Fraktálna kresba TV antény. DIY fraktálne antény. HF a VHF antény
Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár
Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí pri štúdiu a práci využívajú vedomostnú základňu, vám budú veľmi vďační.
Uverejnené na http://www.allbest.ru/
Úvod
Anténa je rádiové zariadenie určené na vysielanie alebo príjem elektromagnetické vlny. Anténa je jedným z najdôležitejších prvkov akéhokoľvek rádiotechnického systému spojeného s vysielaním alebo príjmom rádiových vĺn. Medzi takéto systémy patria: rádiové komunikačné systémy, rádiové vysielanie, televízia, rádiové ovládanie, rádioreléová komunikácia, radar, rádioastronómia, rádiová navigácia atď.
Konštrukčne sa anténa skladá z drôtov, kovových povrchov, dielektrík a magnetodielektrík. Účel antény ilustruje zjednodušená schéma rádiového spojenia. Vysokofrekvenčné elektromagnetické kmity, modulované užitočným signálom a vytvárané generátorom, sú premieňané vysielacou anténou na elektromagnetické vlny a vyžarované do priestoru. Elektromagnetické vlny sa zvyčajne nedodávajú z vysielača do antény priamo, ale pomocou elektrického vedenia (vedenie na prenos elektromagnetických vĺn, napájač).
V tomto prípade sa pozdĺž napájača šíria s ním spojené elektromagnetické vlny, ktoré sú anténou premieňané na rozbiehavé elektromagnetické vlny voľného priestoru.
Prijímacia anténa zachytáva voľné rádiové vlny a premieňa ich na spojené vlny, ktoré sú privádzané cez napájač do prijímača. V súlade s princípom reverzibility antény sa vlastnosti antény pracujúcej vo vysielacom režime nemenia, keď táto anténa pracuje v režime príjmu.
Na budenie sa používajú aj zariadenia podobné anténam elektromagnetické vibrácie V rôzne druhy vlnovody a objemové rezonátory.
1. Hlavné charakteristiky antén
1.1 Stručné informácie o hlavných parametroch antén
Pri výbere antén sa porovnávajú ich hlavné charakteristiky: prevádzkový frekvenčný rozsah (šírka pásma), zisk, vyžarovací diagram, vstupná impedancia, polarizácia. Kvantitatívne zisk antény Ga ukazuje, koľkokrát je výkon signálu prijímaný danou anténou viac energie signál prijímaný najjednoduchšou anténou - polvlnovým vibrátorom (izotropným žiaričom) umiestneným v rovnakom bode v priestore. Zisk je vyjadrený v decibeloch dB alebo dB. Je potrebné rozlišovať medzi ziskom definovaným vyššie, označeným dB alebo dBd (vo vzťahu k dipólovému alebo polvlnovému vibrátoru) a ziskom vzhľadom na izotropný žiarič, označeným dBi alebo dB ISO. V každom prípade je potrebné porovnávať podobné hodnoty. Je žiaduce mať anténu s vysokým ziskom, ale zvýšenie zisku zvyčajne vyžaduje zvýšenie zložitosti jej konštrukcie a rozmerov. Neexistujú jednoduché malé antény s vysokým ziskom. Vyžarovací diagram (RP) antény ukazuje, ako anténa prijíma signály rôznymi smermi. V tomto prípade je potrebné zvážiť vzor antény v horizontálnej aj vertikálnej rovine. Všesmerové antény v akejkoľvek rovine majú vzor v tvare kruhu, to znamená, že anténa môže prijímať signály zo všetkých strán rovnako, napríklad vyžarovací diagram zvislej tyče v horizontálnej rovine. Smerová anténa je charakterizovaná prítomnosťou jedného alebo niekoľkých vzorových lalokov, z ktorých najväčší sa nazýva hlavný. Zvyčajne sú to okrem hlavného laloku aj zadné a bočné laloky, ktorých úroveň je výrazne nižšia ako u hlavného laloku, čo však zhoršuje výkon antény, preto sa snažia ich úroveň čo najviac znížiť. .
Vstupná impedancia antény sa považuje za pomer okamžitých hodnôt napätia k prúdu signálu v napájacích bodoch antény. Ak je napätie a prúd signálu vo fáze, potom je pomer skutočnou hodnotou a vstupný odpor je čisto aktívny. Pri posune fáz sa okrem aktívnej zložky objavuje aj zložka jalová - indukčná alebo kapacitná, podľa toho, či fáza prúdu zaostáva za napätím alebo ho posúva dopredu. Vstupná impedancia závisí od frekvencie prijímaného signálu. Okrem uvedených hlavných charakteristík majú antény množstvo ďalších dôležitých parametrov, ako je SWR (Standing Wave Ratio), úroveň krížovej polarizácie, rozsah prevádzkových teplôt, zaťaženie vetrom atď.
1.2 Klasifikácia antén
Antény je možné klasifikovať podľa rôznych kritérií: podľa širokopásmového princípu, podľa povahy vyžarujúcich prvkov (antény s lineárnymi prúdmi, resp. vibračné antény, antény vyžarujúce cez apertúru - apertúrne antény, povrchové antény); podľa typu rádiotechnického systému, v ktorom sa anténa používa (antény pre rádiokomunikáciu, pre rozhlasové vysielanie, televíziu atď.). Budeme dodržiavať klasifikáciu sortimentu. Hoci sa antény s rovnakými (typovými) vyžarovacími prvkami veľmi často používajú v rôznych vlnových rozsahoch, ich konštrukcia je odlišná; Výrazne sa líšia aj parametre týchto antén a požiadavky na ne.
Do úvahy sa berú antény s nasledujúcimi vlnovými rozsahmi (názvy rozsahov sú uvedené v súlade s odporúčaniami „Radio Regulations“; názvy, ktoré sú široko používané v literatúre o zariadeniach s anténnym napájačom, sú uvedené v zátvorkách): myriameter (ultra -dlhé) vlny (); kilometrové (dlhé) vlny (); hektometrové (priemerné) vlny (); dekametrové (krátke) vlny (); meterwaves(); decimetrové vlny (); centimeterwaves(); milimetrové vlny (). Posledné štyri pásma sú niekedy kombinované pod spoločným názvom „ultra-short waves“ (VHF).
1.2.1 Anténne pásma
V posledných rokoch sa na trhu rádiovej komunikácie a vysielania objavilo veľké množstvo nových komunikačných systémov na rôzne účely s rôznymi charakteristikami. Z pohľadu používateľov sa pri výbere rádiokomunikačného systému alebo vysielacieho systému v prvom rade dbá na kvalitu komunikácie (vysielania), ako aj na jednoduchosť používania tohto systému (používateľský terminál), ktorá je daná rozmery, hmotnosť, jednoduchosť obsluhy a zoznam doplnkových funkcií. Všetky tieto parametre sú výrazne determinované typom a prevedením anténnych zariadení a prvkov anténno-napájacej cesty uvažovaného systému, bez ktorých je rádiová komunikácia nemysliteľná. Rozhodujúcim faktorom pri konštrukcii a účinnosti antén je ich prevádzkový frekvenčný rozsah.
V súlade s akceptovanou klasifikáciou frekvenčných rozsahov sa rozlišuje niekoľko veľkých tried (skupín) antén, ktoré sa navzájom zásadne líšia: antény rozsahov ultradlhých vĺn (VLF) a dlhých vĺn (LW); stredovlnné (MF) antény; krátkovlnné (HF) antény; antény s ultrakrátkymi vlnami (VHF); mikrovlnné antény.
Najpopulárnejšie v posledných rokoch z hľadiska poskytovania osobných komunikačných služieb, rozhlasového a televízneho vysielania sú HF, VHF a mikrovlnné rádiové systémy, ktorých anténne zariadenia budú uvedené nižšie. Je potrebné poznamenať, že napriek zdanlivej nemožnosti vynájsť niečo nové v anténnom biznise sa v posledných rokoch na základe nových technológií a princípov výrazne zlepšili klasické antény a vyvinuli sa nové antény, ktoré sa zásadne líšia od doterajších existujúce v dizajne, veľkosti, základných charakteristikách atď. atď., čo viedlo k výraznému zvýšeniu počtu typov anténnych zariadení používaných v moderných rádiových systémoch.
V akomkoľvek rádiovom komunikačnom systéme môžu byť anténne zariadenia určené len na vysielanie, na vysielanie a príjem alebo len na príjem.
Pre každý z frekvenčných rozsahov je tiež potrebné rozlišovať medzi anténnymi systémami rádiových zariadení so smerovým a nesmerovým (všesmerovým) pôsobením, ktoré je zase určené účelom zariadenia (komunikácia, vysielanie atď.) úlohy riešené zariadením (notifikácia, komunikácia, vysielanie atď.). d.). Vo všeobecnosti možno na zvýšenie smerovosti antén (na zúženie vyžarovacieho diagramu) použiť anténne polia pozostávajúce z elementárnych žiaričov (antén), ktoré za určitých podmienok ich fázovania dokážu zabezpečiť potrebné zmeny smeru vyžarovania. lúč antény v priestore (poskytujú kontrolu polohy vyžarovacieho diagramu antény). V rámci každého rozsahu je tiež možné rozlíšiť anténne zariadenia, ktoré pracujú len na určitej frekvencii (jednofrekvenčné alebo úzkopásmové) a antény, ktoré pracujú v pomerne širokom rozsahu frekvencií (širokopásmové alebo širokopásmové).
1.3 Žiarenie z anténnych polí
Na získanie vysokej smerovosti žiarenia, často požadovanej v praxi, môžete použiť sústavu slabo smerových antén, ako sú vibrátory, štrbiny, otvorené konce vlnovodov a iné, umiestnené určitým spôsobom v priestore a vybudené prúdmi s požadovaným pomer amplitúdy a fázy. V tomto prípade je celková smerovosť, najmä pri veľkom počte žiaričov, daná najmä celkovými rozmermi celého systému a v oveľa menšej miere individuálnymi smerovými vlastnosťami jednotlivých žiaričov.
Takéto systémy zahŕňajú anténne polia (AR). Typicky je AR systém identických vyžarujúcich prvkov, identicky orientovaných v priestore a umiestnených podľa určitého zákona. V závislosti od usporiadania prvkov sa rozlišujú lineárne, povrchové a objemové mriežky, medzi ktorými sú najbežnejšie priamočiare a ploché AR. Niekedy sú vyžarujúce prvky umiestnené pozdĺž kruhového oblúka alebo na zakrivených plochách, ktoré sa zhodujú s tvarom objektu, na ktorom sa nachádza AR (konformný AR).
