă bandă largă în comparație cu antenele de tip „canal de undă” și care nu necesită reglare sunt antenele cu undă de călătorie (AWA), în care toate vibratoarele, situate la aceeași distanță unele de altele, sunt active și conectate la linia de colectare (Figura 5). Energia semnalului pe care o primesc se adună în linia de colectare aproape în fază și intră în alimentator. Câștigul unor astfel de antene este determinat de lungimea liniei de colectare, este proporțional cu raportul dintre această lungime și lungimea de undă a semnalului primit și depinde de proprietățile direcționale ale vibratoarelor. În special, pentru ABC cu șase vibratoare de lungimi diferite corespunzătoare intervalului de frecvență necesar și situate la un unghi de 60° față de linia de colectare, câștigul variază de la 4 dB până la 9 dB în domeniul de funcționare și nivelul radiației din spate. este cu 14 dB mai mic.

Figura 5 - Antena cu val de calatorie

Figura 6 - Antenă cu structură de periodicitate logaritmică sau antenă log periodică

Proprietățile direcționale ale antenelor considerate variază în funcție de lungimea de undă a semnalului recepționat. Unul dintre cele mai comune tipuri de antene cu o formă constantă a modelului într-o gamă largă de frecvențe sunt antenele cu periodicitate logaritmică a structurii sau antenele log-periodice (LPA). Au o gamă largă: lungimea de undă maximă a semnalului recepționat depășește de peste 10 ori valoarea minimă. În același timp, se asigură o bună potrivire a antenei cu alimentatorul pe toată gama de funcționare, iar câștigul rămâne practic neschimbat. Linia de colectare a LPA este de obicei formată din doi conductori amplasați unul deasupra celuilalt, de care brațele vibratoarelor sunt atașate orizontal, pe rând (Figura 6, vedere de sus).

Vibratoarele LPA se dovedesc a fi înscrise într-un triunghi isoscel cu un unghi la vârful b și o bază egală cu cel mai mare vibrator. Lățimea de bandă de funcționare a antenei este determinată de dimensiunile celor mai lungi și scurte vibratoare. Pentru o structură de antenă logaritmică, trebuie îndeplinită o anumită relație între lungimile vibratoarelor adiacente, precum și între distanțele de la acestea până la vârful structurii. Această relație se numește perioada de structură f:

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

Astfel, dimensiunea vibratoarelor și distanța până la acestea de la vârful triunghiului se reduc exponențial. Caracteristicile antenei sunt determinate de valorile lui f și b. Cu cât unghiul b este mai mic și cu cât b este mai mare (b este întotdeauna mai mic de 1), cu atât câștigul antenei este mai mare și nivelul lobilor posterior și laterali ai diagramei de radiație este mai mic. Totuși, în același timp, crește numărul de vibratoare, iar dimensiunile și greutatea antenei cresc. Valorile optime pentru unghiul b sunt alese între 3є...60є și φ - 0,7...0,9.

În funcție de lungimea de undă a semnalului primit, în structura antenei sunt excitate mai multe vibratoare, ale căror dimensiuni sunt cel mai apropiate de jumătate din lungimea de undă a semnalului, prin urmare LPA este similar în principiu cu mai multe antene „canal de undă” conectate împreună, fiecare din care conține un vibrator, un reflector și un director . La o anumită lungime de undă a semnalului, doar un trio de vibratoare este excitat, iar restul sunt atât de detonate încât nu afectează funcționarea antenei. Prin urmare, câștigul LPA se dovedește a fi mai mic decât câștigul unei antene „canal de undă” cu același număr de elemente, dar lățimea de bandă a LPA se dovedește a fi mult mai largă. Astfel, pentru un LPA format din zece vibratoare și valori b = 45є, f = 0,84, câștigul calculat este de 6 dB, care practic nu se modifică pe întreaga gamă de frecvențe de operare.

Pentru liniile de comunicație prin releu radio, este foarte important să existe un model de radiație îngust pentru a nu interfera cu alte echipamente radio-electronice și pentru a asigura o comunicare de înaltă calitate. Pentru a restrânge modelul, rețelele de antene (AR) sunt utilizate pe scară largă, îngustând modelul în diferite planuri și oferind valori diferite ale lățimii lobului principal. Este destul de clar că dimensiunile geometrice ale rețelei de antene și caracteristicile modelului de radiație depind în mod semnificativ de gama de frecvențe de operare - cu cât frecvența este mai mare, cu atât matricea va fi mai compactă și cu atât mai îngustă diagrama de radiație și, în consecință , cu atât câștigul este mai mare. Pentru aceleași frecvențe, odată cu creșterea dimensiunilor AR (numărul de emițători elementari), modelul se va îngusta.