Najjednoduchšie je lineárne pole, v ktorom sú vyžarujúce prvky umiestnené pozdĺž priamky, nazývanej os poľa, v rovnakých vzdialenostiach od seba (ekvidistantné pole). Vzdialenosť d medzi fázovými stredmi žiaričov sa nazýva rozstup mriežky. Lineárna AR, okrem jej nezávislého významu, je často základom pre analýzu iných typov AR.
2 . Analýza perspektívnych anténnych štruktúr
2.1 HF a VHF antény
Obrázok 1 - Anténa základňovej stanice
V pásme HF a VHF v súčasnosti funguje veľké množstvo rádiových systémov na rôzne účely: komunikácie (rádiové relé, mobilné, diaľkové, satelitné atď.), rozhlasové vysielanie, televízne vysielanie. Podľa konštrukcie a charakteristík možno všetky anténne zariadenia týchto systémov rozdeliť do dvoch hlavných skupín - antény stacionárnych zariadení a antény mobilných zariadení. Stacionárne antény zahŕňajú antény základných komunikačných staníc, prijímacie televízne antény, antény rádioreléových komunikačných liniek a mobilné antény zahŕňajú antény osobných komunikačných užívateľských terminálov, automobilové antény, antény pre nositeľné (prenosné) rádiové stanice.
Antény základňových staníc sú väčšinou všesmerové v horizontálnej rovine, keďže zabezpečujú komunikáciu najmä s pohyblivými objektmi. Najpoužívanejšie vertikálne polarizačné bičové antény sú typu „Ground Plane“ („GP“) kvôli jednoduchosti ich konštrukcie a dostatočnej účinnosti. Takáto anténa je vertikálna tyč dĺžky L, zvolená v súlade s prevádzkovou vlnovou dĺžkou l, s tromi alebo viacerými protizávažiami, zvyčajne inštalovaná na stožiari (obrázok 1).
Dĺžka kolíkov L je l/4, l/2 a 5/8l a protizávažia sa pohybujú od 0,25l do 0,1l. Vstupná impedancia antény závisí od uhla medzi protizávažím a stožiarom: čím menší je tento uhol (čím viac sú protizávažia pritlačené k stožiaru), tým väčší je odpor. Najmä pre anténu s L = l/4 sa dosiahne vstupná impedancia 50 Ohmov pri uhle 30°...45°. Vyžarovací diagram takejto antény vo vertikálnej rovine má maximum pod uhlom 30° k horizontu. Zisk antény sa rovná zisku vertikálneho polvlnného dipólu. V tomto prevedení však neexistuje spojenie medzi čapom a stožiarom, čo si vyžaduje dodatočné využitie skratovaný kábel s dĺžkou kábla l/4 na ochranu antény pred búrkami a statickou elektrinou.
Anténa s dĺžkou L = l/2 nepotrebuje protizávažia, ktorých úlohu zohráva stožiar a jej vzor vo vertikálnej rovine je viac pritlačený k horizontu, čím sa zväčší jej dosah. V tomto prípade sa na zníženie vstupnej impedancie používa vysokofrekvenčný transformátor a základňa kolíka je pripojená k uzemnenému stožiaru cez zodpovedajúci transformátor, ktorý automaticky rieši problém ochrany pred bleskom a statickej elektriny. Zisk antény v porovnaní s polvlnným dipólom je asi 4 dB.
Najúčinnejšia z „GP“ antén pre komunikáciu na veľké vzdialenosti je anténa s L = 5/8l. Je o niečo dlhšia ako polvlnová anténa a napájací kábel je pripojený k zodpovedajúcej indukčnosti umiestnenej na základni vibrátora. Protizávažia (najmenej 3) sú umiestnené v horizontálnej rovine. Zisk takejto antény je 5-6 dB, maximálny DP je umiestnený pod uhlom 15° k horizontále a samotný kolík je uzemnený k stožiaru cez zodpovedajúcu cievku. Tieto antény sú užšie ako polvlnové antény, a preto vyžadujú starostlivejšie ladenie.
Obrázok 2 - Polvlnná vibračná anténa
Obrázok 3 - Kosoštvorcová anténa polvlnového vibrátora
Väčšina základných antén je inštalovaná na strechách, čo môže výrazne ovplyvniť ich výkon, takže je potrebné zvážiť nasledujúce:
Základňu antény je vhodné umiestniť nie nižšie ako 3 metre od roviny strechy;
V blízkosti antény by nemali byť žiadne kovové predmety alebo konštrukcie (televízne antény, drôty atď.);
Odporúča sa inštalovať antény čo najvyššie;
Prevádzka antény by nemala rušiť iné základňové stanice.
Významnú úlohu pri vytváraní stabilnej rádiovej komunikácie zohráva polarizácia prijímaného (emitovaného) signálu; keďže s šírením na veľké vzdialenosti povrchová vlna dochádza k výrazne menšiemu útlmu pri horizontálnej polarizácii, potom sa pre diaľkovú rádiovú komunikáciu, ako aj pre televízny prenos používajú antény s horizontálnou polarizáciou (vibrátory sú umiestnené horizontálne).
Najjednoduchšia zo smerových antén je polvlnový vibrátor. Pre symetrický polvlnový vibrátor je celková dĺžka jeho dvoch rovnakých ramien približne rovná l/2 (0,95 l/2), vyžarovací diagram má v horizontálnej rovine tvar osmičky a vo zvislej kružnici. lietadlo. Zisk, ako je uvedené vyššie, sa berie ako jednotka merania.
Ak je uhol medzi vibrátormi takejto antény rovný 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.
Keď sú dve antény typu V spojené takým spôsobom, že ich vzory sú sčítané, získa sa kosoštvorcová anténa, v ktorej je smerovosť oveľa výraznejšia (obrázok 3).
Pri pripojení k hornej časti diamantu oproti napájacím bodom sa dosiahne záťažový odpor Rn, rozptylový výkon rovnajúci sa polovici výkonu vysielača, potlačenie zadného laloku vzoru o 15...20 dB. Smer hlavného laloka v horizontálnej rovine sa zhoduje s uhlopriečkou a. Vo vertikálnej rovine je hlavný lalok orientovaný horizontálne.
Jednou z najlepších relatívne jednoduchých smerových antén je slučková anténa „double square“, ktorej zisk je 8...9 dB, potlačenie zadného laloku vzoru nie je menšie ako 20 dB, polarizácia je vertikálna.
Obrázok 4 - Anténa s vlnovým kanálom
Najrozšírenejšie, najmä v oblasti VHF, sú antény typu „vlnový kanál“ (v zahraničnej literatúre - antény Uda-Yagi), pretože sú pomerne kompaktné a poskytujú veľké hodnoty Ga s relatívne malými rozmermi. Antény tohto typu sú súborom prvkov: aktívny - vibrátor a pasívny - reflektor a niekoľko riaditeľov inštalovaných na jednom spoločnom ramene (obrázok 4). Takéto antény, najmä tie s veľkým počtom prvkov, vyžadujú starostlivé ladenie pri výrobe. Pre trojprvkovú anténu (vibrátor, reflektor a jeden direktor) možno základné charakteristiky dosiahnuť bez dodatočnej konfigurácie.
Zložitosť antén tohto typu spočíva aj v tom, že vstupná impedancia antény závisí od počtu pasívnych prvkov a výrazne závisí od konfigurácie antény, preto literatúra často neuvádza presnú hodnotu vstupná impedancia takýchto antén. Najmä pri použití slučkového vibrátora Pistolkors, ktorý má vstupnú impedanciu asi 300 ohmov, ako vibrátora, s nárastom počtu pasívnych prvkov vstupná impedancia antény klesá a dosahuje hodnoty 30-50 Ohmy, čo vedie k nesúladu s podávačom a vyžaduje dodatočné prispôsobenie. S nárastom počtu pasívnych prvkov sa vzor antény zužuje a zisk sa zvyšuje, napríklad u trojprvkovej a päťprvkovej antény sú zisky 5...6 dB a 8...9 dB s šírka hlavného lúča vzoru 70º a 50º.
Väčšie širokopásmové pripojenie v porovnaní s anténami typu „vlnový kanál“ a nevyžadujúce ladenie sú antény s pohyblivou vlnou (AWA), v ktorých sú všetky vibrátory umiestnené v rovnakej vzdialenosti od seba navzájom aktívne a pripojené k zbernému vedeniu (obrázok 5). Energia signálu, ktorú prijímajú, sa sčítava v zbernom potrubí takmer vo fáze a vstupuje do podávača. Zisk takýchto antén je určený dĺžkou zberného vedenia, je úmerný pomeru tejto dĺžky k vlnovej dĺžke prijímaného signálu a závisí od smerových vlastností vibrátorov. Najmä pre ABC so šiestimi vibrátormi rôznych dĺžok zodpovedajúcimi požadovanému frekvenčnému rozsahu a umiestnenými pod uhlom 60° k zbernému vedeniu sa zisk pohybuje od 4 dB do 9 dB v rámci prevádzkového rozsahu a úroveň spätného žiarenia je o 14 dB nižšia.
Obrázok 5 - Anténa s pohyblivou vlnou
Obrázok 6 - Anténa so štruktúrou logaritmickej periodicity alebo logaritmickou periodickou anténou
Smerové vlastnosti uvažovaných antén sa líšia v závislosti od vlnovej dĺžky prijímaného signálu. Jedným z najbežnejších typov antén s konštantným tvarom obrazca v širokom frekvenčnom rozsahu sú antény s logaritmickou periodicitou štruktúry alebo logaritmicky periodické antény (LPA). Majú široký rozsah: maximálna vlnová dĺžka prijímaného signálu presahuje minimum viac ako 10-krát. Zároveň je zabezpečené dobré zladenie antény s napájačom v celom prevádzkovom rozsahu a zisk zostáva prakticky nezmenený. Zberné vedenie LPA je zvyčajne tvorené dvoma nad sebou umiestnenými vodičmi, ku ktorým sú vodorovne pripevnené ramená vibrátorov, jeden po druhom (obrázok 6, pohľad zhora).
Ukázalo sa, že vibrátory LPA sú vpísané do rovnoramenného trojuholníka s uhlom vo vrchole b a základňou rovnajúcou sa najväčšiemu vibrátoru. Prevádzková šírka pásma antény je určená rozmermi najdlhších a najkratších vibrátorov. Pre logaritmickú štruktúru antény musí byť splnený určitý vzťah medzi dĺžkami susedných vibrátorov, ako aj medzi vzdialenosťami od nich k hornej časti konštrukcie. Tento vzťah sa nazýva obdobie štruktúry f:
B2? B1=B3? B2 = A2? A1=A3? A2=...=f
Veľkosť vibrátorov a vzdialenosť k nim od vrcholu trojuholníka sa teda exponenciálne zmenšujú. Charakteristiky antény sú určené hodnotami f a b. Čím menší je uhol b a čím väčšie b (b je vždy menšie ako 1), tým väčší je zisk antény a tým nižšia je úroveň zadného a bočného laloka vyžarovacieho diagramu. Zároveň sa však zvyšuje počet vibrátorov a zvyšujú sa rozmery a hmotnosť antény. Optimálne hodnoty pre uhol b sú zvolené v rozmedzí 3є…60є a φ - 0,7…0,9.
V závislosti od vlnovej dĺžky prijímaného signálu je v štruktúre antény vybudených niekoľko vibrátorov, ktorých rozmery sa najviac približujú polovici vlnovej dĺžky signálu, preto je LPA v princípe podobná viacerým „vlnovým kanálovým“ anténam spojeným dohromady, každá ktorý obsahuje vibrátor, reflektor a direkt . Pri určitej vlnovej dĺžke signálu je vybudená iba jedna trojica vibrátorov a ostatné sú tak rozladené, že neovplyvňujú činnosť antény. Preto sa zisk LPA ukáže byť menší ako zisk „vlnovej kanálovej“ antény s rovnakým počtom prvkov, ale šírka pásma LPA sa ukáže byť oveľa širšia. Pre LPA pozostávajúcu z desiatich vibrátorov a hodnôt b = 45є, f = 0,84 je vypočítaný zisk 6 dB, čo sa prakticky nemení v celom rozsahu prevádzkových frekvencií.
Pre rádioreléové komunikačné linky je veľmi dôležité mať úzky vyžarovací diagram, aby nedochádzalo k rušeniu iných rádioelektronických zariadení a bola zabezpečená kvalitná komunikácia. Na zúženie vzoru sa široko používajú anténne polia (AR), ktoré zužujú vzor v rôznych rovinách a poskytujú rôzne hodnoty šírky hlavného laloka. Je celkom jasné, že geometrické rozmery anténneho poľa a charakteristiky vyžarovacieho diagramu výrazne závisia od rozsahu prevádzkových frekvencií - čím vyššia frekvencia, tým kompaktnejšie pole bude a tým užší vyžarovací diagram, a teda , tým väčší zisk. Pre rovnaké frekvencie sa so zvyšujúcou sa veľkosťou AR (počet elementárnych žiaričov) vzor zužuje.
Pre pásmo VHF sa často používajú polia pozostávajúce z vibračných antén (slučkových vibrátorov), ktorých počet môže dosiahnuť niekoľko desiatok, zisk sa zvyšuje na 15 dB a viac a šírka vzoru v ktorejkoľvek z rovín sa môže zúžiť. do 10º, napríklad pre 16 vertikálne umiestnených slučkových vibrátorov vo frekvenčnom rozsahu 395...535 MHz sa vzor zužuje vo vertikálnej rovine na 10º.
Hlavným typom antén používaných v užívateľských termináloch sú vertikálne polarizované bičové antény, ktoré majú kruhový vzor v horizontálnej rovine. Účinnosť týchto antén je pomerne nízka v dôsledku nízkych hodnôt zisku, ako aj v dôsledku vplyvu okolitých objektov na vyžarovací diagram, ako aj nedostatku správneho uzemnenia a obmedzení geometrických rozmerov antén. Ten vyžaduje kvalitné prispôsobenie antény vstupným obvodom rádiového zariadenia. Typickými možnosťami prispôsobenia dizajnu sú indukčnosť rozložená pozdĺž dĺžky a indukčnosť v spodnej časti antény. Na zvýšenie dosahu rádiovej komunikácie sa používajú špeciálne predĺžené antény dlhé niekoľko metrov, čím sa dosahuje výrazné zvýšenie úrovne prijímaného signálu.
V súčasnosti existuje veľa typov automobilových antén, ktoré sa líšia vzhľadom, dizajnom a cenou. Tieto antény podliehajú prísnym požiadavkám na mechanické, elektrické, prevádzkové a estetické parametre. Najlepšie výsledky z hľadiska komunikačného dosahu dosahuje anténa plnej veľkosti s dĺžkou l/4, avšak veľké geometrické rozmery nie sú vždy vyhovujúce, preto sa používajú rôzne spôsoby skracovania antén bez výrazného zhoršenia ich vlastností. Poskytnúť celulárna komunikácia V automobiloch je možné použiť mikropáskové rezonančné antény (jednopásmové, dvojpásmové a trojpásmové), ktoré nevyžadujú inštaláciu vonkajších dielov, pretože sú pripevnené k vnútornej strane skla auta. Takéto antény zabezpečujú príjem a vysielanie vertikálne polarizovaných signálov vo frekvenčnom rozsahu 450...1900 MHz a majú zisk až 2 dB.
2.1.1 Všeobecné charakteristiky mikrovlnných antén
V oblasti mikrovlnných rúr sa v posledných rokoch zvýšil aj počet komunikačných a vysielacích systémov, či už predtým existujúcich alebo novo vyvinutých. Pre pozemné systémy - to sú rádiové reléové komunikačné systémy, rozhlasové a televízne vysielanie, systémy bunkovej televízie atď., Pre satelitné systémy - priame televízne vysielanie, telefón, fax, pagingová komunikácia, videokonferencie, prístup na internet atď. Frekvenčné rozsahy používané pre tieto typy komunikácií a vysielania zodpovedajú úsekom frekvenčného spektra prideleným na tieto účely, pričom hlavné sú: 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. Niekedy v technickej literatúre mikrovlnný rozsah zahŕňa systémy pracujúce pri frekvenciách nad 1 GHz, hoci tento rozsah striktne začína od 3 GHz.
Pre pozemné mikrovlnné systémy sú anténne zariadenia malorozmerné zrkadlové, klaksónové, rohovinové-šošovkové antény, inštalované na stožiaroch a chránené pred škodlivými atmosférickými vplyvmi. Smerové antény, v závislosti od ich účelu, dizajnu a frekvenčného rozsahu, majú širokú škálu charakteristík, a to: v zisku - od 12 do 50 dB, v šírke lúča (úroveň - 3 dB) - od 3,5 do 120 °. Okrem toho bunkové televízne systémy používajú bikónické všesmerové (v horizontálnej rovine) antény, ktoré pozostávajú z dvoch kovových kužeľov, ktorých vrcholy smerujú k sebe, dielektrickej šošovky inštalovanej medzi kužeľmi a budiaceho zariadenia. Takéto antény majú zisk 7...10 dB, šírka hlavného laloku vo vertikálnej rovine je 8...15є a úroveň bočných lalokov nie je horšia ako mínus 14 dB.
3. Analýza možných metód syntézy anténnych fraktálnych štruktúr
3.1 Fraktálne antény
Fraktálne antény sú relatívne novou triedou elektricky malých antén (EMA), ktoré sa svojou geometriou zásadne líšia od známych riešení. Tradičný vývoj antén bol v skutočnosti založený na euklidovskej geometrii, pracujúcej s objektmi celočíselnej dimenzie (čiara, kružnica, elipsa, paraboloid atď.). Hlavným rozdielom medzi fraktálnymi geometrickými formami je ich zlomková dimenzia, ktorá sa navonok prejavuje rekurzívnym opakovaním pôvodných deterministických alebo náhodných vzorov na rastúcej alebo klesajúcej škále. Fraktálne technológie sa rozšírili vo vývoji nástrojov na filtrovanie signálov, syntéze trojrozmerných počítačových modelov prírodnej krajiny a kompresie obrazu. Je celkom prirodzené, že fraktálna „móda“ neobišla ani teóriu antén. Navyše prototypom moderných fraktálových technológií v anténnej technike boli logaritmicky periodické a špirálové návrhy navrhnuté v polovici 60. rokov minulého storočia. Je pravda, že v prísnom matematickom zmysle nemali takéto štruktúry v čase vývoja žiadny vzťah k fraktálnej geometrii, v skutočnosti boli iba fraktálmi prvého druhu. V súčasnosti sa výskumníci, hlavne prostredníctvom pokusov a omylov, snažia využiť známe fraktály v geometrii v anténových riešeniach. Výsledkom simulačného modelovania a experimentov sa zistilo, že fraktálne antény umožňujú získať takmer rovnaký zisk ako konvenčné, ale s menšími rozmermi, čo je dôležité pre mobilné aplikácie. Uvažujme o výsledkoch získaných v oblasti vytvárania fraktálnych antén rôznych typov.
Výsledky štúdií charakteristík nového dizajnu antény publikované Cohenom pritiahli pozornosť špecialistov. Vďaka úsiliu mnohých výskumníkov sa dnes teória fraktálnych antén zmenila na nezávislý, pomerne vyvinutý prístroj na syntézu a analýzu EMA.
3.2 Vlastnostifraktálne antény
SFC môžu byť použité ako šablóny na výrobu monopólov a dipólových ramien, na vytváranie topológie tlačených antén, povrchov na výber frekvencie (FSS) alebo plášťov reflektorov, na vytváranie obrysov slučkových antén a profilov otvorov rohov, ako aj na frézovanie štrbín v štrbinových anténach.
Experimentálne údaje získané špecialistami z Cushcraft pre Kochovu krivku, štyri iterácie štvorcovej vlny a špirálovej antény nám umožňujú porovnať elektrické vlastnosti Kochovej antény s inými žiaričmi s periodickou štruktúrou. Všetky porovnávané žiariče mali multifrekvenčné vlastnosti, čo sa prejavilo prítomnosťou periodických rezonancií v impedančných grafoch. Pre viacpásmové aplikácie je však najvhodnejší Kochov fraktál, u ktorého s rastúcou frekvenciou vrcholové hodnoty reaktívnych a aktívnych odporov klesajú, zatiaľ čo pre meander a špirálu stúpajú.