Pentru banda VHF, sunt adesea folosite matrice formate din antene vibratoare (vibratoare bucle), al căror număr poate ajunge la câteva zeci, câștigul crește la 15 dB și mai mult, iar lățimea modelului în oricare dintre planuri poate fi îngustată. la 10º, de exemplu pentru 16 vibratoare cu buclă amplasate vertical în intervalul de frecvență 395...535 MHz, modelul se îngustează în plan vertical la 10º.

Principalul tip de antene utilizate în terminalele utilizatorului sunt antenele bici polarizate vertical, care au un model circular în plan orizontal. Eficiența acestor antene este destul de scăzută din cauza valorilor scăzute ale câștigului, precum și din cauza influenței obiectelor din jur asupra diagramei de radiație, precum și a lipsei de împământare adecvată și a limitărilor asupra dimensiunilor geometrice ale antenelor. Acesta din urmă necesită o potrivire de înaltă calitate a antenei cu circuitele de intrare ale dispozitivului radio. Opțiunile tipice de potrivire a designului sunt inductanța distribuită pe lungime și inductanța la baza antenei. Pentru a crește raza de comunicare radio, se folosesc antene speciale extinse lungi de câțiva metri, ceea ce realizează o creștere semnificativă a nivelului semnalului recepționat.

În prezent, există multe tipuri de antene auto, care variază ca aspect, design și preț. Aceste antene sunt supuse unor cerințe stricte privind parametrii mecanici, electrici, operaționali și estetici. Cele mai bune rezultate în ceea ce privește raza de comunicare sunt obținute de o antenă de dimensiune completă cu o lungime de l/4, cu toate acestea, dimensiunile geometrice mari nu sunt întotdeauna convenabile, prin urmare se folosesc diferite metode de scurtare a antenelor fără a le deteriora semnificativ caracteristicile. A furniza comunicatii celulareÎn mașini, pot fi utilizate antene rezonante cu microbandă (cu bandă simplă, duală și tri-bandă), care nu necesită instalarea de părți exterioare, deoarece sunt atașate la interiorul geamului mașinii. Astfel de antene asigură recepția și transmiterea semnalelor polarizate vertical în domeniul de frecvență 450...1900 MHz și au un câștig de până la 2 dB.

2.1.1 Caracteristicile generale ale antenelor cu microunde

În domeniul microundelor s-a înregistrat în ultimii ani și o creștere a numărului de sisteme de comunicații și difuzare, atât existente anterior, cât și nou dezvoltate. Pentru sistemele terestre - acestea sunt sisteme de comunicații prin releu radio, transmisii radio și televiziune, sisteme de televiziune celulară etc., pentru sistemele prin satelit - difuzare directă de televiziune, telefon, fax, comunicații de paginare, conferințe video, acces la Internet etc. Gamele de frecvență utilizate pentru aceste tipuri de comunicații și difuzare corespund secțiunilor spectrului de frecvențe alocate în aceste scopuri, principalele fiind: 3,4...4,2 GHz; 5,6...6,5 GHz; 10,7…11,7 GHz; 13,7…14,5 GHz; 17,7…19,7 GHz; 21,2…23,6 GHz; 24,5…26,5 GHz; 27,5…28,5 GHz; 36…40 GHz. Uneori, în literatura tehnică, gama de microunde include sisteme care funcționează la frecvențe de peste 1 GHz, deși acest interval începe strict de la 3 GHz.

Pentru sistemele terestre cu microunde, dispozitivele de antenă sunt antene cu oglindă, corn, corn-lens de dimensiuni mici, instalate pe catarge și protejate de influențele atmosferice nocive. Antenele direcționale, în funcție de scopul, designul și gama de frecvență, au o gamă largă de caracteristici, și anume: în câștig - de la 12 la 50 dB, în lățimea fasciculului (nivel - 3 dB) - de la 3,5 la 120º. În plus, sistemele de televiziune celulară folosesc antene biconice omnidirecționale (în plan orizontal), formate din două conuri metalice cu vârfurile îndreptate unul spre celălalt, o lentilă dielectrică instalată între conuri și un dispozitiv de excitare. Astfel de antene au un câștig de 7...10 dB, lățimea lobului principal în plan vertical este de 8...15є, iar nivelul lobilor laterali nu este mai rău de minus 14 dB.