Vo všeobecnosti je potrebné poznamenať, že je ťažké teoreticky si predstaviť mechanizmus interakcie medzi fraktálnou prijímacou anténou a elektromagnetickými vlnami, ktoré na ňu dopadajú, kvôli nedostatku analytického popisu vlnových procesov vo vodiči s komplexnou topológiou. V takejto situácii je vhodné určiť hlavné parametre fraktálnych antén matematickým modelovaním.
Príklad zostrojenia prvej sebepodobnej fraktálnej krivky predviedol v roku 1890 taliansky matematik Giuseppe Peano. V limite čiara, ktorú navrhol, úplne vypĺňa štvorec a prechádza okolo všetkých jeho bodov (obrázok 9). Následne sa našli ďalšie podobné objekty, ktoré dostali všeobecný názov „Peano curves“ po objaviteľovi ich rodiny. Je pravda, že kvôli čisto analytickému popisu krivky, ktorý navrhol Peano, došlo pri klasifikácii línií SFC k určitému zmätku. V skutočnosti by názov „Peano curves“ mal dostať iba pôvodné krivky, ktorých konštrukcia zodpovedá analytike publikovanej spoločnosťou Peano (obrázok 10).
Obrázok 9 - Iterácie Peanovej krivky: a) počiatočná čiara, b) prvá, c) druhá a d) tretia iterácia
Obrázok 10 - Iterácie lomenej čiary, ktorú navrhol Hilbert v roku 1891
Často sa interpretuje ako rekurzívna Peanova krivka
Preto, aby sme špecifikovali predmety uvažovanej anténnej techniky, pri popise tej či onej formy fraktálnej antény by sme mali, ak je to možné, uviesť mená autorov, ktorí navrhli zodpovedajúcu modifikáciu SFC. Je to o to dôležitejšie, že podľa odhadov sa počet známych odrôd SFC blíži k trom stovkám a toto číslo nie je limitné.
Treba poznamenať, že Peanova krivka (obrázok 9) vo svojej pôvodnej podobe je celkom vhodná na vytváranie štrbín v stenách vlnovodu, tlačených a iných apertúrových fraktálnych antén, ale nie je prijateľná na konštrukciu drôtovej antény, pretože sa dotýka oddielov. Preto špecialisti Fractus navrhli jeho modifikáciu s názvom „Peanodec“ (obrázok 11).
Obrázok 11 - Variant modifikácie Peanovej krivky („Peanodec“): a) prvá, b) druhá c) tretia iterácia
Sľubnou aplikáciou antén s topológiou Koch sú komunikačné systémy MIMO (komunikačné systémy s mnohými vstupmi a výstupmi). Na miniaturizáciu anténnych polí používateľských terminálov v takejto komunikácii navrhli špecialisti z Laboratória elektromagnetizmu Univerzity v Patrase (Grécko) fraktálnu podobnosť s invertovanou L-anténou (ILA). Podstata myšlienky spočíva v ohnutí vibrátora Koch o 90° v bode, ktorý ho rozdelí na segmenty s pomerom dĺžky 2:1. Pre mobilnú komunikáciu s nosnou frekvenciou ~2,4 Hz sú rozmery takto vytlačenej antény 12,33×10,16 mm (~L/10ChL/12), šírka pásma je ~20% a účinnosť je 93%.
Obrázok 12 - Príklad dvojpásmového (2,45 a 5,25 GHz) anténneho poľa
Azimutový vyžarovací diagram je takmer rovnomerný, zisk z hľadiska vstupu podávača je ~3,4 dB. Je pravda, ako je uvedené v článku, prevádzka takýchto tlačených prvkov ako súčasti mriežky (obrázok 12) je sprevádzaná znížením ich účinnosti v porovnaní s jedným prvkom. Pri frekvencii 2,4 GHz teda účinnosť Kochovho monopólu ohnutého o 90 ° klesá z 93 na 72% a pri frekvencii 5,2 GHz - z 90 na 80%. O niečo lepšia je situácia pri vzájomnom ovplyvňovaní antén vo vysokofrekvenčnom pásme: pri frekvencii 5,25 GHz je izolácia medzi prvkami tvoriacimi centrálny pár antén 10 dB. Čo sa týka vzájomného ovplyvňovania vo dvojici susediacich prvkov rôznych rozsahov, v závislosti od frekvencie signálu sa izolácia pohybuje od 11 dB (pri 2,45 GHz) do 15 dB (pri frekvencii 5,25 GHz). Dôvodom zhoršenia výkonu antény je vzájomné ovplyvňovanie tlačených prvkov.
Schopnosť výberu mnohých rôznych parametrov anténneho systému na základe Kochovej prerušovanej čiary teda umožňuje návrhu uspokojiť rôzne požiadavky na hodnotu vnútorného odporu a rozloženie rezonančných frekvencií. Keďže však vzájomnú závislosť rekurzívneho rozmeru a charakteristík antény možno získať len pre určitú geometriu, platnosť uvažovaných vlastností pre iné rekurzívne konfigurácie si vyžaduje ďalší výskum.
3.3 Charakteristika fraktálnych antén
Kochova fraktálna anténa znázornená na obrázku 13 alebo 20 je len jednou z možností, ktoré je možné realizovať pomocou rovnostranného iniciačného rekurzného trojuholníka, t.j. uhol a pri jeho základni (uhol vtlačenia alebo „uhol vtlačenia“) je 60°. Táto verzia Kochovho fraktálu sa zvyčajne nazýva štandardná. Je celkom prirodzené uvažovať, či je možné použiť modifikácie fraktálu s inými hodnotami tohto uhla. Vinoy navrhol zvážiť uhol pri základni iniciačného trojuholníka ako parameter charakterizujúci konštrukciu antény. Zmenou tohto uhla môžete získať podobné rekurzívne krivky rôznych rozmerov (obrázok 13). Krivky si zachovávajú vlastnosť vlastnej podobnosti, no výsledná dĺžka vedenia môže byť rôzna, čo ovplyvňuje charakteristiku antény. Vinoy ako prvý študoval koreláciu medzi vlastnosťami antény a rozmerom zovšeobecneného Kochovho fraktálu D, určeným vo všeobecnom prípade závislosťou
(1)
Ukázalo sa, že so zväčšujúcim sa uhlom sa zväčšuje aj rozmer fraktálu a pri u>90° sa približuje k 2. Treba poznamenať, že koncept rozmeru používaný v teórii fraktálnych antén trochu odporuje konceptom akceptovaným v geometrii. , kde je toto opatrenie aplikovateľné len na nekonečne rekurzívne objekty.
Obrázok 13 - Konštrukcia Kochovej krivky s uhlom a) 30° ab) 70° pri základni trojuholníka v generátore fraktálov
Keď sa rozmer zväčšuje, celková dĺžka prerušovanej čiary sa zväčšuje nelineárne, čo je určené vzťahom:
(2)
kde L0 je dĺžka lineárneho dipólu, ktorého vzdialenosť medzi koncami je rovnaká ako vzdialenosť Kochovej prerušovanej čiary, n je iteračné číslo. Prechod z u = 60° na u = 80° pri šiestej iterácii umožňuje zväčšiť celkovú dĺžku prefraktálu viac ako štvornásobne. Ako by ste očakávali, existuje priamy vzťah medzi rekurzívnym rozmerom a takými vlastnosťami antény, ako je primárna rezonančná frekvencia, vnútorný odpor pri rezonancii a viacpásmové charakteristiky. Na základe počítačových výpočtov Vinoy získal závislosť prvej rezonančnej frekvencie Kochovho dipólu fk od rozmeru prefraktálu D, iteračného čísla n a rezonančnej frekvencie priamočiareho dipólu fD rovnakej výšky ako Kochova prerušovaná čiara ( v extrémnych bodoch):
(3)
Obrázok 14 - Efekt úniku elektromagnetických vĺn
Vo všeobecnom prípade pre vnútorný odpor Kochovho dipólu na prvej rezonančnej frekvencii platí nasledujúci približný vzťah:
(4)
kde R0 je vnútorný odpor lineárneho dipólu (D=1), ktorý sa v uvažovanom prípade rovná 72 Ohmom. Pomocou výrazov (3) a (4) možno určiť geometrické parametre antény s požadovanými hodnotami rezonančnej frekvencie a vnútorného odporu. Viacpásmové vlastnosti Kochovho dipólu sú tiež veľmi citlivé na hodnotu uhla u. S nárastom sa nominálne hodnoty rezonančných frekvencií približujú, a preto sa ich počet v danom spektrálnom rozsahu zvyšuje (obrázok 15). Navyše, čím vyššie je iteračné číslo, tým silnejšia je táto konvergencia.
Obrázok 15 - Vplyv zúženia intervalu medzi rezonančnými frekvenciami
Na Pensylvánskej univerzite sa skúmal ďalší dôležitý aspekt Kochovho dipólu – vplyv asymetrie jeho napájania na mieru, do akej sa vnútorný odpor antény blíži k 50 Ohmom. V lineárnych dipóloch je miesto napájania často umiestnené asymetricky. Rovnaký prístup je možné použiť pre fraktálnu anténu vo forme Kochovej krivky, ktorej vnútorný odpor je menší ako štandardné hodnoty. V tretej iterácii je teda vnútorný odpor štandardného Kochovho dipólu (u = 60°), bez zohľadnenia strát pri pripojení napájača v strede, 28 Ohmov. Presunutím podávača na jeden koniec antény možno získať odpor 50 ohmov.
Všetky doteraz uvažované konfigurácie Kochovej prerušovanej čiary boli syntetizované rekurzívne. Ak však podľa Vina toto pravidlo porušíte, najmä špecifikovaním rôznych uhlov a? S každou novou iteráciou je možné meniť vlastnosti antény s väčšou flexibilitou. Pre zachovanie podobnosti je vhodné zvoliť bežnú schému zmeny uhla a. Zmeňte ho napríklad podľa lineárneho zákona иn = иn-1 - Di·n, kde n je iteračné číslo, Di? - prírastok uhla v základni trojuholníka. Variantom tohto princípu konštrukcie prerušovanej čiary je nasledujúca postupnosť uhlov: u1 = 20° pre prvú iteráciu, u2 = 10° pre druhú atď. Konfigurácia vibrátora v tomto prípade nebude striktne rekurzívna, avšak všetky jeho segmenty syntetizované v jednej iterácii budú mať rovnakú veľkosť a tvar. Preto je geometria takejto hybridnej prerušovanej čiary vnímaná ako sebepodobná. S malým počtom iterácií spolu so záporným prírastkom Di možno použiť kvadratickú alebo inú nelineárnu zmenu uhla un.