3. Analiza metodelor posibile de sinteză a structurilor fractale antene

3.1 Antene fractale

Antenele fractale sunt o clasă relativ nouă de antene electrice mici (EMA), care sunt fundamental diferite în geometria lor de soluțiile cunoscute. De fapt, evoluția tradițională a antenelor s-a bazat pe geometria euclidiană, operând cu obiecte de dimensiune întreagă (linie, cerc, elipsă, paraboloid etc.). Principala diferență dintre formele geometrice fractale este dimensiunea lor fracțională, care se manifestă în exterior prin repetarea recursivă a modelelor deterministe sau aleatorii originale pe o scară crescătoare sau descrescătoare. Tehnologiile fractale au devenit larg răspândite în dezvoltarea instrumentelor de filtrare a semnalului, sinteza modelelor computerizate tridimensionale ale peisajelor naturale și compresia imaginii. Este destul de natural că „moda” fractală nu a ocolit teoria antenelor. Mai mult decât atât, prototipul tehnologiilor fractale moderne în tehnologia antenei au fost modelele log-periodice și spiralate propuse la mijlocul anilor 60 ai secolului trecut. Adevărat, în sens matematic strict, astfel de structuri la momentul dezvoltării nu aveau nicio legătură cu geometria fractală, fiind, de fapt, doar fractali de primul fel. În prezent, cercetătorii, în principal prin încercări și erori, încearcă să folosească fractali cunoscuți în geometrie în soluții de antene. În urma modelării prin simulare și a experimentelor, s-a constatat că antenele fractale fac posibilă obținerea aproape același câștig ca și cele convenționale, dar cu dimensiuni mai mici, ceea ce este important pentru aplicațiile mobile. Să luăm în considerare rezultatele obținute în domeniul creării de antene fractale de diferite tipuri.

Rezultatele studiilor privind caracteristicile noului design de antenă publicate de Cohen au atras atenția specialiștilor. Datorită eforturilor multor cercetători, astăzi teoria antenelor fractale s-a transformat într-un aparat independent, destul de dezvoltat, pentru sinteza și analiza EMA.

3.2 Proprietățiantene fractale

SFC-urile pot fi folosite ca șabloane pentru realizarea monopolurilor și a brațelor dipol, formând topologia antenelor imprimate, a suprafețelor de selecție a frecvenței (FSS) sau a carcasei reflectoarelor, construind contururile antenelor bucle și a profilelor deschiderii cornului, precum și frezarea fantelor în antenele cu slot.

Datele experimentale obținute de specialiștii Cushcraft pentru curba Koch, patru iterații ale unei unde pătrate și a unei antene elicoidale ne permit să comparăm proprietățile electrice ale antenei Koch cu alți emițători cu structură periodică. Toți emițătorii comparați aveau proprietăți multi-frecvență, care s-au manifestat în prezența rezonanțelor periodice în graficele de impedanță. Cu toate acestea, pentru aplicațiile cu mai multe benzi, fractalul Koch este cel mai potrivit, pentru care, odată cu creșterea frecvenței, valorile de vârf ale rezistențelor reactive și active scad, în timp ce pentru meandre și spirală cresc.

În general, trebuie remarcat faptul că este dificil de imaginat teoretic mecanismul de interacțiune dintre o antenă de recepție fractală și undele electromagnetice incidente pe aceasta din cauza lipsei unei descrieri analitice a proceselor undei într-un conductor cu o topologie complexă. Într-o astfel de situație, este recomandabil să se determine parametrii principali ai antenelor fractale prin modelare matematică.

Un exemplu de construire a primei curbe fractale auto-similare a fost demonstrat în 1890 de matematicianul italian Giuseppe Peano. În limită, linia propusă de el umple complet pătratul, înconjurând toate punctele acestuia (Figura 9). Ulterior, au fost găsite și alte obiecte similare, care au primit denumirea generală „curbe Peano” după descoperirea familiei lor. Adevărat, datorită descrierii pur analitice a curbei propuse de Peano, a apărut o oarecare confuzie în clasificarea liniilor SFC. De fapt, numele „curbe Peano” ar trebui să fie dat doar curbelor originale, a căror construcție corespunde analizelor publicate de Peano (Figura 10).

Figura 9 - Iterații ale curbei Peano: a) linie inițială, b) prima, c) a doua și d) a treia iterație

Figura 10 - Iterații ale poliliniei propuse de Hilbert în 1891

Adesea interpretată ca o curbă Peano recursivă

Prin urmare, pentru a preciza obiectele tehnologiei antenei luate în considerare, atunci când descriem una sau alta formă de antenă fractală, ar trebui, dacă este posibil, să menționăm numele autorilor care au propus modificarea corespunzătoare a SFC. Acest lucru este cu atât mai important cu cât, potrivit estimărilor, numărul de soiuri cunoscute de SFC se apropie de trei sute, iar această cifră nu este o limită.

Trebuie remarcat faptul că curba Peano (Figura 9) în forma sa originală este destul de potrivită pentru realizarea fantelor în pereții unui ghid de undă, antene tipărite și alte antene fractale cu deschidere, dar nu este acceptabilă pentru construirea unei antene cu sârmă, deoarece are atingere. secțiuni. Prin urmare, specialiștii Fractus au propus modificarea acestuia, numită „Peanodec” (Figura 11).

Figura 11 - Varianta de modificare a curbei Peano („Peanodec”): a) prima, b) a doua c) a treia iterație

O aplicație promițătoare a antenelor cu topologie Koch sunt sistemele de comunicații MIMO (sisteme de comunicații cu multe intrări și ieșiri). Pentru a miniaturiza rețelele de antene ale terminalelor de utilizator în astfel de comunicații, specialiștii de la Laboratorul de Electromagnetism al Universității din Patras (Grecia) au propus o similitudine fractală cu o antenă L inversată (ILA). Esența ideii se rezumă la îndoirea vibratorului Koch cu 90° într-un punct care îl împarte în segmente cu un raport de lungime de 2:1. Pentru comunicațiile mobile cu o frecvență purtătoare de ~2,4 Hz, dimensiunile unei astfel de antene tipărite sunt de 12,33×10,16 mm (~L/10ChL/12), lățimea de bandă este de ~20% și eficiența este de 93%.

Figura 12 - Exemplu de matrice de antene cu bandă duală (2,45 și 5,25 GHz)

Modelul de radiație azimutal este aproape uniform, câștigul în ceea ce privește intrarea alimentatorului este de ~3,4 dB. Adevărat, așa cum s-a menționat în articol, funcționarea unor astfel de elemente imprimate ca parte a unei rețele (Figura 12) este însoțită de o scădere a eficienței lor în comparație cu un singur element. Astfel, la o frecvență de 2,4 GHz, eficiența unui monopol Koch îndoit cu 90° scade de la 93 la 72%, iar la o frecvență de 5,2 GHz - de la 90 la 80%. Situația este oarecum mai bună cu influența reciprocă a antenelor în bandă de înaltă frecvență: la o frecvență de 5,25 GHz, izolarea dintre elementele care formează perechea centrală de antene este de 10 dB. În ceea ce privește influența reciprocă într-o pereche de elemente adiacente de diferite game, în funcție de frecvența semnalului, izolarea variază de la 11 dB (la 2,45 GHz) la 15 dB (la o frecvență de 5,25 GHz). Motivul deteriorării performanței antenei este influența reciprocă a elementelor imprimate.

Astfel, capacitatea de a selecta mulți parametri diferiți ai unui sistem de antenă bazat pe o linie întreruptă Koch permite proiectării să satisfacă diferite cerințe pentru valoarea rezistenței interne și distribuția frecvențelor de rezonanță. Totuși, întrucât interdependența dimensiunii recursive și a caracteristicilor antenei poate fi obținută doar pentru o anumită geometrie, valabilitatea proprietăților considerate pentru alte configurații recursive necesită cercetări suplimentare.

3.3 Caracteristicile antenelor fractale

Antena fractală Koch prezentată în Figura 13 sau 20 este doar una dintre opțiunile care pot fi implementate folosind un triunghi recursiv inițiator echilateral, de exemplu. unghiul și la baza acestuia (unghiul de indentare sau „unghiul de indentare”) este de 60°. Această versiune a fractalului Koch este de obicei numită standard. Este destul de natural să ne întrebăm dacă este posibil să folosiți modificări ale fractalului cu alte valori ale acestui unghi. Vinoy a propus să ia în considerare unghiul de la baza triunghiului de inițiere ca un parametru care caracterizează designul antenei. Schimbând acest unghi, puteți obține curbe recursive similare de dimensiuni diferite (Figura 13). Curbele păstrează proprietatea de auto-similare, dar lungimea liniei rezultată poate fi diferită, ceea ce afectează caracteristicile antenei. Vinoy a fost primul care a studiat corelația dintre proprietățile antenei și dimensiunea fractalului Koch generalizat D, determinată în cazul general de dependență.

(1)

S-a arătat că pe măsură ce unghiul crește, crește și dimensiunea fractalului, iar la u>90° se apropie de 2. De remarcat că conceptul de dimensiune folosit în teoria antenelor fractale contrazice oarecum conceptele acceptate în geometrie. , unde această măsură este aplicabilă numai obiectelor recursive infinit.

Figura 13 - Construcția curbei Koch cu un unghi de a) 30° și b) 70° la baza triunghiului în generatorul de fractali

Pe măsură ce dimensiunea crește, lungimea totală a liniei întrerupte crește neliniar, determinată de relația:

(2)

unde L0 este lungimea dipolului liniar, a cărui distanță dintre capete este aceeași cu cea a liniei întrerupte Koch, n este numărul de iterație. Trecerea de la u = 60° la u = 80° la a șasea iterație permite ca lungimea totală a prefractalului să fie mărită de mai mult de patru ori. După cum v-ați aștepta, există o relație directă între dimensiunea recursivă și proprietățile antenei precum frecvența de rezonanță primară, rezistența internă la rezonanță și caracteristicile multi-bandă. Pe baza calculelor computerizate, Vinoy a obținut dependența primei frecvențe de rezonanță a dipolului Koch fk de dimensiunea prefractalului D, a numărului de iterație n și a frecvenței de rezonanță a dipolului rectiliniu fD de aceeași înălțime ca și linia întreruptă Koch ( în punctele extreme):