Uvažovaný prístup umožňuje nastaviť rozloženie rezonančných frekvencií antény a hodnoty jej vnútorného odporu. Preskupenie poradia meniacich sa hodnôt uhla v iteráciách však nedáva ekvivalentný výsledok. Pre rovnakú výšku prerušovanej čiary, rôzne kombinácie rovnakých uhlov, napríklad u1 = 20°, u2 = 60° a u1 = 60°, u2 = 20° (obrázok 16), dávajú rovnakú rozšírenú dĺžku prefraktálov. Ale na rozdiel od očakávania úplná zhoda parametrov nezabezpečuje identitu rezonančných frekvencií a identitu viacpásmových vlastností antén. Dôvodom je zmena vnútorného odporu segmentov prerušovanej čiary, t.j. Kľúčovú úlohu zohráva konfigurácia vodiča, nie jeho veľkosť.
Obrázok 16 - Generalizované Kochove prefraktály druhej iterácie so záporným prírastkom Dq (a), kladným prírastkom Dq (b) a tretej iterácie so záporným prírastkom Dq = 40°, 30°, 20° (c)
4. Príklady fraktálnych antén
4.1 Prehľad antény
Anténne témy sú jednou z najsľubnejších a najzaujímavejších v modernej teórii prenosu informácií. Táto túžba rozvíjať práve túto oblasť vedeckého rozvoja je spojená s neustále sa zvyšujúcimi požiadavkami na rýchlosť a spôsoby prenosu informácií v modernom technologickom svete. Každý deň, keď spolu komunikujeme, prenášame informácie pre nás prirodzeným spôsobom - vzduchom. Presne rovnakým spôsobom prišli vedci s nápadom naučiť komunikovať početné počítačové siete.
Výsledkom bol vznik noviniek v tejto oblasti, ich schválenie na trhu výpočtovej techniky a neskôr prijatie noriem bezdrôtový prenos informácie. Dnes sú už prenosové technológie ako BlueTooth a WiFi schválené a všeobecne akceptované. Vývoj sa však nekončí a nemôže zastaviť, objavujú sa nové požiadavky a nové želania trhu.
Prenosové rýchlosti, tak úžasne vysoké v dobe vývoja technológií, dnes už nespĺňajú požiadavky a želania používateľov tohto vývoja. Niekoľko popredných vývojových centier spustilo nový projekt WiMAX s cieľom zvýšiť rýchlosť na základe rozšírenia kanálov v existujúcom štandarde WiFi. Aké miesto má v tom všetkom téma antény?
Problém rozšírenia prenosového kanála možno čiastočne vyriešiť zavedením ešte väčšej kompresie, než je existujúca. Použitie fraktálnych antén tento problém vyrieši lepšie a efektívnejšie. Dôvodom je, že fraktálne antény a na nich založené frekvenčne selektívne povrchy a objemy majú jedinečné elektrodynamické vlastnosti, a to: širokopásmové pripojenie, opakovateľnosť šírok pásiem vo frekvenčnom rozsahu atď.
4.1.1 Konštrukcia Cayleyho stromu
Strom Cayley je jedným z klasických príkladov fraktálnych množín. Jeho nulová iterácia je len úsečka priamky danej dĺžky l. Prvá a každá nasledujúca nepárna iterácia pozostáva z dvoch segmentov presne rovnakej dĺžky l ako predchádzajúca iterácia, ktoré sú umiestnené kolmo na segment predchádzajúcej iterácie tak, že jej konce sú spojené so stredom segmentov.
Druhá a každá nasledujúca párna iterácia fraktálu sú dva segmenty l/2 polovičnej dĺžky predchádzajúcej iterácie, umiestnené ako predtým, kolmo na predchádzajúcu iteráciu.
Výsledky konštrukcie Cayleyho stromu sú znázornené na obrázku 17. Celková výška antény je 15/8l a šírka 7/4l.
Obrázok 17 - Stavba stromu Cayley
Výpočty a analýza antény „Cayley Tree“ Boli vykonané teoretické výpočty fraktálnej antény vo forme Cayley Tree 6. rádu. Na vyriešenie tohto praktického problému bol použitý pomerne výkonný nástroj na rigorózny výpočet elektrodynamických vlastností vodivých prvkov - program EDEM. Výkonné nástroje a užívateľsky prívetivé rozhranie tohto programu ho robia nevyhnutným pre túto úroveň výpočtov.
Autori stáli pred úlohou navrhnúť anténu, odhadnúť teoretické hodnoty rezonančných frekvencií príjmu a prenosu signálu a prezentovať problém v rozhraní programového jazyka EDEM. Navrhnutá fraktálna anténa založená na „Cayley Tree“ je znázornená na obrázku 18.
Potom sa do navrhnutej fraktálnej antény poslala rovinná elektromagnetická vlna a program vypočítal šírenie poľa pred a za anténou a vypočítal elektrodynamické charakteristiky fraktálnej antény.
Výsledky výpočtov fraktálnej antény „Cayley Tree“, ktoré vykonali autori, nám umožnili vyvodiť nasledujúce závery. Je ukázané, že séria rezonančných frekvencií sa opakuje približne na dvojnásobku predchádzajúcej frekvencie. Boli určené prúdové rozvody na povrchu antény. Študovali sa oblasti celkového prenosu a úplného odrazu elektromagnetického poľa.
Obrázok 18 - Cayleyho strom 6. rádu
4 .1.2 Multimediálna anténa
Miniaturizácia napreduje po celej planéte míľovými krokmi. Nástup počítačov veľkosti zrnka fazule je už za rohom, no medzičasom nám spoločnosť Fractus dáva do pozornosti anténu, ktorej rozmery sú menšie ako zrnko ryže (obrázok 19).
Obrázok 19 - Fraktálna anténa
Nový produkt s názvom Micro Reach Xtend pracuje na frekvencii 2,4 GHz a podporuje bezdrôtové technológie Wi-Fi a Bluetooth, ako aj niektoré ďalšie menej populárne štandardy. Zariadenie je založené na patentovaných technológiách fraktálnej antény a jeho plocha je len 3,7 x 2 mm. Maličká anténa podľa vývojárov umožní zmenšiť veľkosť multimediálnych produktov, v ktorých nájde v blízkej budúcnosti svoje využitie, alebo vtesnať do jedného zariadenia viac schopností.
Televízne stanice vysielajú signály v rozsahu 50-900 MHz, ktoré sú spoľahlivo prijímané na vzdialenosť mnohých kilometrov od vysielacej antény. Je známe, že vibrácie vyšších frekvencií prechádzajú cez budovy a rôzne prekážky horšie ako tie nízkofrekvenčné, ktoré sa okolo nich jednoducho ohýbajú. Preto sa technológia Wi-Fi používa v konvenčných systémoch bezdrôtová komunikácia a pracujúci na frekvenciách nad 2,4 GHz, poskytuje príjem signálu len na vzdialenosť nie viac ako 100 m. Takáto nespravodlivosť voči vyspelej Wi-Fi technológii bude čoskoro ukončená, samozrejme, bez ujmy pre spotrebiteľov TV. V budúcnosti budú zariadenia vytvorené na báze technológie Wi-Fi fungovať na frekvenciách medzi prevádzkovanými TV kanálmi, čím sa zvýši rozsah spoľahlivého príjmu. Aby nedošlo k narušeniu prevádzky televízie, každý z Wi-Fi systémov (vysielač a prijímač) bude neustále skenovať blízke frekvencie, čím zabráni kolíziám vo vzduchu. Pri prechode na širší frekvenčný rozsah je potrebné mať anténu, ktorá dokáže rovnako dobre prijímať signály z vysokých aj vysokých frekvencií. nízke frekvencie. Bežné bičové antény tieto požiadavky nespĺňajú, pretože V súlade so svojou dĺžkou selektívne prijímajú frekvencie určitej vlnovej dĺžky. Anténa vhodná na príjem signálov v širokom frekvenčnom rozsahu je takzvaná fraktálová anténa, ktorá má tvar fraktálu – štruktúry, ktorá vyzerá rovnako bez ohľadu na to, akým zväčšením ju pozorujeme. Fraktálna anténa sa správa tak, ako by sa správala štruktúra pozostávajúca z mnohých kolíkových antén rôznych dĺžok stočených dohromady.
4.1.3 „Zlomená“ anténa
Americký inžinier Nathan Cohen sa asi pred desiatimi rokmi rozhodol zostaviť si doma amatérsku rádiostanicu, no narazil na nečakaný problém. Jeho byt sa nachádzal v centre Bostonu a mestské úrady prísne zakázali umiestniť anténu mimo budovy. Nečakane sa našlo riešenie, ktoré obrátilo celý nasledujúci život rádioamatéra naruby.
Namiesto výroby tradične tvarovanej antény vzal Cohen kus hliníkovej fólie a vyrezal ho do tvaru matematického objektu známeho ako Kochova krivka. Táto krivka, ktorú v roku 1904 objavila nemecká matematička Helga von Koch, je fraktálom, prerušovanou čiarou, ktorá vyzerá ako séria nekonečne sa zmenšujúcich trojuholníkov vyrastajúcich jeden z druhého ako strecha viacstupňovej čínskej pagody. Ako všetky fraktály, aj táto krivka je „seba podobná“, to znamená, že na každom najmenšom segmente má rovnaký vzhľad, ktorý sa opakuje. Takéto krivky sú konštruované nekonečným opakovaním jednoduchej operácie. Čiara je rozdelená na rovnaké segmenty a na každom segmente je vytvorený ohyb vo forme trojuholníka (metóda von Kocha) alebo štvorca (metóda Hermana Minkowského). Potom sa na všetkých stranách výsledného obrázku ohýbajú podobné štvorce alebo trojuholníky, ale menšej veľkosti. Pokračovaním v konštrukcii do nekonečna môžete získať krivku, ktorá je v každom bode „zlomená“ (obrázok 20).