(3)

Figura 14 - Efectul de scurgere a undelor electromagnetice

În cazul general, pentru rezistența internă a dipolului Koch la prima frecvență de rezonanță, este valabilă următoarea relație aproximativă:

(4)

unde R0 este rezistența internă a dipolului liniar (D=1), care în cazul în cauză este egală cu 72 Ohmi. Expresiile (3) și (4) pot fi utilizate pentru a determina parametrii geometrici ai antenei cu valorile necesare ale frecvenței de rezonanță și rezistenței interne. Proprietățile multibandă ale dipolului Koch sunt, de asemenea, foarte sensibile la valoarea unghiului u. Cu o creștere, valorile nominale ale frecvențelor de rezonanță devin mai apropiate și, în consecință, numărul lor într-un interval spectral dat crește (Figura 15). Mai mult, cu cât este mai mare numărul de iterații, cu atât este mai puternică această convergență.

Figura 15 - Efectul îngustării intervalului dintre frecvențele de rezonanță

La Universitatea din Pennsylvania a fost studiat un alt aspect important al dipolului Koch - efectul asimetriei sursei sale de alimentare asupra gradului în care rezistența internă a antenei se apropie de 50 de ohmi. În dipolii liniari, punctul de alimentare este adesea situat asimetric. Aceeași abordare poate fi utilizată pentru o antenă fractală sub forma unei curbe Koch, a cărei rezistență internă este mai mică decât valorile standard. Astfel, în a treia iterație, rezistența internă a dipolului standard Koch (u = 60°), fără a lua în considerare pierderile la conectarea alimentatorului în centru, este de 28 ohmi. Prin mutarea alimentatorului la un capăt al antenei, se poate obține o rezistență de 50 ohmi.

Toate configurațiile liniei întrerupte Koch considerate până acum au fost sintetizate recursiv. Totuşi, potrivit Vinei, dacă încalci această regulă, în special prin specificarea unor unghiuri diferite şi? Cu fiecare nouă iterație, proprietățile antenei pot fi modificate cu o mai mare flexibilitate. Pentru a păstra asemănarea, este recomandabil să alegeți o schemă obișnuită pentru schimbarea unghiului și. De exemplu, schimbați-l conform legii liniare иn = иn-1 - Di·n, unde n este numărul iterației, Di? - creşterea unghiului de la baza triunghiului. O variantă a acestui principiu de construire a unei linii întrerupte este următoarea succesiune de unghiuri: u1 = 20° pentru prima iterație, u2 = 10° pentru a doua etc. Configurația vibratorului în acest caz nu va fi strict recursivă, totuși, toate segmentele sale sintetizate într-o singură iterație vor avea aceeași dimensiune și formă. Prin urmare, geometria unei astfel de linii întrerupte hibride este percepută ca auto-similară. Cu un număr mic de iterații, împreună cu un increment negativ Di, poate fi utilizată o modificare pătratică sau altă modificare neliniară a unghiului un.

Abordarea luată în considerare vă permite să setați distribuția frecvențelor de rezonanță ale antenei și valorile rezistenței sale interne. Cu toate acestea, rearanjarea ordinii de modificare a valorilor unghiului în iterații nu dă un rezultat echivalent. Pentru aceeași înălțime a unei linii întrerupte, diverse combinații de unghiuri identice, de exemplu u1 = 20°, u2 = 60° și u1 = 60°, u2 = 20° (Figura 16), dau aceeași lungime extinsă a prefractalilor. Dar, contrar așteptărilor, coincidența completă a parametrilor nu asigură identitatea frecvențelor de rezonanță și identitatea proprietăților multibandă ale antenelor. Motivul este o modificare a rezistenței interne a segmentelor liniei întrerupte, adică. Rolul cheie îl joacă configurația conductorului, nu dimensiunea acestuia.

Figura 16 - Prefractali Koch generalizati ai celei de-a doua iterații cu un increment negativ Dq (a), increment pozitiv Dq (b) și a treia iterație cu un increment negativ Dq = 40°, 30°, 20° (c)

4. Exemple de antene fractale

4.1 Prezentare generală a antenei

Subiectele antenei sunt una dintre cele mai promițătoare și de interes semnificativ în teoria modernă a transmiterii informațiilor. Această dorință de a dezvolta tocmai acest domeniu de dezvoltare științifică este asociată cu cerințele în continuă creștere pentru viteza și metodele de transfer de informații în lumea tehnologică modernă. În fiecare zi, comunicând între noi, transmitem informații într-un mod atât de natural pentru noi - prin aer. Exact în același mod, oamenii de știință au venit cu ideea de a învăța numeroase rețele de calculatoare să comunice.

Rezultatul a fost apariția unor noi dezvoltări în acest domeniu, aprobarea lor pe piața echipamentelor informatice, iar ulterior adoptarea standardelor. transmisie fără fir informație. Astăzi, tehnologiile de transmisie precum BlueTooth și WiFi sunt deja aprobate și general acceptate. Dar dezvoltarea nu se oprește aici și nu se poate opri; apar noi cerințe și noi dorințe ale pieței.

Vitezele de transmisie, atât de uimitor de rapide în momentul în care au fost dezvoltate tehnologiile, astăzi nu mai îndeplinesc cerințele și dorințele utilizatorilor acestor dezvoltări. Au început câteva centre de dezvoltare de top proiect nou WiMAX pentru a crește viteza, pe baza extinderii canalului în standardul WiFi deja existent. Ce loc are subiectul antenei în toate astea?

Problema extinderii canalului de transmisie poate fi parțial rezolvată prin introducerea unei compresii și mai mari decât cea existentă. Utilizarea antenelor fractale va rezolva mai bine și mai eficient această problemă. Motivul pentru aceasta este că antenele fractale și suprafețele și volumele selective de frecvență bazate pe acestea au caracteristici electrodinamice unice, și anume: bandă largă, repetabilitate a lățimilor de bandă în domeniul de frecvență etc.

4.1.1 Construcția arborelui Cayley

Arborele Cayley este unul dintre exemplele clasice de seturi fractale. Iterația sa zero este doar un segment de linie dreaptă de o lungime dată l. Prima și fiecare iterație impară ulterioară constă din două segmente de exact aceeași lungime l ca iterația anterioară, situate perpendicular pe segmentul iterației anterioare, astfel încât capetele acestuia să fie conectate la mijlocul segmentelor.

A doua și fiecare iterație par ulterioară a fractalului sunt două segmente l/2 jumătate din lungimea iterației anterioare, situate, ca și înainte, perpendicular pe iterația anterioară.

Rezultatele construcției arborelui Cayley sunt prezentate în Figura 17. Înălțimea totală a antenei este de 15/8l, iar lățimea este de 7/4l.

Figura 17 - Construcția arborelui Cayley

Calcule și analiza antenei „Cayley Tree” Au fost efectuate calcule teoretice ale unei antene fractale sub forma unui Cayley Tree de ordinul 6. Pentru a rezolva această problemă practică, a fost folosit un instrument destul de puternic pentru calculul riguros al proprietăților electrodinamice ale elementelor conductoare - programul EDEM. Instrumentele puternice și interfața prietenoasă a acestui program îl fac indispensabil pentru acest nivel de calcule.

Autorii s-au confruntat cu sarcina de a proiecta o antenă, de a estima valorile teoretice ale frecvențelor de rezonanță de recepție și transmisie a semnalului și de a prezenta problema în interfața limbajului programului EDEM. Antena fractală proiectată pe baza „Arborelui Cayley” este prezentată în Figura 18.

Apoi, o undă electromagnetică plană a fost trimisă către antena fractală proiectată, iar programul a calculat propagarea câmpului înainte și după antenă și a calculat caracteristicile electrodinamice ale antenei fractale.

Rezultatele calculelor antenei fractale „Cayley Tree” efectuate de autori ne-au permis să tragem următoarele concluzii. Se arată că o serie de frecvențe de rezonanță se repetă la aproximativ de două ori frecvența anterioară. Au fost determinate distribuțiile curentului pe suprafața antenei. Au fost studiate zone atât de transmisie totală, cât și de reflectare totală a câmpului electromagnetic.

Figura 18 - Arborele Cayley de ordinul al 6-lea

4 .1.2 Antenă multimedia

Miniaturizarea avansează de-a lungul planetei cu salturi și limite. Apariția computerelor de mărimea unui bob de fasole este chiar după colț, dar între timp, compania Fractus ne aduce în atenție o antenă ale cărei dimensiuni sunt mai mici decât un bob de orez (Figura 19).

Figura 19 - Antenă fractală

Noul produs, numit Micro Reach Xtend, funcționează la o frecvență de 2,4 GHz și acceptă tehnologii wireless Wi-Fi și Bluetooth, precum și alte standarde mai puțin populare. Dispozitivul se bazează pe tehnologii brevetate de antenă fractală, iar suprafața sa este de doar 3,7 x 2 mm. Potrivit dezvoltatorilor, antena minusculă va face posibilă reducerea dimensiunii produselor multimedia în care își va găsi utilizarea în viitorul apropiat sau înghesuirea mai multor capacități într-un singur dispozitiv.