Obrázok 20 - Konštrukcia Kochovej a Minkowského krivky
Konštrukcia Kochovej krivky - jeden z úplne prvých fraktálnych objektov. Na nekonečnej priamke sa rozlišujú segmenty dĺžky l. Každý segment je rozdelený na tri rovnaké časti a na strednej je zostrojený rovnostranný trojuholník so stranou l/3. Potom sa proces opakuje: trojuholníky so stranami l/9 sa postavia na segmenty l/3, trojuholníky so stranami l/27 atď. Táto krivka má vlastnú podobnosť alebo invarianciu mierky: každý z jej prvkov v redukovanej forme opakuje krivku samotnú.
Minkowského fraktál je konštruovaný podobne ako Kochova krivka a má rovnaké vlastnosti. Pri jeho konštrukcii sa namiesto sústavy trojuholníkov stavajú meandre na priamke - „obdĺžnikové vlny“ nekonečne sa zmenšujúcich veľkostí.
Pri konštrukcii Kochovej krivky sa Cohen obmedzil len na dva alebo tri kroky. Potom figúrku nalepil na malý kúsok papiera, pripevnil ju k prijímaču a s prekvapením zistil, že nefunguje o nič horšie ako bežné antény. Ako sa neskôr ukázalo, jeho vynález sa stal zakladateľom zásadne nového typu antén, teraz sériovo vyrábaných.
Tieto antény sú veľmi kompaktné: fraktálna anténa pre mobilný telefón zabudovaná v puzdre má veľkosť bežného sklíčka (24 x 36 mm). Okrem toho pracujú v širokom frekvenčnom rozsahu. Toto všetko bolo objavené experimentálne; Teória fraktálnych antén zatiaľ neexistuje.
Veľmi zaujímavým spôsobom sa menia parametre fraktálnej antény robenej sériou po sebe idúcich krokov pomocou Minkowského algoritmu. Ak je priama anténa ohnutá v tvare „štvorcovej vlny“ - meandru, jej zisk sa zvýši. Všetky následné meandre zosilnenia antény sa nemenia, ale rozsah frekvencií, ktoré prijíma, sa rozširuje a samotná anténa sa stáva oveľa kompaktnejšou. Je pravda, že iba prvých päť alebo šesť krokov je účinných: na ďalšie ohýbanie vodiča budete musieť zmenšiť jeho priemer, čo zvýši odpor antény a povedie k strate zisku.
Zatiaľ čo niektorí si lámu hlavu nad teoretickými problémami, iní vynález aktívne implementujú do praxe. Podľa Nathana Cohena, teraz profesora na Bostonskej univerzite a hlavného technického inšpektora Fractal Antenna Systems, „za pár rokov sa fraktálne antény stanú neoddeliteľnou súčasťou mobilných a rádiových telefónov a mnohých ďalších bezdrôtových komunikačných zariadení“.
fraktál anténneho poľa
4.2 Aplikácia fraktálnych antén
Medzi mnohými návrhmi antén, ktoré sa dnes používajú v komunikáciách, je typ antény uvedený v názve článku relatívne nový a zásadne odlišný od známych riešení. Prvé publikácie skúmajúce elektrodynamiku fraktálnych štruktúr sa objavili už v 80. rokoch 20. storočia. Je to začiatok praktické využitie Fraktálne smerovanie v anténovej technológii začal pred viac ako 10 rokmi americký inžinier Nathan Cohen, dnes profesor na Boaon University a hlavný technický inšpektor spoločnosti Fractal Antenna Systems. Žijúc v centre Bostonu, aby obišiel zákaz mestského úradu inštalovať vonkajšie antény, rozhodol sa zamaskovať anténu amatérskej rádiostanice za ozdobnú figúrku vyrobenú z hliníkovej fólie. Ako základ si zobral Kochovu krivku známu v geometrii (obrázok 20), ktorej popis navrhol v roku 1904 švédsky matematik Niels Fabian Helge von Koch (1870-1924).
Podobné dokumenty
Koncepcia a princíp činnosti vysielacích antén a ich vyžarovacie diagramy. Výpočet veľkostí a rezonančných frekvencií pre fraktálne antény. Návrh tlačenej mikropásikovej antény na základe Kochovho fraktálu a 10 prototypov drôtových antén.
práca, pridané 2.2.2015
Vývoj fraktálnych antén. Konštrukčné metódy a princípy fungovania fraktálnej antény. Konštrukcia Peanovej krivky. Vytvorenie fraktálnej pravouhlej zlomenej antény. Dvojpásmové anténne pole. Fraktálne frekvenčne selektívne povrchy.
práca, pridané 26.06.2015
Bloková schéma prijímacieho modulu aktívnych fázovaných antén. Výpočet relatívneho zníženia budenia na okraji antény. Energetický potenciál prijímacích fázovaných antén. Presnosť zarovnania lúča. Výber a výpočet žiariča.
kurzová práca, pridané 11.08.2014
Úvod do činnosti Antenna-Service LLC: inštalácia a uvedenie do prevádzky terestriálnych a satelitných anténnych systémov, projektovanie telekomunikačných sietí. všeobecné charakteristiky základné vlastnosti a oblasti použitia satelitných antén.
práca, pridané 18.05.2014
Typy a klasifikácia antén pre mobilné komunikačné systémy. technické údaje antény KP9-900. Hlavná strata účinnosti antény je v prevádzkovej polohe zariadenia. Metódy výpočtu antén pre mobilné komunikačné systémy. Charakteristika modelára antén MMANA.
kurzová práca, pridané 17.10.2014
Typy mikrovlnných zariadení v distribučných obvodoch anténnych polí. Návrh mikrovlnných zariadení založených na metóde rozkladu. Práca s programom "Model-S" pre automatizované a parametrické typy syntézy viacprvkových mikrovlnných zariadení.
test, pridaný 15.10.2011
Hlavné úlohy teórie antény a vlastnosti tohto zariadenia. Maxwellove rovnice. Elektrické dipólové pole v neobmedzenom priestore. Charakteristické rysy vibračné a apertúrne antény. Metódy riadenia amplitúdy mriežok.
návod, pridané 27.04.2013
Lineárne pole s cylindrickou špirálovou anténou ako žiaričom. Použitie anténnych polí na zabezpečenie vysokokvalitnej prevádzky antény. Návrh vertikálneho snímacieho anténneho poľa. Výpočet jedného žiariča.
kurzová práca, pridané 28.11.2010
Metódy tvorby efektívne antény. Lineárne anténne pole. Optimálna anténa s pohyblivou vlnou. Smerový koeficient. Ploché anténne polia. Vstupná impedancia vyžarovacieho prvku. Vlastnosti a použitie neekvidištantných mriežok.
kurzová práca, pridané 14.08.2015
Použitie antén na vyžarovanie aj príjem elektromagnetických vĺn. Existuje široká škála rôznych antén. Návrh lineárneho poľa tyčových dielektrických antén, ktoré je zostavené z tyčových dielektrických antén.
V matematike sú fraktály množiny pozostávajúce z prvkov podobných množine ako celku. Najlepší príklad: Ak sa pozriete pozorne na čiaru elipsy, bude rovná. Fraktál – bez ohľadu na to, ako blízko priblížite – obrázok zostane zložitý a podobný celkovému pohľadu. Prvky sú usporiadané bizarným spôsobom. V dôsledku toho považujeme sústredné kruhy za najjednoduchší príklad fraktálu. Bez ohľadu na to, ako blízko sa dostanete, objavia sa nové kruhy. Príkladov fraktálov je veľa. Napríklad Wikipedia uvádza kresbu kapusty Romanesco, kde hlávka kapusty pozostáva zo šišiek, ktoré presne pripomínajú nakreslenú hlávku kapusty. Čitatelia teraz chápu, že výroba fraktálnych antén nie je jednoduchá. Ale je to zaujímavé.
Prečo sú potrebné fraktálne antény?
Účelom fraktálnej antény je zachytiť viac za menej. Vo westernových videách je možné nájsť paraboloid, kde žiaričom bude kus fraktálnej pásky. Z fólie už vyrábajú prvky mikrovlnných zariadení, ktoré sú efektívnejšie ako bežné. Ukážeme vám, ako dokončiť fraktálnu anténu a vysporiadať sa so samotným prispôsobením pomocou merača SWR. Spomeňme, že existuje celá internetová stránka, samozrejme zahraničná, kde sa príslušný produkt propaguje na komerčné účely, chýbajú kresby. Naša domáca fraktálna anténa je jednoduchšia, hlavnou výhodou je, že si môžete vytvoriť dizajn vlastnými rukami.
Prvé fraktálne antény – bikónické – sa podľa videa z webovej stránky fractenna.com objavili v roku 1897 Oliverom Lodgeom. Nepozeraj na Wikipediu. V porovnaní s konvenčným dipólom dáva dvojica trojuholníkov namiesto vibrátora rozšírenie pásma o 20 %. Vytvorením periodicky sa opakujúcich štruktúr bolo možné zostaviť miniatúrne antény, ktoré nie sú horšie ako ich väčšie náprotivky. Často nájdete dvojkónickú anténu vo forme dvoch rámov alebo podivne tvarovaných dosiek.
V konečnom dôsledku to umožní prijímať viac televíznych kanálov.
Ak zadáte požiadavku na YouTube, zobrazí sa video o výrobe fraktálnych antén. Ako to funguje, lepšie pochopíte, ak si predstavíte šesťcípu hviezdu izraelskej vlajky, ktorej roh bol odrezaný spolu s ramenami. Ukázalo sa, že tri rohy zostali, dva mali jednu stranu na svojom mieste, druhú nie. Šiesty roh úplne absentuje. Teraz umiestnime dve podobné hviezdy vertikálne, so stredovými uhlami k sebe, štrbinami vľavo a vpravo a nad nimi - podobný pár. Výsledkom bolo anténne pole - najjednoduchšia fraktálna anténa.