Posturile de televiziune transmit semnale în intervalul 50-900 MHz, care sunt recepționate în mod fiabil la o distanță de mulți kilometri de antena de transmisie. Se știe că vibrațiile de frecvență mai înaltă trec prin clădiri și prin diverse obstacole mai rele decât cele de joasă frecvență, care pur și simplu se îndoaie în jurul lor. Prin urmare, tehnologia Wi-Fi folosită în sisteme convenționale comunicații fără firși funcționând la frecvențe de peste 2,4 GHz, asigură recepția semnalului doar la o distanță de cel mult 100 m. O astfel de nedreptate față de tehnologia Wi-Fi avansată se va încheia în curând, desigur, fără a dăuna consumatorilor TV. În viitor, dispozitivele create pe baza tehnologiei Wi-Fi vor funcționa la frecvențe între canalele TV care operează, crescând astfel gama de recepție fiabilă. Pentru a nu interfera cu funcționarea televiziunii, fiecare dintre sistemele Wi-Fi (emițător și receptor) va scana constant frecvențele din apropiere, prevenind coliziunile în aer. Când treceți la o gamă de frecvență mai largă, devine necesar să aveți o antenă care poate recepționa la fel de bine semnale atât de la frecvențe înalte, cât și de la înalte. frecvente joase. Antenele bici convenționale nu îndeplinesc aceste cerințe, deoarece Ei, în funcție de lungimea lor, acceptă selectiv frecvențe de o anumită lungime de undă. O antenă potrivită pentru recepția de semnale într-o gamă largă de frecvențe este așa-numita antenă fractală, care are forma unui fractal - o structură care arată la fel indiferent de mărirea cu care o vedem. O antenă fractală se comportă ca o structură constând din mai multe antene pin de lungimi diferite răsucite împreună.

4.1.3 Antenă „ruptă”.

Inginerul american Nathan Cohen în urmă cu aproximativ zece ani a decis să monteze acasă un post de radio amator, dar a întâmpinat o dificultate neașteptată. Apartamentul său era situat în centrul orașului Boston, iar autoritățile orașului au interzis cu strictețe amplasarea unei antene în afara clădirii. S-a găsit pe neașteptat o soluție, răsturnând întreaga viață ulterioară a radioamatorului.

În loc să facă o antenă în formă tradițională, Cohen a luat o bucată de folie de aluminiu și a tăiat-o în forma unui obiect matematic cunoscut sub numele de curbă Koch. Această curbă, descoperită în 1904 de matematicianul german Helga von Koch, este un fractal, o linie întreruptă care arată ca o serie de triunghiuri în scădere infinită care cresc unul din celălalt ca acoperișul unei pagode chineze cu mai multe etape. La fel ca toți fractalii, această curbă este „auto-similară”, adică pe orice segment cel mai mic are același aspect, repetându-se. Astfel de curbe sunt construite prin repetarea la nesfârșit a unei operații simple. Linia este împărțită în segmente egale, iar pe fiecare segment se face o îndoire sub formă de triunghi (metoda von Koch) sau pătrat (metoda Herman Minkowski). Apoi, pe toate laturile figurii rezultate, pătrate sau triunghiuri similare, dar de dimensiuni mai mici, sunt la rândul lor îndoite. Continuând construcția la infinit, puteți obține o curbă care este „ruptă” în fiecare punct (Figura 20).

Figura 20 - Construcția curbei Koch și Minkowski

Construcția curbei Koch - unul dintre primele obiecte fractale. Pe o dreaptă infinită se disting segmente de lungime l. Fiecare segment este împărțit în trei părți egale, iar pe cel din mijloc este construit un triunghi echilateral cu latura l/3. Apoi procesul se repetă: pe segmentele l/3 se construiesc triunghiuri cu laturile l/9, pe ele se construiesc triunghiuri cu laturile l/27 și așa mai departe. Această curbă are auto-similaritate sau invarianță la scară: fiecare dintre elementele sale într-o formă redusă repetă curba în sine.

Fractalul Minkowski este construit în mod similar cu curba Koch și are aceleași proprietăți. Când se construiește, în loc de un sistem de triunghiuri, meandrele sunt construite pe o linie dreaptă - „valuri dreptunghiulare” de dimensiuni infinit descrescătoare.

Când a construit curba Koch, Cohen s-a limitat la doar doi sau trei pași. Apoi a lipit figura pe o bucată mică de hârtie, a atașat-o la receptor și a fost surprins să constate că nu funcționa mai rău decât antenele convenționale. După cum sa dovedit mai târziu, invenția sa a devenit fondatorul unui tip fundamental nou de antene, acum produse în serie.

Aceste antene sunt foarte compacte: antena fractală pentru un telefon mobil încorporată în carcasă are dimensiunea unui slide obișnuit (24 x 36 mm). În plus, funcționează pe o gamă largă de frecvențe. Toate acestea au fost descoperite experimental; Teoria antenelor fractale nu există încă.

Parametrii unei antene fractale realizate printr-o serie de pași succesivi folosind algoritmul Minkowski se modifică într-un mod foarte interesant. Dacă o antenă dreaptă este îndoită sub forma unei „unde pătrate” - un meandru, câștigul acesteia va crește. Toate meandrele ulterioare ale câștigului antenei nu se modifică, dar gama de frecvențe pe care le primește se extinde, iar antena în sine devine mult mai compactă. Adevărat, doar primii cinci sau șase pași sunt eficienți: pentru a îndoi mai departe conductorul, va trebui să-i reduceți diametrul, iar acest lucru va crește rezistența antenei și va duce la pierderea câștigului.