Hviezdičky sú v rohoch spojené podávačom. V pároch po stĺpcoch. Signál sa odoberá z vedenia presne v strede každého vodiča. Konštrukcia je zostavená pomocou skrutiek na dielektrickom (plastovom) substráte vhodnej veľkosti. Strana hviezdy je presne palec, vzdialenosť medzi rohmi hviezd vertikálne (dĺžka podávača) je štyri palce a horizontálna vzdialenosť (vzdialenosť medzi dvoma drôtmi podávača) je palec. Hviezdy majú vo svojich vrcholoch uhly 60 stupňov, teraz si čitateľ nakreslí niečo podobné vo forme šablóny, aby si neskôr mohol sám vyrobiť fraktálnu anténu. Urobili sme pracovný náčrt, ale mierka nebola dodržaná. Nemôžeme zaručiť, že hviezdičky vyšli presne, Microsoft Paint nemá skvelé možnosti na vytváranie presných kresieb. Stačí sa pozrieť na obrázok, aby bola štruktúra fraktálnej antény zrejmá:
- Hnedý obdĺžnik znázorňuje dielektrický substrát. Fraktálna anténa znázornená na obrázku má symetrický diagram žiarenia. Ak je vysielač chránený pred rušením, obrazovka sa umiestni na štyri stĺpiky za substrátom vo vzdialenosti palca. Pri frekvenciách nie je potrebné umiestňovať pevný plech, postačí sieťka so stranou štvrť palca, nezabudnite na pripojenie tienenia k opletu kábla.
- Podávač s charakteristickou impedanciou 75 Ohmov vyžaduje koordináciu. Nájdite alebo vytvorte transformátor, ktorý prevádza 300 ohmov na 75 ohmov. Je lepšie zásobiť sa meračom SWR a vybrať potrebné parametre nie dotykom, ale pomocou zariadenia.
- Štyri hviezdy, ohnuté z medeného drôtu. Vyčistíme izoláciu laku na križovatke s podávačom (ak existuje). Vnútorný prívod antény pozostáva z dvoch paralelných kusov drôtu. Anténu je dobré umiestniť do krabice, aby bola chránená pred nepriaznivým počasím.
Zostavenie fraktálnej antény pre digitálnu televíziu
Po prečítaní tejto recenzie až do konca môže ktokoľvek vyrobiť fraktálne antény. Dostali sme sa tak hlboko do dizajnu, že sme zabudli hovoriť o polarizácii. Predpokladáme, že je lineárny a horizontálny. Vyplýva to z úvah:
- Video je evidentne amerického pôvodu, rozhovor je o HDTV. Preto môžeme prijať módu špecifikovanej krajiny.
- Ako viete, len málo krajín na planéte vysiela zo satelitov s kruhovou polarizáciou, medzi nimi Ruská federácia a Spojené štáty americké. Preto sa domnievame, že ostatné technológie prenosu informácií sú podobné. prečo? Bola studená vojna, veríme, že obe krajiny si strategicky vybrali, čo a ako prenesú, ostatné krajiny vychádzali z čisto praktických úvah. Kruhová polarizácia bola zavedená špeciálne pre špionážne satelity (neustále sa pohybujúce vzhľadom na pozorovateľa). Preto existuje dôvod domnievať sa, že existujú podobnosti v televíznom a rozhlasovom vysielaní.
- Štruktúra antény hovorí, že je lineárna. Kruhovú alebo eliptickú polarizáciu jednoducho nie je kde získať. Preto – pokiaľ medzi našimi čitateľmi nie sú profesionáli, ktorí vlastnia MMANA – ak anténa nezachytí v prijatej polohe, otočte ju o 90 stupňov v rovine žiariča. Polarizácia sa zmení na vertikálnu. Mimochodom, mnohí budú môcť chytiť FM, ak sú rozmery nastavené 4 krát väčšie. Je lepšie vziať hrubší drôt (napríklad 10 mm).
Dúfame, že sme čitateľom vysvetlili, ako používať fraktálnu anténu. Pár tipov pre jednoduchú montáž. Skúste teda nájsť drôt s lakovanou ochranou. Ohnite tvary, ako je znázornené na obrázku. Potom sa dizajnéri rozchádzajú, odporúčame urobiť toto:
- Odizolujte hviezdice a napájacie vodiče v spojovacích bodoch. Zaistite napájacie káble za uši pomocou skrutiek k podložke v stredných častiach. Ak chcete vykonať akciu správne, zmerajte si palec vopred a nakreslite dve rovnobežné čiary ceruzkou. Pozdĺž nich by mali byť drôty.
- Spájkujte jedinú štruktúru a starostlivo skontrolujte vzdialenosti. Autori videa odporúčajú vyrobiť žiarič tak, aby hviezdy ležali svojimi rohmi naplocho na podávačoch a opačnými koncami spočívali na okraji substrátu (každá na dvoch miestach). Pre približnú hviezdu sú miesta označené modrou farbou.
- Pre splnenie podmienky utiahnite každú hviezdu na jednom mieste pomocou skrutky s dielektrickou svorkou (napríklad PVA drôty z cambric a podobne). Na obrázku sú montážne miesta zobrazené červenou farbou pre jednu hviezdu. Svorník je schematicky nakreslený kružnicou.
Napájací kábel vedie (voliteľné) z opačná strana. Na mieste vyvŕtajte otvory. SWR sa upravuje zmenou vzdialenosti medzi napájacími drôtmi, ale v tomto prevedení ide o sadistický spôsob. Odporúčame jednoducho zmerať impedanciu antény. Pripomeňme si, ako sa to robí. Budete potrebovať generátor na frekvencii sledovaného programu, napríklad 500 MHz, a navyše vysokofrekvenčný voltmeter, ktorý sa signálu nevzdá.
Potom sa meria napätie generované generátorom, pre ktoré je pripojený k voltmetru (paralelne). Odporový delič zostavíme z premenlivého odporu s extrémne nízkou vlastnou indukčnosťou a anténou (zapojíme sériovo za generátor, najskôr odpor, potom anténu). Napätie meriame voltmetrom premenlivý odpor, pričom súčasne upravujete menovitý výkon, kým hodnoty generátora bez zaťaženia (pozri bod vyššie) nebudú dvakrát vyššie ako aktuálne. To znamená, že hodnota premenlivého odporu sa rovná vlnovej impedancii antény pri frekvencii 500 MHz.
Teraz je možné vyrobiť transformátor podľa potreby. Na internete je ťažké nájsť to, čo potrebujete; pre tých, ktorí radi zachytávajú rozhlasové vysielanie, sme našli hotovú odpoveď http://www.cqham.ru/tr.htm. Na stránke je napísané a nakreslené ako zladiť záťaž s 50 Ohm káblom. Upozorňujeme, že frekvencie zodpovedajú KV rozsahu, SW sem čiastočne zapadá. Charakteristická impedancia antény je udržiavaná v rozsahu 50 – 200 Ohmov. Ťažko povedať, koľko hviezda dá. Ak máte na farme prístroj na meranie vlnovej impedancie vedenia, pripomeňme: ak je dĺžka napájača násobkom štvrtiny vlnovej dĺžky, impedancia antény sa prenáša na výstup bezo zmien. Pre malé a veľké dosahy nie je možné zabezpečiť takéto podmienky (nezabudnite, že najmä fraktálne antény zahŕňajú aj rozšírený dosah), ale pre účely merania sa všade používa spomínaná skutočnosť.
Teraz čitatelia vedia všetko o týchto úžasných transceiverových zariadeniach. Takýto neobvyklý tvar naznačuje, že rozmanitosť vesmíru nezapadá do typických hraníc.
Pre tých, ktorí nevedia, čo to je a kde sa to používa, môžem povedať, že sledujte videofilmy o fraktáloch. A takéto antény sa v dnešnej dobe používajú všade, napríklad v každom mobilnom telefóne.
Takže koncom roka 2013 nás prišiel navštíviť môj svokor a svokra a potom nás svokra v predvečer novoročného sviatku požiadala o anténu pre ňu malý televízor. Môj svokor sleduje televíziu cez satelit a zvyčajne robí niečo vlastné, ale moja svokra chcela pokojne sledovať novoročné programy bez toho, aby obťažovala môjho svokra.
Dobre, dali sme jej našu slučkovú anténu (330x330 mm štvorec), cez ktorú manželka občas pozerala televíziu.
A vtedy sa blížil čas otvorenia zimných olympijských hier v Soči a manželka povedala: Urobte anténu.
Nie je pre mňa problém vyrobiť ďalšiu anténu, pokiaľ to má účel a zmysel. Sľúbil, že to urobí. A teraz nadišiel ten čas...no myslel som si, že tesať ďalšiu slučkovú anténu je nejaká nuda, veď predsa 21. storočie je na dvore a vtedy som si spomenul, že najprogresívnejšie v konštrukcii antén sú EH-antény. , HZ-antény a fraktálové- antény. Keď som zistil, čo je pre moje podnikanie najvhodnejšie, rozhodol som sa pre fraktálnu anténu. Našťastie som už dávno videl všelijaké filmy o fraktáloch a stiahol všemožné fotografie z internetu. Chcel som teda preniesť myšlienku do materiálnej reality.
Fotografie sú jedna vec, konkrétna implementácia určitého zariadenia druhá. Dlho som sa neobťažoval a rozhodol som sa postaviť anténu na základe obdĺžnikového fraktálu.
Vytiahol som medený drôt s priemerom asi 1 mm, vzal kliešte a začal vyrábať veci... prvý projekt bol plnohodnotný s mnohými fraktálmi. Zo zvyku som to robil dlho, za chladných zimných večerov som to konečne urobil, nalepil celý povrch fraktálu na drevovláknitú dosku pomocou tekutého polyetylénu, priamo prispájkoval kábel v dĺžke asi 1 m, začal som skúšať. Ojoj! A táto anténa prijímala televízne kanály oveľa jasnejšie ako rámová anténa... Tento výsledok ma potešil, čo znamená, že nie nadarmo som pri ohýbaní drôtu do fraktálneho tvaru bojoval a odieral si mozoly.
Prešiel asi týždeň a dostal som názor, že veľkosť novej antény je takmer rovnaká ako rámová anténa, nie je tam žiadna zvláštna výhoda, pokiaľ neberiete do úvahy mierne zlepšenie príjmu. A tak som sa rozhodol namontovať novú fraktálovú anténu s použitím menšieho počtu fraktálov, a teda menšej veľkosti.
Fraktálna anténa. Prvá možnosť V sobotu 2.8.2014 som vytiahol malý kúsok medeného drôtu, ktorý zostal z prvej fraktálnej antény a celkom rýchlo, asi pol hodiny, som namontoval novú anténu...
Fraktálna anténa. Druhá možnosť Potom som prispájkoval kábel z prvého a ukázalo sa, že je to kompletné zariadenie. 
Fraktálna anténa. Druhá možnosť s káblom
Začal som kontrolovať výkon... Páni, sakra! Áno, tento funguje ešte lepšie a prijíma až 10 kanálov vo farbe, čo predtým nebolo možné dosiahnuť pomocou slučkovej antény. Zisk je významný! Ak tiež venujete pozornosť skutočnosti, že moje podmienky príjmu sú úplne nedôležité: druhé poschodie, náš dom je úplne blokovaný od televízneho centra výškovými budovami, nie je tam žiadna priama viditeľnosť, potom je zisk pôsobivý ako na príjme, tak aj na vo veľkosti.
Na internete sú fraktálne antény vyrobené leptaním na sklolaminátovú fóliu... Myslím, že nezáleží na tom, čo robiť, a rozmery by sa nemali prísne dodržiavať. TV anténa, v medziach práce na kolene.
Svet nie je bez dobrých ľudí :-)
Valery UR3CAH: "Dobrý deň, Egor. Myslím si, že tento článok (konkrétne časť "Fraktálne antény: menej je viac") zodpovedá téme vašej stránky a bude vás zaujímať:) 73!"
Áno, samozrejme, je to zaujímavé. Tejto témy sme sa už do istej miery dotkli pri diskusii o geometrii hexabimov. Aj tam bola dilema s “nabalením” elektrickej dĺžky do geometrických rozmerov :-). Takže ďakujem, Valery, veľmi pekne za zaslanie materiálu.
Fraktálne antény: menej je viac
Za posledné polstoročie sa život začal rýchlo meniť. Väčšina z nás akceptuje úspechy moderné technológie za samozrejmosť. Veľmi rýchlo si zvyknete na všetko, čo robí život pohodlnejším. Málokedy si niekto kladie otázku „Odkiaľ to prišlo? a "Ako to funguje?" Mikrovlnná rúra ohrieva raňajky – skvelé, smartfón vám dáva možnosť rozprávať sa s inou osobou – skvelé. Zdá sa nám to ako jasná možnosť.
Ale život mohol byť úplne iný, keby človek nehľadal vysvetlenie udalostí, ktoré sa dejú. Vezmite si napríklad mobilné telefóny. Pamätáte si vysúvacie antény na prvých modeloch? Prekážali, zväčšovali zariadenie a nakoniec sa často rozbili. Veríme, že navždy upadli do zabudnutia a jedným z dôvodov sú... fraktály.
Fraktálne vzory fascinujú svojimi vzormi. Určite pripomínajú obrázky kozmických objektov – hmlovín, kopy galaxií a pod. Je preto celkom prirodzené, že keď Mandelbrot vyjadril svoju teóriu fraktálov, jeho výskum vzbudil zvýšený záujem medzi tými, ktorí študovali astronómiu. Jeden z týchto amatérov menom Nathan Cohen po tom, čo sa zúčastnil prednášky Benoita Mandelbrota v Budapešti, dostal nápad praktické uplatnenie nadobudnuté vedomosti. Je pravda, že to urobil intuitívne a náhoda zohrala v jeho objave dôležitú úlohu. Ako rádioamatér sa Nathan snažil vytvoriť anténu s čo najvyššou citlivosťou.
Jediná cesta zlepšiť parametre antény, ktorá bola v tom čase známa, spočívala vo zväčšení jej geometrických rozmerov. Majiteľ nehnuteľnosti v centre Bostonu, ktorú si Nathan prenajal, bol však kategoricky proti inštalácii veľkých zariadení na strechu. Potom Nathan začal experimentovať s rôznymi tvarmi antén a snažil sa dosiahnuť maximálny výsledok s minimálnou veľkosťou. Inšpirovaný myšlienkou fraktálnych foriem, Cohen, ako sa hovorí, náhodne vyrobil jeden z najznámejších fraktálov z drôtu - „Kochovu snehovú vločku“. S touto krivkou prišiel už v roku 1904 švédsky matematik Helge von Koch. Získa sa rozdelením segmentu na tri časti a nahradením stredného segmentu rovnostranným trojuholníkom bez toho, aby sa strana zhodovala s týmto segmentom. Definícia je trochu náročná na pochopenie, ale na obrázku je všetko jasné a jednoduché.
Existujú aj iné variácie Kochovej krivky, ale približný tvar krivky zostáva podobný.
Keď Nathan pripojil anténu k rádiovému prijímaču, bol veľmi prekvapený – citlivosť sa dramaticky zvýšila. Po sérii experimentov si budúci profesor Bostonskej univerzity uvedomil, že anténa vyrobená podľa fraktálneho vzoru má vysokú účinnosť a pokrýva oveľa širší frekvenčný rozsah v porovnaní s klasickými riešeniami. Navyše tvar antény vo forme fraktálnej krivky umožňuje výrazne zmenšiť geometrické rozmery. Nathan Cohen dokonca prišiel s vetou, ktorá dokazuje, že vytvoriť širokopásmová anténa stačí mu dať tvar sebepodobnej fraktálnej krivky.
Autor si svoj objav nechal patentovať a založil spoločnosť na vývoj a dizajn fraktálnych antén Fractal Antenna Systems, oprávnene veril, že v budúcnosti sa vďaka jeho objavu budú môcť mobilné telefóny zbaviť objemných antén a stať sa kompaktnejšími. V zásade sa tak stalo. Je pravda, že dodnes vedie Nathan právnu bitku veľké korporácie, ktorí svoj objav nelegálne využívajú na výrobu kompaktných komunikačných zariadení. Niektorí známi výrobcovia mobilné zariadenia, ako napríklad Motorola, už uzavreli mierovú dohodu s vynálezcom fraktálnej antény. Pôvodný zdroj
Za posledné polstoročie sa život začal rýchlo meniť. Väčšina z nás považuje pokroky moderných technológií za samozrejmosť. Veľmi rýchlo si zvyknete na všetko, čo robí život pohodlnejším. Málokedy si niekto kladie otázku „Odkiaľ to prišlo? a "Ako to funguje?" Mikrovlnná rúra ohrieva raňajky – skvelé, smartfón vám dáva možnosť porozprávať sa s inou osobou – skvelé. Zdá sa nám to ako jasná možnosť.
Ale život mohol byť úplne iný, keby človek nehľadal vysvetlenie udalostí, ktoré sa dejú. Vezmite si napríklad mobilné telefóny. Pamätáte si vysúvacie antény na prvých modeloch? Prekážali, zväčšovali zariadenie a nakoniec sa často rozbili. Veríme, že navždy upadli do zabudnutia a jedným z dôvodov sú... fraktály.
Fraktálne vzory fascinujú svojimi vzormi. Určite pripomínajú obrázky kozmických objektov – hmlovín, kopy galaxií a pod. Je preto celkom prirodzené, že keď Mandelbrot vyjadril svoju teóriu fraktálov, jeho výskum vzbudil zvýšený záujem medzi tými, ktorí študovali astronómiu.
Jeden z týchto amatérov menom Nathan Cohen sa po návšteve prednášky Benoita Mandelbrota v Budapešti inšpiroval myšlienkou praktickej aplikácie získaných vedomostí. Je pravda, že to urobil intuitívne a náhoda zohrala v jeho objave dôležitú úlohu. Ako rádioamatér sa Nathan snažil vytvoriť anténu s čo najvyššou citlivosťou.
Jediným spôsobom, ako zlepšiť parametre antény, ktorá bola v tom čase známa, bolo zväčšenie jej geometrických rozmerov. Majiteľ nehnuteľnosti v centre Bostonu, ktorú si Nathan prenajal, bol však kategoricky proti inštalácii veľkých zariadení na strechu.
Potom Nathan začal experimentovať s rôznymi tvarmi antén a snažil sa dosiahnuť maximálny výsledok s minimálnou veľkosťou. Inšpirovaný myšlienkou fraktálnych foriem, Cohen, ako sa hovorí, náhodne vyrobil jeden z najznámejších fraktálov z drôtu - „Kochovu snehovú vločku“.
S touto krivkou prišiel už v roku 1904 švédsky matematik Helge von Koch. Získa sa rozdelením segmentu na tri časti a nahradením stredného segmentu rovnostranným trojuholníkom bez toho, aby sa strana zhodovala s týmto segmentom. Definícia je trochu náročná na pochopenie, ale na obrázku je všetko jasné a jednoduché.
Existujú aj iné variácie Kochovej krivky, ale približný tvar krivky zostáva podobný.
Keď Nathan pripojil anténu k rádiovému prijímaču, bol veľmi prekvapený – citlivosť sa dramaticky zvýšila. Po sérii experimentov si budúci profesor Bostonskej univerzity uvedomil, že anténa vyrobená podľa fraktálneho vzoru má vysokú účinnosť a pokrýva oveľa širší frekvenčný rozsah v porovnaní s klasickými riešeniami. Navyše tvar antény vo forme fraktálnej krivky umožňuje výrazne zmenšiť geometrické rozmery.
Nathan Cohen dokonca prišiel s vetou dokazujúcou, že na vytvorenie širokopásmovej antény stačí dať jej tvar sebepodobnej fraktálnej krivky. Autor si svoj objav nechal patentovať a založil spoločnosť na vývoj a dizajn fraktálnych antén Fractal Antenna Systems, oprávnene veril, že v budúcnosti sa vďaka jeho objavu budú môcť mobilné telefóny zbaviť objemných antén a stať sa kompaktnejšími. 
V zásade sa tak stalo. Pravda, Nathan dodnes vedie právnu bitku s veľkými korporáciami, ktoré nelegálne využívajú jeho objav na výrobu kompaktných komunikačných zariadení. Niektorí známi výrobcovia mobilných zariadení, ako napríklad Motorola, už uzavreli priateľskú dohodu s vynálezcom fraktálnej antény.
PS: Predvídajúc otázky, ktoré na túto tému vyvstanú, predpokladám, že nie efektívnu prácu takéto antény. Fyziku a prírodu neoklameš. Akékoľvek skrútenie a zmenšenie veľkosti antény spôsobuje zníženie jej účinnosti. Tento druh antén a z nich vyrobených systémov je možné použiť pri pomerne vysokých frekvenciách a v prípade potreby ich miniaturizáciu. Toto sa už používa v mobilné telefóny, rezonátory na mikroobvodoch, dosky plošných spojov a tak ďalej.
Nemôžete tu očakávať vysokú účinnosť, ale budú pracovať v stiesnených podmienkach a už fungujú.