În timp ce unii își bat mințile din cauza problemelor teoretice, alții implementează activ invenția în practică. Potrivit lui Nathan Cohen, acum profesor la Universitatea din Boston și inspector tehnic șef al Fractal Antenna Systems, „în câțiva ani, antenele fractale vor deveni o parte integrantă a telefoanelor celulare și radio și a multor alte dispozitive de comunicații fără fir”.

fractal matrice de antene

4.2 Aplicarea antenelor fractale

Printre numeroasele modele de antene folosite astăzi în comunicații, tipul de antenă menționat în titlul articolului este relativ nou și fundamental diferit de soluțiile cunoscute. Primele publicații care examinează electrodinamica structurilor fractale au apărut în anii 80 ai secolului XX. Este începutul uz practic Direcția fractală în tehnologia antenelor a fost începută cu mai bine de 10 ani în urmă de inginerul american Nathan Cohen, acum profesor la Universitatea Boaon și inspectorul tehnic șef al companiei Fractal Antenna Systems. Trăind în centrul orașului Boston, pentru a ocoli interdicția guvernului orașului de a instala antene exterioare, a decis să mascheze antena unui post de radio amator într-o figură decorativă din folie de aluminiu. Ca bază, a luat curba Koch cunoscută în geometrie (Figura 20), a cărei descriere a fost propusă în 1904 de matematicianul suedez Niels Fabian Helge von Koch (1870-1924).

Documente similare

Conceptul și principiul de funcționare al antenelor de transmisie și modelele de radiație ale acestora. Calculul dimensiunilor și frecvențelor de rezonanță pentru antenele fractale. Proiectarea unei antene microstrip tipărite bazată pe fractalul Koch și 10 prototipuri de antene de tip fir.

teză, adăugată 02.02.2015


Dezvoltarea de antene fractale. Metode de construcție și principii de funcționare a unei antene fractale. Construcția curbei Peano. Formarea unei antene fractale dreptunghiulare sparte. Matrice de antene cu bandă duală. Suprafețe selective de frecvență fractale.

teză, adăugată 26.06.2015


Schema bloc a modulului de recepție al antenelor cu matrice de fază active. Calculul reducerii relative a excitației la marginea antenei. Potențialul energetic al antenelor cu matrice fază de recepție. Precizia alinierii fasciculului. Selectarea și calculul emițătorului.

lucrare curs, adăugată 11.08.2014


Introducere în activitățile Antenna-Service LLC: instalarea și punerea în funcțiune a sistemelor de antene terestre și de satelit, proiectarea rețelelor de telecomunicații. caracteristici generale proprietățile de bază și domeniile de aplicare ale antenelor de satelit.

teză, adăugată 18.05.2014


Tipuri și clasificare a antenelor pentru sisteme de comunicații celulare. Specificații antene KP9-900. Principala pierdere a eficienței antenei este în poziția de funcționare a dispozitivului. Metode de calcul a antenelor pentru sisteme de comunicații celulare. Caracteristicile modelatorului de antene MMANA.

lucrare curs, adaugat 17.10.2014


Tipuri de dispozitive cu microunde în circuitele de distribuție ale rețelelor de antene. Proiectarea dispozitivelor cu microunde pe baza metodei de descompunere. Lucrul cu programul „Model-S” pentru tipuri automate și parametrice de sinteză a dispozitivelor cu microunde cu mai multe elemente.

test, adaugat 15.10.2011


Sarcinile principale ale teoriei antenei și caracteristicile acestui dispozitiv. Ecuațiile lui Maxwell. Câmp dipol electric în spațiu nelimitat. Trăsături distinctive vibrator și antene cu deschidere. Metode de control al amplitudinii grilajelor.

tutorial, adăugat 27.04.2013


Matrice liniară cu o antenă elicoidală cilindrică ca radiator. Utilizarea rețelelor de antene pentru a asigura funcționarea antenei de înaltă calitate. Proiectarea unei rețele de antene cu scanare verticală. Calculul unui singur emițător.

lucrare de curs, adăugată 28.11.2010


Metode de creație antene eficiente. Matrice liniară de antene. Antenă optimă cu val de călătorie. Coeficient de direcție. Rețele de antene plate. Impedanța de intrare a elementului radiant. Caracteristici și aplicare a grătarelor neechidistante.

lucrare curs, adaugat 14.08.2015


Utilizarea antenelor atât pentru radiație, cât și pentru recepția undelor electromagnetice. Există o mare varietate de antene diferite. Proiectarea unei rețele liniare de antene dielectrice cu tijă, care este asamblată din antene dielectrice cu tijă.